皮山河下游沙漠區洪水資源化成效分析

車巧慧,陶月贊,周 蜜,韋 婷

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

皮山河下游沙漠區洪水資源化成效分析

車巧慧,陶月贊,周 蜜,韋 婷

(合肥工業大學土木與水利工程學院,安徽合肥 230009)

以皮山河為例,依據地下水數值模型,研究在沙漠區修建河道、在河上筑壩蓄滯洪水的洪水資源化方式的成效。結果表明,當河水位升高0.5m時,可儲存洪水42.38萬m3/a；當河水位升高1m時,可儲存洪水343.74萬m3/a。可見,以修建河道、河上筑壩的方式,可有效提高皮山河下游沙漠區洪水利用率,增加水資源可利用量。

洪水資源化；數值模型；沙漠區；水資源量；皮山河

洪水是一種自然災害,但也具有資源、環境、生態等多種功能[1-2]。洪水資源化,指在不成災的情況下,利用水庫、攔河閘壩、自然洼地、人工湖泊、地下水庫等工程手段和非工程手段攔蓄洪水,將常規排泄入海或泛濫的洪水在安全、經濟可行和社會公平的前提下部分轉化儲存為可資利用的內陸水,以最小的投入換取最大的經濟效益、社會效益和環境效益,使災害洪水轉變為資源洪水[3]。

已有部分學者對洪水資源化課題進行研究。孫香莉等[4]以重慶市為例,通過圍堵地下水、建設地下水庫等措施,讓雨季過剩的水量回灌到地下水庫中,豐蓄枯用,有效提高了水資源的利用效率。傅學功等[5]提出采用洪水清洗河道,凈化水質,引洪水回灌地下水,加強洪水預測預報工作,科學調度洪水等措施,對滄州市洪水資源化利用。然而,這些洪水資源化研究基本局限于平原及降水量充沛的地區,在沙漠區進行洪水資源化探討的研究還很少。探討在干旱嚴重的沙漠區進行洪水資源化利用問題顯得尤為重要。筆者在其他學者研究成果的基礎上,利用地下水數值模型,研究以在沙漠區修建河道、在下游河上筑壩的方式,進行沙漠區洪水資源化利用,從而促進研究區地表水與地下水轉換,增加地下水補給量。

1 研究區概況

皮山河位于新疆和田地區皮山縣內,發源于喀喇昆侖山北麓,上游由阿克肖河及康艾孜河兩大支流組成,流域面積為6775.9 km2。東支阿克肖河發源于海拔5000 m以上的窮八剎以拉克達板,西支康艾孜河發源于海拔5000 m以上的昆侖山南坡,兩支流在瑙阿巴提塔吉克民族鄉匯合,由南向北流經克里陽注入雅普泉水庫,后流經皮山縣城消失于塔克拉瑪干大沙漠(圖1)。皮山河流域地處歐亞大陸腹地,遠離海洋,具有典型的大陸性氣候特征,年降水量在40～200 mm,且降水量地區分布差異大,水平地帶及垂直分帶十分明顯。由于下墊面所處的地理位置及海拔高程的不同,整個皮山河流域具有不同的氣候特征。

圖1 皮山河流域及研究區位置

皮山河徑流補給以冰雪融水為主,流量日變化特征顯著,呈現一日一峰谷流量過程。春季受中低山季節性積雪融水的影響,可形成1次春洪;冬季則以地下水補給為主,徑流量小且平穩。徑流在河流出山口后,流經山前礫石戈壁沖積扇地帶,除灌溉用水外,徑流大量損失于滲漏和蒸發。研究區位于山前平原區,皮山河洪積扇的中間部位,為緩傾斜沖積細土平原(圖1)。地表為星月形沙丘、沙垅及洪沖積堆積的砂礫石所覆蓋,發育有地表水體,且灌區較多。含水層主要由上更新統洪積層、中更新統洪積層及全新統沖積層組成,含水層巖性主要是砂礫(漂)石層,屬于河床相沖洪積層,地層較單一。含水層粒徑由南向北逐漸變小,即由漂礫石逐漸過渡為砂礫石、粗中砂、粉細砂。區內地下水的補給項主要包括河道滲漏、庫塘滲漏、渠系滲漏、灌溉回歸入滲、地下水側向補給,排泄項主要有地下水側向流出、蒸散發、泉及人工開采等。

根據皮山水文站1958—2010年的徑流系列資料統計,皮山河多年平均徑流量為3.46億m3,最大年徑流量與最小年徑流量之比為1.73,徑流年際變化比較平穩,但年內分配極不均勻。皮山水文站1976—2010年歷年逐旬平均徑流過程線見圖2。

圖2 皮山水文站1976—2010年歷年逐旬平均徑流過程線

據資料統計,皮山縣多年平均水資源利用量約3.2億m3,其中,地表水利用量為3.0億m3、占地表水資源可利用總量2/3,地下水開采量為0.2億m3、占地下水資源可利用總量1/5。目前,皮山河流域已建成各類水庫6座,合計有效庫容約3000萬m3。已建成干、支、斗、農4級渠道總長2 496.13 km：引水總干渠2條,總長度48.2 km,其中防滲渠25.5 km;干渠17條,總長度274.48 km,其中防滲渠93.01 km;支渠214條,總長度471.73 km,其中防滲渠149.18km;斗渠676條,總長度504km,其中防滲渠134.98 km;農渠2063條,總長度1246.27 km,其中防滲渠71.39 km。

2 數值模型

目前,基于Visual MODFLOW軟件的數值法已被成功應用于地下水資源評價中[6-9],且已有很多學者在這方面開展了較深入的分析與研究。為突出分析重點,本文僅對數值模型中的水文地質概念模型和相應的數學模型進行簡單介紹,模型識別與驗證部分內容可參考文獻[6-7]。

2.1 水文地質概念模型

模擬區南界以1500 m等高線為界,北界考慮以1340 m等高線為界,東界以該區域的主要干渠——勝利干渠和兵團農場干渠(阿熱亞干渠)為界。為了方便數值模擬計算時邊界條件的概化,西界以垂直于地下水水位等值線的界面為界,當數值模擬計算出的水位基本不形成明顯變化時,再適當外延,最終確定在工作區外約3.5 km處,模擬區面積為412 km2。區內含水層主要由上更新統-中更新統洪積層及全新統沖積層組成,分布面積廣,含水層主要為河床相砂礫石夾漂石層,下邊界多為泥礫石層或粉質黏土夾中細砂,局部為粉土夾砂礫石,富水性差,作為含水層的隔水底板。

根據對研究區水文地質條件的分析結果,將研究區東側(扣除勝利干渠和兵團農場干渠部分)、北側和南側均概化為水頭邊界,西側為零流量邊界,勝利干渠和兵團農場干渠為混合邊界,即在灌溉期間,接受干渠的滲漏補給(即該部分干渠滲漏量的1/2),而在非灌溉期為零流量邊界。水源地的主要開采層位為砂礫石、卵礫石層,上覆有10～30 m厚的粉細砂、亞砂土,接受大氣降水的入滲補給及潛水蒸發。

2.2 數學模型

模擬區內地下水流場較為平緩,滲流基本符合達西定律。開采條件下,地下水水流各要素隨時間發生變化,為非穩定流。為此,將模擬區地下水水流概化為非均質各向同性非穩定二維地下水流系統,并建立相應的數學模型：

式中：K為含水層的滲透系數,m/d;h為地下水水位,m;z為潛水含水層底板,m;W為單位體積流量,用以代表流進源或流出匯的水量;μ為給水度;H0為初始水位,m;t為時間,d;D為模擬區范圍;Γ1為一類邊界;Γ2為二類邊界;q為含水層側向單寬補排量,m2/d,模型的隔水邊界處q=0。

3 洪水資源化

3.1 皮山河洪水特征

皮山河洪水類型主要有冰川融雪洪水、暴雨水洪水和混合型洪水。冰川融雪洪水流量的大小和出現時間,不僅取決于高山冰川面積、永久性積雪儲量和降雪量的累積厚度,還取決于高山區的氣溫和太陽輻射量。中山帶的積雪量相對較少,主要形成季節性積雪融水型洪水。高山帶則以其發育的冰川和永久性積雪形成冰雪融水型洪水。暴雨洪水主要形成于低山帶,發生頻次較高,隨機性強。混合型洪水主要是由暴雨洪水與高山冰川融水遭遇形成的疊加洪水。

皮山河洪水以融水型洪水為主、暴雨洪水為輔,春洪不明顯,以夏洪為主。皮山河洪水受氣溫影響較大,峰型多為一日一峰,各日最大洪峰流量出現的時間相差不大,具有明顯的日變化規律;洪峰流量暴漲暴落,洪水期在6—8月,徑流量占全年的70%以上,而11月至次年3月為枯水期,這5個月的徑流量僅占全年徑流量的5.7%(圖2)。皮山河下游的沙漠區沒有人為堆砌河道,雪融水在向下游徑流的過程中,由于流量大、河道淺,大部以面狀形式蒸發耗散,只有小部分入滲補給沙漠中巨厚地下水含水層,使洪水資源難以利用。

3.2 皮山河洪水資源化的成效

洪水資源化的工程措施和非工程措施較多,形式多樣[4-5,10]。依據國內外的研究情況,結合研究區地形、地貌及地表水特征,這里僅分析下游筑壩抬高河水水位對地下水補給量的影響。

皮山河兩岸基本沒有堤防工程,無效漫溢嚴重,水資源大量浪費。研究區在洪汛期接受洪水泛濫補給,而在枯水期則河床干涸,且下游河床游蕩,在洪水期河流頻繁改道,造成河水大量漫溢,蒸發量增大,地下水接受洪水補給時間較短,補給量小。筆者建議采用開挖河道,筑壩攔蓄泛濫洪水于河道的方式,來延長地表水與地下水交換時間,增大洪水入滲補給地下水的水量。擬河道開挖深度為3 m,河床寬約10 m。研究區潛水蒸發極限埋深為6 m,為避免增加的地下水補給量再以蒸發的形式消耗掉,也為了防止下游地下水水位過高造成土壤鹽漬化,將筑壩位置設在地下水水位埋深6m界線以上(圖3)。

圖3 皮山河下游河道筑壩位置示意圖

運用經過識別與驗證的數值模型,對筑壩后的洪水資源化情況進行分析,結果見表1和圖4。

表1 筑壩前后地表水補給地下水水量對比

圖4 典型觀測孔水位降深過程線

為觀測筑壩前后地下水水位降深情況,在距河道垂直距離322 m處設置一典型觀測井(圖3)。從典型觀測孔20年內水位降深過程線(圖4)可以看出,在開采條件不變的情況下,河道水位升高0.5 m時,水位降深值由現狀條件下的5.65 m降到5.10 m;河道水位升高1 m時,水位降深值降到4.63 m,比現狀條件下減小了1.02 m,儲蓄了洪水343.74萬m3/a。將大量蒸發損失的地表水采用一定的工程措施存蓄于田間或回補地下水,對提高洪水利用率、緩解干旱地區水資源緊缺具有現實意義。

4 結 論

在研究區采用開挖河道、河上筑壩的方法,將洪水攔滯于河道,可延長地表水與地下水交換時間,增加地下水補給量。依據在研究區建立的地下水數值模型,得到以下結論：在研究區內擬開挖深3 m、寬10 m的河道,現狀開采條件不變的情況下,當河道水位提升0.5 m時,河道入滲補給量增加2.24%,儲蓄洪水42.38萬m3/a;當河道水位提升1 m時,河道入滲補給量增加18.16%,儲蓄洪水343.74×104m3/a,同時降低了研究區內地下水水位的降深程度。因此,在沙漠區采用修建河道,河上筑壩的洪水資源化方式,可大大增加地下水補給量,有效解決沙漠區下游供需水矛盾,也可為在沙漠區進行洪水資源化提供依據。

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Analysis of flood resources in desert area downstream of Pishan River

CHE Qiaohui,TAO Yuezan,ZHOU Mi,WEI Ting
(School of Civil Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Taking the Pishan River as an example,the floodwater utilization efficiency of building a river channel in the desert area and a dam on the river was studied based on the groundwater numerical model.The results show that,when the water level increased by 0.5 m,the river stored flood water in the amount of 42.38×104m3per year,and when the water level increased by 1 m,the river stored flood water in the amount of of 343.74×104m3per year.Therefore,building a channel and damming can effectively improve the floodwater utilization efficiency and increase the amount of available water resources in the desert area downstream of the Pishan River.

flood resources;numerical model;desert area;water resources quantity;Pishan River

TV213.4

A

10046933(2014)04005704

20130618 編輯：彭桃英)

10.3969/j.issn.10046933.2014.04.012

中央高校基本科研業務費專項(2011HGQC1028)

車巧慧(1989—),女,碩士研究生,研究方向為水資源評價。E-mail：c37491217@126.com