干旱區(qū)引水渠道滲漏補(bǔ)給能力實(shí)驗(yàn)研究

王 琴

(新疆水文水資源局，新疆 烏魯木齊830000)

作為一種水資源開發(fā)利用戰(zhàn)略，當(dāng)前世界上許多國家都在致力于地下水人工補(bǔ)給的應(yīng)用和研究［1］，開展這項(xiàng)工作已有30年以上的歷史，中國地質(zhì)調(diào)查局在部分地區(qū)開展了近20年實(shí)施的含水層人工補(bǔ)給工程，地下水與地表水聯(lián)合調(diào)蓄在水資源可持續(xù)利用方面產(chǎn)生了效果［2］。因各種原因，大多數(shù)學(xué)者的研究內(nèi)容僅局限在補(bǔ)給過程中的淤積(塞)試驗(yàn)、補(bǔ)給效率試驗(yàn)和巖土層的凈水機(jī)理等方面，雖取得了一些認(rèn)識(shí)，但實(shí)踐中繼續(xù)解決的一些針對理論研究的試驗(yàn)開展的很少，地下水人工補(bǔ)給試驗(yàn)進(jìn)展緩慢［3］。

而完善地下水人工補(bǔ)給的定量計(jì)算方法需要大量試驗(yàn)研究來支撐，本文探索了以滲渠為手段的人工補(bǔ)給形式，為臺(tái)蘭河地下水庫人工補(bǔ)給尋找快速高效、經(jīng)濟(jì)可行并且能夠長期運(yùn)行的地下水人工補(bǔ)給方案奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)背景

臺(tái)蘭河流域位于阿克蘇地區(qū)溫宿縣境內(nèi)，由于河流地表水主要為冰雪消融水補(bǔ)給，時(shí)空分配極不均勻，春旱嚴(yán)重，夏洪成災(zāi)。由于山區(qū)工程地質(zhì)條件差，無良好的修建山區(qū)控制性地表水庫的地質(zhì)條件。通過收集前人資料，并對流域進(jìn)行水文地質(zhì)測繪、水文地質(zhì)物探、鉆探、試驗(yàn)等工作，查明了臺(tái)蘭河流域地下水儲(chǔ)水構(gòu)造、含水層特征、地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件。在沖洪積扇下游一帶提出建設(shè)地下水庫，修建“橫坎兒井”式集水系統(tǒng)，利用地形坡度實(shí)現(xiàn)自流引水的新途徑［4］。依托水利部2009年公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目－干旱區(qū)地下水庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究，隨著大口井加輻射井試驗(yàn)的成功，為“橫坎兒井”式集水系統(tǒng)提供了技術(shù)保證。洪水季節(jié)在地下水庫上游人工回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了滲渠、滲池、“壟溝式”滲水池、系列梯級淺槽式滲水池、河道、滲井等人工補(bǔ)給實(shí)驗(yàn)，以增大地下水人工補(bǔ)給量。本文重點(diǎn)說明滲渠人工回補(bǔ)實(shí)驗(yàn)情況。

2 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

地下水人工補(bǔ)給實(shí)驗(yàn)區(qū)地層巖性以第四紀(jì)卵礫石夾漂石、砂卵礫石、砂礫石為主，據(jù)物探電測資料，該層厚200～250 m。地下水埋深20～30 m，為單一結(jié)構(gòu)的潛水。含水層顆粒粗，透水性好，滲透系數(shù)為28.8 m/d。

臺(tái)蘭河河水為地下水庫補(bǔ)給水源，臺(tái)蘭河水量比較豐富，多年平均徑流量達(dá)到7.498×108m3，但是徑流年內(nèi)分配不均，6月至9月徑流量占年徑流量的80.0%，非灌溉期、洪水期河道余水較多。根據(jù)2010年6月22日渠水水樣分析，泥沙含量達(dá)到3.267 2 g/L，泥沙含量中粒徑小于0.005 mm的粘土含量占40%，粒徑0.005～0.05 mm的泥土含量占44%，粒徑大于0.05 mm沙含量只占16%。

3 實(shí)驗(yàn)方法

《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288－99)中，渠道采用干砌石防滲允許最大滲漏量0.2～0.4 m3/(m2·d)，渠道采用混凝土預(yù)制鋪砌防滲允許最大滲漏量0.06～0.17 m3/(m2·d)，渠道防滲形式采用前者，其滲漏量為后者的2.6倍。新疆一般缺水季節(jié)主要在春秋兩季，夏季不缺水，如果地下水庫庫區(qū)的渠道施行下部混凝土板防滲、上部干砌石防滲，在夏季洪水期，可以增加地下水的補(bǔ)給量，見圖1。臺(tái)蘭河河水懸浮物含量大，將會(huì)對干砌石及其下覆地層產(chǎn)生堵塞，采用實(shí)驗(yàn)的方法，實(shí)測單位面積損失水量，分析論證采用現(xiàn)有引水渠結(jié)構(gòu)改造增滲法的可行性。

在臺(tái)蘭河山前傾斜平原中上部，選擇兩條不同防滲類型的渠道進(jìn)行渠道損失實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于古木別孜背斜以南，314國道以北，地層巖性為戈壁礫石，據(jù)物探電測資料，地下水埋深10～60 m。

圖1 現(xiàn)有引水渠結(jié)構(gòu)示意圖

第一實(shí)驗(yàn)渠段選擇在東一干渠上段，上斷面位于東風(fēng)二閘沿渠向下游200m處，下斷面位于佳木三大隊(duì)渠分水閘上游20 m處。上下斷面之間距離5.10 km。防滲類型為完好的漿砌石防滲，見圖2。

圖2 東一干渠防滲情況照片

第二實(shí)驗(yàn)渠段選擇在東二干渠上段，上斷面位于東風(fēng)二閘沿渠向下游230 m處，下斷面位于蘭桿村渠道分水閘上游40 m處。上下斷面之間距離4.34 km。防滲類型為年久失修的漿砌石防滲，見圖3。

為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，選擇流量穩(wěn)定、上下斷面之間沒有引水的時(shí)段實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程中，測流斷面位置固定，測驗(yàn)方法、人員、儀器都保持不變。

實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)測上下斷面渠道水位，測驗(yàn)斷面流量，建立各斷面水位流量關(guān)系，通過水位過程線建立流量過程線，選擇合適的計(jì)算時(shí)段，計(jì)算上下斷面間損失水量。為了減少槽蓄影響，提高實(shí)驗(yàn)精度，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，最好是選擇一個(gè)流量十分穩(wěn)定的時(shí)段。實(shí)驗(yàn)中在東一干渠、東二干渠分別實(shí)測流量16份、18份。

圖3 東二干渠防滲情況照片

4 結(jié)果分析

東一、東二干渠實(shí)測斷面水位過程線見圖4、圖5。上、下斷面水位變化趨勢是一致的，選擇流量穩(wěn)定的時(shí)段計(jì)算上下斷面間損失水量，見表1。

圖4 東一干渠上、下斷面水位－時(shí)間圖

圖5 東二干渠上、下斷面水位－時(shí)間圖

東一干渠計(jì)算時(shí)段上斷面平均流量2.712 m3/s，下斷面平均流量2.557 m3/s，斷面間損失流量 0.155 m3/s，平均每公里損失流量0.030 m3/s，單位面積(水面以下襯砌面積)損失水量0.53 m3/m2·d。采用下式計(jì)算單位渠長損失率:

式中:φ為單位渠長損失率;Q上為上游斷面流量(m3/s);Q下為下游斷面流量(m3/s);L為上下斷面間渠段長度(km);

東一干渠實(shí)驗(yàn)渠段單位渠長損失率0.011。

東二干渠計(jì)算時(shí)段上斷面平均流量0.928 m3/s，下斷面平均流量0.769 m3/s，斷面間損失流量 0.158 m3/s，平均每公里損失流量0.036 m3/s，單位渠長損失率0.042，單位面積損失水量0.74 m3/m2·d，見表1。

表1 渠道損失成果表

東一干渠、東二干渠均為漿砌石襯砌防滲，東一干渠是主要干渠，質(zhì)量相對較好，東二干渠建設(shè)時(shí)間較早，損壞比較嚴(yán)重，東二干渠單位面積損失水量較東一干渠多40%。實(shí)驗(yàn)時(shí)，兩個(gè)干渠水道斷面面積接近，損失流量接近，單位面積損失水量也比較接近，但是單位渠長損失率相差3.8倍。單位面積損失水量與渠道襯砌效果、水面以下襯砌面積有關(guān)系，是直接反映襯砌效果的指標(biāo)，與斷面流量沒有直接關(guān)系。單位渠長損失率主要反映斷面流量損失與渠長的關(guān)系，與斷面流量關(guān)系緊密，斷面間損失流量一定時(shí)，渠道斷面流量越大，單位渠長損失率越小。

5 結(jié)語

按照實(shí)測結(jié)果，年久失修的漿砌石襯砌渠道，單位面積損失水量可達(dá)0.53～0.74 m3/m2·d，較混凝土預(yù)制鋪砌防滲單位面積損失水量(《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288－99)中，渠道采用混凝土預(yù)制鋪砌防滲允許最大滲漏量 0.06 ～0.17 m3/m2·d)多 0.47 ～0.57 m3/m2·d。假如斷面襯砌長度8m的渠道，采用下部(5m)采用混凝土板襯砌、上部(3 m)采用干砌石襯砌，1 km長的渠道可以增加滲漏量1 410～1 710 m3/d，合 16.9～20.5×104m3/a(洪水期按120 d計(jì)算)。由此分析，引水渠道采用下部混凝土板防滲、上部干砌石防滲以增加渠道滲漏量的人工補(bǔ)給地下水方式是可行的。不足之處為在實(shí)驗(yàn)區(qū)域內(nèi)未安裝地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測地下水位的變化，真正補(bǔ)給地下水的量無法量化，建議在今后的工作中能夠加強(qiáng)。

［1］戴長雷.地下水人工補(bǔ)給影響因素探究［J］.廣東水利水電.2003，6:42－50.

［2］韓再生.為可持續(xù)利用而管理含水層補(bǔ)給－第四屆國際地下水人工補(bǔ)給會(huì)議綜述［J］.地質(zhì)通報(bào).2003(22)，2:142－143.

［3］張學(xué)真.地下水人工補(bǔ)給研究現(xiàn)狀與前瞻［J］.煤田地質(zhì)與勘探.2006(34)，4:41－44.

［4］鄧銘江，李濤，馬長惠，等.臺(tái)蘭河山前地下水開發(fā)新途徑［J］.水資源保護(hù).2011(27)6:41－43.