台兰河河床渗漏能力实验研究

王 琴

(新疆水文水资源局，新疆乌鲁木齐830000)

地下水库是以实现水资源地下调蓄和实现地表水、地下水联合调度为目的，是地下水人工补给—地下储水—人工开采的统一体。地下水库的根本作用是在丰水期或用水量少的时候，将地表余水储存于地下，枯水期再将这部分储存量开采出来利用，同时为下一次储水腾出空间。地下水人工补给系统是地下水库的重要组成部分，地下水人工补给技术是地下水库建设的关键技术问题之一。

美国从19世纪末期便开始进行地下水人工补给的实践，在调节水资源供需平衡方面提出了“水银行”概念［1］，到2002年7月，美国正在运行的ASR系统共有56个，而建成的系统则在100个以上［2］。我国在地下水人工补给方面的研究进行得较晚，但也取得了不少进展。我国大规模开采利用地下水从二十世纪60年代中期开始［3－5］。1977－1982年间，河北省南宫县进行了地下水库试验研究工作，它是我国最早的相对完整的大型无坝地下水库［6］。北京市地质局水文地质工程地质公司于1981－1983年间，在北京近郊约1 000 km2范围内开展了大量水文地质调查、回灌试验以及室内模拟实验进行了各种水文地质参数的测试，取得了近百万个数据，通过模型研究，论证了控制地下水位持续下降和进行优化调蓄的方案［7－8］。山东、辽宁等省从90年代开始，在山东龙口、青岛、烟台、大连等地相继兴建了有坝地下水库工程，起到了防治海水入侵和拦蓄地下入海潜流的作用［9－17］。

新疆地处干旱内陆区，降水稀少、蒸发强烈，一般河流流程短、流速快，径流年内配极其不均，水质良好但是泥沙含量大。要使地下水库长期稳定运行，必需研究一套快速高效、经济可行并且能够长期运行的地下水补给系统。本文对台兰河现有河床的渗透补给能力进行实验研究。

1 概况

台兰河流域位于新疆阿克苏地区温宿县境内，地理位置在东经80°21'44〞 ～81°10'44〞，北纬 40°41'44〞 ～42°15'13〞之间，台兰河发源于西南天山托木尔峰南麓，上游由大台兰河、小台兰河在距山口前8 km处汇合后称台兰河(图1)，出山口后，由西向东汇入支流塔克拉克河，最终流入台兰河山前洪积扇地带，流向自北向南，为一典型内陆河，该河为一独立水系，全长90 km。台兰河含沙量较大，年均悬移质含沙量为3.93 kg/m3，年均输沙率为91.3 kg/s，年均输沙量为288万 t。

图1 台兰河流域水系示意图

台兰河河水流经位于山前倾斜平原的现代河床时，河水中所含大量的泥沙等悬浮物，一部分在入渗过程中沉积到河床地层中，一部分随河水带到下游。洪水期河水流速大，河水冲刷河床，将部分淤积物带走，枯水期河水流速小，河水中的悬浮物又沉积到河床中，在长期水流作用下，冲刷和沉积达到动态平衡。在水动力作用下，尽管沉积物对河床地层透水能力有一定影响，但是依然长期保持一定的透水性。河床透水性受地层、水源条件的控制，差别很大。能够比较准确地测验出现代河床的透水能力，将会为台兰河地下水库人工补给方案比选提供重要依据。

2 实验方案

2.1 地段选择

在现代河床选择实验河段，在实验河段起点和终点建立测验断面。选择的实验河段尽量长，且流量可控、中间没有水体汇入和流出，见图2。为避免河槽蓄水量对实验精度的影响，尽量保持实验时段流量稳定。河床水域面积是计算透水能力的重要参数，其量算精度要高。

图2 实验河段示意图

2.2 实验方法

采用流速仪法和堰板法进行实验。对于流量比较大的实验河段，可采用流速仪法测验断面流量。此方法可以不改变河流原始流态，方法比较简单，但是实验河段的渗漏量占径流量的比例较小，测验误差对实验精度影响较大。采用堰板法测量断面流量，需要改变河流原始流态，控制上断面流量，使下断面流量足够小，以增加上、下断面流量差，提高实验精度。为避免原有河床流量减少后河床淤积对实验结果的影响，应迅速调节上断面流量至实验设计流量并保持稳定，上下断面流量均稳定后，开始正式实验。

采用流速仪法实验时，应同时监测测验断面水位，为了减少实验误差，在实验过程中测验人员、测验方法、测验仪器都保持不变。

采用堰板法实验时，为提高测验精度，一定要严格按照规范安装堰板。实验过程中控制且保持上断面流量稳定，使下断面堰板流量尽量小，见图3。

3 结果分析

3.1 流速仪法

2011年8月9日选择台兰河一段现有河床实测河床损失水量。选择河段长度990 m，平均河面宽8.8 m，水域面积8 712 m2，在河段上下端设置上、下监测断面，采用流速仪实测流量，建立临时水尺监测水位。

实验时段河水水位呈下降趋势，见图4。根据实测的水位及流量数据，建立上断面、下断面水位与流量相关关系，见图5、图6。

图3 堰板法测流照片

图4 实验上、下断面水位变化过程图

图5 实验上断面水位与流量关系图

图6 实验下断面水位与流量关系图

通过上下断面实测河水平均流速，计算出上下断面之间径流传播时间，上断面计算时段选择为11:40－18:40，下断面计算时间选择为12:00－19:00，相差20分钟。计算时段水位下降，河槽蓄水量减少292.1 m3。经计算，实验河床补给强度为0.241 m/d，见表 1。

3.2 堰板法

选择符合实验条件的四条叉河河段进行实验，在河段起点和终点设置三角堰。根据流速仪法计算出的补给强度计算出上断面设计流量。调整上断面流量为设计流量并保持稳定，开始记录上下断面流量，下断面面流量由大到小逐渐稳定，实测上相断面间水域面积，上下断面流量稳定8小时后，实验结束。有实验数据可知，实验时段上下断面之间有足够的流量差，这样就保证了实验精度，见表2。4个河段河床渗透能力在在0.124～0.357 m/d 之间，平均为0.243 m/d。

表1 流速仪法测流结果

表2 堰板法测流结果

3.3 两种结果比较

流速仪法与堰板法实测现代河床渗透能力比较接近，以堰板法测验结果为最终结果，即台兰河现代河床渗透能力为0.243 m/d。

4 结语

地下水库取水区位于小阿吉里克沟内，小阿吉里克沟是台兰河的重要支流，受人工控制，近年来没有大量过水，只要恢复小阿吉里克沟水量，就能增加地下水库库区的补给量。采用人工方法，修建必要的水利工程，将大阿吉里克沟的水引入小阿吉里克沟。对现有小阿吉里克沟河床进行整治，使其有效河床宽度达到275 m。人工补给实验区到地下水库取水区直线距离3 km，以地下水库向上游500 m至3 000 m处为人工补给区，长度2 500 m。每年丰水期补给120天，年补给量可达2000×104m3。

采用河床补给法作为人工补给工程的推荐方案，具有以下优点:(1)能够长期运行。(2)操作简单。控制闸门流量使河水在几个平行的河床中流过即可。(3)运行费用低、不需要清淤。长期的冲刷和沉积达到动态平衡。(4)不需要设置拦水工程，按现有地形坡度，保持流速即可。(5)给悬浮物留出路，悬浮物带到下游地下水库下游的大、小阿吉里克沟汇合处。

通过本次实验得出台兰河现代河床渗透能力为0.243 m/d，结合河床补给法的优点，可以得出台兰河地下水库人工补给采用现代河床方案是可行的。

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