初析坎兒井損壞原因及預防對策

莎吉達·肉孜，伊力夏提·艾則孜(. 新疆維吾爾自治區水利水電科學研究院，烏魯木齊 83005；. 新疆新水科信水利科技有限公司，烏魯木齊 830000)

坎兒井是我國古代吐哈盆地勞動人民在長期歷史發展過程中根據當地自然條件和需求創建應用，并還在生活及生產中解決用水所需的一種古老的地下水利工程。其將山邊或山前地帶的地下水沿廊道引向下游最終從需水地段附近引到開闊地面的一種古老的水工建筑物。至今我們所能接觸到的坎兒井來看，其構造由豎井、廊道、暗渠及明渠和撈壩組成。根據坎兒井此種構造組成來可視為一種保留了原狀的輸水系統。坎兒井構造見圖1。

圖1 坎兒井的構造示意[1]

根據歷史記載可知，坎兒井在我國至今2000多年的歷史[2]。坎兒井在新疆分布在吐哈盆地以外，曾經以飲用和灌溉為目的出現在烏魯木齊、木壘、奇臺、庫車、皮山等地區[3-6]。1957年吐魯番地區坎兒井引用水3.67億m3，灌溉面積可達當時灌溉總規模的60%[6]。曾經在國外伊朗、土耳其、希臘、意大利、阿富汗，中亞地區哈薩克斯坦、烏茲別克斯坦、阿塞拜疆、土庫曼斯坦以及高加索山區地區有過不同程度的分布，其中伊朗、阿塞拜疆、土庫曼斯坦等地用域比較發達。根據有關資料可知，早在上世紀50年代盡在阿塞拜疆用坎兒井水灌溉的面積可達5萬hm2[7]。

坎兒井與現代農田水利工程相比，此項古老的建筑很長時間以來在持續展示著自身的優越性。

1 坎兒井的優越性

1.1 坎兒井水的優越性

(1)坎兒井水來自于出山口或山邊沖洪積扇等水源地帶的地下水，沒有任何污染和水質良好的水流、無污染冰雪融化聚集水。全線基本全封閉，不受外界干擾，水質具有高純潔，飲用安全可靠的優勢[8]。

(2)坎兒井輸水廊道沿線穿過含水層、隔水層至出口之間，其水滲透損失相對較小。坎兒井廊道處于地表以下十幾米甚至幾十米，廊道內空氣濕度較高、氣溫基本恒定，同位地表上下氣溫差異顯著。特別是在蒸發能力較強的炎熱夏季比地表附近氣溫明顯很低，此時坎兒井廊道內空氣常處于水汽飽和或半包和狀態，全線蒸發損失很小。從水量損失角度上看相比其他取、輸水建筑物節省和有效[8]。

(3)坎兒井輸水廊道處于地表以下十幾米甚至幾十米，坎兒井水溫基本不受地表天氣和季節變化等帶來的影響。不隨地表氣溫變化而變，一年四季基本恒定。處于這種恒溫狀態的水，在干旱地區具有可以起調節土壤溫度的作用，適合于干旱區農業灌溉用[8]。

1.2 坎兒井構造的優越性

(1)在坎兒井構造中(廊道或暗渠)位于土壤作物無用層或無根系層，坎兒井水在流動過程中不會對根系活動層范圍內的有效土壤物質產生流失，也不會向下游田間帶來尼沙、淤泥[8]。

(2)坎兒井在施工或維修過程中不用大、中型施工機械設備，沿線相應地面環境(天然草場、林地、農田等)基本不受損壞，可保留原樣[8]。

(3)由有關記載和統計可知，目前我們可以接觸到的坎兒井與古代坎兒井構造型式基本一致；無論是施工方法還是取水原理來看，其原狀形態沒有得到發展。可見，坎兒井的未來發展余地很廣，科學研究潛力很大[8]。

(4)目前坎兒井絕大多數分布于吐哈盆地，此外吉木薩爾、奇臺、木壘、庫車等其他領域的坎兒井也是吐魯番人帶當地人一起建造的。因此，坎兒井在國內具有吐哈盆地獨有的形象性古代水利工程，其對當地區域性人文、農業發展和地理條件研究以及區域旅游事業研究等方面意義極大[8]。

2 坎兒井現狀及面臨的實際問題

2.1 現 狀

雖然坎兒井有兩千多年的歷史，但由于區域地質條件、氣候變化、自然界水循環、人類活動等自然和人為原因，目前我們能接觸到的坎兒井年限只能延續到之前500年。

據坎兒井研究協會2002年10月25日至2003年7月底坎兒井野外普查工作結果來看，新疆可以供水的坎兒井比20世紀50年代的1 784條減少至614條。可見近70年內共有1 170條坎兒井已干枯或已被損壞[4]。這相當于每年以23條的速度在減少[3]。其中，吐魯番地區由1 091條只剩404條；哈密地區由495條只剩195條出水；其他地區198條中因各種原因183條已停止出水[9]。

上述實際情況表明坎兒井近50～70 a之內無法保留正常工作狀態，數量在減少，早已面臨消失的殘酷實施。

雖然近幾年以來吐哈地區投入一部分資金和人力來恢復一些干枯或受損壞的坎兒井，但只是疏通了廊道坍塌部位的淤泥土堵塞物，順暢了輸水通道，主要問題未得到本質性解決。廊道橫斷面尺寸變得越來越變大，廊道內新的臨空面再次面臨新的坍塌風險；另外一些坎兒井廊道采用橢圓形混凝土預制件或漿砌石進行襯砌(圖2)，只是在該段暫時解決了坍塌淤堵問題。由于單項工程規模小、水流量少、全線平面布置和原始縱坡不科學、取水位置和取水原理不適當等多種原因，采取襯砌措施帶來成本高、施工難、效益差等一系列新問題。

圖2 坎兒井已襯砌的出口[5]

2.2 面臨的問題

(1) 坎兒井在兩千多年的長期演變過程中結構逐漸老化，難以保留當年的正常工作狀態。隨時間延長逐漸形成不適應于周圍水文地質條件，慢慢地在失去當年工作能力，甚至面臨消失。

(2) 修復或重建過程中，地下工作空間狹窄，操作難，施工不便。目前還沒有專用機械設備，主要依靠人力和不相配的一些簡便的勞動工具進行施工。

(3) 取水口在淺層地下水含水層表面，只能引進最表層的地下水。水位一旦下降就會出現水量不足，甚至不能引水。

3 坎兒井損壞的原因分析

坎兒井的正常工作狀態是指：每一條坎兒井沿線可持續取水并輸送至用水部位等連續過程。可惜，分布在吐哈地區的坎兒井在長期歷程中遇到的上述問題和極度困勁，演變至今日無法保證早期的正常工作狀態，造成嚴重不良后果。

造成坎兒井如此非正常工作狀態的主要原因可分為坎兒井構造為主的內在因素和水源性外來因素等兩大類型。

3.1 內在因素

主要為坎兒井原狀整體構造和結構、年齡(年限)、直觀地質環境等因素。

(1)構造和結構。坎兒井順地形坡度自地面深處沿全線穿過淺層含水層最終出露于遠處的平地或洼地。沿線遇密實含水砂礫石層、無水砂礫石層；中密實砂礫石、粉土、沙壤土、壤土和不透水黏土鑲嵌夾層。該類地質層構造較為穩定，不受外界干擾時整體上可以長久維持內部應力恒穩，不會發生沉降、滑塌或坍塌。

自古以來坎兒井橫斷面挖成窄高城門洞型，無采取任何襯砌或支護措施。城門洞頂拱就像蛋殼一樣將山巖作用力沿洞頂拱弧線至雙側邊墻垂直向下傳遞最終與雙側墻底部反作用力相互抵消為零。應力傳遞原理詳見圖3。雖然這種斷面型式在掏挖成洞早期任何一個橫斷面能夠保持初期穩定，但是隨著時間的延長在洞頂拱內壁逐漸向外釋放應力，壁面結構一層一層、一塊一塊開始松弛，最終造成不同程度的掉頂或坍塌(圖4)。由坎兒井廊道橫斷面現狀清楚可見此現象(圖5)。

圖3 坎兒井廊道受力及應力傳遞情況示意

圖4 坎兒井廊道現狀[4]

1-廊道；2-推測原形；3-廊道現狀；4-廊道坍塌部分；5-廊道面臨坍塌部分圖5 坎兒井廊道與推測原形對比

由近期在新疆伊犁、昌吉和輪胎等地區建設在此類地質條件隧洞實踐可知，地層主要有新生界第四系下更新統西域礫巖(QL1)、中更新統沖積物(Qal2)、中～上更新統沖積層(Qal2-3)～(Qal3)、全新統洪積層(Qpl4)、全新統沖積層(Qal4)地層等；巖性為中密礫巖，中密砂礫石、礫石、細砂或泥砂質砂礫石夾層；地層具粗粒狀結構為主 ，塊狀構造，泥砂質、鈣質膠結或半膠結。巖體較完整，原狀整體穩定性較好，但遇水易軟化。根據新疆軟巖隧洞實地試驗和工程實踐可知，在此類地層鑿洞時，地層原始應力平衡一旦被損壞，巖體應力逐漸向洞內臨空一面釋放，隨時間而增強。洞拱頂中間部位內壁失去平衡后一旦被掉下某一小塊，新臨空面就會傾向新的掉塌，產生連鎖反應甚至最終發生拱頂露頂或整體斷面坍塌。

坎兒井的坍塌原理同上。隨著廊道坍塌，斷面逐漸擴寬，坍塌范圍也擴大并新形成的斷面臨空面坍塌風險可能性也增強。另外巖體遇水軟化，最終整體坎兒井失常。

(2) 縱向布局。自古以來施工坎兒井首先確定好坎兒井的平面走線，垂挖兩個或兩個以上的豎井至某一目標深度后，用水平廊道連串在一起再據潛層含水層情況沿線有下游向上游隨豎井→廊道、豎井→廊道的工作順序逐漸前行。雖然這種施工方法對于當年測量水平和條件而言屬于相對先進方法，但是其平面定線不規則和洞內縱坡不順暢等情況產生某種不科學性。再加廊道內反復坍塌→疏通過程中將原來的縱坡演變成平坡甚至逆坡，阻礙或梗阻水流順暢。

3.2 外在因素

主要為水文地質性水源，大、小范圍氣候變化，水循環異常，人口增長和中人類活動等。

(1) 對于水文地質性水源。坎兒井主要水源為潛水含水層。吐哈盆地地下水由分布特點來看可分為靠近地表面的淺層無壓水和擠壓在兩個或多個隔水層之間的承壓水兩大類型。坎兒井引水位置布置在淺層含水層靠近表面部位，只能引進最表層的地下水。當地下水位下降時在廊道內就會發生不能引水或水量不足，逐漸減少至零的情況。坎兒井位置和地下水位布置關系詳見圖6。

1-基巖；2-坎兒井；3-地下水水面線；4-(淺層)無壓地下水；5、7、9- 隔水層；6、8、10-(承壓)地下水圖6 坎兒井與水文地質性水源的位置關系示意[5]

(2)氣候變化。地球氣候變化是一種長期、持續、復雜的演變循環過程。冷熱、干濕互換，循環周期長短不一致[5]。

根據地質考古資料，歷史記載和氣候觀察資料來看，世界氣候從大冰河期、冰川期到小冰河期及近代溫和期度過了幾百年甚至幾億年。近代溫和期是指在近期一兩百年內有氣象記錄資料的時間段。科學家認為，公元1300年以后天氣再次變寒冷，此時段稱為《小冰河期》。到18世紀時氣溫才慢慢回升，持續到19世紀末20世紀初[6]，此后全世界氣溫持續上升，1880年至今全世界平均氣溫上升0.6 ℃[10,11]。

雖然坎兒井具有2千多年的歷史，但是今日能接觸到的坎兒井不超過500年。很可能就是在這《小冰河期》，近600年時段的天氣冷熱交換、地層凍融交替、山區冰川移動、地層凍土深度以及地下水位的起伏波動等多種自然界現象的長期反復地凍融侵蝕作用下損壞后慢慢地消逝。而現代坎兒井在今日溫暖氣候環境下也還沒有完全解脫這種凍融侵蝕作用的風險。

(3)水循環異常性。水是地球上最豐富的一種化合物，地球上水總儲存約13.86億m3，占全球表面積的約71%，全球水量的96.6%為海洋水，陸地淡水河、湖水總量占全球總水量3.5%，淺層地下水不到全球總水量的0.2%[17]。

人類和其他生物環繞著些淡水資源創建悠久的綠洲文化并延展至今。隨著氣候從1880年開始變暖到20世紀80-90年代全球范圍冰川慢慢退縮，而世界人口接近巨增至70億，溫室效應在增強。屬于極度干旱區的吐哈盆地蒸發能力與降水差異顯著，區域性水循環異常導致地下水補充減弱。這一現象正好也是當代坎兒井失去正常工作狀態的主要原因之一。

(4)人類活動。20世紀50年代開始世界局勢轉向和平發展，21世紀后區域、國家、大陸洲之間逐漸形成經濟共同進展。人口增長與有限能源需求之間的矛盾日益顯著，人類活動范圍和強度極度超限。

近期在吐哈盆地為滿足人口增長、農業多樣化發展、大小工業和企業生產需求，超標開采地下水等原因造成地下水位快速下降等也可以視為坎兒井水量減少的重要原因之一。

4 坎兒井損壞預防對策

如果再不采取妥善對策來預防，則在不久的將來就會失去坎兒井。

4.1 內因預防對策

(1)對于構造和結構。近期在新疆伊犁、昌吉和輪胎等地區建設在此類地質條件隧洞實踐來看，在礫巖、砂礫石、礫石、細砂或泥砂質砂礫石夾層等地層鑿洞先采用一次噴護混凝土支護，再用鋼筋混凝土二次襯砌支護方法時，一次支護保持洞壁臨時穩定，二次支護保障隧洞永久穩定。如果坎兒井利用此類施工技術，哪怕采用當地低成本材料，只采用一次支護措施也完全可取得洞內長久性穩定。坎兒井現狀洞身及豎井斷面狹窄，人在里面操作困難及危險，施工材料運輸、通風及運行管護不便。因此，有必要對其洞身斷面尺寸應根據現代隧洞設計和施工規范要求來進行優化。

(2)對于縱向布局。自古以來坎兒井的結構不論是施工方法或取水原理還是利用目標來看其原始狀態基本沒有變化。當年因測量水平和器具的原因，在建設期間計劃縱向布置時從水源選擇、起止點選定到縱坡值及各豎井深度的確定等均采用目測、預測、試測、試調等原始測定辦法，則導致坎兒井路線曲折不直、縱斷面底部高低不平。雖然近期在部分地區坎兒井工作中應用一些較先進儀器，但因廊道內空間狹窄、陰暗等原因其縱斷面始終未得到系統、連貫的數據資料。如果可應用全球定位系統(GPS)、衛星遙感控制系統等現代領先測繪技術來測定和掌握坎兒井縱斷面實際現狀，根據每一條坎兒井的現狀特點來確定縱斷面時會得到更加科學性修整。

根據吐哈地區實際情況可知，坎兒井另外一項缺點為出洞口處因洞臉頂部巖土厚度不足，很容易坍塌或漏頂(見圖7)。對此依照國家有關隧洞規范中隧洞洞臉頂部巖土厚度不應小于隧洞直徑的1.5～2.0倍的要求來調整廊道出口洞臉的最佳位置。

圖7 部分坎兒井出洞口現狀

4.2 外因預防對策

(1)對于水文地質性水源。坎兒井引水位置布置在淺層含水層靠近表面部位，其取水點往往在淺層含水層水面浮動范圍之內而供水變為間斷不續，甚至長時間斷流。對此將坎兒井取水口(引水部位)深移至淺層含水層水面浮動范圍之外，將坎兒井廊道的最前滲流引水段應再向前水平延移并保證設在淺層含水層最低水面以下；或可垂直銜接到更深處兩個隔水層之間承壓水作成補充水源(圖8)。

1-地下水水面線；2-坎兒井；3-廊道(滲流引水段)向前水平延長； 4-(淺層)無壓地下水；5、7-隔水層；6、8-(承壓)地下水；9-垂直銜接到更深處兩個隔水層之間承壓水層示意圖8 坎兒井廊道(滲流引水段)向前水平延長示意

(2)對于氣候變化。地球氣候變化是一種特別復雜、敏感及持續的自然過程[5]。雖然其帶來的負面作用直接用人力來達到理想目標不太客觀，但是通過宣傳、教育和帶頭示范等辦法完全可以減少或防治人類自己造成的侵蝕等負面影響。

(3)對于水循環異常性。該區域范圍水循環異常性導致地下水補充減少，可通過在坎兒井引水地段附近或在地下水補充區的地表相應位置采取簡便方法設置擋水壩或攔汛水壩，將山區降雨集水和汛期洪水停留下滲等辦法來補充地下水來增加坎兒井水量。

(4)對于人類活動。吐哈盆地人類活動在日需增加，導致小范圍擴大地下水漏斗，迅速降低地下水面線，但是從廣大范圍來看還有可恢復的可能性。

目前在新疆水浪費現象還是很嚴重。農業還在采用傳統的常規地面灌溉，農作物灌溉效率還是較低。如果近期在全疆實施農業節水灌溉，可在吐哈盆地也會大幅度降低或結束灌溉用水浪費。不久的將來地下水開采利用不再超載。與此同時如果大力發展和實施綠色能源和可再生能源并轉為主角能源，實現節能減排、低碳排放等從一定程度上會減少溫室效應的惡化。

5 結 語

坎兒井是我國吐魯番地區勞動人民在長期歷史發展過程中，據當地自然條件和生活需求來創建的偉大發明之一。人類文化和科學技術高度發展的今日還在發揚自身文化和科學價值至今。要正確認識坎兒井在面臨的實際問題，其在現代人文，生產實踐中所起的作用和未來進展意義；進一步樹立科學發展觀，采取合理科學預防對策進行科學研究非常有必要。總而言之，采取正當措施來恢復和拯救坎兒井是當代每一位思考著的義務和職責，恢復和發展坎兒井功在當代利在千秋。

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