李 利

(新疆兵團(tuán)勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察分院，新疆石河子 832000)

截潛系指在河底砂卵石層內(nèi)，垂直河道主流修建一條截水墻，截住地下水，同時(shí)在截水墻上游修筑集水廊道，將地下水引入集水井而后輸至用戶［1］。本截潛流工程位于某河流上游河段的現(xiàn)代河道，該段為河道的徑流散失區(qū)，該河流屬降水、融雪雙重補(bǔ)給的山溪性內(nèi)陸河流，多年平均徑流量3.11 ×108m3，最大年徑流量 4.06 × 108m3，最小年徑流量2.84×108m3，多年平均流量10.0m3/s。河道年內(nèi)徑流量主要受氣溫控制，洪枯懸殊，分配極不均勻，氣溫高，徑流量大，氣溫低，徑流量小，但年際徑流量變化不大。一般夏秋季節(jié)降雨歷時(shí)短、強(qiáng)度大，故常形成峰高量小、多峰型的洪水過程，具有猛漲猛落的特點(diǎn)。

1 地質(zhì)概況

1.1 地形地貌

區(qū)域總體地勢南高北低，海拔高程450～3 500m，受北天山緯向構(gòu)造影響，地形呈明顯分帶性，區(qū)域上由南向北依次分為:侵蝕構(gòu)造高山－中山區(qū)、侵蝕構(gòu)造低中山區(qū)、山間洼地、侵蝕構(gòu)造低山區(qū)和山前沖洪積傾斜平原區(qū)五個(gè)地貌單元。

本截潛流工程位于天山北坡中段侵蝕構(gòu)造低中山區(qū)北邊界某河河谷地段，海拔高程960～1 000m，地形坡降為1.5%～2%，河谷呈“U”字型，現(xiàn)代河道寬300～600m不等，河道左岸發(fā)育Ⅰ～Ⅴ級侵蝕堆積階地，右岸分布有Ⅱ級階地，河道兩側(cè)階坎陡立。

1.2 地層巖性

區(qū)域出露地層有古生界、中生界和新生界，地層受東西向構(gòu)造控制，多呈東西向展布，由南向北具明顯分帶性。中山～高山區(qū)出露地層主要為古生界石炭系中統(tǒng)、低中山區(qū)、低山區(qū)出露地層主要為中生界侏羅系及白堊系和新生界第三系、山間洼地和山前沖洪積傾斜平原區(qū)主要分布新生代第四紀(jì)地層。

第四系在該區(qū)分布較為廣泛，由南向北從高山區(qū)到傾斜平原區(qū)均有分布，根據(jù)其成因類型及時(shí)代由老到新分為:①下更新統(tǒng)西域組(Q1x)為一套山麓河流相粗碎屑沉積，巖性為灰白色礫巖夾粗砂巖，礫巖，泥砂質(zhì)膠結(jié)，局部為鈣質(zhì)膠結(jié)，出露厚度1 200～2 000m。②中更新統(tǒng)烏蘇群冰水沉積物(Q2wsfgl)，巖性為灰白色卵礫石，含漂礫，礫石磨圓度差，呈棱角狀，厚度變化較大，主要分布在低山丘陵及山間盆地核部。③上更新統(tǒng)新疆群沖洪積堆積物(Q3xnal+pl)，巖性主要為灰白色、青灰色漂卵礫石層，厚度變化大，一般12～40m，多分布在河流高階地上，或山前沖洪積平原下部。④上更新統(tǒng)新疆群風(fēng)積堆積物(Q3xneol)，巖性為淺黃色或土黃色粉土，厚度變化較大，主要分布在低中山區(qū)、低山區(qū)山頂或北坡。⑤全新統(tǒng)沖積堆積物(Q4al)，巖性主要為青灰色漂卵礫石層，厚度6～15m，多分布在現(xiàn)代河床、河漫灘和Ⅰ級階地上。⑥全新統(tǒng)洪積堆積物(Q4pl)，巖性主要為雜色含碎石、塊石砂土層，多分布在各沖溝口洪積扇區(qū)，洪積物顏色主要與沖溝中基巖巖性一致，厚度隨洪積扇變化。⑦另外，第四系全新統(tǒng)還沿山坡、河谷兩岸和沖溝岸坡有一些坡積物(Q4dl)、崩積物(Q4col)以及滑坡堆積物(Q4del)。

2 截潛流工程區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 截潛流工程區(qū)地下水賦存條件、含水層特征及富水性

截潛流工程區(qū)地下水主要由河水滲漏補(bǔ)給和河床潛流補(bǔ)給形成。河床潛流的徑流條件主要受河床的坡度和含水層介質(zhì)所控制。截潛流工程區(qū)潛水水位埋藏深度在1.1～4.1m，工程區(qū)下游斷面潛水水位埋深較淺，沿河道向上游潛水水位埋藏深度越大，到上游斷面處潛水水位埋藏深度達(dá)4.1m，相對較深。地下水流向總體上沿河道向下游暢流，徑流條件較好，河道內(nèi)潛水徑流方向基本與河道走向一致，由西向東徑流，水力坡度與河道地形坡降基本一致，平均水力坡度為1.75% 。

據(jù)物探電測深及面波解譯成果，截潛流工程區(qū)地層為二元結(jié)構(gòu)，分布較為穩(wěn)定(見圖1)。

圖1 面波滾動剖面解譯成果圖

截潛流工程區(qū)河道內(nèi)上部為第四紀(jì)全新世松散覆蓋層，厚度7～8m，巖性為卵石、砂礫石，呈灰白、青灰色，松散～稍密狀，卵石粒徑多為3～6 cm，大者可達(dá)40 cm;卵石成份主要為砂巖、花崗巖構(gòu)成;分選性差，磨圓度一般，多呈亞圓形，礫石、粗砂充填于卵石的空隙中，局部夾有薄層泥質(zhì)夾層，水平層理明顯。該含水層滲透系數(shù)在89～109m/d之間，影響半徑在21～29m之間，為河道主要的潛水含水層，孔隙發(fā)育，儲水條件好，有較強(qiáng)的富水性。該層厚度在順河方向變化不大，在垂直河道方向由南向北略有增大。下部為第四系中新統(tǒng)含土砂礫石層，弱膠結(jié)，由于孔隙多被泥質(zhì)充填，儲水條件差，富水性弱，該層底板埋深大于50m。

2.2 截潛流工程區(qū)水化學(xué)特征及水質(zhì)評價(jià)

據(jù)采取地表水和地下水水質(zhì)分析成果，河水和河道地下水的水化學(xué)類型為 HCO3.SO4－Ca型和 SO4.HCO3－Ca.Mg型水，礦化度184～216 mg/L。

通過地表河水與地下水各離子組份含量的對比分析可知(見圖2、圖3)，地下水接受河水入滲補(bǔ)給后，在緩慢的徑流過程中，地下水水中各離子組份含量及礦化度均變化不大，地下水、地表水水化學(xué)類型以HCO3.SO4－Ca型水為主，部分地表水受洪水?dāng)y帶物影響水化學(xué)類型變?yōu)镾O4.HCO3－Ca.Mg型水。

圖2 地下水及河水組份三線圖

圖3 地下水及河水離子含量對比圖

按照《生活飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)進(jìn)行評價(jià)，采集地表水中肉眼可見物及細(xì)菌學(xué)指標(biāo)超標(biāo)，地下水各項(xiàng)指標(biāo)符合《生活飲水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749－2006)所規(guī)定的限值。

按照工業(yè)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中一般鍋爐用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，勘察區(qū)地下水為鍋垢多、具硬沉淀物、不起泡的半腐蝕性水，作為工業(yè)鍋爐用水需進(jìn)行水質(zhì)軟化處理，使水質(zhì)達(dá)到工業(yè)鍋爐用水標(biāo)準(zhǔn)后方可使用。根據(jù)工業(yè)冷卻用水評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，勘察區(qū)地下水中單項(xiàng)指標(biāo)基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可用于工業(yè)冷卻用水。

3 截潛方案的確定及涌水量分析計(jì)算

3.1 截潛方案的確定

截潛流工程取水段為某河流現(xiàn)代河道，由河床和河漫灘構(gòu)成。取水位置處河道寬400～600m不等，河流較分散，主要支流有三條，河流水面寬度3～8m不等。根據(jù)初步擬選截潛流工程取水段河道的水文地質(zhì)條件(第四紀(jì)覆蓋層厚度、含水層巖性及其厚度、滲透系數(shù)、水位埋深等)以及河道取水?dāng)嗝嫣幍乃Y源總量的構(gòu)成，符合集取河床滲透水和潛流量的基本條件，適宜采用滲管開采地下水。

滲管主要用以截取河流滲透水量和地下潛水。其截取水量一般具季節(jié)性變化特點(diǎn)，枯水期出水量小，而豐水期出水量大。當(dāng)截取河流滲透水時(shí)，滲管具有一定的凈化功能。滲管的適用條件為:①含水層厚度大于2m，滲透性能較好，一般滲透系數(shù)大于15m/d;②地下水水位埋深變化幅度較小，且在河流的枯水期，地下水水位埋深不大于5m;③在嚴(yán)寒地區(qū)河谷地區(qū)含水層相對較薄的地帶，滲管取水更有其優(yōu)越性。④應(yīng)靠近岸邊，布設(shè)在河床穩(wěn)定、河水較清、水流較急且有一定沖刷能力的直線段或凹岸地帶。

根據(jù)地形地貌、水文地質(zhì)條件以及取水規(guī)模，采用滲管取水方式，滲管布置型式采用平行與斜交河道的聯(lián)合型式布置，平行河道滲管應(yīng)靠近主河床或河床下取水，提高取水的保證率。

3.2 涌水量分析計(jì)算

勘察期為河道偏枯水期，河道潛水平均水位埋藏深度按3.5m計(jì)算，考慮到不同季節(jié)、不同年份河道水位的變幅，最枯年份水位埋深按4.5m計(jì)，水位降深按2.5m計(jì)，滲流集水管的埋置深度至少應(yīng)大于7m。初步按埋管深度為7.5m進(jìn)行計(jì)算，故集水滲管可開采量主要為奪取7.5m以上含水層側(cè)向流入量和集水建筑物影響河段的河水入滲補(bǔ)給量。

據(jù)計(jì)算該取水段河道地下水資源量較小，滲管所取水量主要為河道垂向的滲漏補(bǔ)給量，其次為河道潛流量。若僅考慮采用滲管集取地下潛水，不獲取部分地表水資源時(shí)，滲管涌水量較小;若考慮轉(zhuǎn)化部分地表水資源，利用工程措施集取河床下地下水時(shí)，滲管涌水量較大。

因此滲管涌水量計(jì)算采用兩種方式進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算公式采用《供水水文地質(zhì)手冊》(第二冊)中推薦集取地下潛水(完整式)和集取河床滲漏水(完整式)計(jì)算公式。

(1)集取地下潛水(完整式)計(jì)算公式如下:

式中:Q1為滲管涌水量(m3/d);K為潛水含水層水平滲透系數(shù)(m/d)，取K=90m/d;H為含水層厚度(m)，取3m;H0為 滲管內(nèi)水深(m)，取0.4m;

將已知條件代入上述計(jì)算公式，當(dāng)滲管埋置深度為7.5m，最枯年份水位埋深按4.5m計(jì)，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)布設(shè)滲管長度為800m時(shí)，滲管涌水量為7449.03m3/d。

(2)集取河床滲漏水(完整式)

計(jì)算公式如下:

式中:Q1為滲管涌水量(m3/d);K為河床下第四紀(jì)全新世沖積(Q4al)卵礫石層的垂向滲透系數(shù)(m/d)，K=25m/d;Hy為河流水面至滲管頂?shù)纳疃?m)，取6.5m;H0為吸水井內(nèi)水位對滲管出口所施壓力(m)，一般取0.5－1.0m，取0.5m;h為河床至滲管底的深度(m)，取7.3m;T為河床至基底的深度(m)，取7.3m;d為滲管直徑(m)，取 1.0m;L為滲管長度(m);α＇為淤塞系數(shù)，取 0.3。

將已知條件代入上述計(jì)算公式，當(dāng)滲管埋置深度為7.5m，滲管寬度(或直徑)為1m，且在滲管上方河道水深達(dá)0.2m時(shí)，經(jīng)計(jì)算，當(dāng)布設(shè)滲管長度為800m時(shí)，滲管涌水量為3.83 ×104m3/d。

通過上述兩種方式計(jì)算可知，采用滲管集取地下潛水時(shí)涌水量小，集取河床滲漏水時(shí)涌水量較大，所取水量主要為地表水的滲漏轉(zhuǎn)化量，地表水的滲漏轉(zhuǎn)化量可占全部涌水量的80%。

4 對下游取水工程影響分析

截潛流工程區(qū)下游約1 km處已建設(shè)有一截潛工程，設(shè)計(jì)取水能力為 6.0×104m3/d，現(xiàn)狀枯、豐水期取水 1.9×104m3/d到 5.8×104m3/d，多年平均取水量 1 718×104m3/a。

在豐水期河道來水量大，本截潛流工程取水對下游已有截潛工程及下游受水區(qū)影響較小，而在枯水期對下游已有截潛工程影響較大。根據(jù)多年平均徑流量計(jì)算出該河道取水段枯水期每公里河道滲漏補(bǔ)給量占地下水補(bǔ)給量的40%，估算出要保證下游已有截潛工程正常取水6萬m3/d(0.7m3/s)，該河段下泄水量必須達(dá)到1.75m3/s，乘以取水安全系數(shù)1.2，則河道下泄水量需達(dá)到2.1m3/s。因此截潛流工程在枯水期河道來水量小于2m3/s時(shí)取水對下游已有截潛工程影響較大。

5 結(jié)論

(1)滲管取水多具有季節(jié)性變化的特點(diǎn)，枯水期取水量小，豐水期取水量大。

(2)滲管取水有一定得凈化作用，其凈化效果與河水渾濁度及人工濾層結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(3)滲管涌水量主要取決于河道來水量，地表徑流量的減少直接影響到滲管的取水效果。

(4)人工濾層級配不良，濾層施工不當(dāng)以及兼取未經(jīng)過濾的明水都有可能導(dǎo)致滲管淤塞，涌水量減少。

(5)取水水泵設(shè)備能力應(yīng)考慮豐水、枯水期的變化，強(qiáng)力抽水會導(dǎo)致人工濾層的局部破壞，減少涌水量;相反水泵抽水能力太小，大部分滲渠進(jìn)水孔未起到進(jìn)水作用，造成淤塞或腐蝕結(jié)垢，同樣會造成滲管涌水量降低。

(6)河床淤積對滲管涌水量影響較大，尤其北方地區(qū)河道在洪水期泥沙含量，河水渾濁度高，滲管淤塞較為嚴(yán)重，需經(jīng)常清洗翻修。

［1］供水水文地質(zhì)編寫組，供水水文地質(zhì)手冊(第二冊)［M］.北京:地質(zhì)出版社，1976.