新疆白杨河流域达坂城地下水文参数及出流测评

张爱民，郝天鹏，周和平，于宝军，马占宝，崔师胜，郭文涛

(1.新疆白杨河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 830000：2.新疆水利厅水利管理总站，新疆 乌鲁木齐 830000；3.新疆白杨河流域管理局水利管理中心，新疆 乌鲁木齐 830039)

0 引言

地下水含水层厚度H渗透系数K导水系数T，是表征地下水含水层特性地下水出水能力主要指标。张乐乐[1]采用地下水位动态法分析了新疆乌尔禾区域地下水含水层特征；邵忠瑞[2]采用均衡解析法分析郏县四里营水源地地下水资源量；马书明[3]依据近年淮北平原地下水监测数据分析地下水开发利用量；成六三等[4]运用实地调查、文献分析和地下水含水层管理模型，对重庆红层区成井前后水量水位变化进行评估；袁华等[5]将单纯形-混沌优化算法应用于分析抽水试验数据求解含水层参数函数优化问题。抽水试验是含水层水文地质参数最直观方法，基于非完整完整井[6-8]进行抽水试验分析可取得较好的水文地质参数。本文以潜水非完整井多观测孔地下水抽水试验，采用裘布衣模型和正交试验分析地下水含水层主要水文地质参数及单井出水能力。

1 材料与方法

1.1 流域概况

白杨河流域水系发源于新疆天山东部博格达峰南麓，上游乌鲁木齐市达坂城盆地由黑沟河、阿克苏河、高崖子三条源流，盆地南部峡口汇集形成白杨河干流全长150 km，向南沿途天然河道并有柯尔碱沟、阿拉沟等小支流汇入，进入流域下游平原戈壁荒漠带，由西向东南穿越吐鲁番市托克逊县城外50 km尾闾，注入我国最低高程-154.6 m艾丁湖[9]。上游达坂城盆地干旱区，下游极端干旱吐鲁番托克逊区，流域坐标E：88°10′～89°11′，N：42°29′～43°48′，艾丁湖河口以上流域总面积5 173.4 km2[10]。达坂城盆地北倚天山北麓博格达山，南为天格尔山，东为喀拉塔格山，三面环山，西面开阔半封闭状态。地势北高南低西高东低。地貌单元洪冲积扇平原及湿地，湿洼地周围褶皱山地垂直带景观。冲积扇中下部分布栗钙土棕钙土以及块状态农田，洼地多为沼泽土草甸土植被。河流流程短水量小坡陡流急，前山洪积和冲击带地表水运移渗漏较大，地表地下水时隐时现转化，由北至东南形成泉水溢出带汇集白杨河。

1.2 试区布置

抽水试区位于流域上游达坂城高崖子河及阿克苏河中游段，安装4眼地下水监测井，各河道安装1眼抽水试验和1眼对照观测井，监测井每20分自动采集水位。高崖子河下游1号抽水试验井及下游2号对照井间距140 m，高程1 202.6～1 203.7 m，坐标E：88°26′54″～54″，N：43°22′48″～43″；阿克苏河下游4号抽水试验井及下游3对照水位观测井间距60 m，地面高程1 229.8～1 231.3 m，坐标E：88°26′15″～17″，N：43°23′35″～36″。高崖子河下游1号及2号井2021年5月20日安装，井深15.7～15.6 m，井管直径0.219 m，地下水埋深分别为4.4～6.0 m和9.1 m，观测井位于高崖子河以西河阶地，主要生长小灌木榆树植被覆盖率20%～30%，观测井地质剖面戈壁砂砾石质地分布。阿克苏河下游4号及3号井2021年5月19日安装，井深15 m井管直径0.219 m，地下水埋深分别为2.0 m和1.7 m，观测井位于阿克苏河以东阶地，生长小灌木榆树草本河谷林植被覆盖20%～35%，间有零星耕地种植，观测井地质剖面戈壁砂砾石质地分布。

1.3 分析方法

地下水含水层渗透系数K以及导水系数T等参数，基于潜水非完整井地下水抽水试验数据，采用裘布衣承压完整井、潜水非完整井出流算式分析[11]：

含水层厚度H算式：

(1)

因为影响半径R为对数值，所以也可通过2次抽水试验数据，按下式计算：

(2)

式中：Q非1、Q非2分别为第1、2次抽水流量，m3/h；S1、S2分别为第1、2次抽水的水位降深，m。

供水半径R，按下式计算：

(3)

R=10[1.364 K (2H-S0) S0]/(Q非+lg r0)

(4)

式中：当有1个抽水井观测孔时，如果抽水大小水位降深Si的比值，小于观测孔内水位降深(削减)值ti的比值时，则按下式：

(5)

R=10∣(S lg ri-S lg r0) /S-ti∣

(6)

地下含水层渗透系数K，按下式：

(7)

式中：当有抽水井和1个观测井资料时，按下式：

(8)

地下单位宽度含水层的水流通过能力，导水系数T，按下式：

T=KH (m/d·m)

(9)

式中：Q完为潜水完整井出水流量，m3/h；K为地下含水层渗透系数，m/h；H为含水层厚度或供水边界定水头高度，m；h0为井内水位初始高度，m；S0为抽水井内初始水位降深，m；R为井供水半径(影响半径)，m；r0为井管半径，m。

2 结果与分析

2.1 水文地质参数

由多次抽水试验监测水位降深(Q～S0)关系看出，抽水流量与水位降深整体呈现线性关系，表明抽水观测井水流通过附近存在三维流现象，但形成紊流区对水流影响不明显，因此，采用裘布衣潜水非完整井出流模型参数分析，无需Q～S0曲线关系线性转换。抽水试验井深15 m井管径0.219 m过滤管长6 m，先后6次同步抽水试验观测数据，按式(1)～(7)分析结果可知，高崖子河段测地下水含水层厚度H为7.6～16.5 m，平均11.0 m；供水半径R为9.2 m；渗透系数K为2.7～32.2 m/d，平均18.9 m/d；导水系数T为31.6～299.1 m/d，平均201.5 m/d。阿克苏河段含水层厚度H为5.6～15.1 m，平均10.2 m；供水半径R为9.2 m；渗透系数K为5.6～79.3 m/d，平均20.9 m/d；导水系数T为33.3～470.6 m/d，平均202.2 m/d。分析结果表明，测井区位不同但供水半径R基本一致，含水层厚度H变幅与井中水深动态相对应，抽水试验出流过程对渗透系数K和导水系数T影响波动较大，监测区地下含水层水流渗透速率较高与达坂城河流多戈壁砂砾地质相吻合。

2.2 井水出流分析

基于抽水试验水文地质参数变化范围，结合地下水井灌区提水工程实践，综合考虑地下水含水层厚度H、抽水供水(影响)半径R、含水层渗透系数K，以及抽水井内水位降深S0、井管半径r0因素，以裘布衣潜水完整井和承压水井出流模型，计算得达坂城地下水文地质参数与单井出流量如表1所示，可以看出，单井出流量随影响因素增加而增长情形时，表现为地下水含水层厚度H、含水层渗透系数K、水位降深S0和供水井管D四个因素，对出流影响大小顺序为S0>K>H>D，其中随着井管D的增加井水出流增长仅0.6%～2.0%，井管D增加井水出流量表现平缓。单井出流量随着供水半径R增加时反而出现负增长。为寻求水井出流适宜地质参数，以供水井地下水含水层厚度H、含水层渗透系数K、供水半径R、水位降深S0和井管半径r0作为5个影响因素，每个因素设置4个水平如表2所示，由采用正交试验[12-13]选用正交表L16(45)设计分析结果(图1)看出，在地下水含水层厚度15～63 m范围内，单井出流量由133 m3/h逐步增至267 m3/h，含水层厚度在63 m时最大，由此，井提水适宜含水层厚度45～60 m之间。井水位降深1～5m范围，单井出流量先增后降，在水位降深5～20 m范围，单井出流量开始明显增加，但在水位降深12 m时出现增长趋缓，由此，井提水含水层水位降深适宜在10～12 m。在常用的井水管径325～550 mm系列中，单井出流全程出于负增长状态，表明井管增加并非提水量增加，出水量主要与井管过滤长度有关。由此，适宜井水管直径宜小于或等于325 mm。在地下水含水层渗透系数10～52 m/d范围，单井出流呈现明显线性增加，但在地下水含水层渗透系数38 m/d时增长趋缓，由此，井提水适宜渗透系数35～50 m之间。在供水半径100～1 900 m范围，单井出流呈现明显负增长，因此，井提水适宜供水半径应小于100 m。

表1 达坂城地下水文地质参数与单井出流量

表2 井水地质参数试验因素与水平设计

图1 不同地质因素与单井出流关系

4 结语

综合达坂城地下水水文地质参数与单井出流量分析表明，达坂城地下水渗透系数及含水层厚等主要地质参数处于较好水平状态，即便是在抽水参数处于初始条件也可获得单井出流174 m3/h效果，地下水出水能力处于良好状态。