坎儿井地下水资源涵养与保护措施研究

邢义川，张爱军，王 力，胡海涛，安 鹏

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.吐鲁番地区水利水电勘测设计院，新疆 吐鲁番 838000；4.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054）

坎儿井地下水资源涵养与保护措施研究

邢义川1，张爱军2，王 力1，胡海涛3，安 鹏4

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.吐鲁番地区水利水电勘测设计院，新疆 吐鲁番 838000；4.长安大学 地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054）

坎儿井是在用的古代著名水利工程，也是我国重要的水利遗产，目前面临消亡的危险。针对这一问题，本文通过当地水环境演变趋势分析，重点分析了机电井对坎儿井出水量的影响；通过吐鲁番盆地山前冲积扇蓄洪入渗地下水技术论证，提出蓄洪入渗补给地下水的鱼鳞坑或拦洪坝技术方案，并进行了入渗效果分析；通过坎儿井破坏机理与加固技术研究，提出自旋式锚杆挂土工格栅喷（抹）混凝土的加固方案，修建了一处示范工程；最后对坎儿井地下水涵养技术进行研究，对非灌溉期和灌溉期农闲水量进行了预测，提出农用机电井和设置反滤回灌井回灌农闲水的两种技术方案，并通过现场试验验证了回灌效果。

坎儿井；地下水资源涵养；蓄洪入渗；加固处理；农闲水回灌

1 研究背景

坎儿井是在新疆特有的自然环境、水资源条件下，形成的水利工程，至今在人畜饮水工程中发挥重要作用。其处于第四纪地层中，通过截取山前冲积扇的地下水潜流，以暗渠将水输到盆地，具有蒸发少，无需能源，自流供水灌溉，四季水量稳定等优点。由暗渠、明渠、竖井、涝坝等4个部分组成，暗渠长度在几百米到十几公里不等。

由于近些年灌溉面积的增加，机电井数量猛增，导致地下水急剧下降，严重干扰了地下水的补给状态。目前坎儿井正处于日益衰减、干涸以至消亡的状态。本文从坎儿井水环境演变趋势分析，山前冲积扇蓄洪入渗，坎儿井破坏机理与加固技术、农闲水回灌补给地下水等方面开展吐鲁番盆地水资源涵养保护研究，进而保护坎儿井这一“活态文物”。

2 坎儿井现状调查与区域水环境演变趋势分析

我国的坎儿井约97%以上分布在吐鲁番和哈密地区［1］。由于吐鲁番地区的坎儿井最多，具有代表性，下面以该地区坎儿井为例，分析区域坎儿井演变及其与区域水环境演变趋势的关系。

2.1 坎儿井演变趋势分析 1949年以前，吐鲁番的用水主要靠泉水和坎儿井。1949年底，该地区有水坎儿井为1084条，年出水量5.08亿m3，1957年发展到最高峰，共计1 237条，年出水量5.63亿m3。1957年冬至1967年，大量开发地表水，依靠天山沟谷河流修建了12座引水渠首［2］，同时修建干渠340km，支渠850 km，年引水量达2.6亿m3。1968年至1979年，机电井急剧增加，至1985年共打井3431眼，年抽水量1.756亿m3，在此期间还建成中小型水库10座［3］，总库容0.62亿m3。地表水、地下水资源出现了重新配置，致使到1987年吐鲁番地区坎儿井减少到800条，年出水量降为2.91亿m3。

1990年至今建成各类渠首14座［2］，渠道长度6 110 km，机电井数量猛增，地表水、地下水的转化关系进一步调整，坎儿井进一步减少。调查显示，吐鲁番地区2003年坎儿井为1 091条，其中有水坎儿井404条，年出水量为2.32亿m3，干涸坎儿井687条。2009年有水坎儿井仅剩242条，年出水量为1.43亿m3，平均每年以27条的速度减少；年减少出水量1 483万m3，详见表1。随着用水量的增加，坎儿井补给水量的减少，加之坎儿井自身缺陷，其衰亡的势头不减。

表1 吐鲁番地区坎儿井基本情况动态统计表

2.2 机电井对坎儿井的影响 通过调查吐鲁番地区60多年坎儿井出水量与机电井抽水量资料［1］，将两者之间的变化趋势进行绘制，如图1所示。由图可知，机电井增加的抽水量远大于坎儿井减少的出水量，必然对区域地下水位产生较大影响。从某种程度上讲，吐鲁番地区的水资源总量是一定的，机电井的增加必然会影响坎儿井的出水量，甚至直接导致部分坎儿井消亡。

图1 吐鲁番地区机电井抽水量和坎儿井出水量变化历史对比

3 吐鲁番盆地山前冲积扇蓄洪入渗地下水技术论证

吐鲁番盆地山前夏季暴雨量大，易形成洪水，并对下游电力、水利、铁路和坎儿井竖井造成威胁。目前很多工程都配套有防洪堰堤。该部分洪水最终于盆地中下游消散蒸发殆尽，对坎儿井补给区的潜水补给量很少。本节提出采用拦洪蓄洪入渗措施，将山前的洪水入渗补给地下水，为坎儿井提供更多的补给水量，这将是坎儿井保护的“治本”措施，同时也会产生一定的防洪效益。

3.1 蓄洪入灌地下水的条件分析

（1）相对丰富的洪水资源。吐鲁番盆地绿洲平原降水量为7.7～27mm，山前冲积扇在100mm以上，中高山区可达到500mm以上［1］。对于降雨极少的绿洲盆地，山前洪水资源非常珍贵。（2）优越的入渗地质条件。吐鲁番盆地山前有厚度较大的第四纪松散戈壁层。其具有渗透系数大，储水空间大等特点，有利于入渗和赋存水资源。（3）宽阔的入灌场地。整个天山南麓山前洪积扇地区，除了仅有的电力、交通设施，几乎全为戈壁砂砾石层覆盖，便于布设大规模蓄洪入灌工程。

3.2 蓄洪入渗方案 提出两种入渗技术方案，一是挡水低坝蓄洪入渗方案，二是鱼鳞坑蓄洪入渗方案。

（1）挡水低坝蓄洪入渗方案。低坝拦洪是在冲积扇上从上游到下游一定间隔设置可以过水的低坝，坝高2m，顶宽为3m，上下两个坝坡坡比为1∶6，底宽为27m，两个坝之间的间隔54 m。低坝沿冲积扇由顶到高连续布置，对上游洪水起到持续拦截的作用。其平面布置如图2。

图2 低坝平面布置

（2）鱼鳞坑蓄洪入渗方案。鱼鳞坑由平面上半圆形的围埂和坑内斜面储水坑组成，围埂顶部平台直径25 m，顶宽为1.5 m，最大高度为1.0 m，埂顶中间略高于两头，上下两个边坡的坡比为1∶1.5；储水坑底部坡比为1∶4.9。错开布设的鱼鳞坑可以有效拦截一定量的洪水，并渗入地下，同时可减缓洪水流速，增加滞洪时间，从而增加入渗量。其平面布置如图3。

图3 鱼鳞坑平面布置

3.3 蓄洪入渗地下水效果分析 选择ANDIA和GEO-STUDIO有限元软件进行两种方案的洪水入渗计算，分析评价两种方案的入渗效果［4-5］。

（1）计算模型与参数。选取单个鱼鳞坑和单宽拦洪坝进行计算，计算范围按照每一个鱼鳞坑或者拦洪坝的实际影响范围选取。计算中地层按照北盆地地层确定，设定地层均为砂砾石层，并考虑了洪水泥沙造成的淤积层［6］。根据地勘资料与室内试验结果，得到各层计算参数如表2所示。

表2 计算参数

计算中地下水埋设为30 m，蓄水层最大水深为2 m，初始地下水位为5 m，淤泥层厚度均取5 cm。不同的是：鱼鳞坑的上游水位为35m，拦洪坝上游水位为37m。有限元模型如图4—5。

（2）鱼鳞坑方案计算结果。图6为坑内最低点处节点水头（z坐标+渗透水柱高之和）时程变化曲线，反映了土体开始饱和到15 h后持续疏干并达到稳定。图7为地下水位以下典型节点渗透水头时程变化曲线，地下水位随入渗而逐步抬升，在入渗时间达到30h时趋于稳定，达到稳定地下水位值，稳定后的地下水位为18.89m，抬升了13.89m，抬升幅度较大。

图4 鱼鳞坑有限元模型

图5 拦洪坝有限元模型

图6 鱼鳞坑节点水位随时间变化曲线

（3）拦洪坝方案计算结果。图7示出了底部典型节点和地下水位以下典型节点的渗透压力水头和总水头时程变化曲线，其中渗透压力水头表示渗透水深值，总水头表示水位高程值。从图中看出，蓄水后14.16 h坑内水全部渗完，地下水位持续抬升，到30 h后地下水位趋于稳定，达到15.5m，抬升了10.5m，抬升幅度较大。

图7 拦洪坝节点压力水头和总水头时程曲线

（4）两种方案对比分析。计算表明蓄水均以非饱和形式垂直渗入地下，与文献［7］结论一致。由此证明，在大面积布设鱼鳞坑或者拦洪坝后将可引起地下水位大幅度抬升，补给效果较好。鱼鳞坑预计在15 h内渗完，拦洪坝预计在14 h内渗完，说明即使存在淤泥层，入渗历时亦较短。

3.4 吐鲁番盆地蓄洪入渗水量分析 结合吐鲁番地形地貌特征及降水等值线图，蓄洪入渗工程布置在盆地以北及以西的冲积扇平原上，即在坎儿井补给区以上，可抬高坎儿井集水段水位［8］。

根据地形特点，布置10个工程区，其面积见表3。以喀尔于孜萨依沟为典型区域开展断面洪峰流量、洪水计算和泥沙估算，最后算的该地区蓄洪入渗量为42.7万m3，将本算法扩展至吐鲁番盆地可得：工程修建后，5年一遇洪水可增加入渗补给水量为570.2万m3。

表3 吐鲁番盆地蓄洪入渗区域面积、水量

4 坎儿井的破坏机理与加固技术研究

4.1 坎儿井的破坏机理 坎儿井暗渠的中下部及出口段大部分位于黄土地层中。由于缺乏系统的管理与维护，约20%的坎儿井暗渠、竖井剥蚀坍塌，影响正常出水［9］。

由现场广泛调查、土工试验和数值分析可得出坎儿井的破坏机理为［10-11］：坎儿井竖井、暗渠出口段与大气相同，在冬季，冷热空气在此交汇，形成水蒸汽，水蒸气凝结于竖井井口和暗渠出口，加之坎儿井水的毛细作用，使得这些部位土体含水率较高，容易发生冻胀变形。春融期间，土体融化，应力释放，结构松弛，强度降低。另外，一年四季，土地中的含水率也有较大变化，呈现干湿交替，导致土体表面出现裂缝。周而复始的冻融循环和干湿循环，使得土体结构破坏，内聚力丧失，变形加大，导致出现剥落甚至塑性变形直至坍塌破坏。

4.2 坎儿井暗渠加固技术研究

4.2.1 坎儿井加固设计 结合坎儿井加固现状，根据坎儿井破坏机理和有关设计规范［12］，提出了“锚杆挂土工格栅喷（抹）混凝土”加固措施。其具体结构和布置见图8。

图8 暗渠衬砌混凝土和锚杆布置示意

4.2.2 坎儿井隧洞加固施工 暗渠加固见图9—10，施工方法如下［13］：（1）凿除暗渠洞壁松散面，安装预制混凝土U型衬砌体；（2）安装自旋式锚杆；（3）固定土工格栅网；（4）人工抹C25混凝土至设计厚度。

为了保持坎儿井的文物原貌，采用在常规混凝土中添加染色剂配成与坎儿井地层颜色一致的彩色混凝土进行抹衬。

4.2.3 加固后的坎儿井应力应变分析［14］

（1）坎儿井暗渠加固计算模型参数。坎儿井隧洞地层ABAQUS有限元分析计算参数见表4。C25衬砌混凝土和自旋式锚杆ABAQUS有限元分析计算参数见表5。

图9 人工抹混凝土衬砌坎儿井

图10 竣工的坎儿井洞口和出口明渠

表4 坎儿井地层修正剑桥模型参数[9]

表5 混凝土和锚杆计算参数[9]

（2）加固方案计算结果。不同上覆土层厚度修正剑桥模型应力及变形计算成果见表6—8。

表7 暗渠加固后C25混凝土计算成果

计算结果表明：衬砌的土体变形、混凝土应力和变形以及锚杆的应力满足设计要求；坎儿井输水采用预制混凝土U型渠，隧洞底脚采用混凝土基础措施保证了坎儿井隧洞的稳定。

表8 暗渠加固锚杆计算成果

5 坎儿井农闲水回灌技术研究

5.1 坎儿井农闲水量分析 将坎儿井中流出的水量减去灌溉用水、必要的下游生态用水和居民生活用水定义为农闲水。按照当地的灌溉制度，5个月为非灌溉期，7个月为灌溉期。由于农业灌溉是非连续作业而坎儿井却是常年自流，因此坎儿井在灌溉期和非灌溉期均会产生农闲水，其中非灌溉期农闲水量较大。

5.1.1 非灌溉期间农闲水量计算与预测 由于坎儿井出水量和机电井抽水量相关性极强，且机电井抽水量在当今严格控制打井的情况下已经趋于稳定，所以采用机电井抽水量和坎儿井出水量的统计关系来预测农闲水量较为可靠。采用此种方法预测的2010—2015年农闲水量见表9，可知每年非灌溉期农闲水的总量均在4 000万m3左右，量值巨大。

表9 2010—2015年坎儿井农闲水量 （单位：亿m3）

5.1.2 灌溉期间农闲水量统计与预测 利用吐鲁番地区的灌溉定额乘以坎儿井的灌溉面积再加上输水损失，即可得出灌溉用水量。用坎儿井灌溉期间的总出水量减去灌溉用水量和生态、生活用水量得到的水量，即为灌溉期的农闲水量。利用该方法计算得出，灌溉期农闲水量约为800万m3。

由以上分析计算吐鲁番地区坎儿井农闲水总量约为4 800万m3/a。

5.2 农闲水回灌技术方案

5.2.1 农闲水回灌地下的条件分析 吐鲁番盆地蒸发量极大，多年平均水面蒸发量为2 605.5 mm，陆面蒸发量为1 181.3mm，涝池中大部分水通过蒸发而损失，对改善当地气候贡献极小，属于水资源浪费。此外吐鲁番地处盆地，有一个相对独立、完整的地下水系统，其含水层主要是第四系砂、砂砾石层。这些高透水性的地层为地下水回灌提供了巨大空间。采用回灌地下的方式存储和保护农闲水符合吐鲁番实际情况，是扩大吐鲁番地下水资源的一条重要途径。

5.2.2 回灌技术方案设计 分析当前各种地下水回灌技术，结合坎儿井实际，根据“经济、实用和可行”的原则，提出了两种地下水回灌技术方案［15］，第一种是利用农用机电井回灌方案，第二种是反滤回灌井回灌方案。这里主要介绍第一种方案。

农用机电井在该地区分布广泛，便于“就地取材”。另外坎儿井水质较好，含沙量少，通过简单的过滤即可，且不会影响机电井的透水率。其中方案设计剖面图见11。

5.3 回灌技术方案现场试验效果验证 为了验证回灌效果，进行了机电井回灌现场试验［16］。通过选择典型坎儿井，设置输水管道，过滤池，注水管、排水设施后，进行持续回灌机电井试验［17］。注水过程的同时观测井中水位、注水量，以及距离注水井500m处管测井的水位。其中注水量、井中水位和地下水位抬升量时程曲线见图12、图13。

图11 机电井回灌方案剖面图（单位：mm）［18］

图12 注水量随时间变化过程曲线

图13 地下水埋深观测值随时间变化过程曲线

共计持续注水10 d（总计240 h），总注水量9 075m3，注水量前期较大，但前后差别不大。初始地下水埋深为25.75 m，随后地下水逐步抬升，最大抬升值为0.75m，说明注水可以抬升水位，但是抬升幅值不大，不会造成机电井滤水管堵塞而发生出溢事故，表明坎儿井水回灌可以抬升地下水位，对涵养地下水有利，采用机电井进行回灌是可行的。

6 结论

（1）通过分析近几十年来机电井水量（数量）与坎儿井数量（出水量）之间的关系表明：有水坎儿井平均以每年27条的速度衰减，出水量以每年1 483万m3的速度减少，机电井抽水对坎儿井影响最大。（2）吐鲁番盆地山前冲积扇蓄洪入渗地下水技术的应用每年可补给地下水量570.2万m3，坎儿井农闲水回灌地下技术的应用每年可补给不少于4 800万m3。这两项成果的推广，可抬升吐鲁番盆地地下水位，增加涵养水源，有效遏制坎儿井的衰减，实现对坎儿井的“治本”的目的。（3）在分析坎儿井的破坏机理及现有加固方案的基础上，提出了“自旋式锚杆挂土工格栅喷（抹）混凝土的加固方案”，建立了示范工程一处，该项成果的推广应用，可以减少坎儿井年维修费用，实现对坎儿井“治标”的目的。本文成果的应用对坎儿井这一古老的水利工程可持续发展和利用具有重要的价值。

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Study on underground water resources conservation and p rotection measures for Karez

XING Yichuan1，ZHANG Aijun2，WANG Li1，HU Haitao3，AN Peng4

（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.Northwest A&F University，Yangling 712100，China；3.Turpan Area Water Conservation And Electricity Survey Design Research Institute，Turpan 838000，China；4.Chang’an University，Xi’an 710054，China）

Karez water system is the famous ancient irrigation project,which is still in use.It is China’s great heritage,but now in the danger of dying.Aiming at this issue,this paper analyzed the local water environment evolution process,and explained the effect of electro-mechanical wells on the water yield of Karez.The technical demonstration indicated the infiltration of flood storage into underground water at alluvial cone in the front area of mountains at Turpan Depression.Thus,this paper proposed the use of fish-scale pits and flood barriers to supply the underground water.The permeation analyses proved the efficiency and effectiveness.Furthermore,the research on the failure mechanism and reinforcement technology of Karez was also conducted.Accordingly,the reinforcement scheme of using self-screwing anchor bolt hanging with geogrid and spraying(or wiping)concrete was proposed.This proposed scheme was validated by a demonstration project.Finally,the research of underground water resources conservation of Karez was carried out.According to the calculation and prediction of abundant water volume during non-irrigation period and irrigation period,two different water recharge solutions were proposed:agricultural electric-mechanical wells and recharge well with a filter layer.The on-site recharge tests validated the feasibility and effectiveness of the proposed methods.

Karez；underground water resources conservation；flood storage infiltration；reinforcement;abundant water recharge

S27

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.008

1672-3031（2016）02-0129-09

（责任编辑：韩 昆）

2015-08-01

国家自然科学基金（51379220）；水利部水资源管理与保护项目（1261330111014）

邢义川（1956-），男，陕西镇安人，博士，教授级高级工程师，主要从事岩土工程与水利工程研究。E-mail：xingych@iwhr.com