北塔山牧場大石頭地下水庫成庫條件及庫容計算方法研究

秦國強

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

利用松散巖體之間的空隙將其作為儲蓄水的空間，然后人為使其具備一定規模并且能夠達到調蓄地下水資源的工程，即地下水庫。為解決新疆境內的干旱問題，新疆陸續興建了烏拉泊洼地、柴窩堡盆地等地下水庫。同地表水庫相比，地下水庫蒸發小、成本低、相對難受污染等特點。同自然狀態下的孔隙含水層相比，在得到人為干預后，地下水庫無論是調蓄可操作性還是規模都獲得一定幅度的提升。利用地下水庫進行人為調蓄，不僅可以增加地下水的補給，實現地下水資源可持續開發利用，而且還可以進一步保護生態環境，避免引發環境地質問題[1-2]。

是否適宜修建地下水庫首先要查明的是地下水庫的成庫條件。根據成庫條件的表現，可將其總結為幾點，首先要有足夠的蓄水空間，能夠承載足夠的地下水，同時還要將其連通性凸顯出來；其次水庫底部要具備阻水能力，保證庫區水位不會因滲漏問題而下降；最后是具有較強的封閉性，這是對庫區周邊提出的要求。

新疆生產建設兵團第6師北塔山牧場地表水資源年內分配不均，且缺乏有效的調蓄工程，近年來因生產生活用水需求大幅增加，水資源問題已成為制約當地社會和經濟的發展瓶頸，修建大石頭地下水庫對保障北塔山牧場的社會、經濟和生態環境的協調發展具有重大意義。本文通過分析大石頭地下水庫的空間結構、圈閉性，并對地下水庫的庫容進行初步計算，論證建立大石頭地下水庫成庫的可行性，以期為地下水資源的合理開發利用提供技術依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理、氣象及水文條件

研究區位于新疆生產建設兵團第6師北塔山牧場境內大石頭洼地之中[3]，中心位置南距離牧場場部所在地直線距離22 km，地形總體南東高，北西低，地理坐標：東徑：90°27′～90°37′，北緯：45°20′～45°32′，見圖1。

圖1 研究區地理位置圖

研究區位于整個歐亞大陸的中心區域，由于距離海洋較遠，導致該區域的降水主要來自西風氣流，通過將大西洋上空濕潤空氣帶到此地，積累到一定程度后形成降水。根據最近北塔山氣象站資料顯示，區域多年平均氣溫3.2℃，多年平均風速3.1 m/s，風向多為偏東風；多年平均降水量172.8 mm，連續最大4個月降水量一般發生在5-8月，占全年降水量57.3%；多年平均水面蒸發量1 867.6 mm(20 cm口徑蒸發器)；年平均相對濕度49%，年平均無霜期124 d，全年日照3 119.5 h，年雷暴日數40 d，最大凍土深2.00 m，最大積雪厚度41.9 cm。主要災害有干旱、大風、寒潮等。

北塔山牧場北部大石頭洼地的南東部山區發育烏倫布拉克溝，從類型上來看，具備山溪性河溝的特征，因而被納入該范圍內，河溝的源頭出自于北塔山西部的山區，距離海平面1 530 m以上，最高達到 2 693 m。流域介于東經90°31′～90°43′、北緯45°l7′～45°23′之間，河溝出山口以上河長10 km。烏倫布拉克溝渠首以上河長9.54 km，集水面積24 km2，該溝多年平均徑流量164萬 m3。另在烏倫布拉克溝的東部與西部的洼地周邊，發育有多條小型季節型洪水溝。

北塔山諸河流主要接受地下水補給，其次為季節性融雪和降雨。根據水文部門調查成果分析，烏倫布拉克溝徑流年內變化特性如下：徑量多集中在4月、5月、6月，占全年的37%，最小水量出現在3月，占全年的6%，，其它月份水基本穩定，占全年的7%。

1.2 水資源利用現狀

大石頭外地內現有2座梯級水庫，由東至西依次為一庫、二庫，均為引水注入式平原水庫。一庫設計庫容25萬 m3，二庫庫容15萬 m3，水庫性質均為農業用水。

烏倫布拉克溝在出山口處為大石頭一庫蓄水，進入洼地平原區河道基本干枯，只有在暴雨洪水季節及9、10月份大石頭一庫不蓄水時，有少量地表水徑流進入北部洼地區入滲補給地下水。二庫位于一庫西北側12 km處的戈壁草場上，主要引蓄洼地南部洪水溝季節洪水。

根據現場調查，大石頭洼地現有機井4眼，但均廢棄，地下水處于原始狀態，無人為開采。

1.3 地下水的補給、徑流、排泄條件

通過對洼地內地下水構成的分析，水源充足來源于多方面的補給，也涉及一些區域，如南東部的烏倫布拉克溝、大石頭一庫及無匯流區分別對應的垂直滲漏補給、滲漏補給和暴雨供水補給等等。

其徑流方向是子男向北，以深層砂礫石層中的地下水為主。

排泄方式主要方式有蒸發、蒸騰和外排泄，前兩者在洼地北部地下水淺埋區和天然植被上表現明顯，后者則以地下水沿洼地西北角與東北角小溝等區域為主。

2 地下水庫空間結構

2.1 地形地貌

從整體上來看，大石頭山間洼地呈現的是不規則的長方形，南北長度達到了28 km，而東西的寬度不均，在5～12 km之間，最低海拔為1 240 km，最高位1 800 km,從地勢上來看，由東南向西北地勢高度逐步遞減，地面縱坡坡降最高不超過2.5%。縱觀洼地四周山體，以環基巖為主，整個洼地內有兩條沖溝，其發育地點分別為西南和東北角，用于洼地內地下水的排泄。在地表的外力作用下，使地表寢室剝蝕現象嚴重，形成除西部意外的中低山，海拔高程在1 500～3 287 m之間，屬中低山區；西部為阿爾泰山剝蝕丘陵區，海拔高程750～1 400 m，地形起伏不大，多為剝蝕殘丘，一般高差10～20 m，基巖大多裸露。洼地內地表巖性呈現出從南東向北西分布的一種狀態，主要由砂礫石、粉土及卵礫石等構成，洼地內存在沖溝，發育較好的位于北西向，深度和寬度分別為0.5～1.0 m和2～10 m，且溝內有明顯洪水流過的痕跡(圖2)。

圖2 大石頭洼地南北向水文地質剖面

根據洼地的組成，以戈壁荒漠草地為主，其中北部的地下水較淺，距地表深度在6 m以內，能夠為低矮耐旱耐鹽堿植被提供充足的水分，常見植被有芨芨草、鹽木賊等，該區域的植被覆蓋率接近20%。

2.2 儲水空間

大石頭洼地內下伏致密堅硬，完整的基巖構成地下水庫的隔水底板，巖性在洼地南半部為華力西中期侵入γ42f肉紅色中粒鉀質花崗巖，北部為中石炭統巴塔瑪依內山組(C2b)凝灰巖及凝灰質砂巖，均為相對不透水層

洼地內上覆第四系松散沉積物為地下水賦存提供了良好條件。

據本次物探及鉆探成果，中更新統洪積(Q2pl)廣泛分布在洼地底部基巖頂板之上，厚度在10 m上下浮動，通過調查，最大的厚度能夠達到60 m,且厚度會隨著區位的變化而變化，南部較厚，向北厚度逐步遞減，在洼地當中起到蓄水的作用。

從Q2pl地表分布情況上來看，以洼地周邊洪積扇為主要集中區域，大多分布在上部，并由含土砂卵礫石構成其巖性，整體呈現灰黃色，質地比較致密，一旦與水相遇，會出現崩解的現象。卵礫石成分主要為深灰色砂巖、凝灰質砂巖，呈次棱角狀。卵礫石含量大于50%，一般粒徑1～2 cm，最大5 cm，粘粒含量在30%左右。

上更新統—全新統洪積(Q3-4pl)廣泛分布在洼地內，最大厚度能夠達到85 m，最小厚度為1 m。分布特點為南部厚，北部薄。通過對含水情況的了解，洼地中的部分區域為透水不含水層，如南部、東西邊緣等，而中下部能夠儲存水分，在洼地中充當重要含水層。

巖性以青灰色砂卵礫石為主，中等稍密實，成分構成為深灰色和凝灰質砂巖，次棱角狀居多。卵礫石含量普遍大于50%，粒徑多在1～3 cm，最大5 cm，粘粒含量一般在10%左右。0.4～1.0 m以上為碎石土，土灰色，含植物根系，松散。顆粒直徑由南向北逐漸變細，到洼地北部邊緣漸變為洪積砂、粉土等。

2.3 地下水的賦存與分布規律

為了探究洼地地下水位埋深情況，采用物探和鉆探的方式進行測試，測試結果顯示，自南向北水位深度逐步遞減。

在整個洼地的南部，其地下埋深最低為80 m，分為上層和下層兩部分，不同層有著不同的特征，且由不同的物質組成，其中，上層具有透水不含水層的特征，也稱之為Q3-4pl松散砂卵礫石層，下層為Q2pl膠結含土砂卵礫石層，含水特征明顯，屬于含水層，但由于最大厚度在30 m以內，致使其富水性較低，無法為地下水開采工作提供豐富的條件，因此不宜將此區域作為開采區。

在對洼地中部地下水測試的過程中，埋深在15～80 m之間，上層為少量含水層，也是Q3-4pl松散砂卵礫石層，下層為含水層，也是Q2pl膠結含土砂卵礫石層，除此之外，還包括由γ42f花崗巖組成的底層，在該區域中充當相對不透水層，由此可見，該區域在地下水類型當中屬于單一結構第四系孔隙潛水。將該段內的三眼井作為試驗區域，利用抽水試驗的方式來獲得含水層系數，結果顯示為5.37～8.25 m/d，對應的單位涌水量為1.62～2.13 L/s·m，同時，通過對地下水流場圖的分析，得出0.002 6是水位坡度的值。綜上所述，可將其富水性評為中等，具有地下水開采的價值，因其具有獲利的特征而將其劃入到適宜開采區。

洼地北部的富水性表現極差，其地下水位埋深和含水層厚度分別為15 m以內和20 m以下，致使涌水量不超過1.0 L/s·m，如若在此區域開采地下水，會消耗大量的資金，無法實現經濟效益的最大化，因此將其納入到不宜開采區的范圍。

3 地下水庫圈閉性

大石頭洼地東、西、南、北四面環基巖山體，均為相對隔水層，具有良好的圈閉性，現分述如下：

3.1 東、南、北面

受侵蝕剝蝕作用，東、南、北部形成比高較小的中低山，地層年代為泥盆系(D)，可進一步分為三個小組，即中泥盆統北塔山組(D2b)、平頂山組(D2p)以及托讓格庫都克組(D2t)。

(1)中泥盆統北塔山組(D2b)：巖性為灰綠色變質粉砂巖及凝灰質砂巖。

(2)中泥盆統平頂山組(D2p)：其下部巖性主要為片理化含礫凝灰質粉砂巖，上部主要為玻屑凝灰巖、凝灰角礫巖。

(3)中泥盆統托讓格庫都克組(D2t)：巖性為黃綠、灰綠色條帶狀硅質粉砂巖。

3.2 西面

西部為阿爾泰山剝蝕丘陵區，地形起伏不大，多為剝蝕殘丘，基巖大多裸露，地層屬中石炭統巴塔瑪依內山組(C2b)，上部巖性以灰褐色、紫灰色安山玢巖、凝灰巖及凝灰質砂巖為主；中部主要是凝灰質礫巖，還含有部分灰絳色凝灰角礫巖；下部以紫紅色礫巖、砂礫巖及泥巖為主。

4 地下水庫庫容計算

受地質復雜性的影響，使得區域內部分水文地質參數無法準確的確定，入給水度、彌漫系數等，為了準確計算出地下水庫的庫容，首先要進行地質概化，而后借助特征水位完成刻畫。庫容的類型也涉及很多種，如最大和最小庫容、二者差值的最大調蓄庫容。最大庫容不僅涉及地下水位埋深最淺值，還與隔水底板之間含水層的疏干存在較大的關聯，代表著地下水庫蓄水能力的最大值。最小庫容是隔水底板與最深地下水位埋深之間含水層的疏干，代表地下水庫蓄水能力的最小值。最大庫容—最小庫容=最大調蓄庫容，代表著地下水庫調蓄空間的最大值[4-6]，詳見圖3。

圖3 地下水庫特征庫容計算示意圖

4.1 特征水位分析

面臨確定蓄水位的問題時，最先要考慮的是采取怎樣的措施來保證地下水庫蓄水效益的最大化[7-8]，而后分析鹽漬化產生的原因及處理辦法。當地下水位埋深小于2 m時，地下水蒸發量較平時大一倍。綜合考慮以上兩方面的因素，結合區域氣象水文、生態環境效應以及地質、水文地質等條件，確定潛水位最小埋深控制為3.5 m。

最低控制水位的確定。在確定最低水位的過程中，不僅要保證蓄水的效益，使其實現最大化，而且要確保地下水位處于安全范圍內，保證生態的正常運轉，避免生態因缺水而衰敗的現象發生。當地下水位埋深小于6 m 時，區域內的植被大多難以存活。綜合考慮以上兩方面的因素，確定潛水位最低控制水位控制為6.0 m。

4.2 庫容計算

以孔隙介質為儲水空間且地下水類型為潛水的地下水庫，庫容計算公式為：

v潛庫=∑ΔhiμiAi

式中：v潛庫為潛水含水層地下水庫的庫容(m3)；△hi為i 分區賦水體內的平均厚度(m)；μi為i分區含水層的重力給水度；Ai為i分區的面積(m2)。

研究區水文地質參數大多來源于現場試驗，試驗的類型包括鉆孔抽水試驗和現場土工試驗，以實驗相關材料為依據而獲得相應參數，重力給水度取值0.15[9]，在考慮區域水文特征條件下，庫區面積取23.5 km2，經計算，大石頭地下水庫最小庫容理論值為1 234×104m3，最大庫容理論值為2 115×104m3，調蓄庫容理論值為881×104m3。

5 結語

(1)未來作為北塔山牧場重要的供水水源地，大石頭地下水庫的水資源調蓄作用，對于牧場供水保障、安全、環境改善及水資源合理配置，具有十分重要的意義。

(2)大石頭洼地地下水庫邊界幾近于封閉，內部地下水徑流條件比較好，賦水體砂卵礫石層具有一定厚度，地下水位埋藏較深，儲水空間充足，在下游末端小溝出口處，含水層較薄，滲透性一般，非常適宜修建無壩地下水庫。在考慮區域水文特征條件下，庫區面積取23.5 km2，經計算大石頭地下水庫最小庫容理論值為1 234×104m3，最大庫容理論值為2 115×104m3，調蓄庫容理論值為881×104m3。