皮山河下游沙漠区洪水资源化成效分析

2014-06-05车巧慧陶月赞

水资源保护 2014年4期

关键词：干渠山河含水层

车巧慧,陶月赞,周蜜,韦婷

(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

皮山河下游沙漠区洪水资源化成效分析

车巧慧,陶月赞,周蜜,韦婷

(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

以皮山河为例,依据地下水数值模型,研究在沙漠区修建河道、在河上筑坝蓄滞洪水的洪水资源化方式的成效。结果表明,当河水位升高0.5m时,可储存洪水42.38万m3/a；当河水位升高1m时,可储存洪水343.74万m3/a。可见,以修建河道、河上筑坝的方式,可有效提高皮山河下游沙漠区洪水利用率,增加水资源可利用量。

洪水资源化；数值模型；沙漠区；水资源量；皮山河

洪水是一种自然灾害,但也具有资源、环境、生态等多种功能[1-2]。洪水资源化,指在不成灾的情况下,利用水库、拦河闸坝、自然洼地、人工湖泊、地下水库等工程手段和非工程手段拦蓄洪水,将常规排泄入海或泛滥的洪水在安全、经济可行和社会公平的前提下部分转化储存为可资利用的内陆水,以最小的投入换取最大的经济效益、社会效益和环境效益,使灾害洪水转变为资源洪水[3]。

已有部分学者对洪水资源化课题进行研究。孙香莉等[4]以重庆市为例,通过围堵地下水、建设地下水库等措施,让雨季过剩的水量回灌到地下水库中,丰蓄枯用,有效提高了水资源的利用效率。傅学功等[5]提出采用洪水清洗河道,净化水质,引洪水回灌地下水,加强洪水预测预报工作,科学调度洪水等措施,对沧州市洪水资源化利用。然而,这些洪水资源化研究基本局限于平原及降水量充沛的地区,在沙漠区进行洪水资源化探讨的研究还很少。探讨在干旱严重的沙漠区进行洪水资源化利用问题显得尤为重要。笔者在其他学者研究成果的基础上,利用地下水数值模型,研究以在沙漠区修建河道、在下游河上筑坝的方式,进行沙漠区洪水资源化利用,从而促进研究区地表水与地下水转换,增加地下水补给量。

1 研究区概况

皮山河位于新疆和田地区皮山县内,发源于喀喇昆仑山北麓,上游由阿克肖河及康艾孜河两大支流组成,流域面积为6775.9 km2。东支阿克肖河发源于海拔5000 m以上的穷八刹以拉克达板,西支康艾孜河发源于海拔5000 m以上的昆仑山南坡,两支流在瑙阿巴提塔吉克民族乡汇合,由南向北流经克里阳注入雅普泉水库,后流经皮山县城消失于塔克拉玛干大沙漠(图1)。皮山河流域地处欧亚大陆腹地,远离海洋,具有典型的大陆性气候特征,年降水量在40～200 mm,且降水量地区分布差异大,水平地带及垂直分带十分明显。由于下垫面所处的地理位置及海拔高程的不同,整个皮山河流域具有不同的气候特征。

图1 皮山河流域及研究区位置

皮山河径流补给以冰雪融水为主,流量日变化特征显著,呈现一日一峰谷流量过程。春季受中低山季节性积雪融水的影响,可形成1次春洪;冬季则以地下水补给为主,径流量小且平稳。径流在河流出山口后,流经山前砾石戈壁冲积扇地带,除灌溉用水外,径流大量损失于渗漏和蒸发。研究区位于山前平原区,皮山河洪积扇的中间部位,为缓倾斜冲积细土平原(图1)。地表为星月形沙丘、沙垅及洪冲积堆积的砂砾石所覆盖,发育有地表水体,且灌区较多。含水层主要由上更新统洪积层、中更新统洪积层及全新统冲积层组成,含水层岩性主要是砂砾(漂)石层,属于河床相冲洪积层,地层较单一。含水层粒径由南向北逐渐变小,即由漂砾石逐渐过渡为砂砾石、粗中砂、粉细砂。区内地下水的补给项主要包括河道渗漏、库塘渗漏、渠系渗漏、灌溉回归入渗、地下水侧向补给,排泄项主要有地下水侧向流出、蒸散发、泉及人工开采等。

根据皮山水文站1958—2010年的径流系列资料统计,皮山河多年平均径流量为3.46亿m3,最大年径流量与最小年径流量之比为1.73,径流年际变化比较平稳,但年内分配极不均匀。皮山水文站1976—2010年历年逐旬平均径流过程线见图2。

图2 皮山水文站1976—2010年历年逐旬平均径流过程线

据资料统计,皮山县多年平均水资源利用量约3.2亿m3,其中,地表水利用量为3.0亿m3、占地表水资源可利用总量2/3,地下水开采量为0.2亿m3、占地下水资源可利用总量1/5。目前,皮山河流域已建成各类水库6座,合计有效库容约3000万m3。已建成干、支、斗、农4级渠道总长2 496.13 km：引水总干渠2条,总长度48.2 km,其中防渗渠25.5 km;干渠17条,总长度274.48 km,其中防渗渠93.01 km;支渠214条,总长度471.73 km,其中防渗渠149.18km;斗渠676条,总长度504km,其中防渗渠134.98 km;农渠2063条,总长度1246.27 km,其中防渗渠71.39 km。

2 数值模型

目前,基于Visual MODFLOW软件的数值法已被成功应用于地下水资源评价中[6-9],且已有很多学者在这方面开展了较深入的分析与研究。为突出分析重点,本文仅对数值模型中的水文地质概念模型和相应的数学模型进行简单介绍,模型识别与验证部分内容可参考文献[6-7]。

2.1 水文地质概念模型

模拟区南界以1500 m等高线为界,北界考虑以1340 m等高线为界,东界以该区域的主要干渠——胜利干渠和兵团农场干渠(阿热亚干渠)为界。为了方便数值模拟计算时边界条件的概化,西界以垂直于地下水水位等值线的界面为界,当数值模拟计算出的水位基本不形成明显变化时,再适当外延,最终确定在工作区外约3.5 km处,模拟区面积为412 km2。区内含水层主要由上更新统-中更新统洪积层及全新统冲积层组成,分布面积广,含水层主要为河床相砂砾石夹漂石层,下边界多为泥砾石层或粉质黏土夹中细砂,局部为粉土夹砂砾石,富水性差,作为含水层的隔水底板。

根据对研究区水文地质条件的分析结果,将研究区东侧(扣除胜利干渠和兵团农场干渠部分)、北侧和南侧均概化为水头边界,西侧为零流量边界,胜利干渠和兵团农场干渠为混合边界,即在灌溉期间,接受干渠的渗漏补给(即该部分干渠渗漏量的1/2),而在非灌溉期为零流量边界。水源地的主要开采层位为砂砾石、卵砾石层,上覆有10～30 m厚的粉细砂、亚砂土,接受大气降水的入渗补给及潜水蒸发。

2.2 数学模型

模拟区内地下水流场较为平缓,渗流基本符合达西定律。开采条件下,地下水水流各要素随时间发生变化,为非稳定流。为此,将模拟区地下水水流概化为非均质各向同性非稳定二维地下水流系统,并建立相应的数学模型：

式中：K为含水层的渗透系数,m/d;h为地下水水位,m;z为潜水含水层底板,m;W为单位体积流量,用以代表流进源或流出汇的水量;μ为给水度;H0为初始水位,m;t为时间,d;D为模拟区范围;Γ1为一类边界;Γ2为二类边界;q为含水层侧向单宽补排量,m2/d,模型的隔水边界处q=0。

3 洪水资源化

3.1 皮山河洪水特征

皮山河洪水类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现时间,不仅取决于高山冰川面积、永久性积雪储量和降雪量的累积厚度,还取决于高山区的气温和太阳辐射量。中山带的积雪量相对较少,主要形成季节性积雪融水型洪水。高山带则以其发育的冰川和永久性积雪形成冰雪融水型洪水。暴雨洪水主要形成于低山带,发生频次较高,随机性强。混合型洪水主要是由暴雨洪水与高山冰川融水遭遇形成的叠加洪水。

皮山河洪水以融水型洪水为主、暴雨洪水为辅,春洪不明显,以夏洪为主。皮山河洪水受气温影响较大,峰型多为一日一峰,各日最大洪峰流量出现的时间相差不大,具有明显的日变化规律;洪峰流量暴涨暴落,洪水期在6—8月,径流量占全年的70%以上,而11月至次年3月为枯水期,这5个月的径流量仅占全年径流量的5.7%(图2)。皮山河下游的沙漠区没有人为堆砌河道,雪融水在向下游径流的过程中,由于流量大、河道浅,大部以面状形式蒸发耗散,只有小部分入渗补给沙漠中巨厚地下水含水层,使洪水资源难以利用。

3.2 皮山河洪水资源化的成效

洪水资源化的工程措施和非工程措施较多,形式多样[4-5,10]。依据国内外的研究情况,结合研究区地形、地貌及地表水特征,这里仅分析下游筑坝抬高河水水位对地下水补给量的影响。

皮山河两岸基本没有堤防工程,无效漫溢严重,水资源大量浪费。研究区在洪汛期接受洪水泛滥补给,而在枯水期则河床干涸,且下游河床游荡,在洪水期河流频繁改道,造成河水大量漫溢,蒸发量增大,地下水接受洪水补给时间较短,补给量小。笔者建议采用开挖河道,筑坝拦蓄泛滥洪水于河道的方式,来延长地表水与地下水交换时间,增大洪水入渗补给地下水的水量。拟河道开挖深度为3 m,河床宽约10 m。研究区潜水蒸发极限埋深为6 m,为避免增加的地下水补给量再以蒸发的形式消耗掉,也为了防止下游地下水水位过高造成土壤盐渍化,将筑坝位置设在地下水水位埋深6m界线以上(图3)。

图3 皮山河下游河道筑坝位置示意图

运用经过识别与验证的数值模型,对筑坝后的洪水资源化情况进行分析,结果见表1和图4。

表1 筑坝前后地表水补给地下水水量对比

图4 典型观测孔水位降深过程线

为观测筑坝前后地下水水位降深情况,在距河道垂直距离322 m处设置一典型观测井(图3)。从典型观测孔20年内水位降深过程线(图4)可以看出,在开采条件不变的情况下,河道水位升高0.5 m时,水位降深值由现状条件下的5.65 m降到5.10 m;河道水位升高1 m时,水位降深值降到4.63 m,比现状条件下减小了1.02 m,储蓄了洪水343.74万m3/a。将大量蒸发损失的地表水采用一定的工程措施存蓄于田间或回补地下水,对提高洪水利用率、缓解干旱地区水资源紧缺具有现实意义。

4 结论

在研究区采用开挖河道、河上筑坝的方法,将洪水拦滞于河道,可延长地表水与地下水交换时间,增加地下水补给量。依据在研究区建立的地下水数值模型,得到以下结论：在研究区内拟开挖深3 m、宽10 m的河道,现状开采条件不变的情况下,当河道水位提升0.5 m时,河道入渗补给量增加2.24%,储蓄洪水42.38万m3/a;当河道水位提升1 m时,河道入渗补给量增加18.16%,储蓄洪水343.74×104m3/a,同时降低了研究区内地下水水位的降深程度。因此,在沙漠区采用修建河道,河上筑坝的洪水资源化方式,可大大增加地下水补给量,有效解决沙漠区下游供需水矛盾,也可为在沙漠区进行洪水资源化提供依据。

[1]向立云,魏志敏.洪水资源化：概念、途径与策略[J].水利发展研究,2005(7)：24-29.(XIANG Linyun,WEI Zhimin.Floodwater utilization：concept、approach and strategy[J].Water Resources Development Research, 2005(7)：24-29.(in Chinese))

[2]冯锋,孙五继.洪水资源化的实现途径及手段探讨[J].中国水土保持,2005(9)：4-5.(FENG Feng,SUN Wuji. Approach to ways and means for reclamation of floods[J]. Soil and Water Consernation in China,2005(9)：4-5.(in Chinese))

[3]曹永强.洪水资源利用与管理研究[J].资源·产业, 2005(9)：4-5.(CAO Yongqiang.Study on floodwater utilization and management[J].Resources and Industries, 2005(9)：4-5.(in Chinese))

[4]孙香莉,谢世友,王静.重庆市洪水资源化探讨[J].节水灌溉,2007(8)：124-126.(SUN Xiangli,XIE Shiyou, WANG Jing.On the utilization of flood water resources in Chongqing Province[J].Water Saving Irrigation,2007 (8)：124-126.(in Chinese))

[5]傅学功,吴兴国,张东江,等.沧州市洪水资源化应用探讨[J].水利发展研究,2005(4)：41-43.(FU Xuegong, WU Xingguo,ZHANG Dongjiang,et al.Discussion of application on the utilization of flood water resources in CangzhouCity[J].WaterResourcesDevelopment Research,2005(4)：41-43.(in Chinese))

[6]刘磊,董新光,吴斌.MODFLOW在新疆灌区地下水资源开发评价中的应用[J].地下水,2011,33(4)：24-27. (LIU Lei,DONG Xinguang,WU Bin.The application of MODFLOW about the exploitation and evaluation of the ground water resource in Xinjiang irrigated area[J]. Ground Water,2011,33(4)：24-27.(in Chinese))

[7]阿布都热合曼·哈力克.新疆车尔臣河流域地下水的可持续开发利用研究[J].干旱区资源与环境,2012,26 (3)：68-76.(ABDIRAHMAN·Halik.Sustainable development of groundwater of Cheerchen river basin in Xinjiang[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2012,26(3)：68-76.(in Chinese))

[8]MEKKI I,JACOB F,MARLET S,et al.Management of groundwater resources in relation to oasis sustainability：the case of the Nefzawa region in Tunisia[J].Journal of Environmental Management,2013,121：142-151.

[9]LING H B,XU H L,FU J Y,et al.Suitable oasis scale in a typical continental river basin in an arid region of China：a case study of the Manas River Basin[J].Quaternary International,2013,286：116-125.

[10]王宝玉.塔里木河洪水资源化利用初探[J].西北水电, 2002(4)：11-13.(WANG Baoyu.Probe in utilization of floods of the Tarimu River as water resources[J]. Northwest Water Power,2002(4)：11-13.(in Chinese))

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

10046933(2014)04005704

20130618 编辑：彭桃英)