北塔山牧场大石头地下水库成库条件及库容计算方法研究

秦国强

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

利用松散岩体之间的空隙将其作为储蓄水的空间，然后人为使其具备一定规模并且能够达到调蓄地下水资源的工程，即地下水库。为解决新疆境内的干旱问题，新疆陆续兴建了乌拉泊洼地、柴窝堡盆地等地下水库。同地表水库相比，地下水库蒸发小、成本低、相对难受污染等特点。同自然状态下的孔隙含水层相比，在得到人为干预后，地下水库无论是调蓄可操作性还是规模都获得一定幅度的提升。利用地下水库进行人为调蓄，不仅可以增加地下水的补给，实现地下水资源可持续开发利用，而且还可以进一步保护生态环境，避免引发环境地质问题[1-2]。

是否适宜修建地下水库首先要查明的是地下水库的成库条件。根据成库条件的表现，可将其总结为几点，首先要有足够的蓄水空间，能够承载足够的地下水，同时还要将其连通性凸显出来；其次水库底部要具备阻水能力，保证库区水位不会因渗漏问题而下降；最后是具有较强的封闭性，这是对库区周边提出的要求。

新疆生产建设兵团第6师北塔山牧场地表水资源年内分配不均，且缺乏有效的调蓄工程，近年来因生产生活用水需求大幅增加，水资源问题已成为制约当地社会和经济的发展瓶颈，修建大石头地下水库对保障北塔山牧场的社会、经济和生态环境的协调发展具有重大意义。本文通过分析大石头地下水库的空间结构、圈闭性，并对地下水库的库容进行初步计算，论证建立大石头地下水库成库的可行性，以期为地下水资源的合理开发利用提供技术依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理、气象及水文条件

研究区位于新疆生产建设兵团第6师北塔山牧场境内大石头洼地之中[3]，中心位置南距离牧场场部所在地直线距离22 km，地形总体南东高，北西低，地理坐标：东径：90°27′～90°37′，北纬：45°20′～45°32′，见图1。

图1 研究区地理位置图

研究区位于整个欧亚大陆的中心区域，由于距离海洋较远，导致该区域的降水主要来自西风气流，通过将大西洋上空湿润空气带到此地，积累到一定程度后形成降水。根据最近北塔山气象站资料显示，区域多年平均气温3.2℃，多年平均风速3.1 m/s，风向多为偏东风；多年平均降水量172.8 mm，连续最大4个月降水量一般发生在5-8月，占全年降水量57.3%；多年平均水面蒸发量1 867.6 mm(20 cm口径蒸发器)；年平均相对湿度49%，年平均无霜期124 d，全年日照3 119.5 h，年雷暴日数40 d，最大冻土深2.00 m，最大积雪厚度41.9 cm。主要灾害有干旱、大风、寒潮等。

北塔山牧场北部大石头洼地的南东部山区发育乌伦布拉克沟，从类型上来看，具备山溪性河沟的特征，因而被纳入该范围内，河沟的源头出自于北塔山西部的山区，距离海平面1 530 m以上，最高达到 2 693 m。流域介于东经90°31′～90°43′、北纬45°l7′～45°23′之间，河沟出山口以上河长10 km。乌伦布拉克沟渠首以上河长9.54 km，集水面积24 km2，该沟多年平均径流量164万 m3。另在乌伦布拉克沟的东部与西部的洼地周边，发育有多条小型季节型洪水沟。

北塔山诸河流主要接受地下水补给，其次为季节性融雪和降雨。根据水文部门调查成果分析，乌伦布拉克沟径流年内变化特性如下：径量多集中在4月、5月、6月，占全年的37%，最小水量出现在3月，占全年的6%，，其它月份水基本稳定，占全年的7%。

1.2 水资源利用现状

大石头外地内现有2座梯级水库，由东至西依次为一库、二库，均为引水注入式平原水库。一库设计库容25万 m3，二库库容15万 m3，水库性质均为农业用水。

乌伦布拉克沟在出山口处为大石头一库蓄水，进入洼地平原区河道基本干枯，只有在暴雨洪水季节及9、10月份大石头一库不蓄水时，有少量地表水径流进入北部洼地区入渗补给地下水。二库位于一库西北侧12 km处的戈壁草场上，主要引蓄洼地南部洪水沟季节洪水。

根据现场调查，大石头洼地现有机井4眼，但均废弃，地下水处于原始状态，无人为开采。

1.3 地下水的补给、径流、排泄条件

通过对洼地内地下水构成的分析，水源充足来源于多方面的补给，也涉及一些区域，如南东部的乌伦布拉克沟、大石头一库及无汇流区分别对应的垂直渗漏补给、渗漏补给和暴雨供水补给等等。

其径流方向是子男向北，以深层砂砾石层中的地下水为主。

排泄方式主要方式有蒸发、蒸腾和外排泄，前两者在洼地北部地下水浅埋区和天然植被上表现明显，后者则以地下水沿洼地西北角与东北角小沟等区域为主。

2 地下水库空间结构

2.1 地形地貌

从整体上来看，大石头山间洼地呈现的是不规则的长方形，南北长度达到了28 km，而东西的宽度不均，在5～12 km之间，最低海拔为1 240 km，最高位1 800 km,从地势上来看，由东南向西北地势高度逐步递减，地面纵坡坡降最高不超过2.5%。纵观洼地四周山体，以环基岩为主，整个洼地内有两条冲沟，其发育地点分别为西南和东北角，用于洼地内地下水的排泄。在地表的外力作用下，使地表寝室剥蚀现象严重，形成除西部意外的中低山，海拔高程在1 500～3 287 m之间，属中低山区；西部为阿尔泰山剥蚀丘陵区，海拔高程750～1 400 m，地形起伏不大，多为剥蚀残丘，一般高差10～20 m，基岩大多裸露。洼地内地表岩性呈现出从南东向北西分布的一种状态，主要由砂砾石、粉土及卵砾石等构成，洼地内存在冲沟，发育较好的位于北西向，深度和宽度分别为0.5～1.0 m和2～10 m，且沟内有明显洪水流过的痕迹(图2)。

图2 大石头洼地南北向水文地质剖面

根据洼地的组成，以戈壁荒漠草地为主，其中北部的地下水较浅，距地表深度在6 m以内，能够为低矮耐旱耐盐碱植被提供充足的水分，常见植被有芨芨草、盐木贼等，该区域的植被覆盖率接近20%。

2.2 储水空间

大石头洼地内下伏致密坚硬，完整的基岩构成地下水库的隔水底板，岩性在洼地南半部为华力西中期侵入γ42f肉红色中粒钾质花岗岩，北部为中石炭统巴塔玛依内山组(C2b)凝灰岩及凝灰质砂岩，均为相对不透水层

洼地内上覆第四系松散沉积物为地下水赋存提供了良好条件。

据本次物探及钻探成果，中更新统洪积(Q2pl)广泛分布在洼地底部基岩顶板之上，厚度在10 m上下浮动，通过调查，最大的厚度能够达到60 m,且厚度会随着区位的变化而变化，南部较厚，向北厚度逐步递减，在洼地当中起到蓄水的作用。

从Q2pl地表分布情况上来看，以洼地周边洪积扇为主要集中区域，大多分布在上部，并由含土砂卵砾石构成其岩性，整体呈现灰黄色，质地比较致密，一旦与水相遇，会出现崩解的现象。卵砾石成分主要为深灰色砂岩、凝灰质砂岩，呈次棱角状。卵砾石含量大于50%，一般粒径1～2 cm，最大5 cm，粘粒含量在30%左右。

上更新统—全新统洪积(Q3-4pl)广泛分布在洼地内，最大厚度能够达到85 m，最小厚度为1 m。分布特点为南部厚，北部薄。通过对含水情况的了解，洼地中的部分区域为透水不含水层，如南部、东西边缘等，而中下部能够储存水分，在洼地中充当重要含水层。

岩性以青灰色砂卵砾石为主，中等稍密实，成分构成为深灰色和凝灰质砂岩，次棱角状居多。卵砾石含量普遍大于50%，粒径多在1～3 cm，最大5 cm，粘粒含量一般在10%左右。0.4～1.0 m以上为碎石土，土灰色，含植物根系，松散。颗粒直径由南向北逐渐变细，到洼地北部边缘渐变为洪积砂、粉土等。

2.3 地下水的赋存与分布规律

为了探究洼地地下水位埋深情况，采用物探和钻探的方式进行测试，测试结果显示，自南向北水位深度逐步递减。

在整个洼地的南部，其地下埋深最低为80 m，分为上层和下层两部分，不同层有着不同的特征，且由不同的物质组成，其中，上层具有透水不含水层的特征，也称之为Q3-4pl松散砂卵砾石层，下层为Q2pl胶结含土砂卵砾石层，含水特征明显，属于含水层，但由于最大厚度在30 m以内，致使其富水性较低，无法为地下水开采工作提供丰富的条件，因此不宜将此区域作为开采区。

在对洼地中部地下水测试的过程中，埋深在15～80 m之间，上层为少量含水层，也是Q3-4pl松散砂卵砾石层，下层为含水层，也是Q2pl胶结含土砂卵砾石层，除此之外，还包括由γ42f花岗岩组成的底层，在该区域中充当相对不透水层，由此可见，该区域在地下水类型当中属于单一结构第四系孔隙潜水。将该段内的三眼井作为试验区域，利用抽水试验的方式来获得含水层系数，结果显示为5.37～8.25 m/d，对应的单位涌水量为1.62～2.13 L/s·m，同时，通过对地下水流场图的分析，得出0.002 6是水位坡度的值。综上所述，可将其富水性评为中等，具有地下水开采的价值，因其具有获利的特征而将其划入到适宜开采区。

洼地北部的富水性表现极差，其地下水位埋深和含水层厚度分别为15 m以内和20 m以下，致使涌水量不超过1.0 L/s·m，如若在此区域开采地下水，会消耗大量的资金，无法实现经济效益的最大化，因此将其纳入到不宜开采区的范围。

3 地下水库圈闭性

大石头洼地东、西、南、北四面环基岩山体，均为相对隔水层，具有良好的圈闭性，现分述如下：

3.1 东、南、北面

受侵蚀剥蚀作用，东、南、北部形成比高较小的中低山，地层年代为泥盆系(D)，可进一步分为三个小组，即中泥盆统北塔山组(D2b)、平顶山组(D2p)以及托让格库都克组(D2t)。

(1)中泥盆统北塔山组(D2b)：岩性为灰绿色变质粉砂岩及凝灰质砂岩。

(2)中泥盆统平顶山组(D2p)：其下部岩性主要为片理化含砾凝灰质粉砂岩，上部主要为玻屑凝灰岩、凝灰角砾岩。

(3)中泥盆统托让格库都克组(D2t)：岩性为黄绿、灰绿色条带状硅质粉砂岩。

3.2 西面

西部为阿尔泰山剥蚀丘陵区，地形起伏不大，多为剥蚀残丘，基岩大多裸露，地层属中石炭统巴塔玛依内山组(C2b)，上部岩性以灰褐色、紫灰色安山玢岩、凝灰岩及凝灰质砂岩为主；中部主要是凝灰质砾岩，还含有部分灰绛色凝灰角砾岩；下部以紫红色砾岩、砂砾岩及泥岩为主。

4 地下水库库容计算

受地质复杂性的影响，使得区域内部分水文地质参数无法准确的确定，入给水度、弥漫系数等，为了准确计算出地下水库的库容，首先要进行地质概化，而后借助特征水位完成刻画。库容的类型也涉及很多种，如最大和最小库容、二者差值的最大调蓄库容。最大库容不仅涉及地下水位埋深最浅值，还与隔水底板之间含水层的疏干存在较大的关联，代表着地下水库蓄水能力的最大值。最小库容是隔水底板与最深地下水位埋深之间含水层的疏干，代表地下水库蓄水能力的最小值。最大库容—最小库容=最大调蓄库容，代表着地下水库调蓄空间的最大值[4-6]，详见图3。

图3 地下水库特征库容计算示意图

4.1 特征水位分析

面临确定蓄水位的问题时，最先要考虑的是采取怎样的措施来保证地下水库蓄水效益的最大化[7-8]，而后分析盐渍化产生的原因及处理办法。当地下水位埋深小于2 m时，地下水蒸发量较平时大一倍。综合考虑以上两方面的因素，结合区域气象水文、生态环境效应以及地质、水文地质等条件，确定潜水位最小埋深控制为3.5 m。

最低控制水位的确定。在确定最低水位的过程中，不仅要保证蓄水的效益，使其实现最大化，而且要确保地下水位处于安全范围内，保证生态的正常运转，避免生态因缺水而衰败的现象发生。当地下水位埋深小于6 m 时，区域内的植被大多难以存活。综合考虑以上两方面的因素，确定潜水位最低控制水位控制为6.0 m。

4.2 库容计算

以孔隙介质为储水空间且地下水类型为潜水的地下水库，库容计算公式为：

v潜库=∑ΔhiμiAi

式中：v潜库为潜水含水层地下水库的库容(m3)；△hi为i 分区赋水体内的平均厚度(m)；μi为i分区含水层的重力给水度；Ai为i分区的面积(m2)。

研究区水文地质参数大多来源于现场试验，试验的类型包括钻孔抽水试验和现场土工试验，以实验相关材料为依据而获得相应参数，重力给水度取值0.15[9]，在考虑区域水文特征条件下，库区面积取23.5 km2，经计算，大石头地下水库最小库容理论值为1 234×104m3，最大库容理论值为2 115×104m3，调蓄库容理论值为881×104m3。

5 结语

(1)未来作为北塔山牧场重要的供水水源地，大石头地下水库的水资源调蓄作用，对于牧场供水保障、安全、环境改善及水资源合理配置，具有十分重要的意义。

(2)大石头洼地地下水库边界几近于封闭，内部地下水径流条件比较好，赋水体砂卵砾石层具有一定厚度，地下水位埋藏较深，储水空间充足，在下游末端小沟出口处，含水层较薄，渗透性一般，非常适宜修建无坝地下水库。在考虑区域水文特征条件下，库区面积取23.5 km2，经计算大石头地下水库最小库容理论值为1 234×104m3，最大库容理论值为2 115×104m3，调蓄库容理论值为881×104m3。