黑河流域地下水与地表水转化研究进展

　文章编号:1009-6248(2010)03-0120-07

黑河流域地下水与地表水转化研究进展

赵建忠,魏莉莉,赵玉苹,丁宏伟

(甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院,甘肃张掖　734000)

摘　要:地处我国干旱内陆区的黑河流域,其地表水与地下水在不同的地貌单元发生着大数量的、有规律的、重复的转化过程,极大地提高了水资源的利用率。早在20世纪80年代,甘肃省地矿局等单位率先开展了有关黑河流域地表水与地下水转化过程研究的国家“七五”、“八五”科技攻关项目,取得了丰富的勘查研究成果,促进了这一地区有限水资源的合理开发利用。进入21世纪以来,随着勘查研究理论的丰富和环境同位素技术的广泛应用,黑河流域地表水与地下水资源及其循环转化引起了学术界的广泛关注,并相继完成并发表了一批具有较高水平和学术价值的科研成果,进一步提高了干旱区水资源的开发与保护。但仍存在着水资源转化关系和转化规律还缺乏流域系统研究、中下游盆地深层地下水的补给来源尚不能确定等方面的不足,不利于协调社会经济发展与生态环境保护之间的用水矛盾。

关键词:黑河流域;地表水与地下水转化;研究进展;水文地质

中图分类号:P641.6 文献标识码:A

1　引言

黑河流域地跨青海、甘肃和内蒙古三省区,共计10个县旗,流域面积达1.3×105km2,流长821 km,属内陆河流域。河流出山后,流经中游张掖、酒泉和下游金塔—鼎新、额济纳第四系盆地。中下游以正义峡所在的沿东西向展布的走廊山脉为界,最后注入尾闾湖居延海,通过渗漏和蒸发消失于荒漠。地表水与地下水的转化形成了该流域有机联系的社会生态系统。中游土地肥沃,是流域内工农业经济最为发达的地区和国家重要的粮、油、种基地;下游形成了阿拉善高原的主要天然草场,是河西走廊如嘉峪关、酒泉、张掖等一些重要经济区的生态屏障,滋养着蒙古族土尔扈特部落世代繁衍生息。但在人类经济活动干扰下,随着河道渠网化、渠道高标准衬砌、各种节水措施的大规模推广应用,黑河中游河水引水量不断增加,地下水开采量持续增大,自然地表水与地下水循环转化过程发生了重大的变化。结果是:1地表水在山前砾石带入渗补给地下水的数量大幅度减少,地下水主要补给区北移至细土平原。o天然状态下的区域水循环系统减弱,逐步演变局部水循环系统,表现为山前-泉水带逐步演变为细土平原-泉水带。?增加了水资源的循环次数,减少了循环深度,扩大了水资源循环路径,改变了水资源的天然循环过程(丁宏伟等,2002),致使下游额济纳旗地区生态系统衰退。因此,根据自然规律指导水资源开发利用,研究地表水地下水转化是基础前提。

建国以来,特别是改革开放的30年以来,黑河流域水资源以及地表水与地下水的转化研究取得了丰硕成果(范锡朋,1981;陈隆亨等,1992;王根绪等,1998;陈梦熊等,2002;蓝永超等,2002;康

　收稿日期:2010-03-29;修回日期:2010-08-12

　基金项目:甘肃省地矿局水工环科学基金项目资助(2008SG H-S3)

　作者简介:赵建忠(1965-),男,河南长垣人,工程师,1987年毕业于郑州地质学校水文地质专业,从事地下水勘查及地质灾害勘查评估工作。E-mail:zyzjz83210@sina.co m

尔泗等,2002;宁保英等,2008)。笔者通过总结国内外地下水与地表水之间相互转化研究成果,分析了黑河流域的研究进展,指出研究中存在的问题,以期对国家西部大开发战略的实施和黑河流域生态环境综合治理有所帮助。

2　地表水与地下水转化过程

2.1　天然条件下地表水与地下水转化过程

天然条件下,自上游山区至下游盆地地表水与地下水存在这样的转化过程:在祁连山山区,地下水接受大气降水、冰雪融水的补给,流出山口以前,绝大部分都排泄于河(沟)谷而转化为河水。进入

中游盆地,河水在洪积扇群带大量渗漏转化为地下水,至扇缘及细土平原地下水溢流成泉复出地表转化为河水。通过正义峡进入下游盆地,河水再在洪积扇渗漏转化为地下水,至北部额济纳湖积平原水位浅埋区全部蒸发殆尽(丁宏伟等,2006),形成一个完整的水循环过程(图1)。

2.2　人类活动干扰下,地表水地下水转化过程 在人类经济活动干扰下,河道渠网化、渠道高标准衬砌,地表水通过高标准衬砌渠道从山区直接输送到绿洲。各种节水措施大规模推广应用,引水量增大引起地表水与地下水的转化量、转化特征明显变化,

极大改变了原来的天然状况。

图1　天然条件下黑河流域降水—地表水—地下水转化示意图

F ig.1　T ransfor mation of pr ecipitation,surfa ce w ater and g ro undw ater in Heihe r iv er basin in natur al co nditions

3　研究现状

3.1　国内外研究概况

地表水和地下水相互作用的研究可追溯到法国科学家布西涅斯克(Boussinesq)在1877年对河流与连续冲积含水层作用规律的探讨。但受认识的限制,当时对该相互作用的意义没有引起足够的重视(T ur ner B.L.II,1995)。直到国际水文科学协会(IAHS )和国际水文地质学家协会分别在1986年和1994年将地表水和地下水相互作用正式提上会议讨论议题后,地表水与地下水转化关系研究成了国内外水文学与水文地质学研究的热点问题。

20世纪80年代后期,美国联邦地质调查局专门对全美主要流域地表水与地下水相互转化进行了系统调查,发现在任何一个地质单元和自然景观中,地表水和地下水之间均存在着密切的水力和物质联系,且这种关系受人类活动的影响深刻。由此揭示

了不同流域、不同地质单元地表水与地下水相互转化关系及其在不同气候和人类活动干扰下的变化规律。2000年以来,加拿大水资源需求与供给研究计划对大湖地区地表水与地下水相互转化关系及地下水动态和湖区生态系统随水资源利用的变化展开了系统观测研究。荷兰KIW A 水研究计划对不同地表水利用下的地下水动态变化以及陆面生态系统结构、功能等的响应特征进行了研究。2003年英国政府国际发展部发起完成的南部非洲发展中国家流域水资源需求与利用报告中指出,清晰的认识地表水与地下水之间的转化关系是准确评价流域水资源的关键问题(IAHS ,2001;IGPB ,et al ,2001)。

国内全面开展地表水与地下水转化研究始于20世纪70年代中后期。1977～1982年,甘肃省地矿局率先开展了“甘肃省河西走廊地下水分布规律与合理开发利用研究”。1986～1988年,甘肃省地矿局承担了国家“七五”科技攻关项目“石羊河流域

121

第3期 赵建忠等:黑河流域地下水与地表水转化研究进展

平原区水资源管理模型”研究。90年代初,中国水利水电科学研究院承担了国家“六五”、“七五”科技攻关项目“华北地区水资源利用研究地表水与地下水相互转化关系研究”、“华北地区大气降水、地表水、土壤水与地下水相互转化关系研究”,分别建立了丘陵区和平原区的“四水”转化模型,首次在国内建立了河西走廊石羊河流域多目标、多层次的地表水、地下水联合调度管理模型。1988年河海大学建立了岩溶区地表水-地下水联合评价的新安江模型。1997年郭大本等对三江平原低湿农田“三水”转化研究,逐步改造了下垫面的条件,并促使农作物的有效生长。

3.2　黑河流域地下水与地表水之间相互转化的研

究进展

1988年、1990年甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院承担的国家“七五”科技攻关项目“甘蒙西部黑河中下游两水转化及水资源综合开发利用调查”,首次定量评价了黑河干流地表水与地下水的相互转化特征和时空变化规律。但地表水与地下水转化研究作为水文地质勘查、水资源共享源评价、水资源管理、水资源开发利用研究的重要内容,在1957～2002年,甘肃、内蒙开展的黑河流域专项地质水文地质普查、农田水文地质详查、1∶20万区域水文地质普查以及新一轮国土资源大调查等项目中都有不同程度地涉及(表1)。尽管这些项目研究区域不同,但为后续的系统研究提供了不同阶段和不同地域的背景资料。其中,1984年甘肃省地矿局在黑河中游地区进了地下水位、水质动态长期监测,已积累了30余年的观测资料。同时完成的“黑河下游荒漠平原环境地质研究”项目,首次定量评价了黑河干流地表水与地下水的相互转化特征和时空变化规律,选择典型地段建立了包气带水份运移模型,深入研究了下游地区地下水位、水质的变化与波动对植被的影响程度,建立了对应的统计模型,提出了“凋零水位”的概念。

21世纪以来,随着每年4～5月西北地区沙尘暴的肆虐和扬沙浮尘天气的增多,黑河流域地表水与地下水资源及其循环转化关系引起了国内外学者的广泛关注。丁宏伟等探讨了分水前黑河过正义峡河川径流量减少的原因(丁宏伟等,2001),并预测

表1　黑河流域部分水文地质研究成果

T ab.1　So me resear ch r esults on hy dr og eolog y in Heihe r iv er basin

研　究　成　果完　成　单　位完成时间

河西走廊酒泉—永昌间地质、水文地质普查

酒泉金塔地区1∶20万水文地质普查

黑河中游水文地质普查

1∶20万野牛台幅区域水文地质普查

1∶20万雅干幅区域水文地质普查

1∶20万拐子湖幅区域水文地质普查

1∶20万额济纳旗幅区域水文地质普查

1∶20万索果淖尔幅区域水文地质普查

1∶20万嘎顺淖尔幅区域水文地质普查

1∶20万赛汗桃来幅、湖西新村幅区域水文地质普查

1∶20万务桃核幅、古鲁乃幅区域水文地质普查

1∶20万天仓幅、咸水幅区域水文地质普查

1∶20万祁连山幅区域水文地质普查

1∶20万高台幅区域水文地质普查

1∶20万平川幅区域水文地质普查

石羊河流域平原区水资源管理模型研究

甘蒙西部黑河中下游两水转化及水资源综合开发利用调查黑河下游环境地质研究

黑河干流中游地区地下水资源及其合理开发利用勘查

黑河流域各县(区)水文地质调查

甘肃省张掖地区地下水资源及其合理开发利用

黑河干流中游地区地下水动态监测研究

河西走廊地下水勘查

河西走廊地下水分布规律及其合理开发利用研究地矿部水文地质工程地质三大队

甘肃省地矿局第二水文地质队

甘肃省地矿局第二水文地质队

中国人民解放军○○九二九部队

中国人民解放军○○九二九部队

中国人民解放军○○九二九部队

中国人民解放军○○九二九部队

中国人民解放军○○九二九部队

中国人民解放军○○九二七部队

中国人民解放军○○九二七部队

中国人民解放军○○九二九部队

甘肃省地矿局第二水文地质队

甘肃省地矿局第二水文地质队

中国人民解放军○○九二九部队

中国人民解放军○○九二九部队

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院

甘肃省地质调查院

甘肃省地矿局地质科学研究所

1958年

1966年

1967年

1977年

1979年

1979年

1980年

1980年

1980年

1981年

1982年

1983年

1981年

1980年

1982年

1983年

1988年

1988年

1988年

1970年

1999年

2001年

2003年

1984年

122 西　北　地　质 N ORT H W ES T ERN GEOL OGY 2010年

了泉水资源未来变化(丁宏伟等,2001),分析研究了流域地下水水化学特征及其演化规律(丁宏伟等, 2006)、干旱区绿洲可持续发展与水资源转化之间的关系和近50年来流域地下水资源的变化及对生态环境的影响(丁宏伟等,2002～2005)。张光辉等在大量野外调查基础上,研究了气候变化和人类活动对黑河流域地下水循环和更新演变的影响,指出平原区浅层地下水主要是现代水补给和来自祁连山区基岩裂隙水通过地表径流转化补给,其次是降水和冰雪融水在山前戈壁带入渗补给,具有较强的更新能力。深层承压水主要形成于地质历史时期区域性补给,与现代水循环有联系(张光辉等,2002～2006)。聂振龙等通过分析黑河干流地表水与地下水的水化学特征,识别了沿黑河干流不同地带地下水与地表水的相互转化关系(聂振龙等,2005)。钱云平等利用Rn作为同位素示踪剂,分析了黑河中游地表水与地下水的转换关系(钱云平等,2005～2006)。张光辉等(2005)、张应华等(2003)运用同位素D18O分析了农田灌溉严重影响了地下水和地表水之间的转化,导致地下水补给地表水的增加,并运用质量守恒原理,定量分析了黑河中游盆地黑河地下水与地表水转化的转化量。仵彦卿等运用地球物探、盆地地质演化、环境同位素示踪与水化学分析、河床渗透试验和地下水流场分析等研究方法,综合研究黑河下游盆地河水与地下水的转化途径、方式及转化量(仵彦卿等,2004)。武选民等(2002)、陈建生等(2004)用同位素方法研究了额济纳盆地承压含水层地下水的补给来源,认为盆地内的承压水和戈壁区潜水基本没有受到现代河水的影响,是地质历史时期补给的古水。丁宏伟等通过黑河干流中游地区20多年的泉水流量系列动态分析,以及对前人研究结果石油勘探资料和3H、D D、D18O、14C等环境同位素资料分析,认为区内潜水、泉水和浅层承压水大部分补给来源是出山地表水的径流入渗,而深层承压水的主要补给来源是上游山区的基岩裂隙水(丁宏伟等,2009)。

4　存在的主要问题

上述研究分别从不同角度做了大量基础性、开拓性工作,取得了一些较高水平的研究成果。但是,由于对黑河流域地表水与地下水的相互转化关系缺乏系统的、统一的观测和研究,尚存在一些问题:

(1)地表水与地下水转化关系研究缺乏出山口的实测数据。山区地下水对出山径流的贡献还停留在年径流量断面分割的水平,缺少实际流程测量数据和单位长度地表水与地下水转化关系的量度。

(2)中游盆地地表水与地下水转化关系和转化规律还缺乏全面、系统的研究。中游盆地内定量评价的地表水与地下水的转化关系和转化规律的相关研究均为局部(戈壁或绿洲)的、线状的和一次性的成果,缺乏全面的、面状的和系统的研究,对溢出带泉水量的调查与评价仅进行过二次半定量的宏观测流工作,没有按泉域划分泉水资源和区分上升泉、下降泉泉水溢出量,对泉水量的合理性缺少验证手段,存在以点代面、以偏盖全的不足。

(3)缺少节水灌溉条件下田间和渠系入渗实测数据。在节水灌溉条件下,田间和渠道入渗补给系数和强度缺少实际观测数据。大水漫灌条件下取得的灌溉入渗系数已不适应现状地下水资源的评价。下游盆地黑河正义峡—哨马营段河道强烈入渗所产生的地下水去向的研究仅有有限的环境同位素测试资料支持,缺少硬性的水文地质勘探数据支持。巴丹吉林沙漠湖泊水的补给机理及其与黑河入参量的关系等均需查明。

(4)河西走廊中游盆地地下水的来源尚无定论。以往研究认为,河西走廊中游盆地浅层地下水的80%以上来自山区地表水的径流入渗补给,下游盆地65%～90%的地表水是中游盆地泉水溢出形成的。近年来研究认为,中下游盆地深层承压水的补给来源绝大部分不是出山地表径流,而是祁连山区的基岩裂隙水,说明西北内陆地表水与地下水的转化过程远比现有的研究程度复杂,但已有的研究未能解决,尚需深入研究。

(5)国内外在流域尺度上还没有查明地表水与地下水循环机理及相互转化规律。人工调蓄和控制地下水位,实施流域尺度上的地表水、地下水联合配置与调度需要流域尺度地表水与地下水转化研究提供科学决策依据。此项研究的缺乏,必会对国家统一调度黑河水量,通过渠道实施大墩门—哨马营、狼心山—东居延海输水工程中、下游盆地可能出现的生态环境变化产生影响。

123

第3期 赵建忠等:黑河流域地下水与地表水转化研究进展

5　结语

地表水地下水的转化研究对支撑区域社会经济发展和生态环境保护具有积极重要的作用。在黑河流域,此方面的研究取得了较大进展,形成了丰富的历史资料,但仍缺乏全面系统的流域尺度研究,不利于协调社会经济发展与生态环境保护之间的用水矛盾。需进一步加强科学、合理、有效地配置和利用水资源以及实施分水和兴建水利工程,以推动旱区水文地质、水文生态及农业科学的协调发展,为黑河流域社会经济发展提供可持续发展的科学支撑。

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Surface Water and Groundwater Transformation Research

in Heihe River Basin

ZHA O Jian-zhong,WEI Li-li,ZHA O Y u-ping,DIN G Hong-w ei

(I nstitute of Hy dr o-geoloical E ngineering,Gansu Pr ovince Bur eau of Geology and

Mineral Exp loitation and Develo p ment,Zhangy e734000,Gansu,China)

Abstract:T he basin of Heihe River is located in arid area o f inland China.The surface w ater and gr oundw ater in different landscape units has occur ed a larg e number,reg ular and duplicate transform ation pr ocess,which has g reatly improved the utilization of w ater resour ces.Early in the eighties o f last century,Geolog y and M ineral Resources Bureau(GMRB)of Gansu Prov ince and other institutions firstly launched the"Seventh Five-Year"and"Eig hth Five-Year"scientific and technolo gical pro jects w hich researched into the surface w ater and g roundwater transfo rmation mechanism in the H eihe r iv er basin,and go t a r ich ex ploration r esearch,promo ted the ratio nal dev elo pm ent and utilization of limited w ater resources in the ar ea;since the beginning of this century,as sur vey theory has been enriched and enviro nm ental isotope techniques has been w idely utilized,lo op transformation of sur face w ater and gr oundw ater resources in Heihe river basin is w idely paid attention to in the academic com munity,and a num ber of high level academ ic results have been co mpleted and published,and all these w ork make the w ater r esources dev elo pm ent and pro tection in the ar id area to m ove fo rw ard a single step.How ever,there are still many shortco ming s,such as conversio n and transformation r elations of w ater reso urces is lack of sy stematic resear ch,deep g roundw ater recharge can't be determined fr om the dir ectio n in m iddle and low er reaches o f basin,etc;this isn't conduciv e to coordination of w ater utilize contr adiction betw een the economic dev elo pment and ecolog ical protection.

Key words:Heihe river basin;conversio n o f sur face w ater and gr oundwater;research pro gress; hydr ogeolog y

126 西　北　地　质 N ORT H W ES T ERN GEOL OGY 2010年