吐魯番市坎兒井空間分布格局的影響因子探析

楊貝貝，阿不都沙拉木·加拉力丁，馬 桂 盛永財，阿依格林·烏蘭，麥地那·巴合提江

(1.新疆大學 資源與環(huán)境科學學院，烏魯木齊 830046; 2.新疆大學 綠洲生態(tài)教育部重點實驗室，烏魯木齊 830046)

坎兒井是開發(fā)利用地下水的一種古老的水平集水建筑物，適用于山麓、沖積扇緣地帶，主要是用于截取地下潛水來進行農田灌溉和居民用水[1]；坎兒井是人們利用當地的地形地貌特點創(chuàng)造的水利工程，它為干旱地區(qū)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。隨著社會經濟的發(fā)展，伴隨著大批機井建設與防滲渠道的建成，對地下水位造成了影響，部分坎兒井已經干涸，但坎兒井不管經歷了怎樣的歷史篩選，到現在為止仍然存在，始終發(fā)揮著自己的作用。近年來，作為水利工程的坎兒井所具備的人文特色，以及其在日常生活中所發(fā)揮的人文內涵與意義，越來越多的得到各界的廣泛關注。國內外專家學者和研究機構對坎兒井進行了歷史起源[2]，文化價值[3-4]，生態(tài)環(huán)境[5]，保護對策[6,7]和應用[8]等方面的研究。黃盛璋對國際爭議不決與關注的問題坎兒井的歷史起源與傳播做了闡述分析[9]；姜波等人對坎兒井的暗渠及豎井的保護措施進行了研究，對坎兒井的保護提供了理論支持[10]；裴建生論述了坎兒井式地下水庫結構特點和調蓄水資源的基本原理，說明了坎兒井地下水庫的特點、經濟性和高效性[11]。Memon等人在《恢復傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)：評估巴基斯坦坎兒井恢復的民眾支持》中提到了坎兒井恢復的必要性及其辦法[12]；Goes等人在《阿富汗赫爾曼德河流域的坎兒井灌溉：土著遺產的消失》一文中對坎兒井的價值及坎兒井的灌溉作用做了系統(tǒng)闡述[13]。

專家學者對坎兒井在起源考證，演變探討[14]和保護利用[15]等方面都進行了豐富的研究，對坎兒井目前面臨的問題提出了有效的解決方法[16-17]；綜上所述，學者們尚未從坎兒井空間分布格局的影響因子這一視角進行探討，通過分析地形地貌的蓄水能力、高程、坡度，系統(tǒng)分析對坎兒井的分布規(guī)律及其特征的影響作用。探討坎兒井分布的影響因子不僅能豐富坎兒井的學術研究領域，而且能從影響因子這一角度著手對坎兒井的重建及保護提供理論支持，還能通過探討影響因子對坎兒井的分布，挖掘這一古老工程蘊含的文化智慧，展現我國古老文化的價值。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

坎兒井主要分布在新疆的哈密和吐魯番，其中吐魯番最多[18]。而吐魯番市的坎兒井在高昌區(qū)分布最多，因此本次選擇吐魯番市高昌區(qū)為研究區(qū)。吐魯番市高昌區(qū)位于天山山脈博格達峰南麓，吐魯番盆地中部[19]。吐魯番市北部山區(qū)是水資源的形成區(qū)，轄屬境內有5條河流，均呈由北向南走向，自西至東依次為大河沿河、塔爾朗河、煤窯溝、黑溝、恰勒坎溝[20]。盆地以艾丁湖為中心，周圍呈環(huán)狀分布的地形。長期以來，接受四周風化剝蝕，由流水搬運沉積，在山前形成傾斜平原和細土礫質沖積平原，組成了盆地最具生命力的綠洲平原帶?？矁壕蠖鄶稻妥湓谶@一綠洲平原區(qū)?？矁壕诟卟齾^(qū)以火焰山為界，分布在火焰山以北及火焰山以南。其中火焰山以南坎兒井居多。

1.2 數據來源與方法

對研究區(qū)多次進行實地考察，利用GPS得到坎兒井實測位置坐標，反復實測分布區(qū)域土質，實測高程、坡度，坎兒井長度，豎井數量，斷面尺寸(豎井深度)；下載Landsat 8TM影像，對吐魯番市高昌區(qū)地下水開發(fā)利用狀況進行調查，搜集水文資料，地形地貌資料，坎兒井流量等資料。

綜合運用Envi5.0、ArcGIS10.4.1等軟件，利用投影轉換與坐標轉換，對遙感影像進行邊緣增強，反差增強，色彩增強等一系列增強處理，根據色調、影紋等解譯標志，綜合分析遙感影像特性及反復實地驗證。利用反距離加權內插(IDW),計算式如下：

(1)

將生成的DEM圖與坎兒井分布圖進行疊加分析。

利用坡度算法的表達式：

(2)

將坎兒井的坡度與分布格局進行疊加分析。

2 結果與分析

根據遙感影像及實測數據，從地形地貌蓄水能力、高程、坡度、耕地面積、土壤質地等5方面對坎兒井的分布分別進行探討，探討其對坎兒井的長度，豎井數量、流量、斷面尺寸等的影響關系。

2.1 地形地貌蓄水能力對坎兒井的影響

通過實測數據及遙感影像綜合分析，運用Envi5.0、ArcGIS10.4.1等軟件，對遙感影像進行大氣校正，輻射校正，幾何校正等處理方法，對圖像進行反差增強和密度分割，結合影像特征與反復實地考證，繪制坎兒井分布區(qū)域的地形地貌蓄水圖。圖1(a)所示，發(fā)現坎兒井大多數分布在火焰山以南區(qū)域，該區(qū)域位于火焰山山前沖積扇和盆地地區(qū)。圖1(b)所示為坎兒井分布區(qū)域的地形地貌蓄水縱向剖面圖。不同的地形地貌蓄水能力導致坎兒井分布區(qū)域有限。坎兒井分布區(qū)域大多數是河流出山口形成的近似半錐狀或扇狀的堆積地貌。這是由于吐魯番盆地是一個典型的近似“漏斗式”的山間洼地，地勢四周高而中間低。由于吐魯番的這種特殊地形條件，從西部、北部來的溫濕氣流，難以進入盆地內部，北部山區(qū)形成的水資源除了夏季能以地表水的形式流入綠洲外，其他時候大多在出山口以后就滲入地下，成為地下潛流。這一區(qū)域位于火焰山以南地帶，基巖風化比較嚴重，形成的碎屑由河流搬運至出山口后，河床坡度驟減，同時擺脫了側向約束力，因此發(fā)生散流，使其攜帶的物質鋪散并且沉積下來，形成扇狀的地形。

通過實地調查及統(tǒng)計，對沖積扇上的254條坎兒井進行分析，中部區(qū)域坎兒井長度一般在10～30 km之間，總計62條，而左右兩側坎兒井則長度大多數在10 km以內，總計190條。這一地帶的坎兒井分布特征，與扇形地貌不同分區(qū)的蓄水能力有關。攜帶著基巖風化物的河流流出山口以后，由于搬運能力減弱，沉積物的顆粒從上游到下游逐漸變細。長坎兒井所在的中間區(qū)域地表物質以顆粒較大的卵石，礫石為主，短坎兒井所在區(qū)域主要由砂，沙土和黏土組成，這種土質更加松軟，容易坍塌一些，所以開挖長度在10 km以下范圍。

基于上述4種結構，分別從坎兒井長度、豎井數量、坎兒井流量、斷層尺寸等進行分析，如圖2所示，發(fā)現坎兒井多分布在具有洪積礫石或沖砂及沙礫的地方，這樣區(qū)域的地層依圖上從左至右蓄水能力逐漸減小。洪積礫石地層的坎兒井長度比較長，在0.5～40 km之間，每條坎兒井的豎井數量在5～40之間，坎兒井流量在0.2～25.5 L/S之間，斷面尺寸(豎井深度)在2.6～40 m之間。沖積砂及沙礫地層的坎兒井，其長度在5 km以下，每條坎兒井的豎井數量在10口以內，坎兒井流量在2.3～22.5 L/S，斷面尺寸(豎井深度)在1.2～25 m之間。這說明蓄水能力越強，則坎兒井長度越長，豎井數量越多，坎兒井流量越大，斷面尺寸越大。

2.2 高程對坎兒井分布的影響

本文利用吐魯番市高昌區(qū)矢量要素數據庫裁剪研究區(qū)數據，該數據庫采用6°分帶的高斯-克呂格投影系統(tǒng)，地球基準面分別采用1980西安坐標系和1985國家高程基準。將研究區(qū)數據統(tǒng)一轉換到UTM坐標系統(tǒng)，采用WGS-1984大地坐標，通過ARCGIS10.4.1制作DEM圖。整個高昌區(qū)從北至南縱向長度為236.214 km，而高程范圍在-154～4 307 m，地勢陡峭。地形高程從西北至東南，地勢逐漸遞減。利用實測坎兒井位置坐標，經投影轉換與坐標轉換，利用ARCGIS10.4.1與高程圖進行疊加分析。

圖1 坎兒井所在區(qū)域地形地貌蓄水圖Fig.1 The terrain lanform water storage map of the karez area

圖2 蓄水能力與坎兒井特性的關系圖Fig.2 The relationship between water storage capacity and Karez's characteristics

圖3深色區(qū)域所示為坎兒井集中分布區(qū)域，坎兒井總體高程在371 m以下范圍。圖3中可見，高昌區(qū)坎兒井的分布以艾丁湖為中心，呈近似扇形分布，坎兒井走向均指向艾丁湖方向。通過對高程圖及實測數據進行分析，得到坎兒井的母井高程及龍口高程(以下對應稱為首部高程及尾部高程)。將火焰山以南與火焰山以北的坎兒井的首尾部高程數據進行對比，由圖4可知，火焰山以南的坎兒井首部高程大致在-90～45m之間波動，尾部高程大致在-130～-70 m之間波動?；鹧嫔揭员钡目矁壕撞扛叱檀笾略?58～295 m之間波動，尾部高程大致在230～280 m之間波動。火焰山以北的坎兒井首部高程與尾部高程相差較小，波動比較平緩，而火焰山以南的首部高程與尾部高程則波動明顯。圖中可見坎兒井分布在火焰山以南區(qū)域最多，這是因為坎兒井是依靠重力自流引水的工程，火焰山以南區(qū)域首尾部高程相差較大一些，使得坎兒井的水容易引出，因此火焰山以南坎兒井數量較多。

圖3 吐魯番市高昌區(qū)高程圖Fig.3 Elevation map of Gaochang District in the Turpan City

圖4 火焰山以南與火焰山以北坎兒井高程對比圖Figure. 4 Comparison of the height of karez of the south of Flaming Mountain and the north of Flaming Mountain

依坎兒井的分布高程，分別對其高程范圍內的坎兒井長度、豎井數量(每條坎兒井的)、坎兒井流量，斷面尺寸進行分析。由表1可知，山南高程明顯低于山北高程?；鹧嫔揭阅峡矁壕叱淘?130～45 m，但其長度卻在2.4～25 km，豎井數量有46～400個，火焰山以北的坎兒井高程在230～295 m，但其長度卻在1～2.4 km，豎井數量有3～50個。高程低的坎兒井長度較長，豎井數量較多，也就是說坎兒井長度和豎井數量都與高程成反比。這是因為高程太高，而當時的工具限制，不適宜開挖坎兒井，因此高程高的坎兒井數量少，長度短。對于坎兒井流量，斷面尺寸，火焰山以南的坎兒井與火焰山以北的坎兒井沒有明顯區(qū)別，即高程對坎兒井流量、斷面尺寸影響不大。

表1 高程與坎兒井特征的關系Tab.1 The relationship between the elevation and thecharacteristics of the Karez

2.3 坡度對坎兒井空間格局的影響

地面坡度(簡稱坡度)是一個基本的地貌形態(tài)指標，是對地面傾斜程度的定量描述。坡度通過影響重力作用，影響著地表的徑流，土壤的土質類型及其強度，進而影響著地表的布設情況。對于坎兒井的空間分布格局而言，坡度表面是最基本的模型參數。地面坡度可以表述為該點的切平面與水平面的夾角，是高度變化的最大值比率。地表上某點的坡度S是地表曲面函數z=f(x，y)在東西、南北方向上的高程變化率的函數，坡度算法的數學表達式為：

(3)

式中：s為坡度；p為x方向高程變化率；q為y方向高程變化率。

因此了解坡面上某一點的坡度，關鍵是求解p和q。柵格DEM是以離散形式表示地面曲面，且曲面函數一般也不知道。因此在柵格DEM上對p和q求解，一般是在局部范圍內(3×3窗口)，通過數值微分方法和局部曲面擬合法進行。

由表2可知，火焰山以南的坎兒井坡度總體在0～0.020之間，火焰山以北的坎兒井坡度在0.010～0.040之間，山南山北坎兒井坡度分級不同，但坡度相差很小。據實測統(tǒng)計，火焰山以南坎兒井總數為254條，火焰山以北坎兒井總數為134條?；鹧嫔揭阅系目矁壕?，坡度在0.005～0.010之間較多，占整個火焰山以南的坎兒井總數的62%，坡度在0.015～0.020的坎兒井數量較少，僅占總數的16%?；鹧嫔揭员钡目矁壕?，坡度在0.010 ～ 0.025坡度的坎兒井較多，數量占總數的76%，坡度在0.025～0.040的坎兒井則相對較少。綜上所述，這說明坎兒井適宜坡度0～0.020范圍內。總體說來坎兒井坡度在0.04以下，坡度不大，這也說明坎兒井多數分布于平原帶。

表2 火焰山以南與火焰山以北的坡度對比Tab.2 Comparison of the slope of the south of Flaming Mountainto the north of Flaming Mountain

以山南山北為界，對其對應的坎兒井特征進行統(tǒng)計。由表3可知，山南與山北坡度相差甚小，但山北的坡度稍大些，坎兒井流量與斷面尺寸也相差較小，但是坎兒井的長度與數量卻相差較大。這說明坡度小，坎兒井的長度長，豎井數量多，坎兒井的流量大，斷面尺寸大。同時，通過對高程的研究發(fā)現，同樣的高程，坎兒井長度長的，坡度小。這說明坎兒井的特征值之間也有相關性，坎兒井長度長的，一般流量大，豎井數量多。但是斷面尺寸卻基本在幾十米范圍，這是因為人們挖豎井所用的轱轆用力有限，加之太深也不適宜挖井人呼吸，所以豎井深度區(qū)別不大，依當地情況及工具情況而定。

表3 坡度與坎兒井特征的關系Tab.3 The relationship between the slope and the characteristics of the Karez

2.4 耕地面積對坎兒井分布的影響

耕地一般分布在有水的坎兒井周邊，坎兒井為耕地提供著水源。為了探討耕地面積與坎兒井的關系，對研究區(qū)50條不同長度的坎兒井進行測量計算與數據處理。如圖5所示是耕地面積與坎兒井長度，豎井數量，坎兒井流量及斷面尺寸的關系圖。發(fā)現坎兒井長度、豎井數量、斷面尺寸都與耕地面積的增大呈現“鋸齒狀”上升關系?？矁壕髁颗c耕地面積呈現明顯的正比例關系，即坎兒井流量大則耕地面積大?？傮w而言，坎兒井長度長，豎井數量多，斷面尺寸大，坎兒井流量大，則耕地面積大。這是因為，坎兒井長度長，耕地一般依賴坎兒井提供水源，則它能灌溉的覆蓋面積就會大；長度長則豎井數量就多，因而影響其灌溉面積；坎兒井流量大，說明水量大，供應量大，則耕地面積大；斷面尺寸大，說明豎井深度越深，其可能到達富水層，則水量大，進而耕地面積大。綜上所述，坎兒井本身的長度，豎井數量，斷面尺寸，坎兒井流量之間也是息息相關的，耕地面積與長度、數量、流量及尺寸均呈正比關系。

圖5 耕地面積與坎兒井關系圖Fig.5 The relationship between cultivated land area and Karez's characteristics

2.5 土壤質地對坎兒井分布的影響

坎兒井能夠一直服務于干旱區(qū)的人們，與它開挖所在地的土質有密切的關系，該地表土質主要為沙礫及黏土膠結的鈣性土壤，這種土質不易坍塌，為坎兒井的開挖提供先決條件。為了探討土質對坎兒井分布的影響，對研究區(qū)大河沿河流域和煤窯溝流域的坎兒井所在區(qū)域分別進行土質采樣，結合物探資料，繪制土質結構縱剖圖。由圖6可知，大河沿河流域的坎兒井所在區(qū)域地層，分布在1 700 m以下，其內為20～30 m厚度的松散碎屑，巖性從高海拔至低海拔依次為卵礫石、泥質砂巖，灰?guī)r、凝灰?guī)r。該層不僅結構松散，且在水平分布上連續(xù)，電阻率較高達200～1 500 Ω·m。煤窯溝區(qū)域的坎兒井所在區(qū)域地層，分布在1 000 m以下，其內為20～40 m厚度的松散碎屑，巖性從高海拔至低海拔依次為卵礫石、砂卵礫石，泥質砂巖。該層結構相對緊湊，且在水平分布上連續(xù)，電阻率較高達200～1 600 Ω·m。上層的卵礫石透水性好，強度高，下層的泥巖透水性差，則兩者之間能夠賦存水分，也正因為如此，坎兒井才有源源不斷的水源得以開挖，說明土質影響坎兒井分布，正是吐魯番的地質情況決定了坎兒井的分布。若土質不易坍塌，富水性強，則坎兒井流量大，開挖的坎兒井長度長，數量多。

3 結論與措施

3.1 結 論

為了探討吐魯番市坎兒井空間分布格局的影響因子，本文綜合應用實測數據與軟件，從地形地貌蓄水能力、高程、坡度、耕地面積、土壤質地等方面進行分析研究，分別探討它們對坎兒井長度，豎井數量，坎兒井流量，斷面尺寸的影響關系，得到如下結論。

(1)地形地貌蓄水能力影響坎兒井的分布，洪積礫石的蓄水能力相對于沖積砂的蓄水能力較強。蓄水能力越強，則坎兒井長度越長，豎井數量越多，坎兒井流量越大，斷面尺寸越大。

(2)吐魯番市高昌區(qū)坎兒井以艾丁湖為中心呈扇形分布，坎兒井走向均指向艾丁湖方向?？矁壕植紖^(qū)域高程在火焰山以南為-130～45 m范圍，在火焰山以北為230～295 m范圍，火焰山以南坎兒井數量多且長度長。高程低的區(qū)域，坎兒井長度長，豎井數量多，坎兒井流量大。

(3)坎兒井坡度一般在4%以下，火焰山以南的坎兒井與火焰山以北的坎兒井相比，山南的坎兒井數量多而坡度小，這說明坎兒井適宜分布在坡度小的地帶，即綠洲平原帶。坡度小的地方，坎兒井長度長，豎井數量多，坎兒井流量大，斷面尺寸大。同樣的高程，坎兒井長度長的，坡度小。

(4)耕地面積與坎兒井長度、豎井數量、坎兒井流量及斷面尺寸均呈正比關系。土壤質地影響坎兒井分布，透水性好，富水性強的土質結構使得坎兒井長度長，豎井數量多，坎兒井流量大，斷面尺寸大。坎兒井自身特性也有密切聯系，一般其流量大，開挖的坎兒井長度長，則豎井數量多。

3.2 保護對策

坎兒井的分布與很多方面的因素有關，各因素之間又相互作用，坎兒井各個特征之間也有密切關系。本文對上述五因素進行了分析，從不同角度探討了其對坎兒井分布的影響?；谶@些影響因子，坎兒井保護工作應從2個方面進行：

(1)根據不同地形地貌蓄水能力及其土質結構將研究區(qū)劃分不同區(qū)域，根據不同區(qū)域的特征進行針對性保護。如在蓄水能力強的地段開挖雙頭或多頭坎兒井，以此擴大集水面積。根據不同區(qū)域土質結構，在集水段豎井底部進行鉆孔，采集深層承壓水使之自流，進而增大坎兒井出水量。根據集水段，輸水段、暗渠的不同結構采用不同方法進行維護。

(2)在高程、坡度低的區(qū)域開挖坎兒井，使得豎井深度大于地下水位，增大坎兒井出水量，節(jié)省人力、財力。合理調節(jié)灌溉用水，針對灌溉面積大小，修建坎兒井水庫，維修原有澇壩，進行防滲處理。

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