鳳 蔚，李文鵬，邵新民，祁曉凡，黎 濤

（1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081；2.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 310007）

在天然狀態(tài)或人類(lèi)活動(dòng)干擾微弱時(shí)期，地下水系統(tǒng)一般處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[1]。地下水水位歷史觀測(cè)資料顯示，黑河流域中游盆地的地下水在20世紀(jì)80年代中期之前基本處于天然平衡狀態(tài)。20世紀(jì)70年代，黑河上游地區(qū)提出“十庫(kù)百塘千里渠”的水利建設(shè)規(guī)劃，隨后的30年共建設(shè)7 座水庫(kù)，并建有大規(guī)模、不斷完善的防滲渠系，使得地下水補(bǔ)給量持續(xù)減少[2]；20世紀(jì)90年代，電量供給快速增加，中下游區(qū)井灌農(nóng)田開(kāi)發(fā)也同步進(jìn)入快車(chē)道。近幾十年來(lái)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水資源的開(kāi)發(fā)程度不斷提高[3-4]，黑河流域中游盆地地下水的天然均衡狀態(tài)被打破，生態(tài)環(huán)境遭到破壞[5]。西北地區(qū)地下水開(kāi)發(fā)利用歷史較為相似，研究該地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)相關(guān)問(wèn)題對(duì)于整個(gè)西北地區(qū)水資源管理和持續(xù)利用意義重大。

前人對(duì)區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)研究做了大量的工作。在民勤地區(qū)利用同一監(jiān)測(cè)井不同時(shí)間段的地下水水位進(jìn)行了區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)分析[6]。石羊河流域曾基于該地區(qū)70 眼監(jiān)測(cè)井8年的水位數(shù)據(jù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)和空間分析的方法開(kāi)展了地下水動(dòng)態(tài)時(shí)空分析[7]。利用張掖盆地54 個(gè)監(jiān)測(cè)井近20年的地下水水位數(shù)據(jù)與儲(chǔ)水量變化相結(jié)合的辦法進(jìn)行了地下水動(dòng)態(tài)分析[8]。但是前人動(dòng)態(tài)研究中存在采用的監(jiān)測(cè)井密度過(guò)低，對(duì)于區(qū)域性的地下水動(dòng)態(tài)分析有一定的局限性，而且分析期屬于地下水開(kāi)采快速增長(zhǎng)期未能反映地下水恢復(fù)能力。本文在國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程的平臺(tái)上，采用研究區(qū)內(nèi)一百余個(gè)國(guó)家級(jí)和省級(jí)地下水水位監(jiān)測(cè)井的近30年長(zhǎng)序列連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合水文地質(zhì)條件進(jìn)行黑河流域中游盆地地下水動(dòng)態(tài)相關(guān)分析，并劃定了該地區(qū)地下水補(bǔ)排平衡區(qū)。

黑河流域中游盆地在地下水補(bǔ)給量減少、開(kāi)采量增加的情況下，部分地區(qū)的地下水仍能維持動(dòng)態(tài)平衡。前人研究表明這種動(dòng)態(tài)狀況一般取決于含水層的調(diào)蓄能力[9-10]，與類(lèi)似“地下水庫(kù)”的大厚度含水層密不可分[11-12]，該問(wèn)題在張掖盆地進(jìn)行了相關(guān)研究[13]。本文利用20世紀(jì)80年代以來(lái)的地下水水位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和近300 個(gè)地下水水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)的多期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算了中游盆地地下水補(bǔ)排平衡區(qū)和非平衡區(qū)含水層在枯水期和豐水期疏出或儲(chǔ)存的水量，并結(jié)合水文地質(zhì)條件分析了各區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用的合理性，并提出相應(yīng)的用水建議。

1 研究區(qū)概況

黑河流域中游盆地是一個(gè)北西—南東走向近似封閉的盆地，北西—南東長(zhǎng)約360 km，南北寬15～57 km，總面積約1.3×104km2。主要包括張掖盆地、鹽池盆地和酒泉盆地，其中張掖盆地包括黑河以東諸河傾斜平原、黑河-梨園河傾斜平原、黑河中游下段侵蝕堆積平原和榆木山山前諸小河流域。黑河是區(qū)內(nèi)最大的河流，河水補(bǔ)給量中降水量占52.4%，徑流周期變化特征明顯，比如鶯落峽水文站具有明顯的平—枯—豐交替的變化特征[14]（圖1），文中長(zhǎng)水文周期是指1990—2001年完整的枯水期，及2001年開(kāi)始的長(zhǎng)豐水期。此外，黑河流域中游盆地的水資源主要形成于南部山區(qū)，出山河流徑流總量代表了盆地平原區(qū)的水資源量，戈壁帶河水通過(guò)河床大量入滲補(bǔ)給地下水，在下游溢出成泉河，大多又回歸河流，具有典型的河流-含水層系統(tǒng)特征[15-17]。

圖1 黑河流域中游盆地鶯落峽水文站歷年年徑流量曲線(xiàn)Fig.1 Annual flow of the Yingluoxia hydrometric station in the intermediate section of Heihe River Basin

黑河流域中游盆地受山盆接觸關(guān)系和原始沉積環(huán)境等影響，含水層結(jié)構(gòu)由南向北由大厚度的礫卵石層漸變?yōu)轲ば酝翃A砂、砂礫石的多層結(jié)構(gòu)，尤其是走廊北緣含水層已演變?yōu)榛訝钚『穸壬凹凹?xì)粉砂層，含水層不同構(gòu)造段的巖性及結(jié)構(gòu)有明顯差異（圖2）。其中，走廊南緣地下水補(bǔ)給充沛，含水層顆粒粗大，徑流交替積極。該地區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)很大程度上影響了地下水動(dòng)態(tài)。

圖2 黑河-梨園河傾斜平原和鹽池盆地水文地質(zhì)剖面圖Fig.2 Hydrogeological profiles of Heihe-Liyuanhe River inclined plain and Yanchi Basin

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

20世紀(jì)80年代，原地質(zhì)礦產(chǎn)部在黑河流域中游地區(qū)建設(shè)了183 個(gè)地下水監(jiān)測(cè)井，目前還能正常運(yùn)行的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)點(diǎn)約100 個(gè)（圖3）。其中，47 個(gè)監(jiān)測(cè)井納入國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其余屬于甘肅省地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)。區(qū)內(nèi)地下水水位人工監(jiān)測(cè)頻率為5 d 或10 d 測(cè)量1 次，自動(dòng)監(jiān)測(cè)頻率為每小時(shí)1 次。全國(guó)地下水綜合調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目在研究區(qū)范圍內(nèi)布有近300 個(gè)地下水水位統(tǒng)測(cè)點(diǎn)（圖3），統(tǒng)測(cè)頻率為每天1 次。本文采用地下水水位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型分析和地下水補(bǔ)排平衡區(qū)劃分，采用長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地下水水位統(tǒng)測(cè)數(shù)據(jù)共同計(jì)算分析了含水層中地下水在水文豐、枯水期的儲(chǔ)變量。

圖3 黑河流域中游盆地地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.3 Distribution map of groundwater observation wells in the intermediate section of Heihe River Basin

2.2 分析方法

2.2.1 趨勢(shì)分析

采用Mann-Kendall 趨勢(shì)檢驗(yàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)MK 檢驗(yàn)）對(duì)長(zhǎng)時(shí)序水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)性變化分析。這種檢驗(yàn)是廣泛應(yīng)用于氣候變化的一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，目前也廣泛應(yīng)用于水位動(dòng)態(tài)的趨勢(shì)檢驗(yàn)[18-21]。

時(shí)間序列的趨勢(shì)性由U值判定：

式中：U——判定數(shù)據(jù)趨勢(shì)性的值；

S——全部數(shù)據(jù)兩兩大小比較的統(tǒng)計(jì)量；

n——樣本數(shù)量。

當(dāng)n≥10 時(shí)，S近似服從正態(tài)分布。

當(dāng)選定顯著性水平α后，查正態(tài)分布表，如果,序列存在顯著的上升趨勢(shì)；表示序列存在顯著的下降趨勢(shì)；否則表示序列無(wú)顯著趨勢(shì)變化。

一般以?xún)A斜度表示變化趨勢(shì)：

式中：i、j——序列上的某個(gè)具體時(shí)間；

xi、xj——i、j時(shí)間點(diǎn)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

β為正，表明序列是上升趨勢(shì)；β為負(fù)，表明序列是下降趨勢(shì)。

2.2.2 周期分析

地下水水位時(shí)序數(shù)據(jù)具有較復(fù)雜的非平穩(wěn)性特點(diǎn)，可以用連續(xù)小波變換揭示時(shí)間序列的多尺度顯著周期[19]。時(shí)間序列的連續(xù)小波變換可定義為xn（n=1,2,···,N）的卷積和小波標(biāo)準(zhǔn)化：

式中：t——均一時(shí)間步長(zhǎng)；

s——小波尺度；

n′——取值為1 到N的整數(shù)；

ψ0——Morlet 小波函數(shù)。

背景功率譜Pk采用紅噪聲檢驗(yàn)，背景紅噪聲功率譜定義為：

式中：α——紅噪聲功率譜中一階自回歸方程的相關(guān)系數(shù)；

k——傅里葉頻率系數(shù)；

i——虛數(shù)單位。

通過(guò)傅里葉卷積定理處理背景功率譜Pk的邊界。

2.2.3 克里金插值

地下水水位克里金插值法可以進(jìn)行未知采樣點(diǎn)區(qū)域變化的最優(yōu)線(xiàn)性和無(wú)偏估計(jì)，是地質(zhì)統(tǒng)計(jì)方法中最常用的地下水水位分析的插值方法：

式中：Z——地下水水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)的估計(jì)值；

xi——監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置；

n——插值點(diǎn)總個(gè)數(shù)；

λi——插值過(guò)程中各監(jiān)測(cè)點(diǎn)權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理方法的差別，克里金插值的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)差異，本文將用變異函數(shù)和方差分析驗(yàn)證插值結(jié)果的精度。

本次采用克里金插值法分析平水年1990年和豐水年2020年相對(duì)于枯水年2001年最低水位的水位變化情況，結(jié)合中游盆地給水度分布情況，計(jì)算2 個(gè)時(shí)段含水層儲(chǔ)存量的變化。

3 黑河流域中游盆地地下水動(dòng)態(tài)

3.1 地下水水位變化趨勢(shì)及周期分析結(jié)果

本次研究對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的66 個(gè)監(jiān)測(cè)井的長(zhǎng)時(shí)序水位數(shù)據(jù)進(jìn)行了MK 檢驗(yàn)趨勢(shì)分析和連續(xù)小波周期分析。不同位置地下水水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)通過(guò)95% 置信水平標(biāo)準(zhǔn)紅噪聲檢驗(yàn)的顯著時(shí)段略呈現(xiàn)出不一致的特性，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

3.2 黑河流域中游盆地地下水動(dòng)態(tài)平衡分析

由表1 的分析結(jié)果可見(jiàn)，黑河流域中游盆地各水文地質(zhì)單元的地下水呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)類(lèi)型，具有明顯的分區(qū)特征。按照自東往西的順序進(jìn)行各水文地質(zhì)單元地下水水位動(dòng)態(tài)分析。

表1 黑河流域中游盆地地下水動(dòng)態(tài)特征Table 1 Characteristics of groundwater regime in the intermediate section of Heihe River Basin

3.2.1 黑河以東諸河傾斜平原

天然狀態(tài)下，黑河以東諸河傾斜平原地下水的補(bǔ)給源于上游的童子壩河—大野口溝等諸小河水的山前入滲、少量山前洪水和少量的降水入滲。盆地的地下水排泄為：補(bǔ)給至黑河-梨園河傾斜平原地下水的徑流排泄。山丹河下游的蒸發(fā)排泄和泉水溢出。

水利工程建設(shè)減少了盆地內(nèi)地下水的補(bǔ)給。此外，近年來(lái)山丹河中上游，甚至是諸多水源地周邊，農(nóng)業(yè)井灌量需求增加，開(kāi)采區(qū)域逐漸擴(kuò)大，地下水開(kāi)采量從快速增長(zhǎng)到持續(xù)緩慢增加。在補(bǔ)給量減少和開(kāi)采量增大的雙重作用下，即使是在2001年以來(lái)的豐水期，地下水水位仍呈下降趨勢(shì)，降幅約1 m/a。且表1顯示該地區(qū)地下水水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)的周期性波動(dòng)特征不顯著，該區(qū)地下水呈持續(xù)性的“退水”式衰減（圖4）。

圖4 黑河以東諸河傾斜平原上游(H65)、中游(H63)、下游潛水(H19-2)和承壓水(H19-1) 水位埋深Fig.4 Depths to groundwater level in observation well H65(upstream),H63 (middle reaches),H19-2 (unconfined) and H19-1(confined) in the inclined plain of rivers to the esat Heihe River

3.2.2 黑河-梨園河傾斜平原

從黑河-梨園河傾斜平原的含水層特征看，該盆地是一個(gè)巨大的地下水庫(kù)，地下水儲(chǔ)存量巨大。上游的鶯落峽至中游黑河大橋段的河床具有極強(qiáng)的滲透性[17]。由于草灘莊引水樞紐作用，樞紐以上河道基本上常年有水，該河段附近監(jiān)測(cè)井H1 的地下水水位具有規(guī)律的年際變化特征，見(jiàn)圖5（a），如表1所示，該地水位的周期性波動(dòng)顯著為1 a。引水樞紐向河道放水時(shí)，上游草灘莊至中游黑河大橋段地下水響應(yīng)積極，黑河大橋邊監(jiān)測(cè)井H3 短時(shí)間水位波動(dòng)可以大于50 m，河床及附近形成巨大的地下水水丘。

圖5 黑河上游(H1)、中游(H3) 和沿岸(H14-0)潛水水位埋深Fig.5 Depths to groundwater level in observation well H1(upstream),H3 (middle reaches) and H14-0 along Heihe River

黑河北岸地下水監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，1985—1990年地下水開(kāi)采初級(jí)階段，水位處于平衡狀態(tài)；1990年河水徑流量出現(xiàn)了歷史最大值，地下水水位標(biāo)高也出現(xiàn)了高峰；1990—2001年枯水期，地下水開(kāi)采量處于快速增長(zhǎng)期，地下水水位持續(xù)下降，至2001年達(dá)到最低點(diǎn)；2002年開(kāi)始進(jìn)入豐水期，地下水水位持續(xù)上升，2012年達(dá)到了有觀測(cè)數(shù)據(jù)以來(lái)的次高峰，見(jiàn)圖5（b），該特征與1985年以來(lái)的水文特征相似度極高，見(jiàn)圖1。該地地下水水位波動(dòng)具有明顯的周期性特征（表1）。

從圖6 可以看出，黑河-黎園河傾斜平原溢出帶地下水在開(kāi)采量不斷增加或減少的情況下，地下水水位均處于平衡狀態(tài)，表1 顯示其水位波動(dòng)的周期性顯著且為1 a。

圖6 黑河-梨園河傾斜平原溢出帶(H20-0)水位埋深Fig.6 Depths to groundwater level in observation well H20-0 in the seeping zone of Heihe-Liyuanhe River inclined plain

梨園河是黑河-梨園河傾斜平原第二大河。梨園河傾斜平原上游近河床的地下水深埋帶的地下水處于平衡狀態(tài)，見(jiàn)圖7（a）；潛水井H28-2 和承壓水井H28-1 的數(shù)據(jù)顯示，梨園河中游淺埋帶的地下水水位長(zhǎng)周期下降后遇豐水期重新達(dá)到新的平衡，但回升幅度遠(yuǎn)小于黑河沖洪積區(qū)，見(jiàn)圖7（b）；遠(yuǎn)離補(bǔ)給區(qū)的下游沙漠邊緣，在開(kāi)采的影響下，潛水井H5-3 和承壓水H5-1 的地下水水位均呈持續(xù)下降，見(jiàn)圖7（c），地下水水位向新的低水位平衡狀態(tài)過(guò)度，水位波動(dòng)的周期較顯著或階段性顯著?？梢?jiàn)處于黑河地下水流場(chǎng)系統(tǒng)中的梨園河地下水，在其本身補(bǔ)給不足且引水率極高的情況下，可以得到上游黑河沖積扇區(qū)的地下水徑流補(bǔ)給。

圖7 梨園河傾斜平原上游潛水(H55-0)、中游淺埋帶潛水(H28-2)和承壓水(H28-1)、下游潛水(H5-3)和承壓水(H5-1)水位埋深Fig.7 Depths to groundwater level in observation well H55-0 in the upper reaches of alluvial proluvial fan,H28-2 (unconfined),H28-1 (confined) in the shallow buried zone in the intermediate section,H5-3 (unconfined) and H5-1 (confined) in the lower reaches of Liyuanhe River inclined plain

3.2.3 榆木山山前諸小河流域

榆木山山前諸小河流域的中部是高臺(tái)隆起。從地下水流系統(tǒng)看，高臺(tái)隆起是黑河流域中游盆地東、西分界。榆木山高程低、流域小，受水文周期影響弱，地下水補(bǔ)給源貧乏、含水層出水能力較弱，該含水層厚度小，地下水循環(huán)緩慢，是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水文地質(zhì)區(qū)。區(qū)內(nèi)有高臺(tái)的水源地，在目前水文豐水期地下水水位呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì)，見(jiàn)圖8，下降速率為0.41 m/a。該地區(qū)地下水水位變化的周期性特征不顯著（表1）。

圖8 高臺(tái)隆起監(jiān)測(cè)井(H61)潛水水位埋深Fig.8 Depths to groundwater level in observation well H61 in Gaotai Rise

3.2.4 黑河中游下段侵蝕堆積平原

黑河中游下段侵蝕堆積平原是黑河流域中游盆地地下水的排泄匯集區(qū)，地形平緩，地下水埋藏淺，地下水水位降深較大，能夠襲奪黑河河水。近30年來(lái)的水位降幅不超過(guò)3 m，見(jiàn)圖9（a）。水位波動(dòng)的周期性特征明顯，波動(dòng)周期為1 a（表1）。2010—2020年水位降幅最大為0.20 m/a，地下水水位較穩(wěn)定。目前區(qū)內(nèi)控制開(kāi)墾新土地，形成了沿河濕地保護(hù)區(qū)。

區(qū)內(nèi)高臺(tái)隆起地段，含水層顆粒主要為黑河沖積物，南部是黑河侵蝕榆木山諸小河流沖洪積扇，堆積形成沖積層，磨圓度好。從2004年開(kāi)始，該地地下水開(kāi)采量增大，地下水水位緩慢小幅下降后達(dá)到新的平衡，見(jiàn)圖9（b），2001—2020年最大年水位降幅為0.07 m。

圖9 黑河河道兩側(cè)和高臺(tái)隆起潛水水位埋深Fig.9 Depths to groundwater level in observation wells along Heihe River and in Gaotai Rise

3.2.5 鹽池盆地

鹽池盆地以荒漠為主，主要功能是冬牧場(chǎng)，人與水、生態(tài)保持著脆弱的平衡。東部駱駝城墾區(qū)屬于擺浪河的洪積平原，上游建有水庫(kù)，供新壩鎮(zhèn)引水灌溉，地下水的補(bǔ)給僅有殘余的短時(shí)洪水及榆木山西北段山前洪水。駱駝城墾區(qū)的用水以井水為主，結(jié)合河水及渠水。1991年前，受電力供給的限制，地下水開(kāi)采量較小，年波動(dòng)幅度小，下降不明顯；1991年后，年均降幅增至約0.64 m；近年來(lái)，受豐水期影響，水位波動(dòng)幅度變大但仍呈下降趨勢(shì)，屬過(guò)量開(kāi)采型動(dòng)態(tài)特征。西部豐樂(lè)河地區(qū)在歷史灌溉綠洲的基礎(chǔ)上，居民區(qū)向下游荒漠區(qū)擴(kuò)張，荒漠區(qū)外圍的地下水水位在豐水期仍緩慢下降，1999年以來(lái)，水位下降了約3 m。該地區(qū)地下水水位的周期性特征不顯著（表1）。鹽池中部大部分地區(qū)為荒漠區(qū)，幾乎沒(méi)有集中開(kāi)采，但北部尾閭鹽池附近地下水埋深淺，有零星的制鹽工業(yè)。該地區(qū)地下水埋深在2003年之前以0.53 m/a 的速度下降，在2003年之后以0.81 m/a 的速度回升，最近4年呈穩(wěn)定狀態(tài)，見(jiàn)圖10（a）。

馬營(yíng)河位于盆地中部，是鹽池盆地最大的河流。位于沖洪積扇中上部監(jiān)測(cè)井H47 的數(shù)據(jù)顯示，1987—2016年地下水水位下降了11.27 m，見(jiàn)圖10（b），年降幅約0.40 m。該地是居民區(qū)，集中開(kāi)采導(dǎo)致地下水水位下降，水位的趨勢(shì)性變化特征掩蓋了其周期性波動(dòng)特征。

圖10 駱駝城(H11-0)、豐樂(lè)河(H45)、尾閭鹽池(H101-1)、馬營(yíng)河沖洪積扇上部(H47)潛水水位埋深Fig.10 Depths to groundwater level in observation wells in Luotuo City,Fengle River and Weilyu salt pond and in observation well H47 in the upper alluvial fan of Maying River

3.2.6 酒泉盆地

酒泉盆地地下水主要受北大河的影響，此外還受洪水壩河、豐樂(lè)河和馬營(yíng)河的影響，其中北大河常年有水從河道下泄，其他河流時(shí)常斷流。洪水壩河沖積扇東的H23 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示在2009年之后水位基本穩(wěn)定，洪水壩河下游H24 的數(shù)據(jù)亦是如此。北大河下游H10 和觀山河H56 監(jiān)測(cè)井的數(shù)據(jù)顯示，該地區(qū)地下水水位在開(kāi)采的影響下呈弱下降趨勢(shì)，降幅小于0.3 m/a，見(jiàn)圖11（a），與黑河-梨園河傾斜平原2009年之后的水位動(dòng)態(tài)一致。

從北大河溢出帶監(jiān)測(cè)井的長(zhǎng)序列水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，該地區(qū)地下水與黑河影響帶一致，枯水期下降的水位在豐水期逐漸恢復(fù)，見(jiàn)圖11（b），水位基本穩(wěn)定。該地區(qū)地下水水位的波動(dòng)周期為1 a（表1）。

圖11 北大河(H10)、觀山河(H56)、洪水壩河沖積扇東(H23)與洪水壩河下游(H24)潛水和北大河沖積扇(#34)溢出帶潛水水位埋深Fig.11 Depths to groundwater level in observation wells in the alluvial fan of Beidahe River and Hongshuibahe River and in well#34 in the seeping zone of Beidahe River and Guanshanhe River

4 黑河流域中游盆地含水層調(diào)蓄能力計(jì)算

4.1 地下水調(diào)蓄條件分析

西北內(nèi)陸干旱盆地含水層中儲(chǔ)存了大量地下水，約90% 的水來(lái)源于出山口地表水，上游大厚度含水層在豐水期將地表來(lái)水儲(chǔ)存起來(lái)，能夠在短則幾年，長(zhǎng)則幾十年的枯水期供應(yīng)開(kāi)采和補(bǔ)給下游徑流。山前大厚度含水層為調(diào)蓄水資源提供了充分的空間，是保持該地區(qū)長(zhǎng)期穩(wěn)定用水的平衡器（圖12）。

圖12 西北內(nèi)陸干旱盆地山前大厚度含水層地下水調(diào)控示意圖Fig.12 Schematic diagram of groundwater regulation of aquifers with large thickness in the piedmont in arid and inland areas of northwest China

在1990—2001年的枯水期，地表水總來(lái)水量減少即補(bǔ)給量減少，而總需水量不變，所以增加了地下水開(kāi)采量以滿(mǎn)足需水總量，但由此導(dǎo)致地下水水位下降（H1）。一個(gè)枯水期內(nèi)含水層輸出的水量（△V疏）為各處水位下降值（H1）與對(duì)應(yīng)含水層面積和該處給水度μ的乘積。在2001—2020年的豐水期，地表水來(lái)水量增加，總需水量不變，地下水年開(kāi)采量減少，地下水年補(bǔ)給量增加，水位上升（H2），被疏干的含水層部分或全部得到補(bǔ)償（△V復(fù)）。

如果△V復(fù)為正，△V疏為負(fù)，△V復(fù)的數(shù)值略小于或者大于等于△V疏的絕對(duì)值，則認(rèn)為山前大厚度含水層具有天然調(diào)蓄能力，需注意的是，當(dāng)△V復(fù)大于等于△V疏的絕對(duì)值時(shí)，含水層會(huì)出現(xiàn)“滿(mǎn)溢效應(yīng)”，下游溢出量的增加會(huì)限制上游含水層水位的進(jìn)一步上升；如果△V復(fù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于△V疏的絕對(duì)值或者△V復(fù)與△V疏均為負(fù)，表示含水層排泄量長(zhǎng)期大于補(bǔ)給量，含水層持續(xù)疏出水資源，水位持續(xù)下降，最后當(dāng)取水工程在現(xiàn)有技術(shù)條件下無(wú)法取出經(jīng)濟(jì)合理的地下水時(shí)，這個(gè)含水層可看作消亡，可認(rèn)為該含水層的天然調(diào)蓄能力有限，如果這類(lèi)含水層要滿(mǎn)足規(guī)劃期的開(kāi)采，需人為調(diào)控，含水層為人工調(diào)控型含水層。

4.2 黑河流域中游盆地含水層調(diào)蓄量計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，黑河流域中游盆地含水層以潛水含水層為主，含水層厚度占飽水帶的90% 以上，巖性以卵礫石、砂礫石為主，徑流量大于2×108m3/a 的河流含水層滲透系數(shù)不小于100 m/d，徑流量為0.5×108～1×108m3/a 的河流含水層滲透系數(shù)不小于50 m/d。根據(jù)盆地水文地質(zhì)特征，設(shè)定黑河山前最大給水度為0.20，黑河以東諸河傾斜平原的山前最小給水度為0.04，其余地區(qū)根據(jù)各自的水文地質(zhì)特征，給水度值設(shè)定為0.03～0.20 。根據(jù)1990年盆地初始流場(chǎng)、2001年枯水期末期流場(chǎng)和2020年流場(chǎng)，結(jié)合區(qū)內(nèi)100 多個(gè)地下水水位長(zhǎng)觀點(diǎn)的水位，采用克里金插值法，繪制了黑河流域中游盆地1990—2001年枯水期水位變差分區(qū)圖，見(jiàn)圖13（a），2001—2020年豐水期水位變差分區(qū)圖，見(jiàn)圖13（b）。計(jì)算得到2 個(gè)時(shí)間段各水文地質(zhì)單元含水層疏出和儲(chǔ)存的水量（表2）。

表2 1990—2020年期間黑河流域中游盆地含水層資源量變化Table 2 Variation of water resources of the aquifers in the intermediate section of Heihe River Basin from 1990 to 2020

圖13 黑河流域中游盆地1990—2001年和2001—2020年水位變差圖Fig.13 Variations of groundwater level in the intermediate section of Heihe River Basin from 1990 to 2001and from 2001 to 2020

5 討論

5.1 黑河流域中游盆地地下水動(dòng)態(tài)特征分析和動(dòng)態(tài)均衡區(qū)劃分

自20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)，水庫(kù)的建造和運(yùn)行、地表水渠系灌溉和地下水開(kāi)采等因素影響甚至改變了研究區(qū)地下水天然的補(bǔ)給、排泄關(guān)系，打破了原來(lái)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

黑河-梨園河傾斜平原山前大厚度單一含水層區(qū)地表水入滲補(bǔ)給作用強(qiáng)烈，地下水具有顯著的水文動(dòng)態(tài)類(lèi)型；泉水溢出帶以下的多層含水層區(qū)在上游來(lái)水補(bǔ)給和開(kāi)采的共同影響下，地下水呈典型的水文-開(kāi)采型動(dòng)態(tài)。黑河中游下段侵蝕堆積平原的潛水監(jiān)測(cè)井水位歷時(shí)曲線(xiàn)（圖9）表明，該地區(qū)是恢復(fù)能力極強(qiáng)的開(kāi)采型動(dòng)態(tài)。酒泉盆地從山前到溢出帶的地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型整體與黑河-梨園河傾斜平原一致。這3 個(gè)地區(qū)的地下水在天然補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生改變的條件下，于長(zhǎng)水文周期的尺度中呈現(xiàn)了動(dòng)態(tài)平衡，水位波動(dòng)的周期性顯著，基本與區(qū)內(nèi)河流的水文特征一致，這類(lèi)地區(qū)可以認(rèn)為是地下水補(bǔ)排平衡區(qū)。

榆木山山前諸小河流域地下水補(bǔ)給條件較差，持續(xù)的開(kāi)采引發(fā)了地下水水位的下降。但該地區(qū)的地下水監(jiān)測(cè)歷史較短，近年的下降也可能是該地區(qū)地下水水位處于天然平衡向新的補(bǔ)排平衡轉(zhuǎn)變的過(guò)程。但目前正處于豐水期，水位仍持續(xù)下降，可認(rèn)為該地區(qū)地下水是過(guò)量開(kāi)采型動(dòng)態(tài)。鹽池盆地南部的地下水受移民形成的多個(gè)集中居住區(qū)及開(kāi)荒耕種影響，水位在近年來(lái)的豐水期持續(xù)大幅下降，屬于典型的超采型動(dòng)態(tài)；鹽池盆地北部主要受上游的側(cè)向徑流補(bǔ)給，補(bǔ)給條件較差，是以尾閭鹽湖區(qū)為代表的蒸發(fā)-開(kāi)采型動(dòng)態(tài)。此外，東部的黑河以東諸河傾斜平原地下水水位動(dòng)態(tài)雖然具有過(guò)量開(kāi)采特征，但實(shí)質(zhì)由于上游地區(qū)水利樞紐過(guò)度截蓄導(dǎo)致地下水補(bǔ)給量銳減，地下水動(dòng)態(tài)類(lèi)型屬于水位持續(xù)下降型。這3 個(gè)地區(qū)的地下水水位動(dòng)態(tài)特征從一定程度上表明地下水的補(bǔ)給量遠(yuǎn)小于開(kāi)采量，水位的下降趨勢(shì)掩蓋了其周期性波動(dòng)的特征，目前可歸類(lèi)為地下水補(bǔ)排非平衡區(qū)。

5.2 黑河流域中游盆地山前大厚度含水層調(diào)蓄能力分析

黑河以東諸河傾斜平原含水層具有上游薄下游厚的特點(diǎn)。中上游居民集中居住區(qū)具有含水層厚度小于等于100 m，且含水層埋深較大的特點(diǎn)，但由于開(kāi)采成本較高，該地區(qū)的開(kāi)采量并不大。1990—2020年該地區(qū)含水層持續(xù)疏干，即使在2001年至今的豐水期，含水層仍在持續(xù)疏出地下水，為顯著的地下水補(bǔ)排非平衡區(qū)，屬于上游過(guò)度開(kāi)發(fā)水資源引起的山前大厚度含水層過(guò)量開(kāi)采區(qū)。該狀態(tài)可以通過(guò)調(diào)節(jié)山丹河上游的引水量改變。黑河以東諸河傾斜平原大厚度含水層為可人工調(diào)控的含水層，可以代表西北內(nèi)陸干旱盆地水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)或開(kāi)發(fā)不合理的山前大厚度含水層。

黑河-梨園河傾斜平原和黑河中游下段侵蝕堆積平原第四系厚度約200～1 200 m，該地區(qū)含水層儲(chǔ)水量大約800×108m3，巨厚的含水層在豐水期可以?xún)?chǔ)存大量的水，形成區(qū)域水資源均衡調(diào)控，從表2 可見(jiàn)該區(qū)含水層在豐水期的儲(chǔ)水量基本可以彌補(bǔ)上一個(gè)枯水期的疏水量，所以該地區(qū)為典型的自然調(diào)蓄型含水層，可以代表西北內(nèi)陸干旱盆地未過(guò)度開(kāi)發(fā)的山前大厚度含水層。

榆木山山前諸小河流域飽水帶厚度100～400 m，中部薄，兩側(cè)厚；榆木山高程低、流域小，受水文周期影響弱，屬于小型河流域水資源天然短缺區(qū)。地下水的補(bǔ)給條件較差，區(qū)內(nèi)在綠化和高臺(tái)水源地的影響下，豐水期仍在疏出地下水，需要通過(guò)減少開(kāi)采量改變現(xiàn)狀，為可人工調(diào)控的含水層，可以代表西北內(nèi)陸干旱盆地某些山間小盆地的山前大厚度含水層。

鹽池盆地山前含水層厚300～800 m，山前含水層系統(tǒng)在地下水水位埋深約50 m 的區(qū)域已經(jīng)是出水能力較弱的細(xì)顆粒含水層，屬于小型河流域水資源天然短缺區(qū)。1990—2020年期間因移民開(kāi)荒導(dǎo)致過(guò)量開(kāi)采地下水，造成該地區(qū)含水層持續(xù)疏干，豐水期含水層仍在持續(xù)疏出地下水，但是疏出量要略小于枯水期的疏出量。需要通過(guò)減少開(kāi)采量，或者調(diào)整移民人口和開(kāi)荒范圍才能改善地下水持續(xù)下降的狀況。該含水層為可人工調(diào)控的含水層，可以代表西北內(nèi)陸干旱盆地水資源過(guò)度開(kāi)發(fā)或開(kāi)發(fā)不合理的山前大厚度含水層。

酒泉盆地山前含水層厚度300～600 m，被嘉峪關(guān)大斷裂分割成兩部分，上盤(pán)前緣含水層厚度僅約100 m，制約了調(diào)控能力；北大河河床在西盆地底寬僅50～200 m，河床縱坡降深大，約14‰，是黑河的兩倍，限制了河水入滲；河流有6.5 km 河道穿越嘉峪關(guān)市，兩側(cè)防洪堤將河流限制在60 m 寬的范圍，進(jìn)一步限制了河水入滲；處于一定天然狀態(tài)、具有懸河性質(zhì)的下游河床長(zhǎng)度不足10 km，但也被限制在約800 m 寬的防洪堤之內(nèi)。表2 顯示該區(qū)含水層在豐水期的儲(chǔ)水量小于上一個(gè)枯水期的疏水量，但是含水層在豐水期是儲(chǔ)水狀態(tài)，為典型的自然調(diào)蓄型含水層，但是受含水層結(jié)構(gòu)影響，調(diào)蓄能力稍弱于黑河-梨園河傾斜平原。

6 結(jié)論及建議

（1）黑河流域中游盆地地下水水位動(dòng)態(tài)在長(zhǎng)水文周期中具有明顯的分區(qū)特征，在地下水補(bǔ)排平衡區(qū)，水位長(zhǎng)周期穩(wěn)定，主要呈現(xiàn)水文型動(dòng)態(tài)、水文-開(kāi)采型動(dòng)態(tài)和開(kāi)采型動(dòng)態(tài)特征；在地下水補(bǔ)排非平衡區(qū)，水位長(zhǎng)周期持續(xù)下降，主要呈過(guò)量開(kāi)采型動(dòng)態(tài)特征。

（2）黑河流域中游盆地地下水補(bǔ)排平衡區(qū)的水資源開(kāi)發(fā)利用模式是科學(xué)合理的，可以維持當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)利用，甚至可以適度增加黑河溢出帶的地下水開(kāi)采量以滿(mǎn)足當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展需要；對(duì)于非平衡區(qū)，應(yīng)減少該地區(qū)及相關(guān)影響區(qū)的開(kāi)采量或增加補(bǔ)給調(diào)蓄，保證區(qū)域水資源開(kāi)發(fā)利用的可持續(xù)性。

（3）需加強(qiáng)地下水的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。黑河流域中游盆地地下水進(jìn)行了近40年的長(zhǎng)水文周期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地下水從一種平衡狀態(tài)過(guò)度為另一種平衡狀態(tài)的過(guò)程有時(shí)可能遠(yuǎn)超出規(guī)劃期和想象。只有通過(guò)人類(lèi)工程活動(dòng)和長(zhǎng)水文周期共同影響下的地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，才能科學(xué)判斷該地下水系統(tǒng)的可持續(xù)性。

（4）在對(duì)黑河流域中游盆地地下水補(bǔ)排平衡區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)研究中發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)、多周期水文動(dòng)態(tài)中，地下水可持續(xù)開(kāi)發(fā)的主導(dǎo)因素是河水通過(guò)天然河道對(duì)地下水的補(bǔ)給，必須重視和保護(hù)天然河道和入河水量，應(yīng)加強(qiáng)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)蓄和統(tǒng)籌利用。