山间凹陷式地下水库在吐鲁番盆地的可行性分析

王 超，徐华君

(新疆大学 资源与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830046)

1 引言

在干旱地区，为了解决水资源的调蓄问题，人们常常采用大量修建地表水库的方式来解决。实际上，由于降水和蒸发的巨大差异，疏松的土质引起的严重渗漏，地表水库的水资源利用效率很低。以新疆为例，已经建成的600余座地表水库总库容量约为59.3 亿m3，但是每年因蒸发和渗漏导致的水资源流失达到34.1 亿m3，占总库容量的57.5%，其中这些水库年蒸发量达到26.1亿m3，年渗漏量8 亿m3，水资源流失十分严重[1～2]。而干旱地区的山区，由于降水稀少、地质构造复杂、地表水与地下水之间的相互转换更加频繁，水资源短缺的问题更加突出，地下水库有着更为深远的意义。作为我国最干旱的地区之一，为了解决缺水问题，吐鲁番地区的水利部门修建了二塘沟、煤窑沟、阿拉沟、大河沿等水库工程，因蒸发和渗漏问题，这些水库工程效果都不好，大量使用机电井又造成了地下水的失衡。本文针对地下水库的特性，结合吐鲁番盆地的实际情况，对吐鲁番盆地是否适合建设山间凹陷式地下水库进行分析和探讨。

2 区域概况

吐鲁番盆地是位于新疆东部地区的一个极度干旱型内陆盆地，北邻博格达山，西邻卡拉乌成山，东邻库木塔格山，南邻觉罗塔格山。其中，博格达山海拔5440 m，卡拉乌成山海拔4 320 m，两山的顶部常年被冰雪覆盖，库木塔格山和觉罗塔格山则较为低平，海拔在700～1600 m。盆地中部偏北横亘着海拔约450 m的盐山和火焰山，将吐鲁番盆地分割为南盆地和北盆地。北盆地为北高南低，是天山山脉在地质时期形成的淤积平原，南盆地是由山前冲积物形成的冲积平原。

吐鲁番盆地这种特殊的地理位置和盆地地形、地势特点，使盆地呈现出典型的干燥、高温、多风的干旱荒漠气候特征。整个盆地除北部地区发源于天山的14条季节性河流外，吐鲁番地区缺少稳定的地表水存在。

3 建库条件分析

3.1 水文地质条件

受到第三纪火焰山褶皱带的分割，将盆地分为南盆地和北盆地两部分，发育成了2个明显的第四纪凹陷区，在凹陷区填充了巨厚的洪积层(砂砾石和黏土)。在火焰山以北，凹陷区以大颗粒的砾石为主，透水性极好，源于北部博格达山的河流在流出山口后顺坡向南流，大量河水迅速渗入地下补充地下水。潜水径流在向南流动的过程中，在盆地中部收到火焰山隆起带的阻挡，于是地下水在火焰山北部聚集，下部的亚砂土和砂岩是比较稳定的隔水层[4]，形成了天然的山间凹陷式地下水库，并且库容巨大。

3.2 地下水补给条件

吐鲁番盆地的北部和西部的山区，降水较多，再加上有丰富分冰雪融水补给，在山区形成了多条河流，如阿拉沟河、白杨河、大河沿河、塔尔朗河、塘沟河等，加上出露的泉水，其地表水资源总量达到9.42 亿m3[5]。盆地的地下水主要靠这些地表水资源的转化补给，主要补给途径为：一是山区基岩裂隙水，在吐鲁番盆地有比较明显的松散沉积物(包括砂土与砂砾石)与山区稳定的变质岩基岩相连，山区基岩的裂隙水就可以直接补充盆地的地下水，这种地下水的补给能力十分有限；二是河床渗漏补给地下水，吐鲁番地区的河流在流出山口后，要通过广阔的砾石带，除去蒸发的部分，河水源源不断的渗漏入地下补给地下水直至河水消失，在距离出山口的十几公里的范围内，北盆地的地表径流几乎全部转化为地下径流。此外，吐鲁番盆地还有大量的2次补给，包括引水渠道入渗、水库入渗、灌溉入渗、坎儿井渠道和涝坝入渗。

可见，在极端干旱的吐鲁番盆地，有着较为丰富的地下水。此外，采取人工措施提高地下水入渗效率，减少在各个阶段因蒸发造成的无效水分流失，就能有效提高地下水库的水量补给。

3.3 地形地貌

北盆地位于博格达山与火焰山隆起带之间形成的山间凹陷，覆盖了巨厚的第四纪第四纪砂卵砾石层，是典型的山间凹陷式地下储水构造。博格达山前的冲洪积扇的坡度除了在出山口附近较大外，冲洪积扇中部和下缘的坡度都小于3%，在接近火焰山的地方甚至接近和小于1%，北盆地的地下水的水利坡度从盆地边缘到盆地中心稳定在0.4%～2%，这种地形使得在北盆地下缘地带修建自流引水设施十分便利。在北盆地靠近火焰山的地区，潜水埋深一般小于20 m，在坡度接近1%的地带修建一条直线距离约为2～3 km的引水管道即可将地下水库的水自动引出地表。

3.4 技术条件

水坝建设、地下水补给、引渗和取水是一般地下水库建设的难点和关键。在北盆地，火焰山隆起带是天然的水坝，因此无需修建地下大坝。目前，地面入渗法和地下灌注法是比较成熟的人工补给地下水方法，挖井抽水技术已趋于完善，只要采取一定的措施将地下水库的水汇聚，引出地表并进行人为调控。但地下水库通常远离居民住宅区灌区，相对成本较高，如何布置取水系统，则要根据实际情况进行规划和设计。

综上所述，从水文地质、地下水补给、地形地貌和技术条件等各个方面来看，在吐鲁番北盆地修建山间凹陷式地下水库都是可行的。

4 山间凹陷式地下水库的结构设计

大多数类型的地下水库都是由地下水回补工程、集水工程和输水工程3个部分构成。2012年，新疆温宿县台兰河流域的台兰河地下水库完工，这是一座典型的山前凹陷式地下水库[6]，也被称为山前冲洪积扇凹陷带坎儿井式地下水库。受构造运动的影响，山前形成了巨大的凹陷，并在凹陷带内不断沉积砂砾石，成为优良的地下水储水构造。在冲积平原地区，颗粒物逐渐变细，透水性变差，形成相对阻水的地下水坝。因此无需修建人工大坝，只需采取措施补充地下水，在扇缘地带分别修建一条横向的集水廊道和一条纵向的输水廊道即可。

4.1 地下水回补工程

地下水库的作用在丰水期或者用水量小的时候，将地表水储存在地下，减少因蒸发造成水资源流失，枯水期再将储存的地下水开采出来利用，同时腾出空间，准备下一次的储水[7]。因此，要使地下水库可以长时间使用，必须采取有效措施，增加地下水的补给量。

根据吐鲁番盆地的地形地貌和水文地质特点，地面入渗法是最适合也是最经济的地下水回补方式，地下灌注法成本很高，很容易发生泥沙淤积，清理难度大，不予考虑。具体实施方式以大河沿河为例(图1)，在河流流出山口的3～5 km范围内，在河流两侧依据地形地势挖掘密集的引渗渠道，渠道两侧布置渗坑和渗水井，表层填充砂砾石，提高河水的入渗效率，减少地表水存在的范围和时间。

图1 地下水库回补工程

4.2 集水工程与输水工程

山间凹陷式地下水库与山前凹陷式地下水库相似，集水功能和输水功能可以通过一条横向的集水廊道和一条纵向的输水廊道来实现，集水廊道和输水廊道的结构可以借鉴传统坎儿井的基本形式，布置一系列的竖井。与传统坎儿井沿着河流和地下水源流动方向布局不同，集水廊道沿着水流方向横向布局，也被称为“横坎儿井”[8]，由一条横向的渠道和集水井构成。

在火焰山北侧依据地形布置一条由集水井和渠道连接“横坎儿井”集水廊道，集水功能就可以完全由集水井承担，可以通过集水井的深度、集水廊道的宽度来调蓄地下水库的库容。集水井之间设置与低于地下水位的输水管道相连，由沿着等高线布置的主输水管路通向下游的绿洲和部落。

利用冲洪积扇下缘的地面自然纵坡，修建一条输水廊道，输水廊道的主输水管路的坡度应小于地面坡度，也小于地下水面坡度，这样就可将横坎儿井集水廊道内的水自流引出地面。输水廊道与集水廊道的埋深基本一致，埋深越大，控制水量越大，但工程难度和投资也会相应增大，为了降低工程造价，利用输水管道竖井之间水面和水位落差自流引水或利用虹吸作用向下游供水，进入绿洲和农田的灌溉系统。

5 结论

(1)北盆地是博格达山与火焰山隆起带之间形成的山间凹陷，是优质的地下储水构造。博格达山上有稳定的补给水源，山前冲洪积扇上厚达数百米的松散沉积物是优质的储水场所，火焰山隆起带是天然的地下水库阻水大坝，下部的亚砂土和砂岩是比较稳定的隔水层，形成了天然的地下水库，并且库容巨大。从水文地质、地下水补给、地形地貌和技术条件等各个方面来看，在吐鲁番北盆地修建山间凹陷式地下水库都是可行的。

(2)地下水库利用天然的水文地质构造，克服当地地表水蒸发导致的严重损失，极大地提高了水资源的利用效率。这种模式能够积极有效地控制地下水位，保持地下水平衡，与地表水库更具经济性，可作为解决吐鲁番地区水资源问题的一个重要方向，为干旱区流域规划提供新思路和新途径。

(3)地下水回补工程和输水工程是地下水库的关键，决定了地下水库能否长期运行和正常投入使用。泥沙淤积对地下水回补工程影响很大，分散的村落和绿洲使得输水工程的建设和水源调蓄的难度增大，是今后需要解决的主要问题。