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6. 1. 1 山前戈壁带的地下水动态特征及水资源调节能力分析

以 65 号长期监测孔为例进行分析。65 号孔位于民乐县祁连山前海潮坝河灌区和洪水河灌区之间，属海潮坝河和洪水河的洪积扇顶部大厚度潜水含水层分布区，孔深 300. 10m，初始地下水位埋深 218. 03m，1985 年 11 月成井。总体来看 ( 图 6. 1) ，65 号孔地下水位多年来呈持续下降状态，但持续下降过程中仍存在 1990 年、1994 年、1997 年和 1999 年的相对上升阶段，其中 1990 年最为明显。为进一步研究 65 号孔的地下水位动态变化特征，首先对地下水的补给影响因素做一简要分析。

图 6. 1 民乐县祁连山前戈壁带 65 号孔潜水位动态

其一，根据 65 号孔所处位置，可以肯定其地下水位的变化主要受两方面因素的控制，一是渠系渗漏和灌溉回归补给，二是天然河道渗漏补给。

其二，由于海潮坝河和洪水河的出山口径流监测资料很不完整 ( 海潮坝河没有监测资料，洪水河只有短期监测资料) ，将仅有的洪水河短期监测资料和西侧相邻的大堵麻河径流监测资料与黑河干流莺落峡的完整径流资料进行对比 ( 图 6. 2，图 6. 3) ，可以看出，三者之间的逐年和逐月径流量具有十分相似的变化规律。因此，可以根据莺落峡径流动态变化分析海潮坝河和洪水河冲洪积扇地下水的补给特征。

图 6. 2 民乐县祁连山前小型河流年径流量与黑河干流莺落峡年径流量比较

图 6. 3 1989 年黑河干流莺落峡与大堵麻河出山口逐月径流量比较

基于上述两点，就可以很好地解释 65 号孔地下水位动态变化的原因。

除个别丰水年外，3～11 月份，海潮坝河和洪水河出山地表径流全部引入灌区，渠系渗漏和灌溉回归成为戈壁带地下水主要的甚至唯一的补给来源; 12～2 月份，出山口地表径流量非常小，即使排入天然河道，对地下水的补给量也十分有限。因此，现状地下水补给量较天然条件下的河道渗漏补给量明显减少，65 号孔地下水位呈持续下降状态。

1989 年、1993 年、1996 年和 1998 年，黑河干流莺落峡年径流量分别为 23. 07×108m3、18. 06×108m3、18. 09×108m3和 21. 59×108m3，1989 年和 1998 年为保证率低于 5%的特大丰水年，1993 年和1996 年为保证率 15%左右的丰水年。可以认为，海潮坝河和洪水河在这 4 年也是丰水年，超过渠系引水能力的汛期洪水排入天然河道，渗漏补给地下水，是地下水位相对上升的原因。6～9 月份是上述丰水年汛期洪水在天然河道渗漏补给地下水的可能阶段，65 号孔地下水位分别在第二年的 4 月( 1990 年) 、10 月 ( 1994 年) 、8 月 ( 1997 年) 和 3 月 ( 1999 年) 达到相对最高时期，较天然河道渗漏补给分别滞后 ( 以 9 月份计) 7 个月、13 个月、11 个月和 6 个月。滞后期与补给量成反比的特点说明，单位时间渗漏量越大，补给速度越快，地下水接受的有效补给越多。

上述地下水动态变化很好地说明了戈壁带的水资源调控能力。在平面位置上，65 号孔位于海潮坝河和洪水河天然河道之间，到两河的距离在 3km 之内。65 号孔地下水位的变化滞后补给期6 ～ 12个月，代表了地表水转化为地下水的时间。进一步分析图 6. 1 中 65 号孔 1989 ～ 1991 年的地下水位动态变化，可以看出，地下水位达到相对最高后，可以在 1 年多 ( 14 个月) 的时间内保持高于前期的地下水位。因此，戈壁带内，汛期洪水 ( 特大丰水年) 通过天然河道渗漏补给地下水后，可以在 1 年半以上的时间内缓慢释放，这就说明戈壁带大厚度含水层具有非常好的调控能力。

6. 1. 2 张掖盆地含水层系统的水资源调节能力分析

为说明张掖盆地含水层系统的水资源调控能力，对黑河干流莺落峡年径流量与整个盆地地下水溢出量进行对比分析，如图 6. 4。其中，地下水溢出量的多年系列数据是在少数年份实测结果( 1966 年、1967 年、1984 年和 1986 年) 和典型泉水 ( 泉 6) 长期监测数据的基础上，利用均衡法推算得到的 ( 详见第 4 章) 。从图 6. 4 可以看出，莺落峡年径流量具有很好的长周期变化特征，丰枯周期在 12～15 年之间。张掖盆地地下水溢出量的动态变化可以分为两个阶段: 1978 年以前，呈现出长周期的、较平缓的动态变化特征，周期长度与莺落峡年径流量丰枯周期长度基本相同，但丰枯变化正好与莺落峡年径流量变化相反; 1978 年以后，虽然具有短周期的丰枯变化，但总体上呈持续衰减状态。

图 6. 4 黑河干流径流量与地下水溢出量关系

新中国建立以来，张掖盆地修建了大量引水渠系，但 1978 年以前没有对渠系进行防渗处理，因此，即使通过人工渠系把大量河水引入灌区，对地下水的补给并没有减少。也就是说，1950～1978 年，张掖盆地的地下水补给由原来的天然河道入渗补给为主，变为河道和人工渠系共同补给为主，补给总量没有减少 ( 反而有可能增加，因为增加了地下水补给途径) ，因此地下水溢出量呈相对稳定的周期变化，且这种周期变化与地表水的丰枯周期变化正好相反，互为补充。1978 年以后，随着主要干渠的改建与防渗处理，地下水的渠系入渗补给量大幅度减少，成为地下水溢出量衰减的主要原因之一。

因此，1956～1978 年地下水溢出量的变化规律基本反映了张掖盆地含水层系统强大的水资源调节能力。即在地表水的丰水期，地下水得到较多补给，存储在大厚度含水层系统中，缓慢释放( 溢出) ，其对溢出量的影响达 10 年以上。通过含水层系统的调节，在地表水的枯水周期内，仍保持较高的地下水溢出量，可利用的水资源总量在时间上更趋稳定。

6. 1. 3 戈壁带地下水人工补给条件分析

下面主要从水源条件、工程措施条件和地下储存空间条件等对戈壁带地下水人工补给条件进行分析。

6. 1. 3. 1 水源条件

表6. 1 列出了1981 年以来莺落峡来水量与正义峡下泄量。如果以国务院1997 年批准的分水方案为参考标准，则 20 世纪 80 年代初期 ( 包括以前) 还处于比较理想的状况; 1985～2000 年，仅在丰水年和个别平水年达到分水要求; 2001 年以后，由于采取了一些强制性措施，也达到或超过了分水要求。

表 6. 1 黑河干流莺落峡来水量与正义峡下泄水量对比 单位: 108m3

注: 2003 年数据来源于黑河网//www. yrcc. gov. cn。

前面的分析中已经表明 ( 图 4. 11) ，1981 年以来，黑河干流经过的张掖、临泽、高台三县市的地表水引用量并没有增加，反而有所减少，造成正义峡下泄量减少的直接原因是张掖盆地地下水溢出量的持续减少。另外，洪水季节，天然河道径流量大大超过其渗漏能力。因此，适度截取丰水年份的汛期洪水，储存在地下含水层系统中，增加平、枯水年份的地下水溢出量，是现状水资源利用水平下，保证正义峡下泄水量目标的重要调控手段。在丰水年份截取的汛期洪水并没有消耗在张掖盆地，而是储存在张掖盆地，通过含水层系统的调节，增加平、枯水年份的地下水溢出量，进而增加正义峡下泄量，为达到分水目标提供保证。另外，截取汛期洪水的重要意义还在于袭夺地表水的无效蒸发，增加全流域可利用的水资源量，因为这部分洪水进入下游额济纳平原后，其效用主要是增加居延海的入湖水量，然后消耗于水面蒸发。

图 6. 5 莺落峡来水量与草滩庄以上引水量逐月变化特征

为确定在何种丰水年份可以合理截取汛期洪水进行地下水人工补给，图 6. 5 给出了黑河干流莺落峡代表性年份 ( 不同保证率水平) 逐月径流量 ( 来水量) 变化特征。可以看出，莺落峡来水量的丰枯水平主要取决于 7 月、8 月份的径流量。根据 2001～2003 年莺落峡来水量和正义峡下泄量的实际情况，在现状水资源利用水平下，莺落峡来水量保证率水平低于 25%的丰水年份，正义峡下泄量是较为有保证的。因此，初步确定，莺落峡来水量保证率在 25%以下的丰水年份，可以在 7月、8 月份截取一定量的洪水，用于张掖盆地地下水人工补给。具体操作过程中，由于难以准确预测莺落峡 7 月、8 月份的来水量，因此，以长期监测结果为依据，以 25%保证率水平年的 7 月、8 月份流量平均值 ( 125m3/ s) 为基准，当莺落峡来水量超过 125m3/ s 时，就可以利用多出部分进行地下水人工补给。另外，在确定可供用于地下水人工补给的洪水径流量时，没有考虑废弃平原水库后可能增加的正义峡下泄量。因此，在丰水年份，进行地下水人工补给是有水源保证的。

6. 1. 3. 2 工程措施条件

在卫星遥感图像 ( 图 6. 6) 上可以看出，在黑河干流草滩庄引水枢纽的河道西侧，为大片戈壁荒漠区，南北长约 20km，东西宽约 10km，面积约 200km2。通过实地调查，该地区地表以卵砾石堆积为主，地形相对较平缓，可以很方便地从草滩庄引水枢纽和西总干渠等引水至该地区，是理想的地下水人工补给场所。具体方案为: 以现有引水渠系为基础，修建多条简易渗水渠道，渠首位于草滩庄引水枢纽和引水干渠，渠的末端为黑河干流主河道; 在满足冲沙要求的前提下，尽量使渗水渠道保持较平缓的坡度 ( 如沿等高线走向) ，增加流程，使洪水充分地入渗补给地下水，剩余的水回归天然河道。

图 6. 6 黑河干流地下水人工补给区示意图

6. 1. 3. 3 入渗与储存条件

在西北干旱区戈壁带，如果引水渠系不做防渗处理，其利用系数只有 0. 3 左右，即 70%左右的引水量将损耗于渗漏补给地下水、包气带和水面蒸发，其中前者占总损耗量的 80%以上。因此，人工渗水渠道可以将 50%以上的引水量补给地下水，其余大部分回归天然河道，小部分消耗于包气带和水面蒸发。

第 4 章的计算结果表明，仅 20 世纪 90 年代，张掖盆地地下水储存量的消耗量就达到 20×108m3以上 ( 表 4. 31) 。因此，有足够的含水层空间用于存储人工补给的地下水。

6. 1. 4 袭夺地下水无效蒸发的潜力分析

袭夺地下水浅埋带的无效蒸发是干旱区增加可利用水资源量的重要途径，但需要处理好与生态保护的关系。均衡计算结果表明，张掖盆地水位埋深小于 10m 的浅埋带地下水蒸发量为 1. 95×108m3/ a ( 见表 2. 27) 。除局部地区外，张掖盆地大部分天然绿洲已逐渐改造为人工绿洲，只要保持适当的地下水位，就不会对生态环境造成明显影响。因此，袭夺地下水浅埋带的无效蒸发量具有较大潜力。

为进一步论证袭夺浅埋带地下水无效蒸发的能力，利用地下水数值模型 ( 见第 8 章) ，模拟了增加地下水开采对溢出量、蒸发量和储存量的消耗量的影响。结果表明 ( 表 6. 2) ，在现状地下水补给量不变的情况下，维持目前地下水开采布局，每增加 1×108m3的开采量，仅可夺取浅埋带地下水蒸发量 0. 21×108m3，其余靠消耗地下水储存量和减少地下水溢出量补偿。因此，不改变现状地下水开采布局，仅增加开采量，难以取得袭夺无效蒸发量的理想效果。

表 6. 2 现状补给量条件下不同开采量的数值模拟成果表 单位: 108m3/ a

由于大量关闭现有地下水开采井是不现实的，因此，为有效袭夺地下水无效蒸发，需要在现状地下水开采布局的基础上，增加浅埋带地下水开采量。如何达到这一目的，主要应考虑两方面的问题。一是地下水浅埋带为多层含水层结构，需要确定合理的开采层位; 二是在确定开采层位的基础上，设计合理的开采布局。下面对确定合理的开采层位进行分析。

图 6. 7 是浅埋带同一位置不同深度监测孔地下水位 ( 头) 动态变化曲线 ( 监测孔信息见表6. 3) 。可以看出，不同位置潜水与承压水之间的关系呈三种类型:

一是潜水与承压水之间存在一定的水头差，且年际和季节动态变化均不一致 ［图 6. 7 中 ( a)( b) ( c) ］。潜水位多年来呈相对稳定状态，季节动态变化明显受灌溉影响; 而承压水水头多年来呈持续下降趋势，季节变化与开采密切相关。这说明，潜水与 ( 浅层) 承压水之间的水力联系较弱。

二是潜水与承压水的年际与季节变化基本一致，潜水与浅层承压水的水头接近，但与深层承压水存在一定的水头 ( 位) 差 ［图 6. 7 中 ( d) ( e) ］。这说明，潜水与浅层承压水之间的水力联系较强，两层承压水之间的联系较弱。

三是潜水与浅层承压水的水位 ( 头) 相同，且动态变化完全一致 ［图 6. 7 中 ( g) ( h) ］) ，说明二者之间有很强的水力联系。对图 6. 7 ( e) ，虽然潜水与承压水的季节动态变化不一致，但总体下降的趋势是一致的; 仔细分析可看出，受开采影响，承压水季节下降幅度较大，潜水向下渗漏补给承压水，因此年内潜水的最低水位期滞后于承压水，到高水位期潜水与承压水的动态变化趋于一致。图 6. 7 ( e) 表现出的特点也说明潜水与承压水之间存在很好的水力联系。

上述潜水与 ( 浅层) 承压水的关系说明，为有效袭夺地下水无效蒸发，在潜水与承压水联系较弱的地区，应以增加潜水的开采为主; 在潜水与承压水联系较强的地区，应共同增加潜水与浅层承压水的开采量才能取得较好效果。

在地下水浅埋带，一般潜水含水层富水性较差 ( 单位涌水量低) ，地下水矿化度较高，侧向径流缓慢，因此，在以增加潜水开采量为主的地区，应以较高密度均匀布井，且与地表水或承压水混合 ( 或交替) 使用; 在需要共同增加潜水与浅层承压水开采量的地区，宜以较高密度均匀布设潜水井，以较低密度 ( 潜水井数量的 1 /3 ～ 1 /4) 布设浅层承压水井，潜水与承压水混合利用。

表 6. 3 张掖盆地地下水浅埋带部分观测孔信息

图 6. 7 张掖盆地地下水浅埋带同一位置潜水与承压水动态变化曲线

6. 1. 5 小结

目前，张掖盆地的引水渠系建设已达到一定规模。根据国务院批复的 《黑河流域近期治理规划》( 2001) ，在今后一段时期内，重点加强干、支、斗渠的高标准衬砌，这势必会进一步减少张掖盆地地下水的补给量，加剧地下水溢出量的衰减。因此，采取一定的工程措施，将丰水年份多余的洪水存储在戈壁带大厚度含水层系统中，增加地下水的补给，是实现张掖盆地地表水、地下水的联合调度与优化利用的重要手段之一。

上述分析表明，张掖盆地大厚度含水层系统是一巨大的天然地下水库，具备水资源调控的有利条件且经济可行，可以达到以丰补歉、多年调节的目的，对减少水面蒸发，增加可利用的水资源量，保证平、枯水年份达到正义峡下泄量目标具有重要作用。

袭夺地下水浅埋带无效蒸发是增加黑河流域可利用水资源量的重要途径，关键是在处理好与生态保护关系的基础上，确定合理的开采层位和开采布局。上面的分析中给出了初步结论，具体实施过程中还需做进一步的工作。

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