開都河河道滲漏規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究

王 琴，王 智

(新疆水文局，新疆 烏魯木齊 830000)

經(jīng)查閱文獻(xiàn)[1-5]，在洪水預(yù)報(bào)中常常采用相應(yīng)水位法計(jì)算水流傳播時(shí)間，但將其用于河道滲漏規(guī)律研究并不多。本文利用此原理，開展開都河河道滲漏規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究。采用電子水尺監(jiān)測各計(jì)算斷面水位變化過程，用河道水量平衡法計(jì)算開都河河道滲漏規(guī)律研究，旨在總結(jié)出更符合新疆實(shí)際的河道損失水量的計(jì)算方法，對提高新疆地下水資源的評價(jià)精度具有重要意義。

1 基本情況

1.1 流域概況

開都河發(fā)源于天山山脈中部依連哈比爾尕山南坡，河源高山區(qū)終年積雪，有現(xiàn)代冰川840條[6]，流域高程3 600 m以上終年積雪。河流全長560 km[7]，出山口以上流域面積18 670 km2，多年平均徑流量35.18億 m3。主要大支流有：哈爾嘎特郭勒河、扎格斯臺河、察汗烏蘇河、賽日木河、依賽克河、阿仁山恨土海河山恨土海河。出山口經(jīng)大山口水文站，后流經(jīng)和靜縣、焉耆縣，后以東寶浪蘇木分為兩支，東支流入博斯騰湖[8]，見圖1。

圖1 開都河區(qū)域概況及測驗(yàn)斷面布置圖

1.2 水文地質(zhì)條件特征

開都河大山口水文站至該站下游7.9 km的小山口，為寬河谷基座階地，基座為第三紀(jì)泥巖、砂巖地層，河道滲漏量很少，可以忽略不計(jì)。小山口至第一分水樞紐段，為深切第三系河谷，地下水向兩側(cè)滲漏量不大。第一分水樞紐附近地下水埋深大于20 m，下游12 km的巴潤哈爾莫墩鄉(xiāng)地下水埋深小于5 m，河床巖性為卵礫石，砂礫石。自巴潤哈爾莫墩鄉(xiāng)以下，地下水埋深一般為2～3 m或3～5 m，地下水與河水之間補(bǔ)排交替頻繁，見圖2、圖3。自21團(tuán)大橋至寶浪蘇木，地形坡降很小，河床接近或高于附近地面，河流兩岸修建防護(hù)堤，見圖4。

圖2 哈爾莫墩南開都河河水與地下水補(bǔ)排關(guān)系剖面圖

圖3 烏拉斯臺農(nóng)場南開都河河水與地下水補(bǔ)排關(guān)系剖面圖 圖4 協(xié)比爾布呼鄉(xiāng)才開村以南開都河河水與地下水補(bǔ)排關(guān)系剖面圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

水量平衡法是計(jì)算河道損失量的常用方法之一，河道水位處于穩(wěn)定流狀態(tài)時(shí)，斷面間的損失水量為上、下斷面的水量之差；而處于非穩(wěn)定流狀態(tài)時(shí)，應(yīng)考慮相應(yīng)水位的傳播時(shí)間，在試驗(yàn)中采用電子水尺監(jiān)測各斷面水位傳播時(shí)間，用實(shí)驗(yàn)資料計(jì)算開都河河道損失水量，根據(jù)文獻(xiàn)[9]，洪水波的傳播速度近似等于斷面的平均流速，根據(jù)斷面間的河長，計(jì)算出斷面間的平均流速。

為了降低河槽調(diào)節(jié)作用的影響，提高實(shí)驗(yàn)精度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間段中應(yīng)包括多個(gè)水位或流量的變化周期，以便在實(shí)驗(yàn)時(shí)間段中選擇合適的計(jì)算時(shí)段。計(jì)算時(shí)段應(yīng)該為一個(gè)或多個(gè)完整變化周期，計(jì)算時(shí)段的流量及其變化過程，應(yīng)與該時(shí)段以前和以后時(shí)段的流量及其變化過程比較接近。

通過以上分析，河道損失量實(shí)驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：(1)監(jiān)測上、下斷面之間水位，分析水位變化規(guī)律；(2)計(jì)算上、下斷面之間水位沿河道的傳播速度；(3)選擇合適時(shí)間測驗(yàn)斷面流量，建立水位流量關(guān)系；(4)選擇合適計(jì)算時(shí)段，計(jì)算實(shí)驗(yàn)河段河道損失水量。

3 實(shí)驗(yàn)布置

3.1 實(shí)驗(yàn)河段的選擇及布置

21團(tuán)大橋斷面以上，引水口較少，只有第一分水樞紐和解放二渠臨時(shí)引水渠引水，后者近年來基本不引水。21團(tuán)大橋斷面以下有9個(gè)渠首、10個(gè)泵站引水，引水渠首均為無壩引水，泵站的計(jì)量設(shè)施也不完善，引水的計(jì)量誤差比較大。因此，將21團(tuán)以上至大山口水文站作為實(shí)驗(yàn)河段。非灌溉期，將實(shí)驗(yàn)河段延伸到寶浪蘇木分水樞紐。

開都河自出山口到博斯騰湖，根據(jù)測驗(yàn)條件，以測橋或公路橋?yàn)闇y驗(yàn)斷面，分別在大山口水文站、218國道大橋、21團(tuán)大橋、焉耆大橋、寶浪蘇木分水樞紐布置測驗(yàn)斷面(圖1)，每個(gè)測驗(yàn)斷面設(shè)置上比降水尺、下比降水尺、電子水尺，監(jiān)測河水位。采用流速儀法實(shí)測斷面流量。

3.2 實(shí)驗(yàn)時(shí)段的選擇

河流流量、河水水位、地下水位的變化都對河道滲漏產(chǎn)生明顯影響，為了比較準(zhǔn)確地反映這些影響，選擇豐水期、平水期、枯水期作為實(shí)驗(yàn)時(shí)段，分別計(jì)算出各時(shí)段損失水量，然后再推求全年損失水量。

第一時(shí)段：2009年6月21日至22日，大山口水文站流量176 m3/s，代表豐水期。

第二時(shí)段：2009年11月23日至12月5日，大山口水文站流量44 m3/s，代表枯水期。

第三時(shí)段：2010年5月23日至6月4日，大山口水文站流量125 m3/s，代表平水期。

第四時(shí)段：2010年8月11日至23日，大山口水文站流量271 m3/s，代表特豐水期。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 相應(yīng)水位的傳播時(shí)間

根據(jù)各斷面電子水尺記錄水位時(shí)間過程線，分析計(jì)算出各斷面間相應(yīng)水位傳播時(shí)間，見圖5～圖8。

大山口水文站至218國道斷面河長38.51 km，水位傳播時(shí)間4～5 h，平均流速2.14～2.67 m/s；218國道斷面至21團(tuán)大橋斷面河長46.94 km，水位傳播時(shí)間11～12 h，平均流速1.09～1.19 m/s；21團(tuán)大橋斷面至焉耆大橋斷面，河長18.00 km，水位傳播時(shí)間6 h，平均流速0.83 m/s；焉耆大橋斷面至寶浪蘇木斷面，河長12.64 km，水位傳播時(shí)間5 h，平均流速0.70 m/s。自上游到下游，河水流速逐漸降低。一般河水流量越大，平均流速越大，水位傳播時(shí)間越短。

4.2 斷面間損失水量

考慮到流量測驗(yàn)斷面的形狀受河水沖於影響而改變，不同時(shí)期斷面水位流量關(guān)系可能發(fā)生變化，每個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)段都進(jìn)行水位流量測驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)時(shí)段確定的水位流量關(guān)系只適用于該實(shí)驗(yàn)時(shí)段(3至5日)。在實(shí)驗(yàn)時(shí)段中，以日為計(jì)算時(shí)段，來分析計(jì)算時(shí)段的斷面間損失水量。為了降低河槽調(diào)節(jié)作用的影響，計(jì)算時(shí)段(以日為單位)以及該時(shí)段前一日、后一日的平均流量應(yīng)該比較接近。根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)段水位流量關(guān)系曲線，通過水位過程線，求出流量過程線，進(jìn)而求出各計(jì)算時(shí)段斷面的徑流量。采用河道水量平衡法計(jì)算各斷面間損失水量。

從實(shí)驗(yàn)時(shí)段計(jì)算成果表(表1)可以得出：大山口水文站至218國道斷面，枯水期、平水期地下水補(bǔ)給河水，豐水期河水補(bǔ)給地下水；218國道至21團(tuán)大橋斷面地下水補(bǔ)給河水，河道彎曲系數(shù)為1.74，河曲十分發(fā)育；21團(tuán)大橋斷面至寶浪蘇木斷面河水補(bǔ)給地下水。與彭秋燕[10]等研究得出在枯水期開都河河水與地下水補(bǔ)排界線一致。

表1 實(shí)驗(yàn)時(shí)段各計(jì)算斷面間損失水量計(jì)算成果表

4.3 全年河道損失水量

按照豐、平、枯三個(gè)時(shí)段河道損失水量占各計(jì)算斷面徑流量的比例，計(jì)算2009年、2010年、多年平均河道損失量。2009年開都河年徑流量37.864 7×108m3，河道引水量10.108 1×108m3，河道損失量5.425 9×108m3。2010年開都河屬豐水年，年徑流量43.419 2×108m3，河道引水量9.508 5×10 m3，河道損失量7.754 5×10 m3。

多年平均來水情況下，各斷面間逐月徑流量、引水量、河道損失量變化見圖9。開都河1956-2008年多年平均年徑流量35.180 0×108m3[11]，河道引水量11.824 9×108m3，河道損失量4.663 9×108m3。大山口水文站至218國道斷面河道損失水量為-0.332 9×108m3；218國道斷面至21團(tuán)大橋斷面河道損失水量為-3.891 0×108m3；21團(tuán)大橋斷面至焉耆大橋斷面河道損失水量為4.774 9×108m3；焉耆大橋斷面至寶浪蘇木斷面河道損失水量為4.113 0×108m3。總體來看，大山口水文站至21團(tuán)大橋河段，以地下水補(bǔ)給河水為主；21團(tuán)大橋至寶浪蘇木大橋河段，以河水補(bǔ)給地下水為主。

圖9 開都河各斷面之間逐月徑流量、引水量、損失量變化圖

5 結(jié)語

(1)大山口水文站至218國道斷面水位傳播時(shí)間4～5 h，平均流速2.14～2.67 m/s；218國道斷面至21團(tuán)大橋斷面水位傳播時(shí)間11～12 h，平均流速1.09～1.19 m/s；21團(tuán)大橋斷面至焉耆大橋斷面水位傳播時(shí)間6 h，平均流速0.83 m/s；焉耆大橋斷面至寶浪蘇木斷面，水位傳播時(shí)間5 h，平均流速0.70 m/s。

(2)開都河多年平均年徑流量35.180 0×108m3，河道引水量11.824 9×108m3，河道損失量4.663 9×108m3。大山口水文站至21團(tuán)大橋河段，以地下水補(bǔ)給河水為主；21團(tuán)大橋至寶浪蘇木大橋河段，以河水補(bǔ)給地下水為主。

(3)本文對開都河河道滲漏量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，工作量比較大，歷時(shí)比較長，深入研究了河道損失水量的計(jì)算方法，為新疆地下水資源的評價(jià)精度工作奠定了基礎(chǔ)，不足之處為：由于本次實(shí)驗(yàn)布置中未布設(shè)地下水觀測孔，沒有監(jiān)測到河水與地下水位的關(guān)系，沒有進(jìn)一步研究河道滲漏補(bǔ)給地下水的數(shù)量。建議在有條件時(shí)可以在各斷面垂直于河岸布設(shè)系列地下水觀測孔，與斷面處電子水尺觀測的河水水位建立聯(lián)系，更精確的定量研究河水與地下水的轉(zhuǎn)化，從而為開都河流域的開發(fā)利用給出合理的決策性建議。