塔里木河干流河道滲漏量分析

孫 倩

(塔里木河流域工程建設處，新疆 庫爾勒 841000)

了解不同水情條件下河流水量的去向對整個流域水資源的配置管理具有重大意義。河流水量的消耗包括自然耗散和人為利用，其中自然耗散指蒸發、滲漏和漫溢河道損失。塔里木河是典型的干旱內陸河[1- 3]，塔里木河流域的地下水資源是由地表水轉化而成的，河道沉積物的滲透性將影響著地下水與地表水的補排關系以及補給量的大小。只有清楚掌握地表水與地下水的補排關系和補給量的大小，才能更合理地利用水資源，為此，需對各河段滲漏量進行分析。

1 滲透系數計算方法

河水的下滲對于維持地下水與地表水之間的平衡起著重要作用，其最基本的影響參數即為河床沉積物的滲透系數。河道滲透系數K又稱為水力傳導系數[4]，是一個重要的水文地質參數，表征流體通過多孔介質的難易程度，直接影響到河流對含水層的補給量以及含水層對河流的排泄量，是對水資源開展評價的重要參數，現采用顆粒分析法來進行滲透系數的測定。

1.1 顆粒分析原理

顆粒分析法是通過對沉積物的顆粒級配進行分析，得到沉積物各個特征的粒徑(如有效粒徑d5，中值粒徑d50等)，建立滲透系數與特征粒徑之間的經驗關系，從而有效地得出測試點的K值。塔里木河干流長1321km[5]，干流洪水由阿克蘇河、和田河和葉爾羌河山區暴雨及冰雪融水下泄塔河干流形成[6- 7]，上游阿拉爾站的多年平均流量為46.5×108m3，水量主要集中在汛期。在塔里木河流域，應基于河床沉積物的顆粒級配曲線來推求河床滲透參數的大小。

1.2 數據收集處理

工作人員先后兩次沿塔里木河防洪堤壩進行土樣采集，主要集中在上游阿拉爾至英巴扎、中游英巴扎至恰拉河段，從不同河段的起點開始，每隔10km取1次土樣，在距地表30、60、100、150cm處分別取土樣50～100g，全程共26個采樣點，土樣共計104個。然后在實驗室對所采集的土樣顆粒進行分析，在顆粒級配曲線的基礎上采用經驗公式計算土樣的滲透系數。通過對沉積物的顆粒級配進行分析，得到沉積物的各特征粒徑。

以粒徑為橫坐標，小于某粒徑的沉積物質量百分比為縱坐標，在半自然對數坐標中繪制顆粒級配曲線，然后在顆粒級配曲線上查讀出所需的特征粒徑值。根據實驗及分析結果，每個取樣點不同土層有效粒徑有d5、d25、d75、d95的值。

1.3 滲透系數的計算方法

基于顆粒分析法獲得河道土壤顆粒粒徑級配，根據河道本身固有特點選取合適合理的經驗公式進行滲透系數的計算。此次研究，滲透系數的計算采用的統一公式如下：

(1)

式中，K—顆粒分析中計算的滲透系數(無方向)，m/d(1m/d=3.271ft/d)，C—滲透系數單位的換算系數；g—重力加速度，9.81m/s2(32ft/s2)；v—水的運動黏性系數，m2/s，v值取決于水溫；n—孔隙度，通過均勻度系數來近似確定；φ(n)—無量綱的孔隙度函數；de—累計重量占總重e%時的顆粒直徑，mm。系數C和φ(n)因選取方法不同而取值不同。

根據粒徑分析結果，選用Hazen計算公式來計算河床的滲透系數。在利用Hazen經驗公式過程中，其孔隙率函數φ(n)=1+10(n-0.26)，所對應的有效粒徑為d5，所對應的C值為6×10-4。則不同采樣點不同深度的土壤滲透系數K見表1。

表1 滲透系數計算結果

(續表)

Q=(b+2a)·L·K·t

2 滲漏量的計算方法

塔里木河干流局部河勢不穩，河道彎曲過度，抗沖能力差[8]。基于塔里木河河床的特點，將河床近似地看做倒梯形，滲漏量的計算公式為：

(2)

式中，Q—滲漏量，m3/s;b—河床寬度，m；a—坡面長度即水體與坡面接觸長度，m；L—河段長度，m；K—平均滲漏系數;t—河水滲漏時間，d。根據宋郁東、樊自立等研究成果[3]，各監測站水位Z與水面寬度B的計算公式為：

阿拉爾：Z1=0.409lnQ1+7.03；

(3)

B1=4×10-6exp(1.954Z1)

(4)

新其滿：Z2=0.502lnQ2+4.80；

(5)

B2=6×10-8exp(2.677Z2)

(6)

英巴扎：B3=15.22lnB2+67.68；

(7)

烏斯滿：B4=9.87lnB3+25.67；

(8)

恰拉：B5=3.23lnB4+8.32

(9)

式中，Q—滲漏量，m3/s;Z—監測站水位，m;B—水面寬度,m。

3 河道滲漏量的結果分析

基于滲透系數計算結果，利用滲漏量計算公式計算出不同水情下不同河段年內滲漏量的結果。在合理的水情預報條件下，明確滲漏量等水量自然耗散，結合生態用水及農業用水等，可以為水資源的合理分配提供科學依據。

3.1 阿拉爾—新其滿河段滲漏量

阿拉爾到新其滿河段為塔里木河上游[9]，在來水頻率為10%的情況下，該河段的平均滲透系數為1.07，在1—6月平均河寬為45.34m，平均水深為3m。將以上數值代入公式計算得，在來水頻率10%的情況下，1—6月阿拉爾-新期滿河段的滲漏量為1.438×108m3。7—9月，水量大，發生漫溢現象。計算時的河寬即為河道的最大寬度，為80m左右，水深在6～7m之間。經計算而得，每個月的河道滲漏量均在0.39×108m3左右。10—12月，水量逐漸減少，河水的寬度也在減少。利用流量計算而得，在10—12月，河道的平均寬度為68.7m，河床平均深度為2.5m左右，則10—12月河道的總滲漏量為1.194×108m3。

在來水頻率為25%、50%、75%、90%的情況下，利用河道的流量以及河道的估算深度，可以計算出1年之內該河段的總滲漏量，見表2。根據表2.，塔里木河阿拉爾—新其滿河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為3.805×108、3.843×108、3.163×108、3.302×108、3.59×108m3。

表2 阿拉爾—新其滿河段滲漏量(108m3)

3.2 新其滿—英巴扎河段滲漏量

該河段的平均滲透系數為0.89，由水的流量可得，在1—6月，河道的平均寬度為28m左右，水深為3.1m左右，該河段的長度為258km，設河床的平均坡度為30°。當來水頻率為10%時，在1—6月，河道的總滲漏量為0.86×108m3。在7、8、9三個月，來水過大，河水漫過河堤向外漫溢，河床的總寬度約為42m，經計算得這三個月每個月的滲透量均為0.249×108m3。而到10—12月，河道的來水量又有所減少，經計算而得，該段時間內河道的總滲漏量為0.67×108m3。

利用相同的方法，可以得出在來水頻率為25%、50%、75%、90%的情況下該河段的滲透量(見表3)。根據表3，塔里木河新其滿—英巴扎河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為2.277×108、2.467×108、2.247×108、2.118×108、1.909×108m3。

表3 新其滿—英巴扎河段滲漏量(108m3)

3.3 英巴扎—烏斯滿河段滲漏量

該河段河長179km。平均滲透系數為1.97m/d，平均水深為2.6m，設河床的平均坡度為30°。當河道的來水頻率為10%時，在1—6月，利用流量可得，該河段河道寬度平均為22m，河道的總滲漏量為0.994×108m3。在7—9月，河道的來水量較大，河水充滿整個河道并發生漫溢現象，在此時期，計算應用的水面寬度為大約為35m，所以該段時間內，每個月的滲漏量一致，均為0.319×108m3。10—12月，水量減少，河水的深度變淺，利用來水量與水深計算而得，該時段內河道的滲透量為0.78×108m3。

利用來水頻率為25%、50%、75%、90%時的來水量與估測水深，便可得到這些來水頻率下的河道滲透量(見表4)。根據表4，塔里木河英巴扎—烏斯滿河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為2.727×108、2.52×108、2.489×108、2.282×108、1.784×108m3。

表4 英巴扎—烏斯滿河段滲漏量(108m3)

3.4 烏斯滿—恰拉河段滲漏量

該河段河長219km。利用顆粒分析法得該河段的平均滲透系數為2.35。當來水頻率為10%時，在1—6月，利用流量可得該河段水面的平均寬度為18.3m，平均水深為2.1m，經計算得河道的總滲漏量為1.22×108m3，在7—9月，河水發生漫溢現象，河床的總寬度為29m左右，水深大約為2.5m左右，所以每個月的滲漏量大約為0.39×108m3。到10—12月，水量減少，水面寬度下降，河水深度降低，經計算得該時間段內河道的總滲漏量為0.955×108m3。運用相同的方法，計算來水頻率為25%、50%、75%、90%時的滲漏量(見表5)。根據表5，塔里木河英巴扎—烏斯滿河段在5個來水頻率下的徑流滲漏量分別為3.345×108m3、3.082×108m3、3.043×108m3、2.788×108m3和2.181×108m3。

表5 烏斯滿—恰拉河段滲漏量(108m3)

由以上結果可知，在以后的研究中，應注意使用現場測定的方法，再結合其他方法進行綜合確定，以便更為準確地估算河床的滲漏量。同時，塔里木河中游還是治理的關鍵[10]。

4 結語

由于多種原因，塔里木河干流河道水資源滲漏量較大，直接影響沿河水資源的使用效益和成本。通過分析計算和探討，得出阿拉爾-新其滿、新其滿-英巴扎、英巴扎-烏斯滿、烏斯滿-恰拉各河段的平均滲漏系數分別為1.07、0.89、1.97、2.35m/d，以及各河道不同頻率下的水資源滲漏量。經過數據對比可知，在不同來水頻率下，水資源滲漏量呈增大趨勢，即來水越多滲漏越多，越往下游，滲漏量越大，急需采取措施，加強河道滲漏量處置。本文的分析為工程建設提供了參考。