新疆孔雀河沿岸地下水位變化的影響半徑模擬分析

李玉朋 吾買爾江·吾布力 何 宇 李衛(wèi)紅

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

新疆孔雀河沿岸地下水位變化的影響半徑模擬分析

李玉朋1吾買爾江·吾布力2何 宇2李衛(wèi)紅1

(1.中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830011； 2.新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

本文采用裘布依公式，以孔雀河中上游為實(shí)例，模擬了孔雀河第三分水樞紐至普惠段、普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段、尉犁縣的經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段在不同地下水位、不同抽水降深情況下的影響半徑。結(jié)果表明：普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段的影響半徑在1米、3米、5米的降深影響都是最大，且是其他兩地影響半徑的2倍甚至更大。第三分水樞紐至普惠段的單口井的抽水量較大，在棉花生長(zhǎng)季，單口井抽水對(duì)周邊地下水影響的范圍達(dá)776米。目前，孔雀河兩岸水位嚴(yán)重下降，胡楊大片死亡，應(yīng)控制耕地?cái)U(kuò)張，加快實(shí)施退耕還水計(jì)劃，堅(jiān)持以水定地、以水定結(jié)構(gòu)、以水定發(fā)展的原則，取締非法機(jī)電井，才能使水位逐漸恢復(fù)，利于經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展。

地下水埋深；水井；影響半徑；孔雀河

1 引 言

“影響半徑”R是水文地質(zhì)中一個(gè)重要參數(shù)，它受到抽水量，土壤質(zhì)地，釋水系數(shù)等因素的影響。影響半徑的正確估算對(duì)計(jì)算滲透系數(shù)K、開采井群間距的設(shè)計(jì)、地下水資源的評(píng)價(jià)、防護(hù)帶的圈定具有重要的意義[1-3]。確定水井影響半徑的方法很多，經(jīng)驗(yàn)公式是最常采用的方法有庫薩金公式、吉爾特公式、舒爾采公式。此外，還有利用觀測(cè)孔直接觀測(cè)，或根據(jù)單位涌水量、單位水位降深、含水層巖石特性等方法也可以求得。其中，抽水試驗(yàn)理論方法比較成熟，對(duì)非承壓水計(jì)算國(guó)外運(yùn)用最多的為Jacob修正模型[4]、Neuman模型[5]和Boulton模型[6]。其中，裘布依公式可以直接利用單孔抽水試驗(yàn)的孔內(nèi)涌水量來求影響半徑，由于此方法不用額外打觀察孔而廣受歡迎，應(yīng)用廣泛。

2 穩(wěn)定流抽水影響半徑R的計(jì)算

對(duì)任一均質(zhì)含水層，滲透系數(shù)可以看作常量，它不隨流量、時(shí)間、降深而變化。但R是抽水量、降深、土壤系數(shù)、釋水系數(shù)含水層厚度以及各種補(bǔ)給量的函數(shù)，這些參數(shù)控制R的變化。1863年裘布衣在達(dá)西定律的基礎(chǔ)上，建立了穩(wěn)定流單井抽水公式，即著名的裘布衣公式。奠定了穩(wěn)定流的理論基礎(chǔ)，裘布衣公式在生產(chǎn)實(shí)踐中使用已有100多年的歷史，并且還將為人們繼續(xù)使用。裘布衣公式是以一定假設(shè)條件為基礎(chǔ)的，把抽水現(xiàn)場(chǎng)完全理想化。裘布依推導(dǎo)公式[7]時(shí)的假定條件是：①含水層是均質(zhì)、各向同性、等厚、水平的；②地下水為層流，符合達(dá)西定律，地下水運(yùn)動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；③靜水位是水平的，抽水井具有圓柱形定水頭補(bǔ)給邊界；④對(duì)于承壓水，頂?shù)装迨峭耆羲模瑢?duì)于潛水，井邊水力坡度不大于1/4，底板完全隔水。對(duì)承壓井(1)與潛水井(2)計(jì)算如下：

(1)

式中，Q為抽水井流量，m3/d；K為含水層的滲透系數(shù)，m/d；M為承壓含水層厚度，m；S為抽水井中水位降深，m；R為影響半徑，m；r為抽水井的半徑，m。

(2)

式中，Q為抽水井流量，m3/d；K為含水層的滲透系數(shù)，m/d；H為潛水含水層厚度，m；S為抽水井中水位降深，m；R為影響半徑，m；r為抽水井的半徑，m。

3 案例分析

孔雀河流域地處塔里木盆地東部，近10余年來，隨著耕地面積的不斷擴(kuò)大和農(nóng)業(yè)灌溉用水的增加，流域地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重，地下水位大幅下降，導(dǎo)致綠洲外圍依靠地下水維系生存的天然植被大面積衰敗和死亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)調(diào)查，孔雀河流域上、中游耕地面積擴(kuò)張迅速，1990-2000年期間，耕地面積平均每年增加6.92平方公里，2000-2014年間，年平均增加34.2平方公里(新疆統(tǒng)計(jì)局)。地下水的嚴(yán)重超采，導(dǎo)致地下水位大幅下降，其中，第三分水樞紐至普惠段的地下水埋深達(dá)到-10.59m，普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)為-26.67m，尉犁縣的經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段達(dá)到-14.38m。以抽水井為中心，四周地下水在水力梯度的作用下向中心匯聚，從而形成地下漏斗，機(jī)理如圖1所示。目前，孔雀河第三樞紐至66分水閘段的地下水水位已經(jīng)下降到胡楊生存的臨界地下水位[8-9]，孔雀河沿岸大片胡楊林死亡。

為了查明單口井抽水對(duì)周邊地下水位變化的影響強(qiáng)度，我們結(jié)合孔雀河流域打井鉆孔資料和水文地質(zhì)條件，采用穩(wěn)定流抽水影響半徑R的計(jì)算方法，對(duì)孔雀河流域地下水位變化較大的普惠-經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)地段抽水引起的地下水位變化及其影響半徑進(jìn)行了計(jì)算分析，旨在為合理布局地下水井、確定地下水開采閾值提供依據(jù)。

圖1 抽水引起的周邊地下水水位下降對(duì)植被生長(zhǎng)的影響。上面的虛線表示地下水能夠滿足植被的生長(zhǎng)需求，下面的虛線表示地下水位下降到對(duì)植被生長(zhǎng)產(chǎn)生水分脅迫

3.1 流域地質(zhì)條件

土壤質(zhì)地是影響土壤半徑的重要因素之一，我們?cè)诳兹负由稀⒅杏蔚钠栈?經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段的兩個(gè)斷面打井獲得了詳細(xì)的地質(zhì)資料。每個(gè)斷面5口井，距離河道的垂直距離分別為50m，100m，200m，400m，800m。第一個(gè)斷面在普惠水庫上游，地質(zhì)資料分析可見(圖2)，在距離河道200m的范圍內(nèi)，從表層到深層土壤質(zhì)地分別為黏土、粗沙、黏土、細(xì)沙，各層厚度略有差異，距離河道200m以外出現(xiàn)變化，從表層到深層土壤質(zhì)地以黏土、細(xì)沙、粗沙、黏土變化，且各層出現(xiàn)不斷上移的趨勢(shì)。第二個(gè)斷面位于普惠水庫下游的團(tuán)結(jié)荒地附件，由地質(zhì)資料分析結(jié)果可知，在距離河道400米的范圍內(nèi)，從表層到深層土壤質(zhì)地以黏土、細(xì)沙、黏土、粗沙、細(xì)沙變化，且各層也出現(xiàn)不斷上移。400m以外變化更為復(fù)雜，無明顯規(guī)律，但細(xì)沙層厚度明顯變大(詳見圖2)。

(a)及不同深度的土壤質(zhì)地；(b)普惠斷面；(c)團(tuán)結(jié)荒地?cái)嗝鎴D2 鉆井?dāng)嗝娴奈恢?/p>

3.2 地下水位影響半徑計(jì)算

在調(diào)查中得知，孔雀河流域的普惠及經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)一帶主要以種植棉花為主，其中，2008年以后開墾的耕地大多靠抽取地下水灌溉。結(jié)合棉花生長(zhǎng)季400方/畝的灌溉定額(滴管)，全生長(zhǎng)季需要灌溉16次。一次棉花生長(zhǎng)季灌溉會(huì)導(dǎo)致水位下降3～5m不等。由于不同地下水埋深的差異，抽水過程中對(duì)周邊地下水的影響半徑上也是不同的。我們采用裘布依公式，對(duì)第三分水樞紐至普惠段、普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段以及經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘三個(gè)不同區(qū)段水井地下水位下降1m、3m、5m三個(gè)不同情境對(duì)周邊地下水的影響半徑進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示，同一地下水埋深下，抽水降深越大，影響半徑越大。同一降深下，地下水埋深越大，影響半徑也越大。其中，普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段由于地下水埋深較大，在灌溉期抽水對(duì)地下水的影響半徑也最大。在降深5m的情況下達(dá)到956.8m，是同情況的其他兩地影響半徑的2倍之多。

調(diào)查結(jié)果顯示，孔雀河流域第三樞紐至普惠水庫段，井灌面積約1.2×104畝，目前尚在使用的井約100眼，每年抽取地下水480×104方；普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段，井灌面積約9.8×104畝，目前尚在使用的井約150眼，每年開采地下水3920×104方；經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段，井灌面積約5.0×104畝，地下水開采井約1000眼，每年開采地下水2000×104方。根據(jù)上述3個(gè)地段種植棉花的井灌面積，可計(jì)算出第三樞紐至普惠水庫段、普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段、經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段三個(gè)區(qū)段單口井每年抽水量分別為4.8×104方、26×104方、20000方。根據(jù)抽水降深與當(dāng)?shù)氐耐寥蕾|(zhì)地可以計(jì)算出，灌溉期單口井抽水對(duì)該三個(gè)區(qū)段的影響半徑分別為776m，520m，136m。經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段雖然單口井的影響半徑較小，但是地下水井的分布密度較大，因此，總體對(duì)地下水位的埋深影響也是較大的。

表1 抽水降深對(duì)不同地下水埋深的影響半徑

*第三分水樞紐至普惠段的地下水位埋深，**普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段的地下水位埋深，***尉犁縣的經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段的地下水位埋深。

4 結(jié) 論

影響半徑R是水文地質(zhì)中的重要參數(shù)，在計(jì)算滲透系數(shù)K、開采井群間距的設(shè)計(jì)、地下水資源的評(píng)價(jià)、防護(hù)帶的圈定上具有重要的作用。裘布依公式根據(jù)抽水量，水位降深可以很方便求出在承壓井與潛水井的影響半徑R。

本文以孔雀河中上游為實(shí)例，模擬了第三分水樞紐至普惠段、普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段、尉犁縣的經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)至66分水閘段在不同地下水位埋深和不同抽水降深的影響半徑。結(jié)果表明：普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段的影響半徑在1米、3米、5米的降深影響都是最大，且是第三分水樞紐至普惠段、普惠水庫至經(jīng)濟(jì)牧場(chǎng)段影響半徑的2倍，甚至更大。在棉花全生長(zhǎng)季，第三分水樞紐至普惠段的單口井的抽水量最大，對(duì)周邊地下水影響的范圍可達(dá)776m。

孔雀河流域的農(nóng)業(yè)開墾面積已超水資源承載力，因此，應(yīng)控制耕地?cái)U(kuò)張，加快實(shí)施退耕還水計(jì)劃，堅(jiān)持以水定地、以水定結(jié)構(gòu)、以水定發(fā)展的原則，取締非法機(jī)電井，實(shí)施壓采平衡。在生態(tài)輸水背景下，爭(zhēng)取盡快恢復(fù)地下水位，以維系沿河兩岸胡楊林生態(tài)系統(tǒng)的健康。

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Simulation Analysis on the Radius of Influence of Ground Water Level Change Along the Kongque River，Xinjiang

LI Yupeng1Wumairjiang Wubli2HE Yu2LI Weihong1

(1.State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology，Xinjiang Institute of Ecology and Geography， Chinese Academy of Sciences，Xinjiang 830011 China； 2. Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau，Korla 841000，China)

This paper through the Dupuit formula in the upper reaches of Kongque River as an example，simulation of the third water diversion project to the Pratt &；Whitney section，Pratt &；Whitney reservoir to economic pasture section，Yuli County Economy pasture to 66 sluice in different stages of different underground water level drawdown radius of Influence. The results show that：inclusive reservoir to economic pasture segment radius of influence in 1 meters，3 meters，the impact of the depth of 5 meters is the largest，and is the other two affected radius of more than 2 times or even greater. In the whole cotton growing season，third water diversion project to the pumping irrigation amount per mu inclusive maximum range，the impact on the surrounding groundwater is 776 meters. At present，the Peacock River water level decline，Populus death should be controlled，and cultivated land，accelerate the implementation of returning farmland to water plan，adhere to the water，with water，with water development，banning illegal electromechanical wells，in order to make the water level gradually restored，conducive to the development of economy and society.

Groundwater；Well；radius of Influence；Kongque River

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAC15B02)和中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”計(jì)劃課題(TSS-2015-014-FW-2-3)

李玉朋，在讀博士生，從事氣候變化與水文過程研究

李衛(wèi)紅，研究員，從事氣候變化與水文過程研究

X21

A

1673-288X(2017)02-0145-03

引用文獻(xiàn)格式：李玉朋 等.新疆孔雀河沿岸地下水位變化的影響半徑模擬分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2017，42(2)：145-147.