邢義川，張愛軍，王 力，胡海濤，安 鵬

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3.吐魯番地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 吐魯番 838000；4.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054）

坎兒井地下水資源涵養(yǎng)與保護措施研究

邢義川1，張愛軍2，王 力1，胡海濤3，安 鵬4

（1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.西北農(nóng)林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；3.吐魯番地區(qū)水利水電勘測設(shè)計院，新疆 吐魯番 838000；4.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054）

坎兒井是在用的古代著名水利工程，也是我國重要的水利遺產(chǎn)，目前面臨消亡的危險。針對這一問題，本文通過當?shù)厮h(huán)境演變趨勢分析，重點分析了機電井對坎兒井出水量的影響；通過吐魯番盆地山前沖積扇蓄洪入滲地下水技術(shù)論證，提出蓄洪入滲補給地下水的魚鱗坑或攔洪壩技術(shù)方案，并進行了入滲效果分析；通過坎兒井破壞機理與加固技術(shù)研究，提出自旋式錨桿掛土工格柵噴（抹）混凝土的加固方案，修建了一處示范工程；最后對坎兒井地下水涵養(yǎng)技術(shù)進行研究，對非灌溉期和灌溉期農(nóng)閑水量進行了預測，提出農(nóng)用機電井和設(shè)置反濾回灌井回灌農(nóng)閑水的兩種技術(shù)方案，并通過現(xiàn)場試驗驗證了回灌效果。

坎兒井；地下水資源涵養(yǎng)；蓄洪入滲；加固處理；農(nóng)閑水回灌

1 研究背景

坎兒井是在新疆特有的自然環(huán)境、水資源條件下，形成的水利工程，至今在人畜飲水工程中發(fā)揮重要作用。其處于第四紀地層中，通過截取山前沖積扇的地下水潛流，以暗渠將水輸?shù)脚璧?，具有蒸發(fā)少，無需能源，自流供水灌溉，四季水量穩(wěn)定等優(yōu)點。由暗渠、明渠、豎井、澇壩等4個部分組成，暗渠長度在幾百米到十幾公里不等。

由于近些年灌溉面積的增加，機電井數(shù)量猛增，導致地下水急劇下降，嚴重干擾了地下水的補給狀態(tài)。目前坎兒井正處于日益衰減、干涸以至消亡的狀態(tài)。本文從坎兒井水環(huán)境演變趨勢分析，山前沖積扇蓄洪入滲，坎兒井破壞機理與加固技術(shù)、農(nóng)閑水回灌補給地下水等方面開展吐魯番盆地水資源涵養(yǎng)保護研究，進而保護坎兒井這一“活態(tài)文物”。

2 坎兒井現(xiàn)狀調(diào)查與區(qū)域水環(huán)境演變趨勢分析

我國的坎兒井約97%以上分布在吐魯番和哈密地區(qū)［1］。由于吐魯番地區(qū)的坎兒井最多，具有代表性，下面以該地區(qū)坎兒井為例，分析區(qū)域坎兒井演變及其與區(qū)域水環(huán)境演變趨勢的關(guān)系。

2.1 坎兒井演變趨勢分析 1949年以前，吐魯番的用水主要靠泉水和坎兒井。1949年底，該地區(qū)有水坎兒井為1084條，年出水量5.08億m3，1957年發(fā)展到最高峰，共計1 237條，年出水量5.63億m3。1957年冬至1967年，大量開發(fā)地表水，依靠天山溝谷河流修建了12座引水渠首［2］，同時修建干渠340km，支渠850 km，年引水量達2.6億m3。1968年至1979年，機電井急劇增加，至1985年共打井3431眼，年抽水量1.756億m3，在此期間還建成中小型水庫10座［3］，總庫容0.62億m3。地表水、地下水資源出現(xiàn)了重新配置，致使到1987年吐魯番地區(qū)坎兒井減少到800條，年出水量降為2.91億m3。

1990年至今建成各類渠首14座［2］，渠道長度6 110 km，機電井數(shù)量猛增，地表水、地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系進一步調(diào)整，坎兒井進一步減少。調(diào)查顯示，吐魯番地區(qū)2003年坎兒井為1 091條，其中有水坎兒井404條，年出水量為2.32億m3，干涸坎兒井687條。2009年有水坎兒井僅剩242條，年出水量為1.43億m3，平均每年以27條的速度減少；年減少出水量1 483萬m3，詳見表1。隨著用水量的增加，坎兒井補給水量的減少，加之坎兒井自身缺陷，其衰亡的勢頭不減。

表1 吐魯番地區(qū)坎兒井基本情況動態(tài)統(tǒng)計表

2.2 機電井對坎兒井的影響 通過調(diào)查吐魯番地區(qū)60多年坎兒井出水量與機電井抽水量資料［1］，將兩者之間的變化趨勢進行繪制，如圖1所示。由圖可知，機電井增加的抽水量遠大于坎兒井減少的出水量，必然對區(qū)域地下水位產(chǎn)生較大影響。從某種程度上講，吐魯番地區(qū)的水資源總量是一定的，機電井的增加必然會影響坎兒井的出水量，甚至直接導致部分坎兒井消亡。

圖1 吐魯番地區(qū)機電井抽水量和坎兒井出水量變化歷史對比

3 吐魯番盆地山前沖積扇蓄洪入滲地下水技術(shù)論證

吐魯番盆地山前夏季暴雨量大，易形成洪水，并對下游電力、水利、鐵路和坎兒井豎井造成威脅。目前很多工程都配套有防洪堰堤。該部分洪水最終于盆地中下游消散蒸發(fā)殆盡，對坎兒井補給區(qū)的潛水補給量很少。本節(jié)提出采用攔洪蓄洪入滲措施，將山前的洪水入滲補給地下水，為坎兒井提供更多的補給水量，這將是坎兒井保護的“治本”措施，同時也會產(chǎn)生一定的防洪效益。

3.1 蓄洪入灌地下水的條件分析

（1）相對豐富的洪水資源。吐魯番盆地綠洲平原降水量為7.7～27mm，山前沖積扇在100mm以上，中高山區(qū)可達到500mm以上［1］。對于降雨極少的綠洲盆地，山前洪水資源非常珍貴。（2）優(yōu)越的入滲地質(zhì)條件。吐魯番盆地山前有厚度較大的第四紀松散戈壁層。其具有滲透系數(shù)大，儲水空間大等特點，有利于入滲和賦存水資源。（3）寬闊的入灌場地。整個天山南麓山前洪積扇地區(qū)，除了僅有的電力、交通設(shè)施，幾乎全為戈壁砂礫石層覆蓋，便于布設(shè)大規(guī)模蓄洪入灌工程。

3.2 蓄洪入滲方案 提出兩種入滲技術(shù)方案，一是擋水低壩蓄洪入滲方案，二是魚鱗坑蓄洪入滲方案。

（1）擋水低壩蓄洪入滲方案。低壩攔洪是在沖積扇上從上游到下游一定間隔設(shè)置可以過水的低壩，壩高2m，頂寬為3m，上下兩個壩坡坡比為1∶6，底寬為27m，兩個壩之間的間隔54 m。低壩沿沖積扇由頂?shù)礁哌B續(xù)布置，對上游洪水起到持續(xù)攔截的作用。其平面布置如圖2。

圖2 低壩平面布置

（2）魚鱗坑蓄洪入滲方案。魚鱗坑由平面上半圓形的圍埂和坑內(nèi)斜面儲水坑組成，圍埂頂部平臺直徑25 m，頂寬為1.5 m，最大高度為1.0 m，埂頂中間略高于兩頭，上下兩個邊坡的坡比為1∶1.5；儲水坑底部坡比為1∶4.9。錯開布設(shè)的魚鱗坑可以有效攔截一定量的洪水，并滲入地下，同時可減緩洪水流速，增加滯洪時間，從而增加入滲量。其平面布置如圖3。

圖3 魚鱗坑平面布置

3.3 蓄洪入滲地下水效果分析 選擇ANDIA和GEO-STUDIO有限元軟件進行兩種方案的洪水入滲計算，分析評價兩種方案的入滲效果［4-5］。

（1）計算模型與參數(shù)。選取單個魚鱗坑和單寬攔洪壩進行計算，計算范圍按照每一個魚鱗坑或者攔洪壩的實際影響范圍選取。計算中地層按照北盆地地層確定，設(shè)定地層均為砂礫石層，并考慮了洪水泥沙造成的淤積層［6］。根據(jù)地勘資料與室內(nèi)試驗結(jié)果，得到各層計算參數(shù)如表2所示。

表2 計算參數(shù)

計算中地下水埋設(shè)為30 m，蓄水層最大水深為2 m，初始地下水位為5 m，淤泥層厚度均取5 cm。不同的是：魚鱗坑的上游水位為35m，攔洪壩上游水位為37m。有限元模型如圖4—5。

（2）魚鱗坑方案計算結(jié)果。圖6為坑內(nèi)最低點處節(jié)點水頭（z坐標+滲透水柱高之和）時程變化曲線，反映了土體開始飽和到15 h后持續(xù)疏干并達到穩(wěn)定。圖7為地下水位以下典型節(jié)點滲透水頭時程變化曲線，地下水位隨入滲而逐步抬升，在入滲時間達到30h時趨于穩(wěn)定，達到穩(wěn)定地下水位值，穩(wěn)定后的地下水位為18.89m，抬升了13.89m，抬升幅度較大。

圖4 魚鱗坑有限元模型

圖5 攔洪壩有限元模型

圖6 魚鱗坑節(jié)點水位隨時間變化曲線

（3）攔洪壩方案計算結(jié)果。圖7示出了底部典型節(jié)點和地下水位以下典型節(jié)點的滲透壓力水頭和總水頭時程變化曲線，其中滲透壓力水頭表示滲透水深值，總水頭表示水位高程值。從圖中看出，蓄水后14.16 h坑內(nèi)水全部滲完，地下水位持續(xù)抬升，到30 h后地下水位趨于穩(wěn)定，達到15.5m，抬升了10.5m，抬升幅度較大。

圖7 攔洪壩節(jié)點壓力水頭和總水頭時程曲線

（4）兩種方案對比分析。計算表明蓄水均以非飽和形式垂直滲入地下，與文獻［7］結(jié)論一致。由此證明，在大面積布設(shè)魚鱗坑或者攔洪壩后將可引起地下水位大幅度抬升，補給效果較好。魚鱗坑預計在15 h內(nèi)滲完，攔洪壩預計在14 h內(nèi)滲完，說明即使存在淤泥層，入滲歷時亦較短。

3.4 吐魯番盆地蓄洪入滲水量分析 結(jié)合吐魯番地形地貌特征及降水等值線圖，蓄洪入滲工程布置在盆地以北及以西的沖積扇平原上，即在坎兒井補給區(qū)以上，可抬高坎兒井集水段水位［8］。

根據(jù)地形特點，布置10個工程區(qū)，其面積見表3。以喀爾于孜薩依溝為典型區(qū)域開展斷面洪峰流量、洪水計算和泥沙估算，最后算的該地區(qū)蓄洪入滲量為42.7萬m3，將本算法擴展至吐魯番盆地可得：工程修建后，5年一遇洪水可增加入滲補給水量為570.2萬m3。

表3 吐魯番盆地蓄洪入滲區(qū)域面積、水量

4 坎兒井的破壞機理與加固技術(shù)研究

4.1 坎兒井的破壞機理 坎兒井暗渠的中下部及出口段大部分位于黃土地層中。由于缺乏系統(tǒng)的管理與維護，約20%的坎兒井暗渠、豎井剝蝕坍塌，影響正常出水［9］。

由現(xiàn)場廣泛調(diào)查、土工試驗和數(shù)值分析可得出坎兒井的破壞機理為［10-11］：坎兒井豎井、暗渠出口段與大氣相同，在冬季，冷熱空氣在此交匯，形成水蒸汽，水蒸氣凝結(jié)于豎井井口和暗渠出口，加之坎兒井水的毛細作用，使得這些部位土體含水率較高，容易發(fā)生凍脹變形。春融期間，土體融化，應(yīng)力釋放，結(jié)構(gòu)松弛，強度降低。另外，一年四季，土地中的含水率也有較大變化，呈現(xiàn)干濕交替，導致土體表面出現(xiàn)裂縫。周而復始的凍融循環(huán)和干濕循環(huán)，使得土體結(jié)構(gòu)破壞，內(nèi)聚力喪失，變形加大，導致出現(xiàn)剝落甚至塑性變形直至坍塌破壞。

4.2 坎兒井暗渠加固技術(shù)研究

4.2.1 坎兒井加固設(shè)計 結(jié)合坎兒井加固現(xiàn)狀，根據(jù)坎兒井破壞機理和有關(guān)設(shè)計規(guī)范［12］，提出了“錨桿掛土工格柵噴（抹）混凝土”加固措施。其具體結(jié)構(gòu)和布置見圖8。

圖8 暗渠襯砌混凝土和錨桿布置示意

4.2.2 坎兒井隧洞加固施工 暗渠加固見圖9—10，施工方法如下［13］：（1）鑿除暗渠洞壁松散面，安裝預制混凝土U型襯砌體；（2）安裝自旋式錨桿；（3）固定土工格柵網(wǎng)；（4）人工抹C25混凝土至設(shè)計厚度。

為了保持坎兒井的文物原貌，采用在常規(guī)混凝土中添加染色劑配成與坎兒井地層顏色一致的彩色混凝土進行抹襯。

4.2.3 加固后的坎兒井應(yīng)力應(yīng)變分析［14］

（1）坎兒井暗渠加固計算模型參數(shù)。坎兒井隧洞地層ABAQUS有限元分析計算參數(shù)見表4。C25襯砌混凝土和自旋式錨桿ABAQUS有限元分析計算參數(shù)見表5。

圖9 人工抹混凝土襯砌坎兒井

圖10 竣工的坎兒井洞口和出口明渠

表4 坎兒井地層修正劍橋模型參數(shù)[9]

表5 混凝土和錨桿計算參數(shù)[9]

（2）加固方案計算結(jié)果。不同上覆土層厚度修正劍橋模型應(yīng)力及變形計算成果見表6—8。

表7 暗渠加固后C25混凝土計算成果

計算結(jié)果表明：襯砌的土體變形、混凝土應(yīng)力和變形以及錨桿的應(yīng)力滿足設(shè)計要求；坎兒井輸水采用預制混凝土U型渠，隧洞底腳采用混凝土基礎(chǔ)措施保證了坎兒井隧洞的穩(wěn)定。

表8 暗渠加固錨桿計算成果

5 坎兒井農(nóng)閑水回灌技術(shù)研究

5.1 坎兒井農(nóng)閑水量分析 將坎兒井中流出的水量減去灌溉用水、必要的下游生態(tài)用水和居民生活用水定義為農(nóng)閑水。按照當?shù)氐墓喔戎贫龋?個月為非灌溉期，7個月為灌溉期。由于農(nóng)業(yè)灌溉是非連續(xù)作業(yè)而坎兒井卻是常年自流，因此坎兒井在灌溉期和非灌溉期均會產(chǎn)生農(nóng)閑水，其中非灌溉期農(nóng)閑水量較大。

5.1.1 非灌溉期間農(nóng)閑水量計算與預測 由于坎兒井出水量和機電井抽水量相關(guān)性極強，且機電井抽水量在當今嚴格控制打井的情況下已經(jīng)趨于穩(wěn)定，所以采用機電井抽水量和坎兒井出水量的統(tǒng)計關(guān)系來預測農(nóng)閑水量較為可靠。采用此種方法預測的2010—2015年農(nóng)閑水量見表9，可知每年非灌溉期農(nóng)閑水的總量均在4 000萬m3左右，量值巨大。

表9 2010—2015年坎兒井農(nóng)閑水量 （單位：億m3）

5.1.2 灌溉期間農(nóng)閑水量統(tǒng)計與預測 利用吐魯番地區(qū)的灌溉定額乘以坎兒井的灌溉面積再加上輸水損失，即可得出灌溉用水量。用坎兒井灌溉期間的總出水量減去灌溉用水量和生態(tài)、生活用水量得到的水量，即為灌溉期的農(nóng)閑水量。利用該方法計算得出，灌溉期農(nóng)閑水量約為800萬m3。

由以上分析計算吐魯番地區(qū)坎兒井農(nóng)閑水總量約為4 800萬m3/a。

5.2 農(nóng)閑水回灌技術(shù)方案

5.2.1 農(nóng)閑水回灌地下的條件分析 吐魯番盆地蒸發(fā)量極大，多年平均水面蒸發(fā)量為2 605.5 mm，陸面蒸發(fā)量為1 181.3mm，澇池中大部分水通過蒸發(fā)而損失，對改善當?shù)貧夂蜇暙I極小，屬于水資源浪費。此外吐魯番地處盆地，有一個相對獨立、完整的地下水系統(tǒng)，其含水層主要是第四系砂、砂礫石層。這些高透水性的地層為地下水回灌提供了巨大空間。采用回灌地下的方式存儲和保護農(nóng)閑水符合吐魯番實際情況，是擴大吐魯番地下水資源的一條重要途徑。

5.2.2 回灌技術(shù)方案設(shè)計 分析當前各種地下水回灌技術(shù)，結(jié)合坎兒井實際，根據(jù)“經(jīng)濟、實用和可行”的原則，提出了兩種地下水回灌技術(shù)方案［15］，第一種是利用農(nóng)用機電井回灌方案，第二種是反濾回灌井回灌方案。這里主要介紹第一種方案。

農(nóng)用機電井在該地區(qū)分布廣泛，便于“就地取材”。另外坎兒井水質(zhì)較好，含沙量少，通過簡單的過濾即可，且不會影響機電井的透水率。其中方案設(shè)計剖面圖見11。

5.3 回灌技術(shù)方案現(xiàn)場試驗效果驗證 為了驗證回灌效果，進行了機電井回灌現(xiàn)場試驗［16］。通過選擇典型坎兒井，設(shè)置輸水管道，過濾池，注水管、排水設(shè)施后，進行持續(xù)回灌機電井試驗［17］。注水過程的同時觀測井中水位、注水量，以及距離注水井500m處管測井的水位。其中注水量、井中水位和地下水位抬升量時程曲線見圖12、圖13。

圖11 機電井回灌方案剖面圖（單位：mm）［18］

圖12 注水量隨時間變化過程曲線

圖13 地下水埋深觀測值隨時間變化過程曲線

共計持續(xù)注水10 d（總計240 h），總注水量9 075m3，注水量前期較大，但前后差別不大。初始地下水埋深為25.75 m，隨后地下水逐步抬升，最大抬升值為0.75m，說明注水可以抬升水位，但是抬升幅值不大，不會造成機電井濾水管堵塞而發(fā)生出溢事故，表明坎兒井水回灌可以抬升地下水位，對涵養(yǎng)地下水有利，采用機電井進行回灌是可行的。

6 結(jié)論

（1）通過分析近幾十年來機電井水量（數(shù)量）與坎兒井數(shù)量（出水量）之間的關(guān)系表明：有水坎兒井平均以每年27條的速度衰減，出水量以每年1 483萬m3的速度減少，機電井抽水對坎兒井影響最大。（2）吐魯番盆地山前沖積扇蓄洪入滲地下水技術(shù)的應(yīng)用每年可補給地下水量570.2萬m3，坎兒井農(nóng)閑水回灌地下技術(shù)的應(yīng)用每年可補給不少于4 800萬m3。這兩項成果的推廣，可抬升吐魯番盆地地下水位，增加涵養(yǎng)水源，有效遏制坎兒井的衰減，實現(xiàn)對坎兒井的“治本”的目的。（3）在分析坎兒井的破壞機理及現(xiàn)有加固方案的基礎(chǔ)上，提出了“自旋式錨桿掛土工格柵噴（抹）混凝土的加固方案”，建立了示范工程一處，該項成果的推廣應(yīng)用，可以減少坎兒井年維修費用，實現(xiàn)對坎兒井“治標”的目的。本文成果的應(yīng)用對坎兒井這一古老的水利工程可持續(xù)發(fā)展和利用具有重要的價值。

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Study on underground water resources conservation and p rotection measures for Karez

XING Yichuan1，ZHANG Aijun2，WANG Li1，HU Haitao3，AN Peng4

（1.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100048，China；2.Northwest A&F University，Yangling 712100，China；3.Turpan Area Water Conservation And Electricity Survey Design Research Institute，Turpan 838000，China；4.Chang’an University，Xi’an 710054，China）

Karez water system is the famous ancient irrigation project,which is still in use.It is China’s great heritage,but now in the danger of dying.Aiming at this issue,this paper analyzed the local water environment evolution process,and explained the effect of electro-mechanical wells on the water yield of Karez.The technical demonstration indicated the infiltration of flood storage into underground water at alluvial cone in the front area of mountains at Turpan Depression.Thus,this paper proposed the use of fish-scale pits and flood barriers to supply the underground water.The permeation analyses proved the efficiency and effectiveness.Furthermore,the research on the failure mechanism and reinforcement technology of Karez was also conducted.Accordingly,the reinforcement scheme of using self-screwing anchor bolt hanging with geogrid and spraying(or wiping)concrete was proposed.This proposed scheme was validated by a demonstration project.Finally,the research of underground water resources conservation of Karez was carried out.According to the calculation and prediction of abundant water volume during non-irrigation period and irrigation period,two different water recharge solutions were proposed:agricultural electric-mechanical wells and recharge well with a filter layer.The on-site recharge tests validated the feasibility and effectiveness of the proposed methods.

Karez；underground water resources conservation；flood storage infiltration；reinforcement;abundant water recharge

S27

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.02.008

1672-3031（2016）02-0129-09

（責任編輯：韓 昆）

2015-08-01

國家自然科學基金（51379220）；水利部水資源管理與保護項目（1261330111014）

邢義川（1956-），男，陜西鎮(zhèn)安人，博士，教授級高級工程師，主要從事巖土工程與水利工程研究。E-mail：xingych@iwhr.com