初析坎儿井损坏原因及预防对策

莎吉达·肉孜，伊力夏提·艾则孜(. 新疆维吾尔自治区水利水电科学研究院，乌鲁木齐 83005；. 新疆新水科信水利科技有限公司，乌鲁木齐 830000)

坎儿井是我国古代吐哈盆地劳动人民在长期历史发展过程中根据当地自然条件和需求创建应用，并还在生活及生产中解决用水所需的一种古老的地下水利工程。其将山边或山前地带的地下水沿廊道引向下游最终从需水地段附近引到开阔地面的一种古老的水工建筑物。至今我们所能接触到的坎儿井来看，其构造由竖井、廊道、暗渠及明渠和捞坝组成。根据坎儿井此种构造组成来可视为一种保留了原状的输水系统。坎儿井构造见图1。

图1 坎儿井的构造示意[1]

根据历史记载可知，坎儿井在我国至今2000多年的历史[2]。坎儿井在新疆分布在吐哈盆地以外，曾经以饮用和灌溉为目的出现在乌鲁木齐、木垒、奇台、库车、皮山等地区[3-6]。1957年吐鲁番地区坎儿井引用水3.67亿m3，灌溉面积可达当时灌溉总规模的60%[6]。曾经在国外伊朗、土耳其、希腊、意大利、阿富汗，中亚地区哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、阿塞拜疆、土库曼斯坦以及高加索山区地区有过不同程度的分布，其中伊朗、阿塞拜疆、土库曼斯坦等地用域比较发达。根据有关资料可知，早在上世纪50年代尽在阿塞拜疆用坎儿井水灌溉的面积可达5万hm2[7]。

坎儿井与现代农田水利工程相比，此项古老的建筑很长时间以来在持续展示着自身的优越性。

1 坎儿井的优越性

1.1 坎儿井水的优越性

(1)坎儿井水来自于出山口或山边冲洪积扇等水源地带的地下水，没有任何污染和水质良好的水流、无污染冰雪融化聚集水。全线基本全封闭，不受外界干扰，水质具有高纯洁，饮用安全可靠的优势[8]。

(2)坎儿井输水廊道沿线穿过含水层、隔水层至出口之间，其水渗透损失相对较小。坎儿井廊道处于地表以下十几米甚至几十米，廊道内空气湿度较高、气温基本恒定，同位地表上下气温差异显著。特别是在蒸发能力较强的炎热夏季比地表附近气温明显很低，此时坎儿井廊道内空气常处于水汽饱和或半包和状态，全线蒸发损失很小。从水量损失角度上看相比其他取、输水建筑物节省和有效[8]。

(3)坎儿井输水廊道处于地表以下十几米甚至几十米，坎儿井水温基本不受地表天气和季节变化等带来的影响。不随地表气温变化而变，一年四季基本恒定。处于这种恒温状态的水，在干旱地区具有可以起调节土壤温度的作用，适合于干旱区农业灌溉用[8]。

1.2 坎儿井构造的优越性

(1)在坎儿井构造中(廊道或暗渠)位于土壤作物无用层或无根系层，坎儿井水在流动过程中不会对根系活动层范围内的有效土壤物质产生流失，也不会向下游田间带来尼沙、淤泥[8]。

(2)坎儿井在施工或维修过程中不用大、中型施工机械设备，沿线相应地面环境(天然草场、林地、农田等)基本不受损坏，可保留原样[8]。

(3)由有关记载和统计可知，目前我们可以接触到的坎儿井与古代坎儿井构造型式基本一致；无论是施工方法还是取水原理来看，其原状形态没有得到发展。可见，坎儿井的未来发展余地很广，科学研究潜力很大[8]。

(4)目前坎儿井绝大多数分布于吐哈盆地，此外吉木萨尔、奇台、木垒、库车等其他领域的坎儿井也是吐鲁番人带当地人一起建造的。因此，坎儿井在国内具有吐哈盆地独有的形象性古代水利工程，其对当地区域性人文、农业发展和地理条件研究以及区域旅游事业研究等方面意义极大[8]。

2 坎儿井现状及面临的实际问题

2.1 现 状

虽然坎儿井有两千多年的历史，但由于区域地质条件、气候变化、自然界水循环、人类活动等自然和人为原因，目前我们能接触到的坎儿井年限只能延续到之前500年。

据坎儿井研究协会2002年10月25日至2003年7月底坎儿井野外普查工作结果来看，新疆可以供水的坎儿井比20世纪50年代的1 784条减少至614条。可见近70年内共有1 170条坎儿井已干枯或已被损坏[4]。这相当于每年以23条的速度在减少[3]。其中，吐鲁番地区由1 091条只剩404条；哈密地区由495条只剩195条出水；其他地区198条中因各种原因183条已停止出水[9]。

上述实际情况表明坎儿井近50～70 a之内无法保留正常工作状态，数量在减少，早已面临消失的残酷实施。

虽然近几年以来吐哈地区投入一部分资金和人力来恢复一些干枯或受损坏的坎儿井，但只是疏通了廊道坍塌部位的淤泥土堵塞物，顺畅了输水通道，主要问题未得到本质性解决。廊道横断面尺寸变得越来越变大，廊道内新的临空面再次面临新的坍塌风险；另外一些坎儿井廊道采用椭圆形混凝土预制件或浆砌石进行衬砌(图2)，只是在该段暂时解决了坍塌淤堵问题。由于单项工程规模小、水流量少、全线平面布置和原始纵坡不科学、取水位置和取水原理不适当等多种原因，采取衬砌措施带来成本高、施工难、效益差等一系列新问题。

图2 坎儿井已衬砌的出口[5]

2.2 面临的问题

(1) 坎儿井在两千多年的长期演变过程中结构逐渐老化，难以保留当年的正常工作状态。随时间延长逐渐形成不适应于周围水文地质条件，慢慢地在失去当年工作能力，甚至面临消失。

(2) 修复或重建过程中，地下工作空间狭窄，操作难，施工不便。目前还没有专用机械设备，主要依靠人力和不相配的一些简便的劳动工具进行施工。

(3) 取水口在浅层地下水含水层表面，只能引进最表层的地下水。水位一旦下降就会出现水量不足，甚至不能引水。

3 坎儿井损坏的原因分析

坎儿井的正常工作状态是指：每一条坎儿井沿线可持续取水并输送至用水部位等连续过程。可惜，分布在吐哈地区的坎儿井在长期历程中遇到的上述问题和极度困劲，演变至今日无法保证早期的正常工作状态，造成严重不良后果。

造成坎儿井如此非正常工作状态的主要原因可分为坎儿井构造为主的内在因素和水源性外来因素等两大类型。

3.1 内在因素

主要为坎儿井原状整体构造和结构、年龄(年限)、直观地质环境等因素。

(1)构造和结构。坎儿井顺地形坡度自地面深处沿全线穿过浅层含水层最终出露于远处的平地或洼地。沿线遇密实含水砂砾石层、无水砂砾石层；中密实砂砾石、粉土、沙壤土、壤土和不透水黏土镶嵌夹层。该类地质层构造较为稳定，不受外界干扰时整体上可以长久维持内部应力恒稳，不会发生沉降、滑塌或坍塌。

自古以来坎儿井横断面挖成窄高城门洞型，无采取任何衬砌或支护措施。城门洞顶拱就像蛋壳一样将山岩作用力沿洞顶拱弧线至双侧边墙垂直向下传递最终与双侧墙底部反作用力相互抵消为零。应力传递原理详见图3。虽然这种断面型式在掏挖成洞早期任何一个横断面能够保持初期稳定，但是随着时间的延长在洞顶拱内壁逐渐向外释放应力，壁面结构一层一层、一块一块开始松弛，最终造成不同程度的掉顶或坍塌(图4)。由坎儿井廊道横断面现状清楚可见此现象(图5)。

图3 坎儿井廊道受力及应力传递情况示意

图4 坎儿井廊道现状[4]

1-廊道；2-推测原形；3-廊道现状；4-廊道坍塌部分；5-廊道面临坍塌部分图5 坎儿井廊道与推测原形对比

由近期在新疆伊犁、昌吉和轮胎等地区建设在此类地质条件隧洞实践可知，地层主要有新生界第四系下更新统西域砾岩(QL1)、中更新统冲积物(Qal2)、中～上更新统冲积层(Qal2-3)～(Qal3)、全新统洪积层(Qpl4)、全新统冲积层(Qal4)地层等；岩性为中密砾岩，中密砂砾石、砾石、细砂或泥砂质砂砾石夹层；地层具粗粒状结构为主 ，块状构造，泥砂质、钙质胶结或半胶结。岩体较完整，原状整体稳定性较好，但遇水易软化。根据新疆软岩隧洞实地试验和工程实践可知，在此类地层凿洞时，地层原始应力平衡一旦被损坏，岩体应力逐渐向洞内临空一面释放，随时间而增强。洞拱顶中间部位内壁失去平衡后一旦被掉下某一小块，新临空面就会倾向新的掉塌，产生连锁反应甚至最终发生拱顶露顶或整体断面坍塌。

坎儿井的坍塌原理同上。随着廊道坍塌，断面逐渐扩宽，坍塌范围也扩大并新形成的断面临空面坍塌风险可能性也增强。另外岩体遇水软化，最终整体坎儿井失常。

(2) 纵向布局。自古以来施工坎儿井首先确定好坎儿井的平面走线，垂挖两个或两个以上的竖井至某一目标深度后，用水平廊道连串在一起再据潜层含水层情况沿线有下游向上游随竖井→廊道、竖井→廊道的工作顺序逐渐前行。虽然这种施工方法对于当年测量水平和条件而言属于相对先进方法，但是其平面定线不规则和洞内纵坡不顺畅等情况产生某种不科学性。再加廊道内反复坍塌→疏通过程中将原来的纵坡演变成平坡甚至逆坡，阻碍或梗阻水流顺畅。

3.2 外在因素

主要为水文地质性水源，大、小范围气候变化，水循环异常，人口增长和中人类活动等。

(1) 对于水文地质性水源。坎儿井主要水源为潜水含水层。吐哈盆地地下水由分布特点来看可分为靠近地表面的浅层无压水和挤压在两个或多个隔水层之间的承压水两大类型。坎儿井引水位置布置在浅层含水层靠近表面部位，只能引进最表层的地下水。当地下水位下降时在廊道内就会发生不能引水或水量不足，逐渐减少至零的情况。坎儿井位置和地下水位布置关系详见图6。

1-基岩；2-坎儿井；3-地下水水面线；4-(浅层)无压地下水；5、7、9- 隔水层；6、8、10-(承压)地下水图6 坎儿井与水文地质性水源的位置关系示意[5]

(2)气候变化。地球气候变化是一种长期、持续、复杂的演变循环过程。冷热、干湿互换，循环周期长短不一致[5]。

根据地质考古资料，历史记载和气候观察资料来看，世界气候从大冰河期、冰川期到小冰河期及近代温和期度过了几百年甚至几亿年。近代温和期是指在近期一两百年内有气象记录资料的时间段。科学家认为，公元1300年以后天气再次变寒冷，此时段称为《小冰河期》。到18世纪时气温才慢慢回升，持续到19世纪末20世纪初[6]，此后全世界气温持续上升，1880年至今全世界平均气温上升0.6 ℃[10,11]。

虽然坎儿井具有2千多年的历史，但是今日能接触到的坎儿井不超过500年。很可能就是在这《小冰河期》，近600年时段的天气冷热交换、地层冻融交替、山区冰川移动、地层冻土深度以及地下水位的起伏波动等多种自然界现象的长期反复地冻融侵蚀作用下损坏后慢慢地消逝。而现代坎儿井在今日温暖气候环境下也还没有完全解脱这种冻融侵蚀作用的风险。

(3)水循环异常性。水是地球上最丰富的一种化合物，地球上水总储存约13.86亿m3，占全球表面积的约71%，全球水量的96.6%为海洋水，陆地淡水河、湖水总量占全球总水量3.5%，浅层地下水不到全球总水量的0.2%[17]。

人类和其他生物环绕着些淡水资源创建悠久的绿洲文化并延展至今。随着气候从1880年开始变暖到20世纪80-90年代全球范围冰川慢慢退缩，而世界人口接近巨增至70亿，温室效应在增强。属于极度干旱区的吐哈盆地蒸发能力与降水差异显著，区域性水循环异常导致地下水补充减弱。这一现象正好也是当代坎儿井失去正常工作状态的主要原因之一。

(4)人类活动。20世纪50年代开始世界局势转向和平发展，21世纪后区域、国家、大陆洲之间逐渐形成经济共同进展。人口增长与有限能源需求之间的矛盾日益显著，人类活动范围和强度极度超限。

近期在吐哈盆地为满足人口增长、农业多样化发展、大小工业和企业生产需求，超标开采地下水等原因造成地下水位快速下降等也可以视为坎儿井水量减少的重要原因之一。

4 坎儿井损坏预防对策

如果再不采取妥善对策来预防，则在不久的将来就会失去坎儿井。

4.1 内因预防对策

(1)对于构造和结构。近期在新疆伊犁、昌吉和轮胎等地区建设在此类地质条件隧洞实践来看，在砾岩、砂砾石、砾石、细砂或泥砂质砂砾石夹层等地层凿洞先采用一次喷护混凝土支护，再用钢筋混凝土二次衬砌支护方法时，一次支护保持洞壁临时稳定，二次支护保障隧洞永久稳定。如果坎儿井利用此类施工技术，哪怕采用当地低成本材料，只采用一次支护措施也完全可取得洞内长久性稳定。坎儿井现状洞身及竖井断面狭窄，人在里面操作困难及危险，施工材料运输、通风及运行管护不便。因此，有必要对其洞身断面尺寸应根据现代隧洞设计和施工规范要求来进行优化。

(2)对于纵向布局。自古以来坎儿井的结构不论是施工方法或取水原理还是利用目标来看其原始状态基本没有变化。当年因测量水平和器具的原因，在建设期间计划纵向布置时从水源选择、起止点选定到纵坡值及各竖井深度的确定等均采用目测、预测、试测、试调等原始测定办法，则导致坎儿井路线曲折不直、纵断面底部高低不平。虽然近期在部分地区坎儿井工作中应用一些较先进仪器，但因廊道内空间狭窄、阴暗等原因其纵断面始终未得到系统、连贯的数据资料。如果可应用全球定位系统(GPS)、卫星遥感控制系统等现代领先测绘技术来测定和掌握坎儿井纵断面实际现状，根据每一条坎儿井的现状特点来确定纵断面时会得到更加科学性修整。

根据吐哈地区实际情况可知，坎儿井另外一项缺点为出洞口处因洞脸顶部岩土厚度不足，很容易坍塌或漏顶(见图7)。对此依照国家有关隧洞规范中隧洞洞脸顶部岩土厚度不应小于隧洞直径的1.5～2.0倍的要求来调整廊道出口洞脸的最佳位置。

图7 部分坎儿井出洞口现状

4.2 外因预防对策

(1)对于水文地质性水源。坎儿井引水位置布置在浅层含水层靠近表面部位，其取水点往往在浅层含水层水面浮动范围之内而供水变为间断不续，甚至长时间断流。对此将坎儿井取水口(引水部位)深移至浅层含水层水面浮动范围之外，将坎儿井廊道的最前渗流引水段应再向前水平延移并保证设在浅层含水层最低水面以下；或可垂直衔接到更深处两个隔水层之间承压水作成补充水源(图8)。

1-地下水水面线；2-坎儿井；3-廊道(渗流引水段)向前水平延长； 4-(浅层)无压地下水；5、7-隔水层；6、8-(承压)地下水；9-垂直衔接到更深处两个隔水层之间承压水层示意图8 坎儿井廊道(渗流引水段)向前水平延长示意

(2)对于气候变化。地球气候变化是一种特别复杂、敏感及持续的自然过程[5]。虽然其带来的负面作用直接用人力来达到理想目标不太客观，但是通过宣传、教育和带头示范等办法完全可以减少或防治人类自己造成的侵蚀等负面影响。

(3)对于水循环异常性。该区域范围水循环异常性导致地下水补充减少，可通过在坎儿井引水地段附近或在地下水补充区的地表相应位置采取简便方法设置挡水坝或拦汛水坝，将山区降雨集水和汛期洪水停留下渗等办法来补充地下水来增加坎儿井水量。

(4)对于人类活动。吐哈盆地人类活动在日需增加，导致小范围扩大地下水漏斗，迅速降低地下水面线，但是从广大范围来看还有可恢复的可能性。

目前在新疆水浪费现象还是很严重。农业还在采用传统的常规地面灌溉，农作物灌溉效率还是较低。如果近期在全疆实施农业节水灌溉，可在吐哈盆地也会大幅度降低或结束灌溉用水浪费。不久的将来地下水开采利用不再超载。与此同时如果大力发展和实施绿色能源和可再生能源并转为主角能源，实现节能减排、低碳排放等从一定程度上会减少温室效应的恶化。

5 结 语

坎儿井是我国吐鲁番地区劳动人民在长期历史发展过程中，据当地自然条件和生活需求来创建的伟大发明之一。人类文化和科学技术高度发展的今日还在发扬自身文化和科学价值至今。要正确认识坎儿井在面临的实际问题，其在现代人文，生产实践中所起的作用和未来进展意义；进一步树立科学发展观，采取合理科学预防对策进行科学研究非常有必要。总而言之，采取正当措施来恢复和拯救坎儿井是当代每一位思考着的义务和职责，恢复和发展坎儿井功在当代利在千秋。

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[4] 吾普尔·努尔丁. 新疆地下水道-坎儿井[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，2007.

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