坎儿井出水量影响因素的数值模拟分析

马晓菲，杜明亮，刘小煜，朱豫鲁

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆水利工程安全与水灾害防治重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830052)

地下水资源是干旱-半干旱地区十分关键的生态环境因子，其影响着当地人民社会和经济的发展。而坎儿井是吐鲁番市地下水资源的最主要来源之一[1]。随着吐鲁番市灌溉面积不断扩张，该区域需水量也日益增长，加之该区域地表水资源分布不均，导致该区域过度开发利用地下水，最终致使该区域地下水位持续下降，灌区与荒漠区之间生态植被退化，荒漠化问题日益突出[2-7]。同时由于地下水位的快速下降，使得坎儿井不断干涸。据吐鲁番市水利局水科所最新一次的调查统计，吐鲁番市的坎儿由1957年的1 237条，减少到只有214条，平均每年减少坎儿井约18条。坎儿井衰减速率过快已经引起当地相关部门的重视，并开始采取相应的保护和治理措施[8-13]。

现以吐鲁番市为研究区，在已有地质、水文地质资料和长期观测资料的基础上，采用数值模拟方法建立适用于吐鲁番市的地下水流数值模拟模型，利用该模型对影响坎儿井出水量各因素进行计算分析，并进行了定量评价，该结果可为坎儿井相关研究提供理论依据，同时也可为坎儿井的保护和恢复提供实际参考价值。

1 研究区概况

吐鲁番市位于乌鲁木齐以东、哈密市以西的吐鲁番盆地内。地理坐标为北纬41°12′～43°40′，东经87°16′～91°55′。吐鲁番市北部为博格达山，海拔3 500～4 000 m，南部为觉罗塔格山，海拔600～1 500 m。盆地中部为火焰山和盐山，二者将吐鲁番盆地分为北盆地和南盆地。北盆地为山前冲洪积平原，地面以较大的倾斜度向南倾斜，倾斜斜率约为0.045。南盆地为冲积细土平原，地势低洼，坡降相交北盆地较小，海拔在10～110 m之间。

由于地质构造的作用，火焰山及盐山在盆地内部隆起，相应的北盆地和南盆地水文地质单元也有较大的不同。根据前人的相关水文物探工作成果表明，南部和北部盆地都分布着第四系沉积物，厚度为200～700 m，地下水资源丰富，水文地质剖面如图1所示，其中：

图1 吐鲁番市水文地质剖面图

北盆地从北向南，地下水埋藏深度由大到小变化。在600 m高程附近，地下水的埋藏深度约为100 m。往南2～4 km，地下水埋藏深度约为50 m。在火焰山地区附近，地下水的埋藏深度迅速减小，在连木沁沟、胜金沟、葡萄沟等火焰山缺口带处，地下水以泉水的形式从地下露头。北盆地地下水类型主要是潜水，承压水仅分布在火焰山附近。

南盆地从北向南，地下水的埋藏深度也是由大到小变化。地下水埋藏深度大于50 m的区域主要是在火焰山南部一带；地下水埋藏深度大于10～30 m的区域主要分布在南盆地的中部，例如鄯善县鲁克沁镇、吐峪沟乡、二堡乡、三堡乡等；地下水埋藏深度小于10 m的区域主要分布在南盆地南部靠近艾丁湖的部分区域。

2 数值模型

根据吐鲁番市水文地质资料，建立该区域的水文地质概念模型。本次模型共建立三层：上部为潜水含水层，中部为潜水、承压水混合含水层，下部为承压水含水层。对模型进行500×500 m网格剖分，南北向划分为212行，东西向划分为619列，共131 228个网格区域，根据边界条件将部分区域设置为无效单元，计算范围为有效单元，有效区单元数为48 813个。

吐鲁番市的主要补给来源为山前侧向和地表补给量，其中地表补给量主要为降雨入渗量、河道和渠系渗漏量、田间入渗量、库塘入渗量以及井灌回归补给量。用通用水头边界对山前侧向补给量进行赋值模拟；用River模块对河道渗漏补给进行模拟；用Recharge模块模拟面状补给量。

吐鲁番市主要排泄量为潜水蒸发蒸腾量、人工开采量、坎儿井排泄及泉水溢出。采用Well模块模拟人工开采量；采用Evapotranspiration模块模拟潜水蒸发蒸腾量；使用Drain模块模拟坎儿井排泄量及泉水溢出量，见图2所示。

图2 数值模型概化图

3 结果分析与讨论

3.1 坎儿井结构设计与出水量关系

3.1.1 坎儿井斜率与出水量关系

坎儿井的斜率会影响坎儿井与地下水位相交的位置，进而影响坎儿井的出水量。根据计算结果坎儿井出水量随着其斜率的减小而增大，尤其是在坎儿井斜率减小到0.003后，其相对出水量变化骤然加大，由2.37×104m3增加到7.03×104m3(见表1和图3)，但考虑坎儿井施工水平和地下水自流因素，一般坎儿井斜率不会比0.003小太多。

表1 坎儿井斜率与出水量关系表

图3 坎儿井斜率与出水量变化关系曲线

3.1.2 坎儿井井径与出水量关系

增加坎儿井井径意味着可以增加坎儿井的过水断面面积，相应也会增加坎儿井的出水量。计算结果表明随着坎儿井的井径的不断增大，从0.2 m增加到1 m，其出水量略有增加，由21.51×104m3至21.62×104m3(表2和图4)，但总体变化不大，可认为井径的变化对坎儿井出水量影响不大。

图4 坎儿井井径与出水量变化关系曲线

表2 坎儿井间距与出水量关系表

3.1.3 坎儿井间距与出水量关系

在一定范围内若存在多条坎儿井，它们会不均等地分配地下入渗补给水以及地下水径流量，以至于出现不同的坎儿井出水量不一的现象，因此进行计算分析。分析结果表明：坎儿井的出水量随着井间距的减小而减小。当井间距介于200～500 m之间，坎儿井出水量的变化比率最大；当井间距大于1 km时，其出水量变化比率值很小(表3和图5)，其对坎儿井的影响可以忽略不计。

表3 坎儿井间距与出水量关系表

图5 坎儿井间距与出水量关系曲线

3.2 水文地质参数与出水量的关系

3.2.1 渗透系数与出水量关系

渗透系数反映含水层透水性能，会影响地下水量和水位的相应变化。根据分析结果，坎儿井的出水量随着水平渗透系数的不断增大，出现先增大后减小的现象，并在水平渗透系数达到1 m/d时，坎儿井的出水量达到最大，最大值为56.34×104m3(表4和图6)；渗透系数增大时，坎儿井出水量减小，主要由于渗透系数增大，从而引起地下水位下降。

表4 渗透系数与出水量关系表

图6 水平渗透系数与出水量关系曲线

3.2.2 给水度与出水量关系

给水度反映含水层的给水能力，该参数会直接影响坎儿井的出水量。根据分析结果，当给水度从0.01变化到0.2时，坎儿井出水量从16.17×104m3增加到36.98×104m3，二者呈正相关关系(表5和图7)。

表5 给水度与出水量关系表

图7 给水度与出水量关系曲线

3.3 地表水体入渗与出水量关系

吐鲁番市地表水体入渗补给量主要包括降雨入渗量、渠系入渗量、田间入渗量、地表河流入渗量以及井灌回归补给量，吐鲁番市降雨量稀少，该项可以忽略不计。分析结果表明，地表水体入渗量越多，坎儿井的出水量越大；但灌溉入渗量的变化值远比坎儿井出水量的变化值大得多，当灌溉入渗量由9.12×104m3增加到456.25×104m3，坎儿井出水量仅仅变化了10.62×104m3(表6和图8)，说明灌溉入渗量对坎儿井出水量虽有影响，但是影响相对并不大。

表6 灌溉入渗量与出水量关系表

图8 地表水体入渗量与出水量关系曲线

3.4 地下水变化与出水量关系

3.4.1 侧向补给量与出水量关系

侧向补给量作为山区进入平原区的不重复补给量，在吐鲁番市地下水补给量中占有一定的比例，而侧向补给量随着山区降雨入渗量随季节变化，因此也会对坎儿井出水量产生一定的影响。分析结果表明，侧向补给量与坎儿井出水量呈正相关关系(图9)，但是由于侧向补给量占总补给量的比例不大，所以从总体上看对坎儿井出水量的影响并不大，表7表明侧向补给量从16.31×104m3增加到90.61×104m3，坎儿井出水量只变化了2.3×104m3，因此侧向补给量对坎儿井出水量的影响较小。

表7 地下水变化与出水量关系

图9 侧向补给量与出水量关系

3.4.2 机井与出水量关系

机井对坎儿井出水量的影响主要表现在以下两个方面：其一是机井的抽水量越大，在吐鲁番市这样水资源匮乏的城市，当开采量大于可开采量时，会造成地下水位持续下降，进而导致坎儿井出水能力大幅下降甚至干涸。根据分析结果，当机井抽水量增加206%时，坎儿井出水量减小39%(表8)，二者呈线性相关的关系，见图10。

表8 机井抽水量与坎儿井出水量关系表

图10 机井抽水量与出水量关系曲线

其次，机井和坎儿井之间的距离也会影响坎儿井的出水量，机井离坎儿井集水段的距离越近，坎儿井集水段附近的地下水位越低，进而坎儿井的出水量越小。根据分析结果，集水段的机井距离坎儿井越远，坎儿井的出水量越大，当距离大于1 km时，对坎儿井的出水量没有影响。如果机井在输水段，无论距离远近都对坎儿井出水量影响不大，具体见表9和图11。

表9 机井、坎儿井距离与坎儿井出水量关系表

图11 机井抽水量与出水量关系曲线

4 结语

(1)影响坎儿井出水量的主要因素可归纳概括为坎儿井结构、水文地质参数、地表水体入渗以及地下水变化四个方面。对坎儿井出水量的影响由大至小依次为：坎儿井结构、地下水变化、水文地质参数、地表水体入渗。

(2)坎儿井结构设计中对出水量影响较大的主要是坎儿井斜率和坎儿井间距。坎儿井斜率在0.003附近时对出水量影响最为显著。坎儿井间距在1 km以上时，对出水量几乎没有影响。

(3)水文地质参数对出水量影响较大的主要是给水度和渗透系数。给水度与坎儿井出水量呈正线性相关关系。渗透系数小于1 m/d时与出水量呈正相关关系，大于1 m/d时与出水量呈负相关关系。

(4)地表水体入渗对出水量影响较大的主要是地表水体入渗补给量。地表水体入渗量增加，坎儿井出水量也会相应增加，二者呈线性相关关系。但入渗量对坎儿井出水总量的影响相对并不大。

(5)地下水变化对出水量影响较大的因素依次为机井位置、机井抽水量以及侧向补给量的变化。机井位于坎儿井集水段时对坎儿井出水量影响最大，但距离大于1 km时几乎没有影响。机井抽水量、侧向补给量与坎儿井出水量呈正线性相关关系。