孙 倩

(塔里木河流域工程建设处，新疆 库尔勒 841000)

了解不同水情条件下河流水量的去向对整个流域水资源的配置管理具有重大意义。河流水量的消耗包括自然耗散和人为利用，其中自然耗散指蒸发、渗漏和漫溢河道损失。塔里木河是典型的干旱内陆河[1- 3]，塔里木河流域的地下水资源是由地表水转化而成的，河道沉积物的渗透性将影响着地下水与地表水的补排关系以及补给量的大小。只有清楚掌握地表水与地下水的补排关系和补给量的大小，才能更合理地利用水资源，为此，需对各河段渗漏量进行分析。

1 渗透系数计算方法

河水的下渗对于维持地下水与地表水之间的平衡起着重要作用，其最基本的影响参数即为河床沉积物的渗透系数。河道渗透系数K又称为水力传导系数[4]，是一个重要的水文地质参数，表征流体通过多孔介质的难易程度，直接影响到河流对含水层的补给量以及含水层对河流的排泄量，是对水资源开展评价的重要参数，现采用颗粒分析法来进行渗透系数的测定。

1.1 颗粒分析原理

颗粒分析法是通过对沉积物的颗粒级配进行分析，得到沉积物各个特征的粒径(如有效粒径d5，中值粒径d50等)，建立渗透系数与特征粒径之间的经验关系，从而有效地得出测试点的K值。塔里木河干流长1321km[5]，干流洪水由阿克苏河、和田河和叶尔羌河山区暴雨及冰雪融水下泄塔河干流形成[6- 7]，上游阿拉尔站的多年平均流量为46.5×108m3，水量主要集中在汛期。在塔里木河流域，应基于河床沉积物的颗粒级配曲线来推求河床渗透参数的大小。

1.2 数据收集处理

工作人员先后两次沿塔里木河防洪堤坝进行土样采集，主要集中在上游阿拉尔至英巴扎、中游英巴扎至恰拉河段，从不同河段的起点开始，每隔10km取1次土样，在距地表30、60、100、150cm处分别取土样50～100g，全程共26个采样点，土样共计104个。然后在实验室对所采集的土样颗粒进行分析，在颗粒级配曲线的基础上采用经验公式计算土样的渗透系数。通过对沉积物的颗粒级配进行分析，得到沉积物的各特征粒径。

以粒径为横坐标，小于某粒径的沉积物质量百分比为纵坐标，在半自然对数坐标中绘制颗粒级配曲线，然后在颗粒级配曲线上查读出所需的特征粒径值。根据实验及分析结果，每个取样点不同土层有效粒径有d5、d25、d75、d95的值。

1.3 渗透系数的计算方法

基于颗粒分析法获得河道土壤颗粒粒径级配，根据河道本身固有特点选取合适合理的经验公式进行渗透系数的计算。此次研究，渗透系数的计算采用的统一公式如下：

(1)

式中，K—颗粒分析中计算的渗透系数(无方向)，m/d(1m/d=3.271ft/d)，C—渗透系数单位的换算系数；g—重力加速度，9.81m/s2(32ft/s2)；v—水的运动黏性系数，m2/s，v值取决于水温；n—孔隙度，通过均匀度系数来近似确定；φ(n)—无量纲的孔隙度函数；de—累计重量占总重e%时的颗粒直径，mm。系数C和φ(n)因选取方法不同而取值不同。

根据粒径分析结果，选用Hazen计算公式来计算河床的渗透系数。在利用Hazen经验公式过程中，其孔隙率函数φ(n)=1+10(n-0.26)，所对应的有效粒径为d5，所对应的C值为6×10-4。则不同采样点不同深度的土壤渗透系数K见表1。

表1 渗透系数计算结果

(续表)

Q=(b+2a)·L·K·t

2 渗漏量的计算方法

塔里木河干流局部河势不稳，河道弯曲过度，抗冲能力差[8]。基于塔里木河河床的特点，将河床近似地看做倒梯形，渗漏量的计算公式为：

(2)

式中，Q—渗漏量，m3/s;b—河床宽度，m；a—坡面长度即水体与坡面接触长度，m；L—河段长度，m；K—平均渗漏系数;t—河水渗漏时间，d。根据宋郁东、樊自立等研究成果[3]，各监测站水位Z与水面宽度B的计算公式为：

阿拉尔：Z1=0.409lnQ1+7.03；

(3)

B1=4×10-6exp(1.954Z1)

(4)

新其满：Z2=0.502lnQ2+4.80；

(5)

B2=6×10-8exp(2.677Z2)

(6)

英巴扎：B3=15.22lnB2+67.68；

(7)

乌斯满：B4=9.87lnB3+25.67；

(8)

恰拉：B5=3.23lnB4+8.32

(9)

式中，Q—渗漏量，m3/s;Z—监测站水位，m;B—水面宽度,m。

3 河道渗漏量的结果分析

基于渗透系数计算结果，利用渗漏量计算公式计算出不同水情下不同河段年内渗漏量的结果。在合理的水情预报条件下，明确渗漏量等水量自然耗散，结合生态用水及农业用水等，可以为水资源的合理分配提供科学依据。

3.1 阿拉尔—新其满河段渗漏量

阿拉尔到新其满河段为塔里木河上游[9]，在来水频率为10%的情况下，该河段的平均渗透系数为1.07，在1—6月平均河宽为45.34m，平均水深为3m。将以上数值代入公式计算得，在来水频率10%的情况下，1—6月阿拉尔-新期满河段的渗漏量为1.438×108m3。7—9月，水量大，发生漫溢现象。计算时的河宽即为河道的最大宽度，为80m左右，水深在6～7m之间。经计算而得，每个月的河道渗漏量均在0.39×108m3左右。10—12月，水量逐渐减少，河水的宽度也在减少。利用流量计算而得，在10—12月，河道的平均宽度为68.7m，河床平均深度为2.5m左右，则10—12月河道的总渗漏量为1.194×108m3。

在来水频率为25%、50%、75%、90%的情况下，利用河道的流量以及河道的估算深度，可以计算出1年之内该河段的总渗漏量，见表2。根据表2.，塔里木河阿拉尔—新其满河段在5个来水频率下的径流渗漏量分别为3.805×108、3.843×108、3.163×108、3.302×108、3.59×108m3。

表2 阿拉尔—新其满河段渗漏量(108m3)

3.2 新其满—英巴扎河段渗漏量

该河段的平均渗透系数为0.89，由水的流量可得，在1—6月，河道的平均宽度为28m左右，水深为3.1m左右，该河段的长度为258km，设河床的平均坡度为30°。当来水频率为10%时，在1—6月，河道的总渗漏量为0.86×108m3。在7、8、9三个月，来水过大，河水漫过河堤向外漫溢，河床的总宽度约为42m，经计算得这三个月每个月的渗透量均为0.249×108m3。而到10—12月，河道的来水量又有所减少，经计算而得，该段时间内河道的总渗漏量为0.67×108m3。

利用相同的方法，可以得出在来水频率为25%、50%、75%、90%的情况下该河段的渗透量(见表3)。根据表3，塔里木河新其满—英巴扎河段在5个来水频率下的径流渗漏量分别为2.277×108、2.467×108、2.247×108、2.118×108、1.909×108m3。

表3 新其满—英巴扎河段渗漏量(108m3)

3.3 英巴扎—乌斯满河段渗漏量

该河段河长179km。平均渗透系数为1.97m/d，平均水深为2.6m，设河床的平均坡度为30°。当河道的来水频率为10%时，在1—6月，利用流量可得，该河段河道宽度平均为22m，河道的总渗漏量为0.994×108m3。在7—9月，河道的来水量较大，河水充满整个河道并发生漫溢现象，在此时期，计算应用的水面宽度为大约为35m，所以该段时间内，每个月的渗漏量一致，均为0.319×108m3。10—12月，水量减少，河水的深度变浅，利用来水量与水深计算而得，该时段内河道的渗透量为0.78×108m3。

利用来水频率为25%、50%、75%、90%时的来水量与估测水深，便可得到这些来水频率下的河道渗透量(见表4)。根据表4，塔里木河英巴扎—乌斯满河段在5个来水频率下的径流渗漏量分别为2.727×108、2.52×108、2.489×108、2.282×108、1.784×108m3。

表4 英巴扎—乌斯满河段渗漏量(108m3)

3.4 乌斯满—恰拉河段渗漏量

该河段河长219km。利用颗粒分析法得该河段的平均渗透系数为2.35。当来水频率为10%时，在1—6月，利用流量可得该河段水面的平均宽度为18.3m，平均水深为2.1m，经计算得河道的总渗漏量为1.22×108m3，在7—9月，河水发生漫溢现象，河床的总宽度为29m左右，水深大约为2.5m左右，所以每个月的渗漏量大约为0.39×108m3。到10—12月，水量减少，水面宽度下降，河水深度降低，经计算得该时间段内河道的总渗漏量为0.955×108m3。运用相同的方法，计算来水频率为25%、50%、75%、90%时的渗漏量(见表5)。根据表5，塔里木河英巴扎—乌斯满河段在5个来水频率下的径流渗漏量分别为3.345×108m3、3.082×108m3、3.043×108m3、2.788×108m3和2.181×108m3。

表5 乌斯满—恰拉河段渗漏量(108m3)

由以上结果可知，在以后的研究中，应注意使用现场测定的方法，再结合其他方法进行综合确定，以便更为准确地估算河床的渗漏量。同时，塔里木河中游还是治理的关键[10]。

4 结语

由于多种原因，塔里木河干流河道水资源渗漏量较大，直接影响沿河水资源的使用效益和成本。通过分析计算和探讨，得出阿拉尔-新其满、新其满-英巴扎、英巴扎-乌斯满、乌斯满-恰拉各河段的平均渗漏系数分别为1.07、0.89、1.97、2.35m/d，以及各河道不同频率下的水资源渗漏量。经过数据对比可知，在不同来水频率下，水资源渗漏量呈增大趋势，即来水越多渗漏越多，越往下游，渗漏量越大，急需采取措施，加强河道渗漏量处置。本文的分析为工程建设提供了参考。