高福翔 徐东升 周金龙 周龙
摘 要：新疆博尔塔拉河流域水资源短缺且时空分配不均，用水过程与来水过程不相匹配，修建地下水库对水资源优化配置具有重要意义。对新疆温泉县地下水库从水文地质条件、水源与水质、储水条件、补水条件、取水条件、生态环境条件等方面进行了全面分析，基本明确了温泉县地下水库“渗得进、存得住、取得出”的建库基本条件。初步讨论了地下水库的回补、取水方式，平均每天需回补量为41.64×104 m3，所需渗渠最小面积为11.90×104 m2，全年人工回补量为4 837×104 m3；
取水方式采用地下集水廊道自流式取水工程，运用隧洞稳定涌水模型计算出不同含水层厚度下的廊道长度，提出合理的回补工程布置方法，为地下水库建设提供设计依据。
关键词：新疆；
温泉县；
地下水库；
成库条件；
水文地质
地下水库作为优化配置水资源的一种重要手段，是以岩石空隙为储水空间、在人工干预作用下形成具有一定调蓄能力的水资源开发利用的水利工程[1，2]。与地表水库相比，建设地下水库的环境负效应很低，具分布广泛、蓄水效益高、投资少等明显优势。地下水库开始进入人们的视野可追溯到20世纪上半叶，为解决季节性缺水问题，缓解滨海地区和干旱地区紧张的用水状况，美国进行了一系列与地下水库相关的试验，将淡水储存在地下咸水层中，由此开始了地下水库的科学性研究[3]。70年代后，地下水人工补给应用领域和功能扩展，引出“含水层储存和回采”（Aquifer storage and recovery，ASR）概念[4]。我国相比国外对地下水库的研究及建设、实践稍晚，但我国在地下水库功能开发上取得很大成就。1975年河北省建造完成了南宫地下水库，成为我国地下水库发展的起点[5]。新疆最早研究并监测的地下水库主要集中在天山北坡山前的向斜凹地内[6]。
新疆博尔塔拉蒙古自治州水资源存在主要问题：径流年内相对均匀稳定与灌溉期用水集中、灌溉高峰期缺水之间的矛盾，即用水过程与来水过程不匹配。目前博尔塔拉河（以下简称“博河”）干流缺乏调蓄工程，需修建水库以增加博河干流的调蓄能力，以调节博河水资源的分配过程。前人勘察成果表明，目前在博河干流的中、上游无合适的山区水库修建条件，在博河支流已修建多座中小型山区水库，无新建具较强调蓄能力的山区水库条件，造成博河灌区上游来水难以有效调蓄。通过分析博河流域的水文地质条件，论证建立温泉地下水库的可行性，提供地下水库建设可行性方案。
1 研究区概况
1.1 地理位置、氣象及水文条件
温泉地下水库工程主要位于新疆温泉县境内（图1）。温泉县位于新疆西北部，天山西段北麓、准噶尔盆地西南缘，博河上游。北部与西部以阿拉套山为界，与哈萨克斯坦共和国毗邻，南部以别珍套山、莫逊山和伊犁哈萨克自治州相依，东与博乐市接壤。该地区由于地形复杂，平原区与山区气候差异悬殊，平原区十分干燥，降水量较少，山区相对湿润，降水量较大[7]。多年平均气温3.82 ℃，平均降水量208 mm，平均蒸发量（Ф20 cm） 1 412.8 mm。博河是新疆西部一条内流河，发源于别珍套山和阿拉套山汇合处的洪别林达坂，河流自西向东流经温泉县、博乐市后向东注入艾比湖[8]。博河径流以冰雪水、降雨和泉水补给为主。博河中上游交界处设有温泉水文站，温泉站实测多年平均径流量为3.19×108 m3（温泉站1960—2018年资料）。
1.2 地形地貌与地层岩性
温泉地下水库工程区地貌特征大致由南北两侧山地、中部博尔塔拉谷地和东部艾比湖盆地3个较大地貌单元组成（图1）。
区域内主要出露地层为下元古界温泉群，中元古界蓟县系，古生界泥盆系、石炭系、二叠系及新生界古近—新近系和第四系[9]。区域内出露岩浆岩主要为中元古界晚期花岗岩类、华力西中期花岗岩类及华力西晚期花岗岩类，与地下水库工程关系最紧密的主要为新生界古近—新近系和第四系。
1.3 库区水文地质条件
1.3.1 边界条件
博河河谷发育一系列NE向断裂，使谷地自西向东形成一系列阶梯状断陷和隆起，主要有温泉基底隆起和博乐基底隆起。隆起带之间和两侧形成3个断陷盆地（图2），自西向东有沙尕提山前断陷盆地、昆得仑断陷盆地及精河山前断陷盆地，断陷盆地内沉积了巨厚的第四系松散沉积物[10，11]。因此，可选库址分别为牙马特库址、温泉水库库址、夹河子库址。经库区优选指标评定后，最终选择温泉水库库址为拟建地下水库工程区。库区第四系覆盖层岩性以级配不良砾及卵石混合土为主，覆盖层厚度为200～870 m，下伏基岩以古近—新近系泥岩为主。南北以山体为隔水边界，东西以断陷隆起为界，含水体呈中间深、四周浅的“盆”状储水构造，含水体平均厚度大于300 m，具良好的储水空间，且已存储大量地下水。
1.3.2 含水层埋藏分布与富水性
拟建库区地下水类型为单一结构潜水含水层，地下水埋深一般小于30～60 m，主要岩性为卵石混合土、级配不良砾，给水度分别为0.142、0.113。库区安格里格镇以东区域为地下水水力坡度低值区（图3），该区域含水层渗透性能明显优于其他区域，且潜水埋深适中（30～60 m），集中开采条件下易形成面积较大、降深较小的水位降落漏斗，利于地下水开采区汇聚地下水径流，为最佳的地下水集中开采区。地下水储存量为98.07×108 m3[12]。
2 温泉地下水库库区优选指标
地下水库建设和地表水库建设相同的是寻找适宜的库址，不同的是地表水库库区的形状基本是可见的，地下水库则是埋藏于地下、不可见的。因此，二者在库区的确定方法上有较大差异[1]。地下水库库区选择需考虑5个方面：①水源与水质。人工补给与天然补给的水源是建库的先决条件[5]。补给水源应具备充足的水量及良好的水质。②储水条件。具足够的储水空间、岩层渗透性强、内部连通性优良、外部封闭或通过一定途径实现相对封闭等条件。③补水条件。地下水库仅靠天然补给无法满足取水及调蓄要求，需在天然补给前提下采用闲水人工回补的方式。④取水条件。利用地下水库存储的水资源是建设地下水库的根本目的，取水建筑物应选择在地下水埋深相对较浅、含水层渗透性强、取水工程施工难度与风险小、在地形条件适合的情况下尽可能实现自流引水的区域，以技术上允许、经济上合理为原则，选取合适的取水型式和方案。⑤生态环境条件。地下水库建成运行过程中，不能对周边生态和环境造成重大影响，主要包括地下水位升降带来的地面沉降、土壤次生盐碱化、河道生态基流量减少、河谷湿地破坏、地下水污染等。
2.1 库区水源与水质评价
温泉水库库址的水源主要为博河河水，水库采取非灌溉期博河闲水回补方式，在非灌溉期温泉水库年均可引水量约1.14×108 m3，按可引用水量进行地下水库的规模设计，其水量能满足建库要求。水质层面，博河上游河谷地带82.6%的机井水和100%的泉水适合饮用或基本适合饮用，或进行适当处理后适合饮用；
对灌溉水质评价而言，河水、机井水和泉水水质均适合灌溉，温泉地下水库主体任务为灌溉，因此，水源水质均适合修建地下水库[13]。
2.2 储水条件分析
温泉库址储水构造体积大（约7.2×109 m3）、岩层渗透性强（渗透系数约18.04～97.62 m/d）、内部连通性优良，岩性以第四系卵石混合土为主，渗透等级为强透水。南北两侧分别为别珍套山及乌拉斯台隆起，岩性以岩屑砂岩及粉砂质泥岩为主，具备相对隔水边界条件。博河自西向东流淌，顺河向坡降约13‰，西侧为温泉隆起，东侧为博乐隆起，工程区总体为“盆”状储水构造，具较好储水条件。
2.3 补水工程分析
借助一定的工程设施将地表水体引渗或注入地下含水层，以增加地下水补给量，起到稳定地下水位的作用，称为地下水人工回灌或人工补给[14，15]。通过地下水人工回灌可起到补充地下水资源、调节水资源的时空分布及改善水质等作用。
2.3.1 回补条件分析
地下水库主要利用博河10月至次年4月间的冬闲水和夏季的洪水做为地下水库的主要补给水源，水资源量能够满足水库蓄水要求。
在昆得仑渠首至查乡大桥长近10.7 km的河道内，河床及两侧河漫滩宽度为0.5～6.5 km，平均3 km，在安格里格镇附近河漫滩宽度达6.5 km。博河河漫滩附近地表基本无植被，主要为荒滩，便于大气降水及地表河水入渗补给，具布置回补工程的地形条件。
工程区河床及河漫滩范围内岩性相对均一，主要为第四系冲洪积卵石混合土，地层渗透系数为2.6～54.4 m/d，平均18.6 m/d，透水性良好，地表无透水性较弱的粘性土，具良好的地表水自然入渗与人工回灌补给地质条件。
2.3.2 回补工程分析
2.3.2.1 回补方式选择
地下水人工回补建筑物的选择应根据工程区含水层结构、水源条件和用户需求情况，选择一种或多种回补建筑物[16]。设计过程中应通过优化组合，选择技术合理、成本较低、效益最佳的回补建筑物或回补建筑物组合，同时确定相应回补建筑物规模。地下水人工回补方法主要有地面入渗法及地下灌注法[17]。
结合工程区现场地质条件及水文条件，地下水人工回补措施建议采用地面入渗的方法较合适，较常见的工程型式为反滤渗渠。为便于引渠水入渗，渠道比降应选用较缓坡度。由于人工回补工程主要在冬季运行，反滤渗渠水力坡度较小，水面结冰，对入渗效率影响较大，建议选择回补工程型式时应考虑冬季结冰对入渗补给效率的影响。
2.3.2.2 回补工程规模
假定渗渠回灌时间由通过池底面的一维流决定，其回灌过程可用达西定律表示。
[Q=Kd×I×SA] （1）
式（1）中：Q——回补水量（m3/d）；
Kd——设计入渗系数（Kd=0.5 K），0.5——安全系数，K——包气带渗透系数（取7 m3/d）；
SA——渗渠底面积（m2）；
I——水力梯度（I=（渗渠水深+地下水埋深）/地下水埋深≈1）。
渗渠的工程规模按照逐月单日最大人工回补量进行计算，逐月单日最大回补量为2月份，平均每天需回补量为41.64×104 m3，计算得到渗渠最小面积为11.90×104 m2。在布置渗渠时，由于深水会产生较大的水头压力，短期内会迅速提高入渗效率，易于压密堵塞土层。因此，渗渠深度不宜过大，一般情况下，最大水深为0.6 m。同时要求地下水位至少低于池底0.5 m，当回灌水与地下水之间呈水力连续状态时，渗渠水面与地下水位之间的垂直距离至少应为渗渠宽度的2倍。
渗渠宜布置在取水工程的上游，据地质勘察成果，渗渠所处位置地段地下水埋深多为10～50 m，小部分地段地下水埋深为5～10 m。渗渠回灌过程示意图见图4。
2.3.2.3 回补工程布置
温泉水库回补工程建议采用人工反滤渗渠型式。布置应考虑以下原则：①渗渠应布置在集水廊道上游右岸的安格里格镇洼地及漫滩处，且不影响取水建筑物施工与运行；
②渗渠布置不占用或少占用家田及河谷林，尽量布置在植物稀少的河床或漫滩上；
③便于布设引水控制工程；
④渗渠渠首位置一般宜选择在水流较急，有一定冲刷能力的直线或凹岸非淤河段，并尽可能靠近河道干流。⑤渗渠的布置多采用平行河流，或其延長线与集水廊道呈大角度相交。
温泉地下水库采用闲水回补的方式将可利用的地表水存储至地下。10月至次年4月间的博河冬闲水和夏季洪水为地下水库的主要补给水源。工程区范围内河道年内自然下渗补给量为5 208.3×104 m3，约占年内可引用水量的51.8%，需修建人工回补工程，满足人工回补量为4 837.0×104 m3的储水需求。
2.4 取水工程分析
2.4.1 取水条件分析
博尔塔拉谷地内的断陷与隆起及沿岸地层岩性使地表水与地下水相互频繁转化，特别是在昆得仑一带，深厚的第四系卵（砾）石层构成巨大储水空间，并具有分布广、厚度大、渗透性强的特点，地下水埋深较小，具备良好的取水条件。含水体体积约为3.6×1010 m3，工程区地下水类型主要为孔隙潜水，地下水位埋深约10～50 m，按给水度为0.20计算，含水体储存的地下水约为7.2×109 m3。
库区范围内河谷平原较宽阔、顺河向水力梯度较大、垂直河向水力梯度较小且向两岸地下水埋深相对较深。库区地下水埋深为0.50～66 m，含水层渗水性强，便于地下水运移和汇集。采用机电井抽取或地下集水廊道自流式取水方式，均具备“取得出”的地质条件。
2.4.2 取水工程规模
取水构筑物规模在计算过程中可采用排水渠集水模型、隧洞稳定涌水模型、地下集水管集水模型、大井法集水模型及达西公式计算模型等。据温泉水库库区地质特性，本文初步选取隧洞稳定涌水模型计算集水廊道出水量及廊道长度（此方法计算出的廊道长度最大）。
按照隧洞稳定涌水量预测方法[18]，概化隧洞稳定涌水地质模型示意图（图5），采用柯斯嘉科夫法计算单位长度隧洞稳定涌水量[19]。
式（2）中：R——隧洞涌水量影响厚度；
r——隧洞横断面半径r=d/2；
[α]——修正系数；
R=215.5+510.5K。
据《地下水资源勘察规范》（SL 454-2010），对集水建筑物单位长度集水廊道出水量进行修正，在计算单位长度集水廊道出水量的基础上除以1.35的精度系数，即为考虑勘察精度系数的单位长度集水廊道出水量。计算过程中选用的主要指标及参数见表1，推荐地下集水建筑物的规模见表2。
由于计算模型概化了部分边界条件，地下水库所在工程条件和水文地质条件很难与各计算模型边界条件完全吻合，在分析单位长度涌水量过程中存在一定误差，为保证地下水库能够正常供水，确定工程规模分析过程中，采用5种方法分别计算涌水量，選用分析结果中出水量最小值确定工程规模。
2.4.3 取水工程布置
地下水库取水建筑物布置原则：①在不小于理想降深的情况下，确保地下水库能满足下游需水量，且具一定调蓄能力；
②满足自流取水的最低控制高程，取水点尽量远离地下水溢出带，避免对生态环境和下游用水造成重大影响；
③便于地下水向取水建筑物汇集；
④便于接收地表水的入渗补给；
⑤建筑物布置尽量远离村镇，避免对当地居民的生产生活造成重大影响；
⑥便于施工布置；
⑦尽量平行于地下水等水位线（垂直地下水水流方向）。
2.5 生态环境分析
温泉地下水库取水后，在集水建筑物范围内地下水径流断面有所减少，减少的径流断面相对于博河河谷地下水径流断面，占比很小，基本能保障地下水向下游径流，不会对下游的生态林、土地耕种等造成影响。
温泉水库集水建筑物上部主要为河床及漫滩，地势较平坦，地表植被稀少。在查乡大桥上游集水建筑物处，地下水位原埋深均在15 m以下，毛细上升水本就无法满足植物生长需求，因而建设过程中的突涌水和运行时取水过程中地下水位下降不会影响地表植被生长。
库区范围内的地下水为孔隙潜水，地下水主要赋存于卵石混合土及级配不良砾的孔隙内，岩土体的受力骨架为卵砾石，地层不会因岩土体内的孔隙充水或充气导致压缩系数发生明显变化，因而建设过程中遭遇突涌水，建库后运行取水过程基本不会产生地面沉降。博河河水水质良好，通过地下库的调蓄加快地下水与地表水循环，不但不会对地下水造成污染，还会在一定程度上改善地下水水质。
3 结论
（1） 温泉地下水库库区第四系含水层厚度较大，对水文地质条件、水源与水质、储水条件、补水条件、取水条件、生态环境条件等方面综合研究，表明温泉地下水库具备良好的建库条件，即“存得住，取得出”。
（2） 地下水库采用渗渠回补，主要利用博河10月至次年4月间的冬闲水和夏季的洪水做为地下水库的主要回补水源。2月份为逐月单日最大回补量，平均每天需回补量为41.64×104 m3，计算得到渗渠最小面积为11.90×104 m2，全年人工回补量为4 837×104 m3。
（3） 地下水库采用地下集水廊道自流式取水方式，运用隧洞稳定涌水模型法，计算出不同降深下的廊道长度，提出合理的回补工程布置建议。
参考文献
[1] 李砚阁.地下水库建设研究[M].中国环境科学出版社，2007.
[2] 杜新强，李砚阁，冶雪艳.地下水库的概念、分类和分级问题研究[J].地下空间与工程学报，2008，25（2）：
209-214.
[3] 魏鹏昆.平潭地下水库地下水数值模拟及开采方案优化分析[D].济南大学，2018.
[4] Sanford W.Recharge and groundwater models：
an overview[J].Hydrogeology Journal，2002，10（1）：110-120.
[5] 李旺林，束龙仓，殷宗泽.地下水库的概念和设计理论[J].水利学报，2006，37（5）：613-618.
[6] 邓铭江，李文鹏，李涛，等.新疆地下储水构造及地下水库关键技术研究[J].第四纪研究，2014，34（5）：918-932.
[7] 雷米，周金龙，张杰，等.新疆博尔塔拉河流域平原区地表水与地下水水化学特征及转化关系[J].环境科学，2022，43（4）：1873-1884.
[8] 刘景明，丁建丽，包青岭，等.基于同位素揭示艾比湖流域地下水特征[J].干旱区地理，2023，46（2）：201-210.
[9] 张宇昕，亚夏尔·亚力坤，张博文，等.新疆温泉南部哈尔达坂石英二长岩年代学、地球化学及构造意义[J]. 地质科学，2021，56（4）：1192-1213.
[10] 赵顺阳，王文科，乔冈，等.地质构造对生态环境的控制作用分析—以博尔塔拉河为例[J].新疆地质，2006，24（1）：67-70.
[11] 曾庆江.博尔塔拉谷地对径流的调节作用[J].干旱区地理，1994，17（4）：9-14.
[12] 令军帅.新疆博尔塔拉河地下水库建设条件分析[J].东北水利水电，2023，41（10）：12-14，20，21.
[13] 丁启振，雷米，周金龙，等.博尔塔拉河上游河谷地区水化学特征及水质评价[J].干旱区研究，2022，39（3）：829-840.
[14] 李恒太，石萍，武海霞.地下水人工回灌技术综述[J].中国国土资源经济，2008，21（3）：41-42，45， 48.
[15] 郑西来，单蓓蓓，崔恒，等.含水层人工回灌物理堵塞的实验与数值模拟[J].地球科学（中国地质大学学报），2013，38（6）：1321-1326.
[16] 杨辉琴，邓铭江，裴建生.台兰河地下水库工程关键技术问题解决方案[J].人民黄河，2019，41（3）：109-113，118.
[17] 王阳.地下水人工回灌过程中有机与无机悬浮物的堵塞差异及其驱动机制[D].东北师范大学，2018.
[18] 吴建，周志芳，李鸣威，等.隧洞涌水量预测计算方法研究进展[J].工程地质学报，2019，27（4）：890-902.
[19] 徐国锋，杨建锋，陈侃福.台缙高速公路苍岭隧道水文地质勘察与涌水量预测[J].岩石力学与工程学报，2005（S2）：5531-5535.
Analysis of Hydrogeological Conditions for the Formation of
Underground Reservoir in Wenquan Country， Xinjiang
Gao Fuxiang1，2，3， Xu Dongsheng4， Zhou Jinlong1，2，3， Zhou Long1，2，3
（1.College of Hydraulic and Civil Engineering， Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang，830052，China;
2.Xinjiang Hydrology and Water Resources Engineering Research Center， Urumqi，Xinjiang，830052，China;
3.Xinjiang Key Laboratory of Hydraulic Engineering Safety and Water Disaster Prevention，Urumqi，Xinjiang，830052，China; 4.Zhongshui North Engineering Design & Research Co，Tianjin，300222，China）
Abstract：
The Bortala River basin in Xinjiang is short of water resources and is unevenly distributed in time and space， The water use process does not match the incoming water process， The construction of underground reservoir is of great significance to the optimal allocation of water resources. The underground reservoir in Wenquan County， Xinjiang was comprehensively analyzed from different aspects：
hydrogeological condition， water source and water quality， water storage conditions， water replenishment conditions， water intake conditions， and ecological environment conditions. The basic conditions for the construction of the underground reservoir in Wenquan County were basically clarified. The recharge and water intake methods of the underground reservoir are preliminarily discussed. It is concluded that the average daily recharge amount is 41.64×104 m3， the minimum area of the required infiltration canal is 11.90×104 m2， and the annual artificial recharge amount is 4 837×104 m3. The self-flowing water intake project of underground water collection corridor is adopted as the water intake method. The length of the corridor under different aquifer thicknesses is calculated by using the stable water inflow model of the tunnel， and a reasonable layout method of the replenishment project is proposed， which provides the design basis for the construction of the underground reservoir.
Key words：
Xinjiang; Wenquan County; Underground reservoir; Conditions of the reservoir formation; Hydrogeology
項目资助：中水北方勘测设计研究有限责任公司委托项目新疆温泉地下水库水文地质条件分析及调蓄过程数值模拟专题研究（ZSBF-WT202106）资助
收稿日期：2023-10-08；
修订日期：2023-11-15
第一作者简介：高福翔（1996-），男，新疆库车人，在读硕士，主要研究方向为地下水流数值模拟；
E-mail：
1084564084@qq.com
通讯作者：周金龙（1964-），教授，主要从事干旱区地下水资源与环境、包气带水盐运移、水文地球化学方面的研究；
E-mail：
zjzhoujl@163.com