坎兒井出水量影響因素的數值模擬分析

馬曉菲，杜明亮，劉小煜，朱豫魯

(1.新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆水利工程安全與水災害防治重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830052)

地下水資源是干旱-半干旱地區十分關鍵的生態環境因子，其影響著當地人民社會和經濟的發展。而坎兒井是吐魯番市地下水資源的最主要來源之一[1]。隨著吐魯番市灌溉面積不斷擴張，該區域需水量也日益增長，加之該區域地表水資源分布不均，導致該區域過度開發利用地下水，最終致使該區域地下水位持續下降，灌區與荒漠區之間生態植被退化，荒漠化問題日益突出[2-7]。同時由于地下水位的快速下降，使得坎兒井不斷干涸。據吐魯番市水利局水科所最新一次的調查統計，吐魯番市的坎兒由1957年的1 237條，減少到只有214條，平均每年減少坎兒井約18條。坎兒井衰減速率過快已經引起當地相關部門的重視，并開始采取相應的保護和治理措施[8-13]。

現以吐魯番市為研究區，在已有地質、水文地質資料和長期觀測資料的基礎上，采用數值模擬方法建立適用于吐魯番市的地下水流數值模擬模型，利用該模型對影響坎兒井出水量各因素進行計算分析，并進行了定量評價，該結果可為坎兒井相關研究提供理論依據，同時也可為坎兒井的保護和恢復提供實際參考價值。

1 研究區概況

吐魯番市位于烏魯木齊以東、哈密市以西的吐魯番盆地內。地理坐標為北緯41°12′～43°40′，東經87°16′～91°55′。吐魯番市北部為博格達山，海拔3 500～4 000 m，南部為覺羅塔格山，海拔600～1 500 m。盆地中部為火焰山和鹽山，二者將吐魯番盆地分為北盆地和南盆地。北盆地為山前沖洪積平原，地面以較大的傾斜度向南傾斜，傾斜斜率約為0.045。南盆地為沖積細土平原，地勢低洼，坡降相交北盆地較小，海拔在10～110 m之間。

由于地質構造的作用，火焰山及鹽山在盆地內部隆起，相應的北盆地和南盆地水文地質單元也有較大的不同。根據前人的相關水文物探工作成果表明，南部和北部盆地都分布著第四系沉積物，厚度為200～700 m，地下水資源豐富，水文地質剖面如圖1所示，其中：

圖1 吐魯番市水文地質剖面圖

北盆地從北向南，地下水埋藏深度由大到小變化。在600 m高程附近，地下水的埋藏深度約為100 m。往南2～4 km，地下水埋藏深度約為50 m。在火焰山地區附近，地下水的埋藏深度迅速減小，在連木沁溝、勝金溝、葡萄溝等火焰山缺口帶處，地下水以泉水的形式從地下露頭。北盆地地下水類型主要是潛水，承壓水僅分布在火焰山附近。

南盆地從北向南，地下水的埋藏深度也是由大到小變化。地下水埋藏深度大于50 m的區域主要是在火焰山南部一帶；地下水埋藏深度大于10～30 m的區域主要分布在南盆地的中部，例如鄯善縣魯克沁鎮、吐峪溝鄉、二堡鄉、三堡鄉等；地下水埋藏深度小于10 m的區域主要分布在南盆地南部靠近艾丁湖的部分區域。

2 數值模型

根據吐魯番市水文地質資料，建立該區域的水文地質概念模型。本次模型共建立三層：上部為潛水含水層，中部為潛水、承壓水混合含水層，下部為承壓水含水層。對模型進行500×500 m網格剖分，南北向劃分為212行，東西向劃分為619列，共131 228個網格區域，根據邊界條件將部分區域設置為無效單元，計算范圍為有效單元，有效區單元數為48 813個。

吐魯番市的主要補給來源為山前側向和地表補給量，其中地表補給量主要為降雨入滲量、河道和渠系滲漏量、田間入滲量、庫塘入滲量以及井灌回歸補給量。用通用水頭邊界對山前側向補給量進行賦值模擬；用River模塊對河道滲漏補給進行模擬；用Recharge模塊模擬面狀補給量。

吐魯番市主要排泄量為潛水蒸發蒸騰量、人工開采量、坎兒井排泄及泉水溢出。采用Well模塊模擬人工開采量；采用Evapotranspiration模塊模擬潛水蒸發蒸騰量；使用Drain模塊模擬坎兒井排泄量及泉水溢出量，見圖2所示。

圖2 數值模型概化圖

3 結果分析與討論

3.1 坎兒井結構設計與出水量關系

3.1.1 坎兒井斜率與出水量關系

坎兒井的斜率會影響坎兒井與地下水位相交的位置，進而影響坎兒井的出水量。根據計算結果坎兒井出水量隨著其斜率的減小而增大，尤其是在坎兒井斜率減小到0.003后，其相對出水量變化驟然加大，由2.37×104m3增加到7.03×104m3(見表1和圖3)，但考慮坎兒井施工水平和地下水自流因素，一般坎兒井斜率不會比0.003小太多。

表1 坎兒井斜率與出水量關系表

圖3 坎兒井斜率與出水量變化關系曲線

3.1.2 坎兒井井徑與出水量關系

增加坎兒井井徑意味著可以增加坎兒井的過水斷面面積，相應也會增加坎兒井的出水量。計算結果表明隨著坎兒井的井徑的不斷增大，從0.2 m增加到1 m，其出水量略有增加，由21.51×104m3至21.62×104m3(表2和圖4)，但總體變化不大，可認為井徑的變化對坎兒井出水量影響不大。

圖4 坎兒井井徑與出水量變化關系曲線

表2 坎兒井間距與出水量關系表

3.1.3 坎兒井間距與出水量關系

在一定范圍內若存在多條坎兒井，它們會不均等地分配地下入滲補給水以及地下水徑流量，以至于出現不同的坎兒井出水量不一的現象，因此進行計算分析。分析結果表明：坎兒井的出水量隨著井間距的減小而減小。當井間距介于200～500 m之間，坎兒井出水量的變化比率最大；當井間距大于1 km時，其出水量變化比率值很小(表3和圖5)，其對坎兒井的影響可以忽略不計。

表3 坎兒井間距與出水量關系表

圖5 坎兒井間距與出水量關系曲線

3.2 水文地質參數與出水量的關系

3.2.1 滲透系數與出水量關系

滲透系數反映含水層透水性能，會影響地下水量和水位的相應變化。根據分析結果，坎兒井的出水量隨著水平滲透系數的不斷增大，出現先增大后減小的現象，并在水平滲透系數達到1 m/d時，坎兒井的出水量達到最大，最大值為56.34×104m3(表4和圖6)；滲透系數增大時，坎兒井出水量減小，主要由于滲透系數增大，從而引起地下水位下降。

表4 滲透系數與出水量關系表

圖6 水平滲透系數與出水量關系曲線

3.2.2 給水度與出水量關系

給水度反映含水層的給水能力，該參數會直接影響坎兒井的出水量。根據分析結果，當給水度從0.01變化到0.2時，坎兒井出水量從16.17×104m3增加到36.98×104m3，二者呈正相關關系(表5和圖7)。

表5 給水度與出水量關系表

圖7 給水度與出水量關系曲線

3.3 地表水體入滲與出水量關系

吐魯番市地表水體入滲補給量主要包括降雨入滲量、渠系入滲量、田間入滲量、地表河流入滲量以及井灌回歸補給量，吐魯番市降雨量稀少，該項可以忽略不計。分析結果表明，地表水體入滲量越多，坎兒井的出水量越大；但灌溉入滲量的變化值遠比坎兒井出水量的變化值大得多，當灌溉入滲量由9.12×104m3增加到456.25×104m3，坎兒井出水量僅僅變化了10.62×104m3(表6和圖8)，說明灌溉入滲量對坎兒井出水量雖有影響，但是影響相對并不大。

表6 灌溉入滲量與出水量關系表

圖8 地表水體入滲量與出水量關系曲線

3.4 地下水變化與出水量關系

3.4.1 側向補給量與出水量關系

側向補給量作為山區進入平原區的不重復補給量，在吐魯番市地下水補給量中占有一定的比例，而側向補給量隨著山區降雨入滲量隨季節變化，因此也會對坎兒井出水量產生一定的影響。分析結果表明，側向補給量與坎兒井出水量呈正相關關系(圖9)，但是由于側向補給量占總補給量的比例不大，所以從總體上看對坎兒井出水量的影響并不大，表7表明側向補給量從16.31×104m3增加到90.61×104m3，坎兒井出水量只變化了2.3×104m3，因此側向補給量對坎兒井出水量的影響較小。

表7 地下水變化與出水量關系

圖9 側向補給量與出水量關系

3.4.2 機井與出水量關系

機井對坎兒井出水量的影響主要表現在以下兩個方面：其一是機井的抽水量越大，在吐魯番市這樣水資源匱乏的城市，當開采量大于可開采量時，會造成地下水位持續下降，進而導致坎兒井出水能力大幅下降甚至干涸。根據分析結果，當機井抽水量增加206%時，坎兒井出水量減小39%(表8)，二者呈線性相關的關系，見圖10。

表8 機井抽水量與坎兒井出水量關系表

圖10 機井抽水量與出水量關系曲線

其次，機井和坎兒井之間的距離也會影響坎兒井的出水量，機井離坎兒井集水段的距離越近，坎兒井集水段附近的地下水位越低，進而坎兒井的出水量越小。根據分析結果，集水段的機井距離坎兒井越遠，坎兒井的出水量越大，當距離大于1 km時，對坎兒井的出水量沒有影響。如果機井在輸水段，無論距離遠近都對坎兒井出水量影響不大，具體見表9和圖11。

表9 機井、坎兒井距離與坎兒井出水量關系表

圖11 機井抽水量與出水量關系曲線

4 結語

(1)影響坎兒井出水量的主要因素可歸納概括為坎兒井結構、水文地質參數、地表水體入滲以及地下水變化四個方面。對坎兒井出水量的影響由大至小依次為：坎兒井結構、地下水變化、水文地質參數、地表水體入滲。

(2)坎兒井結構設計中對出水量影響較大的主要是坎兒井斜率和坎兒井間距。坎兒井斜率在0.003附近時對出水量影響最為顯著。坎兒井間距在1 km以上時，對出水量幾乎沒有影響。

(3)水文地質參數對出水量影響較大的主要是給水度和滲透系數。給水度與坎兒井出水量呈正線性相關關系。滲透系數小于1 m/d時與出水量呈正相關關系，大于1 m/d時與出水量呈負相關關系。

(4)地表水體入滲對出水量影響較大的主要是地表水體入滲補給量。地表水體入滲量增加，坎兒井出水量也會相應增加，二者呈線性相關關系。但入滲量對坎兒井出水總量的影響相對并不大。

(5)地下水變化對出水量影響較大的因素依次為機井位置、機井抽水量以及側向補給量的變化。機井位于坎兒井集水段時對坎兒井出水量影響最大，但距離大于1 km時幾乎沒有影響。機井抽水量、側向補給量與坎兒井出水量呈正線性相關關系。