叶尔羌河下游水电梯级开发对河谷段地下水环境的影响

金英春

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830091)

1 概况

叶尔羌河位于新疆维吾尔自治区西南部，发源于喀喇昆仑山北麓，由南西向北东径流，是塔里木河流域主要源流之一，河流全长约1289km。

叶尔羌河下游水电梯级开发河谷段，地处喀喇昆仑山北麓叶尔羌河中下游的阿尔塔什水库下游—喀群拦河闸段，全长37.41km，天然落差161m，河段平均坡降4.0‰。水电梯级开发方案为:錾高引水式电站+恰木萨引水式电站+亚贝西引水式电站 (见图1)。该河谷段地貌单元主要为昆仑山北麓剥蚀构造低山丘陵区、堆积平原区、山前冲洪积倾斜平原区。河谷宽1000～3500m，河床宽200～1000m。河床两岸发育Ⅰ～Ⅳ级阶地，Ⅰ级阶地宽100～1000m，阶地面多为耕地、灌木及低矮植被，覆盖度一般在15%～30%左右。Ⅱ级阶地宽100～300m，阶地面局部为耕地、灌木及低矮植被，覆盖度一般在5%～15%左右。

为了确保水电梯级开发实施后，该河谷段脆弱的生态环境不遭受破坏和较大的影响，在查明现状河谷段水文地质条件的基础上，对该河谷段建立地下水数学模型，预测水电梯级开发方案建成运行后对河谷段地下水位的影响。

图1 河谷段各梯级电站开发方案示意图

2 河谷段水文地质条件

2.1 地下水的赋存与分布

叶尔羌河下游河谷段左右岸阶地及河床第四系松散沉积层厚40～80m，且自上游到下游逐渐变厚，颗粒由粗变细，河漫滩及Ⅰ级阶地为第四系全新统冲积卵砾石层，表层多为耕地。河流Ⅱ～Ⅲ阶地段上部为第四系全新统冲洪积低液限粉土，厚0.5～2.0m，下部为第四系全新统冲洪积松散卵砾石层及上更新统冲洪积松散卵砾石层。河漫滩地带地下水位较浅，一般地下水位埋深0.5～2.0m，Ⅰ～Ⅱ级阶地区地下水位埋深多为2.0～6.0m，Ⅲ级阶地地下水位埋深多为10～25m，地下水层均属孔隙潜水含水层。受阶地两岸居民区和农业灌溉的影响，两岸阶地地下水下补给河水。

2.2 地下水的补给、径流与排泄

河谷段南北两岸基岩山区形成的基岩裂隙水向河谷径流补给河谷区，在河流两岸阶地段以泉水的形式溢出地表补给河水，或在河谷地面以下补给河谷潜流。河谷两岸冲积平原区内由农业引水灌溉入渗补给地下水。河谷段地面以下第四系冲积层中地下水以潜流的形式由西向东径流补给各坝、闸址断面。河水在河床中的沿途渗漏补给地下水。近河道河水位与两侧地下水关系为洪水期河水位高于地下水位，河水补给地下水，枯水期河水位低于地下水位，地下水补给河水。

河谷段南北两岸基岩山区形成的基岩裂隙水沿河谷两岸向河谷径流排泄。地下水径流沿河谷区第四系冲积层由西向东径流排泄。以泉水的形式径流排泄。此外则为河谷区地下水浅埋区的潜水蒸发、河谷冲积平原区植被的蒸腾蒸发 (包括作物腾发和河谷林草地腾发)。

2.3 地下水动态

据河段下游喀群水文站观测资料，河水位每年自12月份到次年4月份变化不大，河水位变化幅度一般在23cm左右。从4月底开始，随着河流径流量的增大，河水位逐渐上升，到8月份达到最大。从8月底开始，随着河流径流量的减小，河水位逐渐回落，到11月底基本达到平稳。河水位年变幅为2.27m左右。河谷内地下水水位基本上随着河水位的变化而变化，但河谷内各断面逐月地下水水位的变幅最大不超过该断面河道河水位的变幅。河谷内地下水水位的年内变幅远小于2.27m。

3 水电梯级开发河谷段地下水数学模型

在前期水文地质资料调查的基础上，对梯级开发方案河谷段划分均衡计算区建立地下水数学模型，以定量或定性地分析梯级开发方案实施后，对该河段河谷地下水环境的影响。

3.1 含水层结构概化

均衡计算区地处叶尔羌河河谷中，与周边中低山区地形地貌及堆积物有明显的区别，可综合归属为一个独立的水文地质单元。区内含水层在河床中自上而下为第四系全—上更新统冲积卵砾石层;在河谷两侧分布冲洪积扇，由上到下依次为第四系全新统冲洪积碎石土层、冲积卵砾石层及第四系上更新统冲积卵砾石层。含水层岩性不均一，为非均质含水层，其非均质性用含水层参数分区概化处理。根据勘探试验获取的参数系列值做成含水层参数分区图，以其给出的各区参数均值作为数值计算的初值，经模型调试和识别，最终将试验参数系列转化为模型参数系统。由于浅层与深部含水层之间存在较好的水力联系，因此将计算区含水层概化为与地表水有密切水力联系的单层各向同性平面二维渗流的潜水含水层。

根据对模型范围内水文地质条件的分析，现有条件下，模拟区主要接受侧向补给 (包括基岩裂隙水和河谷潜流补给量)和田间灌溉水入渗补给，以及少量降水入渗补给，对概念模型的概化如图2所示。

图2 模拟区地下水数值模型概化图

3.2 地下水数学模型

据上述条件概化，计算区地下水运动可用以下数学模型来描述:

h(x，y，o)=ho(x，y)(水位初始条件)

式中 h——含水层水位，m; h0(x，y)——含水层初始水位，m;

Zb——含水层底板高程，m; K——含水层渗透系数，m/d;

T——含水层导水系数，m2/d; μ——含水层给水度;

Wb——含水层综合补给强度 (包括河水渗漏补给与灌溉渗漏)，m/d;

Γ3——变流量边界; α2——变流量边界流量衰减系数;

q0——变流量边界初始流量，m3/d;Qi——开采井流量，m3/d。

该数学模型用Processing Modflow通用地下水模拟程序进行计算。

4 水电梯级开发现状年与实施后河谷段地下水水量变化与分析

(1)现状年河谷段地下水总补给量为0.4729亿m3/年，实施年为0.5253亿 m3/年，相差0.0524亿m3/年。主要原因在于錾高水库建成运行以后，由于水库蓄水，河水位壅高，河床潜流量增加。在现状年，河谷段的地下水总排泄量为0.5139亿m3/年，实施年为0.5505亿m3/年，相差0.0366亿 m3/年。地下水排泄量增加，是因为河谷段腾发量增大，腾发量增大是因为恰木萨水库建成以后，水库水域面积增大约3.3km2，河谷段水面蒸发量也随之增大，同时河水位下降，两岸地下水会对河流补给量有一定增加。

(2)现状年河谷段的灌溉入渗补给量为0.1033亿m3/年，实施年为0.0983亿m3/年，相差0.005亿m3/年，基本保持不变。

(3)现状年河谷段腾发量为0.2252亿m3/年，实施年为0.2416亿 m3/年，相差0.0164亿 m3/年，恰木萨水库建成运行以后，由于水库水面积增加约3.3km2，河段水面蒸发量也随之增大，比现状年河道蒸发量增加。由于整个河谷段的河道地表水水量减少，地下水水位也有所下降，因此潜水蒸发量会有一定的减少。但由于水面蒸发量的增加量远大于潜水蒸发量的减少量，因此模拟区的蒸发量表现为增加了0.0164亿m3/年。

(4)现状年河谷段的侧向流出量为0.1543亿m3/年，实施年为0.1541亿m3/年，基本不变。

(5)现状年河谷段5至8月，河流对地下水渗漏补给量为0.1240亿m3/年，9月至次年4月地下水对河流的补给量为0.1344亿m3/年，在全年中总趋势是两岸地下水补给河水，补给量为0.0104亿m3/年。在实施年河谷段5至8月，河流对地下水渗漏补给量为0.1145亿m3/年，9月至次年4月地下水对河流的补给量为0.1548亿m3/年，在全年中总趋势是地下水补给河水，补给量为0.0403亿m3/年。水电梯级开发建成运行后河谷段5～8月，河流对地下水的补给量减少了0.0095亿m3/年，9月至次年4月地下水对河流的补给量增加了0.0204亿m3/年。

5 水电梯级开发现状年与实施后河谷段地下水水位变化及分析

(1)錾高上坝址—恰木萨闸址河段。该段河道长度约14.4km，水电梯级开发实施后，錾高坝址下游将形成长度约11.7km的减少水量河段。由于恰木萨水库蓄水，闸址上游河谷库水位壅高，河谷上游沿河床两岸回水至1550m高程，回水段河道长度约2.7km。

该段河谷两侧坡地多被砾石覆盖或为裸岩，无植被发育，两岸河流阶地多为人工绿洲灌区。该段河谷较为宽阔，两岸河流阶地较发育，河道支汊、心滩较多，相对蜿蜒曲折，河漫滩较为发育。部分河漫滩及心滩上野生植被发育稀疏，植被覆盖度在5%左右，最大为30%。该段河谷河漫滩地带地下水埋深一般为0.5～2.0m，Ⅰ级、Ⅱ级阶地区地下水埋深多为1.0～6.0m，Ⅱ级以上阶地区地下水埋深多为6～25m。

通过数值模拟，錾高上坝址—喀群拦河分水枢纽河段河谷，在实施年1月、6月和8月地下水埋深小于1m的区域分别减少4.18km2、7.78km2和5.63km2;而地下水埋深范围在1～3m的范围分别增加2.92km2、7.19km2和5.22km2;地下水埋深范围在3～6m、6～10m以及大于10m的面积的变化则较小。因此，在整个模拟区实施年地下水水位在埋深小于3m区，总体趋势是下降的，但是下降的程度不大。1月、6月、8月地下水埋深小于1m区域的面积减小的部分，绝大多数都转化为地下水埋深范围在1～3m的面积之内。

由数值模拟分析成果可知，在水电梯级开发实施后，錾高坝址—恰木萨闸址河段河谷在地下水埋深小于3m区，地下水位年下降值平均为0.25～0.75m;在地下水埋深3～6m区，地下水水位下降小于0.20m;在埋深大于6m区，地下水位基本保持不变。地下水位下降值:距河道愈近则愈大，距河道愈远则愈小。恰木萨闸址由于蓄水导致水位壅高，其相应的回水区两侧地下水位还会有所升高。

由于河谷内河道两侧及河漫滩区地下水埋深较浅(小于2m)，实施年地下水埋深小于1m的区域减少的面积较小，地下水位年内只下降了0.25～0.75m，地下水埋深1～3m区面积反而增大，地下水埋深大于3m区面积基本无大的变化。

(2)恰木萨闸址—喀群拦河分水枢纽河段。该段河道长度约26.85km，水电梯级开发实施后，恰木萨闸址下游将形成长度约25.71km的减少水量河段。该段河谷两侧坡地多被砾石覆盖或为裸岩，无植被发育，两岸河流阶地多为人工绿洲灌区。该段河谷较为宽阔，两岸河流阶地较发育，河道支汊、心滩较多，相对蜿蜒曲折，河漫滩较为发育。部分河漫滩及心滩上野生植被发育稀疏，植被覆盖度在5%左右，最大为30%。该段河谷河漫滩地带地下水位较浅，一般地下水埋深为0.5～2.0m，Ⅰ级、Ⅱ级阶地区地下水埋深多为1.0～6.0m，Ⅱ级以上阶地区地下水埋深多为6～25m。

由数值模拟分析成果可知，在水电梯级开发实施后，该河段河谷在地下水埋深小于3m区，地下水位年下降值平均为0.40～0.70m;在地下水埋深3～6m区，地下水位下降小于0.40m;在地下水位埋深大于6m区，地下水位基本保持不变。由于规划河段河谷内河道两侧及河漫滩区地下水埋深较浅 (小于2m)，规划年地下水埋深小于1m的区域减少的面积较小，上述两段河谷地下水位年内分别只下降了0.25～0.75m和0.40～0.70m，地下水埋深1～3m区面积反而增大，地下水埋深大于3m区面积基本无大的变化。

6 水电梯级开发对河谷段地下水环境影响评价

(1)模拟区位于喀喇昆仑山低山丘陵区河段，该河谷段既是地表水也是地下水的排泄通道。錾高坝址—恰木萨闸址—亚贝西亚贝西闸址河谷段河床基底为第三系泥岩、砂岩，基底上部为第四系冲积砂卵砾石层。第四系冲积层表层为全新统冲洪积砂卵砾石层，下层为中更新统冲洪积砂卵砾石层，将含水层厚度概化为50～80m。

(2)通过数值模拟，河谷段现状年地下水总补给量为0.4729亿m3/年，地下水总排泄量为0.5253亿m3/年，其中包含了河道水面蒸发的部分。现状年数值模拟水均衡结果基本与常规水均衡结果相同。

(3)通过数值模拟，河谷段各梯级开发实施年1月、6月和8月地下水埋深小于1m的区域分别减少4.18km2、7.78km2和5.63km2;地下水埋深1～3m的范围分别增加2.92km2、7.19km2和5.22km2;而地下水埋深3～6m、6～10m和大于10m的范围变化较小，因此，在规划年整个模拟区地下水水位埋深小于3m的区域总体趋势是下降的，但下降的幅度不大。1月、6月、8月地下水埋深小于1m区域面积减小的部分，绝大多数都转化为地下水埋深在1～3m的区域之内。

⑷通过数值模拟，在河谷段各梯级开发实施以后，在錾高坝址—恰木萨闸址段河谷段，地下水埋深小于3.0m的区域，水位年平均下降值为0.25～0.75m;地下水埋深3～6.0m的区域，水位年平均下降值小于0.2m;地下水埋深大于6.0m的区域，地下水位基本保持不变。恰木萨闸址—喀群拦闸河谷段，地下水埋深小于3m的区域，水位年平均下降值为0.4～0.7m;地下水埋深3～6m的区域，水位年平均下降值小于0.4m;地下水位埋深大于6m的区域，地下水位基本保持不变。

由于现状年该河谷段河道两侧及河漫滩地下水埋深均小于2.0m，水电梯级开发实施后地下水埋深小于1.0m的面积减少较小，上述两段河谷地下水位年内分别只下降了0.25～0.75m和0.40～0.70m，地下水埋深1～3m的面积反而增大，地下水埋深大于3m的面积基本无大的变化。因此，水电梯级开发实施后该河谷段地下水蒸发量减少较小，对该河谷段生态环境影响较小。