?李文鵬

黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制與水平衡研究

我國(guó)西北干旱內(nèi)流盆地面積2.38×106km2，約占西北地區(qū)面積的70%，是“一帶一路”國(guó)家級(jí)頂層合作倡議與西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略發(fā)展區(qū)。西北內(nèi)流盆地地表水與地下水同出一源，主要形成于周邊山區(qū)，地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化強(qiáng)烈，最終耗散于盆地平原區(qū)，水資源開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)等都具有很大的相似性，俗話(huà)說(shuō)，每個(gè)流域幾乎都演繹著相同的故事。黑河流域是我國(guó)第二大內(nèi)流河流域，具有極強(qiáng)的代表性。由于水循環(huán)過(guò)程的復(fù)雜性和地表徑流關(guān)鍵斷面監(jiān)測(cè)資料的不足，使得對(duì)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)知還存在很大的不確定性，成為水文、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域的研究瓶頸，制約了水資源管理與可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用，尤其降水與耗水量的分區(qū)量化一直是流域水循環(huán)與水平衡研究中的難點(diǎn)，近年來(lái)，遙感技術(shù)為此提供了新的視角和研究方法。為此，利用多學(xué)科方法，開(kāi)展黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制與基于遙感的水平衡分析，對(duì)于科學(xué)、合理、有效地配置和利用水資源，促進(jìn)干旱區(qū)水文地質(zhì)科學(xué)、水文水資源科學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)等的發(fā)展具有重要理論價(jià)值，對(duì)指導(dǎo)干旱區(qū)水資源高效利用與生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大研究計(jì)劃“黑河流域生態(tài)-水文過(guò)程集成研究”支持下，2011—2014年重點(diǎn)基金項(xiàng)目“黑河流域地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的觀測(cè)與機(jī)制研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：91025019），以地表水和地下水觀測(cè)為出發(fā)點(diǎn)，利用鉆探、物探、遙感、水化學(xué)同位素等技術(shù)和方法，對(duì)黑河流域平原區(qū)地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化機(jī)制進(jìn)行了定性或定量研究。取得的主要成果包括：建立了平原區(qū)三維高頻地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)；構(gòu)建了平原區(qū)三維含水層結(jié)構(gòu)模型；查明了山盆之間及次級(jí)盆地接觸關(guān)系及與地下水聯(lián)系；首次在張掖盆地揭穿了第四系含水層，發(fā)現(xiàn)了富水性極強(qiáng)、水質(zhì)良好的早更新統(tǒng)“西域礫巖”巨厚含水層；在張掖盆地發(fā)現(xiàn)了面積大于500 km2的極強(qiáng)富水性含水層系統(tǒng)；揭示了黑河干流河道入滲規(guī)律與地下水溢出的時(shí)空不均勻分布特征；利用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)鑒別了地下水溢出排泄的空間分布和強(qiáng)度；利用人工溴示蹤試驗(yàn)較準(zhǔn)確地測(cè)定了灌溉水下滲速度和數(shù)量；結(jié)合遙感和同位素技術(shù)，將單位面積總蒸散量分解為植被蒸騰量和地下水蒸發(fā)量；基于數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了盆地尺度地下水儲(chǔ)存量及黑河干流地表水與地下水轉(zhuǎn)化量的時(shí)空變化特征；研發(fā)出第四系含水層分層監(jiān)測(cè)井管材、止水材料和成井方法，建成7 通道7 層監(jiān)測(cè)井和一孔12 層監(jiān)測(cè)井（Westbay System）；聯(lián)合利用井中封隔技術(shù)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，進(jìn)行同孔分段震動(dòng)洗井和分段抽水試驗(yàn)，探求大厚度第四系含水層的真實(shí)水文地質(zhì)參數(shù)取得了突破。

2014年，國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃支持的“黑河流域祁連山前山盆構(gòu)造水文地質(zhì)意義研究” 項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：91325107），充分考慮新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的特點(diǎn)，對(duì)黑河流域山前逆沖大斷裂采用音頻大地電磁測(cè)深法（AMT）和高分辨率地震法，利用電性（電阻率）和彈性波（波速、波阻抗等）參數(shù)進(jìn)行綜合研究，對(duì)祁連山山前地層巖性、斷裂的性質(zhì)與產(chǎn)狀分段進(jìn)行了詳細(xì)探測(cè)。揭示祁連山區(qū)與盆地之間的山前斷裂是由大型逆沖斷層組成的疊瓦式構(gòu)造，斷層帶南傾，傾角約76°～80°。山前大斷裂作用形成的山盆三種接觸關(guān)系均使山區(qū)地下水與平原地下水水力聯(lián)系差，地下水徑流受阻，主要通過(guò)山區(qū)河流作為局部侵蝕基準(zhǔn)面，通過(guò)出山口地表河流或河道潛流補(bǔ)給平原區(qū)地下水。

2014—2018年，先后完成中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“黑河流域重點(diǎn)地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查”（項(xiàng)目編碼：12120114018401）與“河西走廊黑河流域1∶50 000 水文地質(zhì)調(diào)查”（項(xiàng)目編碼：DD20160292），探測(cè)了工作區(qū)第四系松散沉積物厚度、物性特征與空間分布以及前山帶和盆地內(nèi)隱伏斷裂分布；深入研究了山盆關(guān)系、盆地結(jié)構(gòu)、河流規(guī)模及其對(duì)地下水系統(tǒng)的控制作用與生態(tài)效應(yīng)；創(chuàng)新形成“一孔同徑、分層成井、封隔洗井、分層抽水、實(shí)時(shí)監(jiān)控”的地下水分層勘查技術(shù)體系；評(píng)價(jià)了地下水資源量與質(zhì)量；初步構(gòu)建了以張掖盆地平原堡為核心區(qū)的地下水科學(xué)試驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，包括灌溉水入滲試驗(yàn)場(chǎng)、泉溝監(jiān)測(cè)斷面、各類(lèi)典型勘探孔（監(jiān)測(cè)孔），以及張掖盆地我國(guó)首個(gè)自流井水頭高度展示平臺(tái)；基于遙感分析了近25年來(lái)人工綠洲、天然濕地、植被及城鎮(zhèn)化的動(dòng)態(tài)變化；揭示了鹽池盆地駱駝城—明花鄉(xiāng)等典型生態(tài)脆弱區(qū)水土資源開(kāi)發(fā)利用的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

2015年啟動(dòng)的“國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程”，在上述項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，黑河流域建成國(guó)家級(jí)地下水監(jiān)測(cè)站255 處，其中自然資源部140 處，水利部115 處，形成2018年至今的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集。2019年以來(lái)依托“全國(guó)地下水綜合調(diào)查評(píng)價(jià)”項(xiàng)目開(kāi)展的黑河流域地下水位統(tǒng)測(cè)，查明了流域平原區(qū)地下水流場(chǎng)與儲(chǔ)存量變化特征。

《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》刊出 “黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制與水平衡研究”專(zhuān)欄6 篇論文，是以年輕人為主體的研究團(tuán)隊(duì)在上述項(xiàng)目基礎(chǔ)上完成的部分研究成果。主要著眼于黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制與水平衡研究的若干關(guān)鍵問(wèn)題，研究區(qū)域涵蓋整個(gè)黑河流域，研究對(duì)象包括大氣降水、地表水、地下水與蒸散發(fā)等，研究方法包括原位試驗(yàn)、原位監(jiān)測(cè)、數(shù)值模擬、遙感監(jiān)測(cè)等。

其中，《黑河中游盆地南部山區(qū)地下水對(duì)平原區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給量的估算》針對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)山盆間地下水交換量的難題，通過(guò)黑河中游盆地南部山盆交接帶的地質(zhì)構(gòu)造接觸關(guān)系、地層巖性接觸關(guān)系及梨園河口白堊系風(fēng)化殼含水層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)參數(shù)分析，將山盆交接帶劃分為大中型河流河谷補(bǔ)給段和小微型河流或沖溝群流域構(gòu)成的淺山帶補(bǔ)給段，前者勘探資料較為豐富采用傳統(tǒng)的達(dá)西斷面法計(jì)算，后者缺乏勘探資料，提出了淺山帶巖性、匯水區(qū)面積、降水量等3 個(gè)變量的山區(qū)地下水對(duì)平原區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給量的估算方法?！逗诤恿饔蛑杏闻璧氐叵滤畡?dòng)態(tài)特征及其調(diào)蓄能力分析》基于本區(qū)豐富的地下水長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)資料，研究區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)特征，識(shí)別出黑河流域中游盆地地下水補(bǔ)排平衡區(qū)與非平衡區(qū)，評(píng)價(jià)了補(bǔ)排平衡區(qū)的調(diào)節(jié)水量與調(diào)蓄能力?！逗诤又杏尾煌喔确绞较碌叵滤霛B補(bǔ)給特征研究》鑒于長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)地下水補(bǔ)給量沒(méi)有成熟的監(jiān)測(cè)方法，采用人工溴示蹤法研究黑河中游張掖平原堡試驗(yàn)場(chǎng)不同灌溉條件和不同深度條件下的地下水入滲補(bǔ)給規(guī)律和不同灌溉條件下的年度補(bǔ)給量，研究成果為黑河流域地下水補(bǔ)給量計(jì)算提供了難得的實(shí)證參數(shù)?！逗诤恿饔蛑杏闻璧氐乇硭c地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制研究》以黑河流域中游的張掖盆地和鹽池盆地為研究區(qū)，利用長(zhǎng)序列地表水和地下水觀測(cè)資料，建立了黑河主干河道時(shí)變水平衡模型和地表水地下水耦合數(shù)值模型，研究了長(zhǎng)周期水文變化和人類(lèi)活動(dòng)雙重影響下地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制?！痘诘乇硭h(huán)遙感觀測(cè)的黑河流域水平衡分析》綜合應(yīng)用TRMM 與GPM 衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，估算流域上中下游的降水量和天然荒漠區(qū)和種植區(qū)的蒸散發(fā)量，與地面氣象、水文觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果具有較好吻合度，分析了流域各水資源分區(qū)降水、蒸散發(fā)與徑流等水循環(huán)要素的水平衡狀況。該文是利用遙感方法探索流域尺度水循環(huán)要素時(shí)空分布與變化、分析流域水平衡狀況、評(píng)判水資源合理開(kāi)發(fā)利用程度的一次嘗試?！冻樗囼?yàn)中不同位置自動(dòng)水位計(jì)響應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)用分析》針對(duì)抽水試驗(yàn)中如何合理放置自動(dòng)水位計(jì)以及在參數(shù)計(jì)算中如何應(yīng)用其獲取的水位降深開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。在黑河流域第四系大厚度含水層地區(qū)，選擇典型單層試驗(yàn)孔和利用分層封隔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一孔同徑多層抽水孔抽水試驗(yàn)，實(shí)測(cè)到井筒內(nèi)不同部位井損，為更好地理解井中水頭損失分布與機(jī)理提供了依據(jù)；提出了避開(kāi)較大水頭損失的水位計(jì)優(yōu)選安放位置；給出了通過(guò)單孔多落程抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，科學(xué)扣除井損求取水文地質(zhì)參數(shù)的范例。

服務(wù)于新時(shí)代水資源管理與生態(tài)文明建設(shè)，對(duì)流域水循環(huán)與水平衡認(rèn)知提出了新的要求，科學(xué)開(kāi)展水資源調(diào)查、監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)、確權(quán)登記、有償使用與合理開(kāi)發(fā)利用等工作，亟需探索建立西北內(nèi)流盆地尺度貫穿不同地貌單元不同生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)與生態(tài)過(guò)程的多要素觀測(cè)體系；揭示水循環(huán)關(guān)鍵界面動(dòng)力學(xué)機(jī)制及其通量，探索氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水循環(huán)過(guò)程與生態(tài)效應(yīng)的影響機(jī)制；研發(fā)流域尺度以降水-蒸散為邊界的水循環(huán)多源數(shù)據(jù)融合與智能模擬系統(tǒng)；建立完善基于多學(xué)科調(diào)查研究的水資源評(píng)價(jià)和水資源可持續(xù)利用量的評(píng)價(jià)理論與方法，實(shí)現(xiàn)水資源開(kāi)發(fā)利用管理向開(kāi)發(fā)利用與蒸散量聯(lián)合管理的轉(zhuǎn)變；建立流域水循環(huán)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)理論，形成山水林田湖草沙冰生命共同體和諧健康的診斷指標(biāo)體系與方法。為流域尺度水資源可持續(xù)利用、國(guó)土空間規(guī)劃與用途管制，生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供長(zhǎng)期的水循環(huán)科學(xué)觀測(cè)基地與研究范例。