工程技术与测量方法研究

1新疆坎儿井简介

坎儿井是维吾尔语“Karez”的音译。根据历史资料，新疆吐鲁番坎儿井出现在唐代，至今已有2000多年的历史［12］。吐鲁番坎儿井是新疆特有的文化景观，是新疆勤劳智慧的各族劳动人民，根据本地自然条件、水文地质特点创造出来的一种结构巧妙的特殊的地下水利工程设施，是在第四纪地层中自流引取地下水进行灌溉的水利工程设施，人们形象地喻之为“地下长城”。坎儿井在新疆主要分布在吐鲁番、哈密等地区，还曾在木垒、乌鲁木齐、奇台、库车、和田、阿图什等地区有过不同程度的分布，尤以吐鲁番地区最多［13］，总长度超过5000km，它是与万里长城和京杭大运河齐名的中国古代三大工程之一。坎儿井集中分布在吐鲁番盆地的原因是和当地的自然地理条件不可分割的。吐鲁番是一个典型的环绕型盆地，其北面的博格达山的主峰海拔高达5445m，而盆地中的艾丁湖面海拔154m，该盆地的地形高差悬殊［14］。盆地山前倾斜平原地下水补给充沛，含水层透水性强、地形坡度为1/30～1/50，地面坡度自北向南逐渐变缓，恰好能使坎儿井水通畅流过［11］。吐鲁番是我国气候极端干旱、水资源十分短缺的地区之一，年降水量只有16mm，而年蒸发量可达到3000mm，夏季酷热少雨，可称之为是中国的“干极”［15，16］。但坎儿井水由地下暗渠输送，蒸发量较少，流量稳定，可以常年自流灌溉。聪明智慧的各族人民利用当地自身的这种地理位置优势，发明了地下河道———坎儿井。许多坎儿井至今为当地的农业生产和人民生活发挥着重要的作用。据吐鲁番地区第三次全国文物普查，吐鲁番盆地共有坎儿井1108条，但有水坎儿井的数量已从1957年的1237条下降到2009年的200余条。

2坎儿井工程结构

吐鲁番坎儿井是利用北高南低的地势，不需动力而将出山口或山前冲洪积扇区域水源地的地下水自流引出地表的一项古老人工水利工程设施。坎儿井由竖井、暗渠、明渠、涝坝四部分组成，参见图1。竖井的功能是在开挖暗渠时，通风出土、定位以及供施工与维修人员上下起作用。竖井分布疏密不等，上游比下游间距长，一般上游段间距约60～100m，中游段间距约30～60m，下游段间距约为10～30m。竖井的深度，一般越是靠近水源地，竖井越深，从上游至下游由深变浅，上游深度约40～70m，中游深度约20～40m，下游段深度约3～15m。其断面，一般长1～1.2m，宽0.8～1m［17］。暗渠是坎儿井的主要组成部分，根据功能的不同分为集水段和输水段。集水段的功能是当其周围的潜水位高出暗渠时，截取和汇集地下水，具备集水功能;输水段是暗渠输水通道，把集水段汇集的地下水引出地面。暗渠高度一般为1.7m左右，宽度为1.2m左右，长度一般为3～5km，最短也有数百米，最长的超过10km［18］。明渠是暗渠出水口至农田之间的水渠。明渠的功能是把从暗渠出来的地下水引入储水涝坝。涝坝是绿洲的心脏，又称蓄水池，其主要功能是调配坎儿井水，使坎儿井水得到充分利用。

3坎儿井工程勘探测量技术探讨

在坎儿井工程勘探测量技术研究当中，几何学和测量学是非常重要的。特别是长距离坎儿井的勘探和施工中，如果高差测量不准，母井、地下水位与出水口的位置就很难确定，同时竖井的深度也会出现误差，最终暗渠的贯通也会偏离，影响井下通水。所以，坎儿井的勘探工程技术中最重要的环节就是坎儿井工程勘探测量方法的确定。而坎儿井工程勘探测量主要包括测量母井位置和竖井深度。3.1母井位置的测量确定方法坎儿井工程勘探施工中，坎儿井位置的选定是很重要的。选择位置，首先要考虑在什么地方能挖出水来，其次要考虑坎儿井下游有没有可垦荒地。坎儿井的水源由当地坎匠们选定。这些坎匠们具有非常丰富的经验。他们所选的坎儿井源头一般出水量较大、水流通畅、源流时间较长。通常他们根据土壤的颜色、湿度、附近鹅卵石的形状、地形、植被的种类和覆盖情况来判断地下水源的丰富程度。水源选定以后，考虑坎儿井出水口有没有可垦荒地，土质是否适宜农作物生长等。最后根据水源与可垦荒地的地理位置，选择合理的地方，确定第一个竖井的位置即母井位置。接着从母井位置A点向下挖掘直到地下水位C点为止并量取母井水深h1，然后测量出母井位置A点与出水口B点之间的高差h2并与母井水深h1进行比较(参见图2)。图2母井位置的确定方法示意图水是液体，具有一定的流动性，在重力作用下从高处往低处流，所以从理论上看:如果h2＞h1，表明地下水位高于出水口，若母井的位置基本确定为A点，则出水口B点能提供用水。如果h2＜h1，表明地下水位置低于出水口，B点不能提供用水。这时坎匠继续向上游移动寻找新的水源，反复多次调整母井的位置，使其满足条件h2＞h1为止。3.2竖井深度的测量确定方法图3是竖井深度确定方法示意图，为了保证坎儿井水流畅通，竖井深度要从上游至下游由深变浅。要知道各竖井的深度，坎匠根据确定的母井位置和母井深度，从母井位置开始向出水口方向进行竖井深度的测量工作。4.2.1第一口竖井深度确定方法母井深度确定以后，根据几何学矩形原理可以得出式(1)、式(2)(参考图3):h=h1+a(1)h1=h－a(2)式中，h是母井深度，a是母井与第一口竖井之间的地面高差，h1是第一口竖井的深度。3.2.2第二口竖井深度确定方法第一口竖井的挖深确定了以后，根据几何学矩形原理可以得出式(3)、式(4)(参考图3);h1=h2+b(3)h2=h1－b(4)式中，h1是第一口竖井的深度，b是第一口竖井与第二口竖井之间的地面高差，h2是第二口竖井的深度。3.2.3第三口竖井深度确定方法第二口竖井的挖深确定了以后，用同样的几何学矩形原理可以得出式(5)、式(6)(参考图3);h2=h3+c(5)h3=h2－c(6)式中，h2是第二口井的深度，c是第二口竖井与第三口竖井之间的地面高差，h3是第三口竖井的深度。余下的竖井深度的测量按以上方法以此类推。总之，无论是母井位置的确定方法还是竖井深度的确定方法都离不开高差测量。一条坎儿井的总长度一般在3～15多公里左右，竖井之间的距离也大概几十米左右，那么在古代没有现代测量仪器和测量工具的情况下，是用什么样的测量方法和测量工具完成3～15km之间的高差测量?下面本文将着重探讨古代坎儿井的高差测量原理和方法。

4古代坎儿井高差测量原理和测量方法

4.1高差测量原理及测量工具通过实地调查和访谈我们获取了一些涉及到坎儿井工程勘探测量中的高差测量方法、测量工具、测量术语等方面的资料。当时测量坎儿井母井与出水口之间的高差时，选用的方法是用容器盛水，利用水在静止时的水平面进行高差测量(如图4所示)。基本原理和现代水准测量原理相同，即利用水面提供的一条水平视线，并借助一定长度的木杆，来测定地面两点间的高差。首先将盛满水的容器(敞口盆)安置于两点之间，在容器内放置可以漂浮的玉米秸秆芯，玉米秸秆芯的长约10cm、宽2cm、厚1cm，在中间下部钉一个铁钉可起到在水面固定玉米秸秆芯的作用。测量时在前后测点分别放置两根木杆，木杆约长3～4m，通过水面提供的水平视线，在木杆水平线高度所对应的位置上做标记，画黑线或者系红色带子，测出两木杆标记处的高度，取差值，即是两点的高差。高差=后视读数—前视读数4.2古代坎儿井高差测量方法因为坎儿井母井与出水口之间的距离较远或高差过大，不能安置一次仪器即可测得母井与出水口之间的高差，这时需要在直线方向上将两点(母井口、出水口)之间分成若干段，根据古代高差测量原理逐渐连续多次安置仪器，依次测得各段高差，而后将各段高差相加得出母井与出水口之间的高差。如图5所示，在地面上按一定要求选定一系列的地面点以相邻次序由出水口向母井方向进行测量。假设出水口位置为1，母井位置为n，我们要在母井和出水口之间逐次增加2、3、4、……n－1个辅助点，在辅助点间安置仪器，每安置一次仪器，测读前视、后视读数，测读后得到各段高差。现以三个辅助点为例，母井位置为5。

5结论

吐鲁番人的祖先正是用这种古代的高差测量方法，对坎儿井从母井到出水口间的高差进行了一步一步的测算，从而确定了母井的位置，并确定了竖井的挖深。他们将自己的丰富经验和这种古代测量方法相结合，用自己非凡的智慧在古代没有任何测量工具和仪器的情况下对坎儿井的整个施工过程进行了勘探和测量，最大限度地节约了重复开挖的人力物力，确保了坎儿井的施工开挖工作并保证了坎儿井的水流通畅。本文对吐鲁番坎儿井工程进行了工程测量技术方面的研究，并从测量学的角度探讨研究了古代人们构造坎儿井时用的坎儿井工程高差测量原理和测量方法。这不仅使坎儿井研究工作得以丰富和完善，更对探讨我国水利工程科技发展史、研究坎儿井的起源与传播有着重要的科学价值。

作者：托合提古丽·图尔荪 阿不都沙拉木·加拉力丁 热比亚木·买买提 单位：新疆大学资源与环境科学学院