祁曉凡，李文鵬，崔虎群，康衛(wèi)東，劉振英，邵新民

（1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院,北京 100081；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定071051；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069；4.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院,河北 石家莊050031；5.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,浙江 杭州 310007）

中國(guó)西北干旱內(nèi)流盆地水資源緊缺，生態(tài)環(huán)境脆弱[1]。水資源作為一種活躍的自然資源，支撐干旱半干旱區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)文明建設(shè)的作用舉足輕重。西北干旱內(nèi)流盆地水資源有其獨(dú)特的形成演化模式，主要形成于山區(qū)、耗散于平原，水資源以降水、冰雪融水、地表水徑流、地下水等多種形式存在，地表水與地下水呈現(xiàn)出巨量的相互轉(zhuǎn)化[2]?？茖W(xué)認(rèn)識(shí)地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)化機(jī)制，充分利用山前大厚度含水層調(diào)蓄功能，對(duì)于干旱內(nèi)流盆地水資源可持續(xù)利用具有重要意義[3-4]。

黑河流域是我國(guó)第二大干旱內(nèi)流河流域，其地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容主要包括河道滲漏、灌溉水入滲與地下水溢出的空間分布規(guī)律與資源量[3-16]，以及天然條件與人類(lèi)活動(dòng)作用下，包括地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化在內(nèi)的水循環(huán)機(jī)制的變化[17-19]。

河水在山前洪積扇群帶的滲漏率取決于河床的地貌和水文地質(zhì)條件，其次與河水流量和流程相關(guān)[5，7]。20世紀(jì)60年代，繪制黑河流域洪積扇群帶河水滲漏率（平均單長(zhǎng)滲漏率）與河流流量的關(guān)系曲線(xiàn)[5]；通過(guò)1967年和1985年流量實(shí)測(cè)資料，形成黑河鶯落峽—黑河大橋河段單長(zhǎng)滲漏率與河床輸水量的冪函數(shù)回歸方程[3，6]；依據(jù)2012年11月—2013年10月G312 大橋測(cè)流數(shù)據(jù)，計(jì)算草灘莊—黑河大橋河段河道入滲補(bǔ)給量與河道過(guò)水量的分段經(jīng)驗(yàn)函數(shù)[9-10]。基于以上方程分別計(jì)算了中游洪積扇群帶河水滲漏補(bǔ)給量，統(tǒng)計(jì)河水滲漏率[3，5-7]。

黑河流域中游盆地灌溉水入滲包括灌渠滲漏和田間入滲2 種形式。水利部門(mén)提出不同類(lèi)型與不同襯砌程度灌渠渠道單長(zhǎng)滲漏率與渠道引水量的近似計(jì)算式[5]；1985—1986年選擇76 條典型干支斗渠進(jìn)行滲漏率測(cè)定，進(jìn)一步總結(jié)包氣帶巖性、渠系襯砌、地下水水位埋深與渠系滲漏率關(guān)系，統(tǒng)計(jì)渠系單長(zhǎng)滲漏率[7]。灌溉水田間入滲受地層巖性、灌溉水量、水位埋深等因素的制約[5]，入滲系數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)值或數(shù)值模擬等方法給定[3，7]。灌溉水入滲補(bǔ)給量通常采用公式法計(jì)算[3]。

黑河流域中游盆地地下水溢出研究主要包括溢出量及其沿程變化規(guī)律等[3，5-7]。溢出量方面，分析溢出量變化及其原因，采用基流分割法等研究地下水溢出量在正義峽年徑流量中的占比[5-6]。沿程變化方面，依據(jù)1986年4—5月實(shí)測(cè)的黑河山丹橋—正義峽地下水溢出量，得到地下水累積溢出量和單長(zhǎng)溢出量沿程變化曲線(xiàn)[3，6-7]。通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)一步研究黑河單長(zhǎng)溢出量沿程變化規(guī)律[10]。應(yīng)用分布式光纖測(cè)溫技術(shù)研究了臨澤平川段地下水溢出帶的位置與溢出強(qiáng)度相對(duì)大小[8]。

數(shù)值模擬是研究黑河流域中游盆地地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制的有效手段[9-16]。國(guó)內(nèi)外研究表明，黑河中游張臨高灌區(qū)包括灌渠滲漏量與田間入滲量在內(nèi)的灌溉水入滲量差別較小，其原因主要在于計(jì)算方法與參數(shù)差別不大；而河流滲漏量差別明顯，如以2014年為例，相關(guān)研究計(jì)算的黑河與梨園河河水滲漏補(bǔ)給量差別可達(dá)3 倍以上，經(jīng)由黑河泄出的地下水排泄量差別可達(dá)67%[9-13]。

出山徑流等天然條件變化影響了黑河中游盆地河道滲漏等水循環(huán)過(guò)程的資源量，而人類(lèi)活動(dòng)的影響更為深遠(yuǎn)。張光輝等[17]認(rèn)為黑河流域水循環(huán)模式總體可概括為自然—人工二元復(fù)合水循環(huán)模式，人工綠洲的迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致水循環(huán)的自然過(guò)程變異；周劍等[18]認(rèn)為中游盆地耕地?cái)U(kuò)張是導(dǎo)致沖積扇中上部地下水水位下降和植被退化的主要因素，同時(shí)影響地下水系統(tǒng)的補(bǔ)排關(guān)系；丁宏偉等[19]認(rèn)為水利化程度提高與農(nóng)業(yè)節(jié)水條件下，天然狀態(tài)下山前—泉水帶的區(qū)域水循環(huán)系統(tǒng)減弱，逐步演變?yōu)榧?xì)土平原—泉水帶的局部水循環(huán)系統(tǒng)，水資源的循環(huán)次數(shù)增加，循環(huán)深度減少，循環(huán)路徑擴(kuò)大。需進(jìn)一步開(kāi)展黑河中游盆地河水滲漏與地下水溢出規(guī)律研究，分析人類(lèi)活動(dòng)作用下長(zhǎng)水文周期尺度的地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制。

本研究基于1∶5 萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查、地下水監(jiān)測(cè)與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目數(shù)據(jù)，分析黑河中游盆地河流-含水層系統(tǒng)特征。采用黑河主干河道時(shí)變水平衡模型方法，分段計(jì)算了黑河干流中游河水滲漏與地下水溢出規(guī)律；采用數(shù)值模擬方法構(gòu)建中游盆地地表水—地下水耦合數(shù)值模型，以近30 多年水資源開(kāi)發(fā)利用情況和地下水動(dòng)力場(chǎng)變化過(guò)程作為模型校正依據(jù)，進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證，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。該研究可為我國(guó)西北干旱內(nèi)流盆地水平衡分析與水資源可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域是我國(guó)西北地區(qū)第二大內(nèi)陸河流域，位于祁連山和河西走廊的中段，東、西分別以山丹縣境內(nèi)的大黃山和嘉峪關(guān)境內(nèi)的黑山為界，與石羊河流域、疏勒河流域接壤，南起祁連山分水嶺，北至中蒙國(guó)界線(xiàn)，流域面積14.3×104km2（圖1）。

圖1 研究區(qū)概圖Fig.1 Overview of the study area

1990—2020年，黑河流域平均出山徑流量為38.55×108m3/a，其中黑河干流為17.96×108m3/a，梨園河為2.48×108m3/a。流域用水主要為農(nóng)業(yè)灌溉用水、生產(chǎn)生活用水、綠洲生態(tài)用水。水資源主要形成于南部的祁連山區(qū)，主要耗散于南、北盆地；水資源總體由南向北運(yùn)移，最終匯入額濟(jì)納盆地的東、西居延海[3]。黑河流域存在的主要生態(tài)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題為生態(tài)退化、土地荒漠化與地下水水位下降。

研究區(qū)包括鹽池盆地和張掖盆地，張掖盆地由黑河—梨園河傾斜平原、黑河以東諸河傾斜平原和黑河中游下段侵蝕堆積平原組成，研究區(qū)面積0.93×104km2（圖1）。

1.2 研究資料

多年來(lái)，自然資源部門(mén)、水利部門(mén)、氣象部門(mén)、中國(guó)科學(xué)院等在黑河流域開(kāi)展了大量工作，其中近些年代表性工作包括：2014—2018年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“黑河流域重點(diǎn)地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查”、“河西走廊黑河流域1∶5 萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查”，2010—2017年國(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” 與2015年啟動(dòng)的“國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程”等。依托以上工作，黑河流域建成地下水、水利與遙感監(jiān)測(cè)網(wǎng)，取得了豐富的地下水、地表水、水資源開(kāi)發(fā)利用、土地利用與蒸散發(fā)等資料；依據(jù)各類(lèi)型水文地質(zhì)鉆孔與物探成果資料，深入揭示流域山盆關(guān)系與盆地水文地質(zhì)條件[20-21]；建成一孔多層、分層抽水、分層監(jiān)測(cè)科學(xué)試驗(yàn)基地與水文參數(shù)試驗(yàn)場(chǎng)，更新流域關(guān)鍵水文參數(shù)[20-21]。以上資料為本次研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

黑河鶯落峽、正義峽與梨園河鸚鴿嘴徑流量等水文數(shù)據(jù)采用張掖水文站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；各灌區(qū)引水量、開(kāi)采量等水資源開(kāi)發(fā)利用數(shù)據(jù)采用張掖市水務(wù)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均為1990—2020年月值數(shù)據(jù)。G312大橋徑流量為重點(diǎn)基金項(xiàng)目2011年8月1日—2013年10月30日測(cè)流數(shù)據(jù)。研究區(qū)水文地質(zhì)條件與水文地質(zhì)參數(shù)等采用1∶5 萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查成果。

1.3 研究方法

1.3.1 黑河主干河道時(shí)變水平衡模型

基于黑河中游盆地水文站徑流量、灌渠引水量、G312 斷面流量與蒸發(fā)量等觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用黑河主干河道時(shí)變水平衡模型方法分析黑河河水滲漏與地下水溢出規(guī)律。張掖盆地黑河干流河道入滲段和溢出段大致以G312 大橋?yàn)榻?，亦稱(chēng)為地表水與地下水轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。鶯落峽—G312 大橋段為懸河滲漏段，G312 大橋—正義峽河段為地下水溢出段。

1.3.2 黑河中游盆地地表水-地下水耦合數(shù)值模擬

結(jié)合最新黑河流域1∶5 萬(wàn)水文地質(zhì)調(diào)查成果，包括野外調(diào)查、物探、鉆探、監(jiān)測(cè)與各種試驗(yàn)等，進(jìn)行中游盆地水文地質(zhì)條件再分析。通過(guò)對(duì)模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)、邊界條件與源匯項(xiàng)等的概化、賦值與調(diào)參，建立地表水-地下水耦合數(shù)值模型。模型重點(diǎn)關(guān)注地表水與地下水的相互作用，刻畫(huà)中游盆地流量場(chǎng)時(shí)空變化。通過(guò)基于多種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的模型識(shí)別與驗(yàn)證，評(píng)價(jià)模型模擬效果，分析盆地地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制。

以上2 種研究方法相互銜接，河道水平衡模型關(guān)注河道，研究黑河干流河水滲漏與地下水溢出規(guī)律；數(shù)值模擬著眼于整個(gè)研究區(qū)，更加深入地分析中游盆地地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制。

2 結(jié)果與討論

2.1 基于河道水平衡的黑河河水滲漏與地下水溢出規(guī)律

2.1.1 黑河河道滲漏規(guī)律

黑河出山徑流觀測(cè)斷面為鶯落峽水文站，該站多年徑流量動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)枯—平—枯—平—枯—豐交替變化特征（圖2）。研究區(qū)1990—2001年為枯水期，2002—2020年為豐水期。黑河出山口鶯落峽徑流量與向下游排泄的正義峽徑流量存在多年動(dòng)態(tài)變化，二者的差值大致反映了以農(nóng)業(yè)灌溉為主的中游盆地耗用水規(guī)模的變化。G312 大橋上游約1 km 處是黑河河水滲漏與地下水溢出的轉(zhuǎn)換斷面（圖1）。黑河河道滲漏發(fā)生在鶯落峽—草灘莊河段與草灘莊—G312 大橋河段，河道入滲補(bǔ)給主要受控于進(jìn)入河道的實(shí)際過(guò)水量。

圖2 鶯落峽年徑流量歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.2 Annual flow time curve of Yingluoxia Gorge

（1）鶯落峽—草灘莊河段河道滲漏規(guī)律

鶯落峽—草灘莊斷面相距8.3 km，河床由卵礫石構(gòu)成。黑河干流出山徑流量由龍電渠徑流量與鶯落峽水利樞紐徑流量組成。全年出山徑流約65%的水量由龍電渠向下游輸送，河道過(guò)水量約35%；現(xiàn)狀條件下，草灘莊水利樞紐斷面水量由東、西總干渠引水量、閘口泄水量和三級(jí)電站引水量組成，其中三級(jí)電站引水量大部分輸送到大滿(mǎn)、盈科灌區(qū)或回排至黑河河道，小部分由渠道輸送至張掖濱河新區(qū)3 個(gè)人工湖（圖3）。2006年以前無(wú)三級(jí)電站引水量。

圖3 鶯落峽—G312 大橋河段水資源利用現(xiàn)狀概圖Fig.3 Overview of current water resources utilization

每年3—11月為灌溉期，采用水量平衡法計(jì)算該時(shí)段的河水滲漏量，河水滲漏量包括河道滲漏量與龍電渠滲漏量2 部分。水平衡方程為：

式中：Q河道滲漏——河道滲漏量/（108m3·mon-1）；

Q鶯落峽、Q草灘莊——鶯落峽、草灘莊徑流量/（108m3·mon-1）；

Q龍洞渠、Q西洞渠——龍洞渠、西洞渠引水量/（108m3·mon-1）；

Q龍電渠滲漏——龍電渠滲漏量/（108m3·mon-1）

Q蒸發(fā)——河水蒸發(fā)量/（108m3·mon-1）；

Q草灘莊樞紐——草灘莊水利樞紐閘口泄水量/（108m3·mon-1）；

Q東總干、Q西總干——東總干、西總干引水量/（108m3·mon-1）；

Q三級(jí)電站——三級(jí)電站引水量/（108m3·mon-1）。

龍電渠滲漏量采用平均入滲率計(jì)算。2010年黑河全河段閉口調(diào)水期間，依據(jù)鶯落峽和草灘莊實(shí)測(cè)日流量，得出當(dāng)鶯落峽龍渠斷面流量為26.0～47.0 m3/s，平均流量為40.9 m3/s 時(shí)，渠道滲漏量為1.6～2.9 m3/s，平均滲漏量為2.5 m3/s，相應(yīng)滲漏率為6.0%～6.4%，平均滲漏率為6.2%。

每年的1、2、12月為非灌溉期，河道滲漏量為：

黑河河道滲漏的有效入滲系數(shù)取值為0.97，計(jì)算得1990—2020年鶯落峽—草灘莊河段多年平均河道滲漏補(bǔ)給量為1.75×108m3，占平均河道來(lái)水量（6.21×108m3/a）的28.20%，較1977年黑河中游河流12%～18%的引水渠首以上河水入滲率[5]顯著增大。龍電渠大量引水使黑河河道過(guò)水量顯著減少，河道滲漏補(bǔ)給率增大。

（2）草灘莊—G312 黑河大橋河段河道滲漏規(guī)律

2011年8月1日—2013年10月30日，首次在G312黑河大橋開(kāi)展27 個(gè)月的黑河徑流量日值觀測(cè)（圖4）。G312 大橋徑流量包括轉(zhuǎn)換斷面徑流量和轉(zhuǎn)換斷面—G312 大橋地下水溢出量?；谛本€(xiàn)分割法分割出河川基流量與轉(zhuǎn)換斷面徑流量（圖4）。使用河道水平衡計(jì)算草灘莊—G312 黑河大橋河段河道滲漏量，計(jì)算公式為：

圖4 黑河G312 大橋徑流量、基流量及轉(zhuǎn)換斷面徑流量曲線(xiàn)圖Fig.4 Curves of runoff and base flow at the Heihe G312 bridge and runoff of the transfer section

式中：Q轉(zhuǎn)換斷面——轉(zhuǎn)換斷面徑流量/（108m3·mon-1）。

選用計(jì)算的2012年 11月—2013年10月草灘莊—G312 黑河大橋河道過(guò)水量與河道滲漏補(bǔ)給量，擬合草灘莊—G312 黑河大橋的河道滲漏補(bǔ)給量y（108m3/mon）和河道過(guò)水量x（108m3/mon）關(guān)系：

計(jì)算得1990—2020年草灘莊—G312 大橋河段平均河道入滲補(bǔ)給量為4.63×108m3/a，占河道過(guò)水量（9.07×108m3/a）的51.05%。1977年黑河中游河流引水渠首以下滲漏率為39%～81%[5]，黑河流量大而滲漏率相對(duì)較小，參考39%滲漏率值。本次應(yīng)用G312 大橋測(cè)流數(shù)據(jù)計(jì)算的河水滲漏補(bǔ)給率較前期增大。年際動(dòng)態(tài)上，河道過(guò)水量越大，河道滲漏補(bǔ)給率相對(duì)越小。

1990—2020年鶯落峽徑流量為17.96×108m3/a?，F(xiàn)狀水資源開(kāi)發(fā)利用條件下，鶯落峽—G312 黑河大橋河段多年平均河道滲漏補(bǔ)給量（含龍電渠滲漏量）為7.11×108m3，占鶯落峽總徑流量的39.59%，其中鶯落峽—草灘莊多年平均入滲量為2.48×108m3，草灘莊—大橋多年平均入滲量為4.63×108m3。多年平均引水量為6.68×108m3，占鶯落峽總徑流量的37.19%。轉(zhuǎn)換斷面下泄量為3.91×108m3/a，占鶯落峽總徑流量的21.77%。河水蒸發(fā)量為0.26×108m3/a，占鶯落峽總徑流量的1.45%。與天然條件相比，人類(lèi)活動(dòng)條件下，黑河河道過(guò)水量減少，河道入滲率提高，但入滲補(bǔ)給量減少。

2.1.2 中游盆地地下水溢出規(guī)律

黑河中游盆地地下水溢出包括泉水溢出和河道溢出2 種形式。泉水主要集中于中游盆地細(xì)土平原中下部，河道溢出主要發(fā)生在黑河與山丹河。

（1）黑河累積溢出量沿程變化規(guī)律

1986年4—5月、2002年12月、2003年10月實(shí)測(cè)了黑河干流沿程徑流量，繪制了地下水累積溢出量沿程變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。從圖上可以看出，地下水累積溢出量沿程呈增加趨勢(shì)，G312 大橋—平川大橋累積溢出量呈近似直線(xiàn)快速增長(zhǎng)，平川大橋—正義峽段緩慢增長(zhǎng)，地下水溢出主要發(fā)生在G312 大橋—平川河段。平川河段以下第四系基底抬升，溢出量減小。

圖5 G312 大橋—正義峽地下水累積溢出量沿程變化曲線(xiàn)圖Fig.5 Cumulative groundwater overflow along the course from Yingluoxia to Zhengyixia

（2）中游盆地地下水溢出量

采用枯季河道水平衡法計(jì)算地下水溢出量。每年1、2月黑河干流自由下泄，無(wú)渠道引水，梨園河流入黑河水量為0。正義峽徑流量由G312 大橋轉(zhuǎn)換斷面徑流量和河道基流量（即地下水溢出量）組成。轉(zhuǎn)換斷面徑流量由鶯落峽—轉(zhuǎn)換斷面水平衡計(jì)算。以1、2月地下水溢出量乘以6 推算全年地下水溢出量。1990—2020年G312 大橋—正義峽河段地下水溢出量呈先下降后上升趨勢(shì)，多年平均地下水溢出量為12.14×108m3。1990—2001年多年平均地下水溢出量為11.95×108m3，2002—2020年為12.69×108m3，地下水溢出量年均增加0.74×108m3。

1956—1989年地下水溢出量采用前期計(jì)算成果[3]。繪制1956—2020年地下水溢出量與不同時(shí)期實(shí)測(cè)溢出量歷時(shí)曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)基于水平衡法計(jì)算得到的1956—2020年溢出量與6 次實(shí)測(cè)溢出量數(shù)值接近，相對(duì)誤差僅0.07%～4.01%。黑河干流地下水年溢出量最大值出現(xiàn)在1971年，為17.67×108m3；最小值出現(xiàn)在2003年，為10.21×108m3；1956—2020年年均值為13.26×108m3。溢出量呈多年動(dòng)態(tài)變化，總體變化呈三次曲線(xiàn)形態(tài)，1971年之前年均增長(zhǎng)量為0.14×108m3，1971—2003年年均衰減量為0.16×108m3；2003—2020年年均增長(zhǎng)量為0.14×108m3。

圖6 地下水平衡溢出量、實(shí)測(cè)溢出量歷時(shí)曲線(xiàn)Fig.6 Duration curves of the equilibrium overflow and measured overflow

2.2 基于數(shù)值模擬的黑河入滲與地下水溢出規(guī)律

在前期數(shù)值模擬[10]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善黑河流域中游盆地地表水—地下水耦合模型，主要內(nèi)容包括模型輸入項(xiàng)資源量更新與模擬期延續(xù)。建立水文地質(zhì)概念模型與數(shù)學(xué)模型[10]。模型補(bǔ)給項(xiàng)包括降雨入滲補(bǔ)給量、河流滲漏補(bǔ)給量、渠灌（渠道）滲漏補(bǔ)給量、渠灌（田間）入滲補(bǔ)給量、井灌（田間）回歸補(bǔ)給量、山前河谷潛流側(cè)向補(bǔ)給量、山前非河谷側(cè)向補(bǔ)給量與泉水灌溉回歸補(bǔ)給量，排泄項(xiàng)包括潛水蒸發(fā)量、地下水開(kāi)采量、地下水溢出量。模型模擬期為1990—2020年，時(shí)間步長(zhǎng)為月。

采用地下水流場(chǎng)、地下水水位動(dòng)態(tài)、地下水年溢出量、地下水沿程溢出量與正義峽徑流量等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行模型識(shí)別與驗(yàn)證[10]。以1990—2015年為模型識(shí)別期，2016—2020年為模型驗(yàn)證期。

基于數(shù)值模型，總結(jié)黑河河水入滲量、灌溉水入滲量（包括灌渠滲漏與田間入滲）與地下水溢出量變化規(guī)律，分析地下水儲(chǔ)量變化特征與地下水補(bǔ)給徑流排泄變化機(jī)制。

黑河河道滲漏發(fā)生在懸河滲漏段，該段所處地下水水位埋深大，滲漏能力達(dá)到地層滲漏能力上限。沿途滲漏量隨流量呈非線(xiàn)性變化，具體受河道濕周與水深的綜合影響，而與地下水水位無(wú)關(guān)。滲漏量年際變化較大，1990—2001年黑河滲漏量呈減少趨勢(shì)，2002—2020年滲漏量顯著增加，這是由河水天然徑流量和灌溉引水量變化共同決定的。1990—2020年黑河中游引水量總體呈減小趨勢(shì)，同時(shí)農(nóng)業(yè)節(jié)水水平提高，使包括渠道滲漏量與田間入滲量在內(nèi)的灌溉水入滲量也呈減小趨勢(shì)（圖7）。

圖7 黑河河道滲漏量與灌溉水入滲量（灌渠滲漏與田間入滲）動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)Fig.7 Dynamic curves of leakage of the Heihe River and irrigation water infiltration (canal leakage and field infiltration)

1986年4—5月枯水期山丹橋—正義峽水文站進(jìn)行了15 個(gè)河流斷面的流量實(shí)測(cè)[7]。2002年12月G312黑河大橋—正義峽進(jìn)行了11 個(gè)斷面的流量實(shí)測(cè)，經(jīng)歸并形成G312 大橋—板橋、板橋—黃一、黃一—羅城橋、羅城橋—正義峽4 個(gè)單長(zhǎng)溢出分段[10]。1986、2002、2020年地下水年溢出量分別為11.15×108，10.90×108，11.28×108m3，3年溢出量差別不大可進(jìn)行對(duì)比。2020年數(shù)值模擬單長(zhǎng)溢出量總體很好地反映了以上2次實(shí)測(cè)沿程變化趨勢(shì)，見(jiàn)圖8。黑河沿程單長(zhǎng)溢出量，在高崖水文站下游約6 km 處最大，其后逐漸減小，至平川大橋溢出量約占全部溢出量的70%。受侵蝕堆積平原基底隆起影響，平川大橋附近溢出量增大，其后逐步減小，至正義峽地下水全部溢出。地下水溢出段河泉溢出能力受下伏含水層導(dǎo)水能力制約，G312 大橋—平川大橋河段，含水層厚度大、導(dǎo)水性強(qiáng)，為黑河中游盆地主要溢出段。

圖8 G312 大橋—正義峽地下水沿程溢出量Fig.8 Groundwater overflow from G312 bridge to Zhengyixia

黑河干流逐月沿程徑流過(guò)程受鶯落峽徑流量、黑河滲漏量、灌渠引水量、地下水溢出量等的共同影響，灌渠引水量資料最新為2013年，繪制2013年鶯落峽—正義峽總計(jì)204 km 的逐月徑流過(guò)程，見(jiàn)圖9。

圖9 2013年鶯落峽—正義峽黑河逐月沿程徑流過(guò)程Fig.9 Monthly runoff process of the Heihe River in 2013 from Yingluoxia to Zhengyixia

黑河自鶯落峽出山后有龍洞渠、西洞渠引水，同時(shí)河水滲漏，黑河徑流量逐漸減少。草灘莊東、西總干在每年3—11月農(nóng)灌季節(jié)大量引水，使黑河沿程徑流量出現(xiàn)最大減幅。草灘莊—G312 大橋河水滲漏，草灘莊各月徑流量不同的情況下，沿程滲漏量差異較大，河水徑流量減小。轉(zhuǎn)換斷面—正義峽地下水溢出，同時(shí)該段河道沿岸有36 個(gè)干渠引水口在農(nóng)灌季節(jié)引水，使黑河沿程徑流量呈鋸齒狀分布；非農(nóng)灌季節(jié)則由于沿程地下水持續(xù)溢出，黑河徑流量持續(xù)增加。每年9月份農(nóng)灌引水較少，黑河沿程徑流受人類(lèi)活動(dòng)的影響相對(duì)較小。

多年來(lái)，黑河干流河道懸河補(bǔ)給段與地下水溢出段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)變化不明顯，基本保持在G213 黑河大橋上游1～2 km 范圍。小型泉集河的泉腦隨地下水流場(chǎng)變化上下游略有移動(dòng)。

2.3 基于數(shù)值模擬的黑河中游盆地地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化

地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化在天然條件與人類(lèi)活動(dòng)影響下存在顯著差異，不同年代水資源開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度不同，也使得地表水與地下水轉(zhuǎn)化量存在差別。內(nèi)流盆地河流—含水層系統(tǒng)是一個(gè)完整的整體，補(bǔ)給條件改變是地下水系統(tǒng)變化的主要?jiǎng)恿?，補(bǔ)給和開(kāi)采共同影響整個(gè)地下水循環(huán)模式，進(jìn)而影響泉水溢出的范圍和溢出量，即引發(fā)地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制的變化。

2.3.1 中游盆地地下水補(bǔ)給機(jī)制

山前地帶大規(guī)模引水灌溉使中游盆地地下水補(bǔ)給徑流排泄條件發(fā)生了很大的變化。天然條件下，黑河流域中游盆地地下水補(bǔ)給以河流滲漏補(bǔ)給為主，呈線(xiàn)狀補(bǔ)給方式；人類(lèi)活動(dòng)影響下，地下水補(bǔ)給主要包括河流滲漏補(bǔ)給、灌渠（渠道）滲漏補(bǔ)給與田間入滲補(bǔ)給，其中前兩種為線(xiàn)狀補(bǔ)給（圖10），后一種為面狀補(bǔ)給。1990—2020年，河流滲漏補(bǔ)給量占年均地下水總補(bǔ)給量的50.12%，灌渠（渠道）滲漏補(bǔ)給量占31.38%，包括渠灌田間入滲補(bǔ)給與井灌回歸補(bǔ)給在內(nèi)的灌溉水入滲補(bǔ)給占總補(bǔ)給量的7.79%，以上補(bǔ)給量合計(jì)占地下水總補(bǔ)給量的89.29%。

圖10 盆地地下水主要補(bǔ)給條件變化示意圖Fig.10 Schematic maps of main groundwater recharge conditions

通過(guò)地表水-地下水耦合數(shù)值模擬分析研究區(qū)地下水均衡。1990—2020年研究區(qū)地下水平均補(bǔ)給量為18.24×108m3/a，排泄量為18.78×108m3/a，補(bǔ)排差為-0.54×108m3/a。其中，1990—2001年盆地地下水補(bǔ)給量為16.54×108m3/a，排泄量為17.98×108m3/a，補(bǔ)排差為-1.44×108m3/a；2002—2020年盆地地下水補(bǔ)給量為19.32×108m3/a，排泄量為19.28×108m3/a，補(bǔ)排差為0.04×108m3/a（表1）。模擬期地下水總儲(chǔ)變量為-16.52×108m3，其中1990—2001年盆地地下水儲(chǔ)變量為-17.28×108m3，2002—2020年為0.76×108m3。 地表水與地下水轉(zhuǎn)化最強(qiáng)烈的地區(qū)為張掖盆地中部的黑河—梨園河傾斜平原。1990—2001年連枯期，灌區(qū)引水量總體逐年減少，以河道入滲和渠系滲漏為主的補(bǔ)給量平均以0.06×108m3/a 速率減少，農(nóng)田灌溉面積增加導(dǎo)致灌溉用水增加，地下水開(kāi)采量顯著增加，地下水水位逐年下降，儲(chǔ)存量累計(jì)減少5.77×108m3，地下水溢出量減少0.16×108m3/a。 2002—2020年連豐期，灌區(qū)引水量總體逐年減少，河道入滲量呈增加趨勢(shì)，地下水總補(bǔ)給量平均增加0.15×108m3/a，灌溉面積繼續(xù)擴(kuò)大，農(nóng)灌開(kāi)采量隨之增加，以河道入滲量增加為主導(dǎo)，地下水水位持續(xù)上升，儲(chǔ)存量累計(jì)增加5.45×108m3，地下水溢出量平均增加0.08×108m3/a。 位于張掖盆地東部的諸河傾斜平原地下水水位長(zhǎng)期處于持續(xù)下降狀態(tài)，這是由于地表水開(kāi)發(fā)過(guò)度而使地下水補(bǔ)給量銳減。黑河侵蝕堆積平原處于地下水溢出帶，地下水水位基本穩(wěn)定。30 多年來(lái)，鹽池盆地傾斜平原地下水水位長(zhǎng)期處于持續(xù)下降狀態(tài)，這是由于移民開(kāi)墾導(dǎo)致地下水過(guò)量開(kāi)采。

表1 研究區(qū)地下水均衡Table 1 Groundwater budgets in the study area

黑河流域中游盆地地下水補(bǔ)給量年際波動(dòng)大，而排泄量年際波動(dòng)?。▓D11），地下水儲(chǔ)存量先減后增，地下水溢出總量變化較為平緩，反映了盆地巨厚含水層系統(tǒng)的巨大調(diào)蓄功能。同時(shí)地下水排泄具有自適應(yīng)變化特征，如黑河兩岸淺埋區(qū)地下水開(kāi)采量增加時(shí)，地下水溢出量自適應(yīng)性減少，兩者之和反映了中游盆地地下水排泄的宏觀變化。

圖11 研究區(qū)歷年地下水補(bǔ)排量與補(bǔ)排差Fig.11 Quantity and difference of groundwater recharge and discharge in the study area from 1990 to 2020

分析研究區(qū)地表水平衡與地表水地下水總水平衡（表2、表3）。1990—2001年、2002—2020年地表水平衡差分別為0.15×108，0.18×108m3/a，地表水地下水總水平衡差分別為-0.96×108，0.16×108m3/a。

表2 研究區(qū)地表水平衡Table 2 Surface water balance in the middle reaches basin/（108 m3·a-1）

表3 研究區(qū)水平衡Table 3 Water balance in the middle reaches basin/（108 m3·a-1）

2.3.2 中游盆地地下水徑流機(jī)制

依據(jù)黑河中游強(qiáng)徑流帶典型監(jiān)測(cè)孔水位動(dòng)態(tài)變化（圖12），選取1990、2001、2014、2020年4 個(gè)典型年，分析天然條件與人類(lèi)活動(dòng)共同影響下中游盆地地下水強(qiáng)徑流帶動(dòng)態(tài)變化（圖13）。

圖12 張掖市甘州區(qū)明永村H13-0 潛水地下水水位動(dòng)態(tài)變化Fig.12 Dynamic changes of the water table at well H13-0 in Mingyong Village in Ganzhou District in Zhangye

黑河中游盆地地下水流場(chǎng)的空間形態(tài)取決于地下水補(bǔ)給、排泄條件和含水層導(dǎo)水能力的空間分布。黑河干流中游盆地地下水的強(qiáng)徑流帶為甘州區(qū)大滿(mǎn)至臨澤縣平川一帶，呈紡錘體狀展布（圖13）。流量峰值出現(xiàn)在黑河草灘莊—G312 大橋黑河滲漏段，反映了黑河強(qiáng)烈滲漏對(duì)地下水的補(bǔ)給（圖13）。鹽池盆地與黑河以東諸河傾斜平原，地下水補(bǔ)給量相對(duì)較小而面積相對(duì)較大，因此地下徑流流量相對(duì)較小。侵蝕堆積平原地下水溢出，地下徑流流量相對(duì)較大，且存在空間分布差異，越向下游地下徑流流量越小。

黑河干流中游盆地強(qiáng)徑流帶范圍動(dòng)態(tài)變化，主要受黑河出山徑流、灌區(qū)地下水開(kāi)采與灌區(qū)引水等的共同影響?？傮w而言，黑河出山徑流量越大，灌溉引水量越小，地下水開(kāi)采量越小，強(qiáng)徑流帶范圍越大?；陂L(zhǎng)周期水文變化情況與強(qiáng)徑流帶地下水水位動(dòng)態(tài)選取4 個(gè)典型年份，按3 個(gè)時(shí)段進(jìn)行分析。1990—2001年，黑河流域連續(xù)枯水，鶯落峽多年平均徑流量?jī)H為15.35×108m3，天然河道過(guò)水量少，河道入滲補(bǔ)給量少，灌區(qū)引水量逐年略減而地下水開(kāi)采量顯著增加，使強(qiáng)徑流帶地下水水位持續(xù)下降，強(qiáng)徑流帶范圍減小，地下徑流流量減少；2001—2014年，黑河流域由枯轉(zhuǎn)豐，地下水開(kāi)采量與灌區(qū)引水量均增加，但出山徑流量增加占據(jù)主導(dǎo)作用，強(qiáng)徑流帶地下水水位持續(xù)上升，強(qiáng)徑流帶范圍增大，流量增大；2014—2020年，黑河流域連續(xù)豐水，鶯落峽多年平均徑流量21.42×108m3，灌區(qū)引水量減少而地下水開(kāi)采量繼續(xù)增大，三者共同作用使強(qiáng)徑流帶地下水水位雖略有下降但仍然較高，強(qiáng)徑流帶范圍較大（表1、圖11—圖13）。

圖13 典型年份黑河中游盆地強(qiáng)徑流帶動(dòng)態(tài)變化示意圖Fig.13 Dynamic changes of the strong runoff zone in the middle reaches of the Heihe River Basin in typical years

基于典型年份地下水流場(chǎng)，識(shí)別黑河干流河道滲漏補(bǔ)給影響區(qū)（圖14）。1990—2001年，受流域連枯與地下水開(kāi)采增加等因素的影響，黑河補(bǔ)給影響區(qū)范圍減??；2001—2014年，流域由枯轉(zhuǎn)豐，出山徑流量顯著增加，補(bǔ)給影響區(qū)范圍增大；2014—2020年，黑河流域連續(xù)豐水，在出山徑流、灌區(qū)引水與地下水開(kāi)采共同作用下，黑河河道滲漏補(bǔ)給影響區(qū)范圍略有減小。

圖14 典型年份黑河干流河道滲漏補(bǔ)給影響區(qū)變化示意圖Fig.14 Variations of the leakage affected area of the mainstream of the Heihe River in typical years

2.3.3 中游盆地地下水排泄機(jī)制

天然條件下，黑河中游盆地地下水排泄以泉水溢出排泄和天然濕地排泄為主；人類(lèi)活動(dòng)影響下，地下水排泄除上述2 種方式外，新增地下水開(kāi)采排泄（圖15）。1990—2020年，包括河流溢出與泉水溢出在內(nèi)的地下水溢出占年均地下水總排泄量的69.55%，地下水開(kāi)采占18.54%，兩者合計(jì)占地下水總排泄量的88.09%。

圖15 盆地地下水主要排泄條件變化示意圖Fig.15 Schematic maps showing the main groundwater discharge conditions

選取4 個(gè)典型年份，通過(guò)流線(xiàn)追蹤分析中游盆地黑河溢出量中來(lái)自黑河滲漏補(bǔ)給量占比的多年變化規(guī)律（圖16，表4）。與1990年平水年相比，2001年枯水年黑河滲漏補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的比例由36.92%減小至34.22%，這主要受鶯落峽來(lái)水量減小的影響；黑河溢出量中來(lái)自黑河的滲漏補(bǔ)給量占比由63.37%增大至67.80%，其原因可能是隨著灌區(qū)地下水開(kāi)采量的顯著增加（表1），因黑河補(bǔ)給路徑相對(duì)較遠(yuǎn)使開(kāi)采量中來(lái)自黑河滲漏補(bǔ)給的水量相對(duì)減少。與2001年枯水年相比，2014年豐水年黑河滲漏補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的比例顯著增大，黑河溢出量增大，黑河溢出量中來(lái)自黑河的滲漏補(bǔ)給量占比也明顯增大。與2014年相比，2020年鶯落峽出山徑流量減少，但仍為豐水年，黑河滲漏補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的比例減小，黑河溢出量中來(lái)自黑河的滲漏補(bǔ)給量占比也有所減小?？傮w而言，鶯落峽徑流量越大，中游盆地黑河滲漏補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的比例越大，黑河溢出量中來(lái)自黑河的滲漏補(bǔ)給量占比也越大。遠(yuǎn)離泉水溢出區(qū)的灌區(qū)引水與開(kāi)采對(duì)泉水溢出量影響不大，位于河流溢出段和泉集河附近的灌區(qū)引水與開(kāi)采則會(huì)有一定影響。

表4 黑河滲漏占河流溢出比例與鶯落峽徑流量、地下水開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)值Table 4 Groundwater balance in the middle reaches basin

圖16 典型年份黑河溢出流線(xiàn)示意圖Fig.16 Flow lines of the Heihe River overflow in typical years

3 結(jié)論與建議

（1）構(gòu)建了黑河流域中游盆地地表水-地下水耦合數(shù)值模型和黑河主干河道時(shí)變水平衡模型，為分析黑河河道滲漏、渠系滲漏、田間入滲、地下水溢出規(guī)律和中游盆地地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。

（2）山前地帶大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉使中游盆地地下水補(bǔ)給徑流排泄條件發(fā)生了很大的變化。天然條件下以河流滲漏為主的線(xiàn)狀補(bǔ)給演變?yōu)橐院恿髋c引水渠道滲漏的線(xiàn)狀補(bǔ)給和灌區(qū)田間入滲面狀補(bǔ)給方式；以泉水溢出排泄和天然濕地排泄演變?yōu)橐匀绯雠c地下水開(kāi)采為主的排泄；甘州區(qū)大滿(mǎn)—臨澤縣平川一帶發(fā)育紡錘體狀的地下水強(qiáng)徑流帶，隨補(bǔ)排關(guān)系變化而變化。

（3）鶯落峽—G312 黑河大橋段為懸河滲漏段，河道滲漏補(bǔ)給主要受控于進(jìn)入天然河道的實(shí)際徑流量。其中鶯落峽—草灘莊段河道滲漏補(bǔ)給率為28.20%；草灘莊—G312 大橋段河道滲漏補(bǔ)給量與河道過(guò)水量呈分段函數(shù)關(guān)系；河道沿途滲漏量隨流量呈非線(xiàn)性變化。

（4）G312 大橋—正義峽段為地下水溢出段，黑河中游盆地地下水溢出段的河泉溢出能力受下伏含水層導(dǎo)水能力制約。G312 大橋—平川大橋河段含水層厚度大、導(dǎo)水性強(qiáng)，為黑河中游盆地主要溢出段，溢出量約占全部溢出量的70%。溢出峰值出現(xiàn)在高崖水文站下游約6 km 處，該處單長(zhǎng)溢出量可達(dá)0.46 m3/（s·km）。

（5）黑河中游盆地流場(chǎng)的空間形態(tài)取決于地下水補(bǔ)給排泄條件和含水層導(dǎo)水能力的空間分布。強(qiáng)徑流帶流量峰值出現(xiàn)在黑河草灘莊—G312 大橋河道滲漏段，反映了黑河滲漏對(duì)地下水的強(qiáng)烈補(bǔ)給。強(qiáng)徑流帶范圍呈多年動(dòng)態(tài)變化，總體而言，黑河出山徑流量越大，灌溉引水量越小，地下水開(kāi)采量越小，強(qiáng)徑流帶范圍越大。

（6）黑河中游盆地河流—含水層系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，補(bǔ)給條件改變是地下水系統(tǒng)變化的主要?jiǎng)恿?，補(bǔ)給和開(kāi)采共同影響整個(gè)地下水循環(huán)模式，進(jìn)而影響泉水溢出的范圍和溢出量。黑河—梨園河平原1990—2001年連枯期補(bǔ)給量減少，地下水水位逐年下降，儲(chǔ)存量減少，地下水溢出量減少；2002—2020年連豐期地下水補(bǔ)給量增加，水位持續(xù)上升，儲(chǔ)存量增加，地下水溢出量增加。在連枯—連豐長(zhǎng)周期水文過(guò)程中，黑河—梨園河平原河道滲漏量變化強(qiáng)烈，地下水儲(chǔ)存量先減后增，地下水溢出總量多年變化較為平緩，反映了盆地巨厚含水層系統(tǒng)巨大的調(diào)蓄功能。

（7）近31年來(lái)，黑河以東諸河平原由于地表水開(kāi)發(fā)過(guò)度，補(bǔ)給量銳減。鹽池盆地移民開(kāi)墾導(dǎo)致地下水過(guò)量開(kāi)采，地下水水位基本處于持續(xù)下降狀態(tài)。黑河中游下段侵蝕堆積平原多年來(lái)地下水水位基本穩(wěn)定。

（8）內(nèi)流盆地天然懸河滲漏段是珍貴的地下水補(bǔ)給通道，無(wú)論連枯期還是連豐期，河道實(shí)際過(guò)水量是河道滲漏補(bǔ)給量的關(guān)鍵，保護(hù)上游天然河道和一定的河道實(shí)際過(guò)水量是內(nèi)流盆地水資源可持續(xù)管理的關(guān)鍵。

（9）干旱內(nèi)流盆地水資源具有資源、環(huán)境、生態(tài)等多重功能，水資源開(kāi)發(fā)利用應(yīng)充分認(rèn)識(shí)地表水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)制，重視巨厚含水層系統(tǒng)調(diào)蓄功能，開(kāi)展地表水地下水聯(lián)合調(diào)蓄與聯(lián)合利用。黑河流域中游盆地應(yīng)維持合理的土地開(kāi)發(fā)規(guī)模，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，適度退耕還林還草，保護(hù)濕地與天然植被，做到引水有度，開(kāi)采有序，促進(jìn)內(nèi)流盆地水文、生態(tài)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)健康發(fā)展。