祁曉凡，李文鵬，崔虎群，康衛(wèi)東，劉振英，邵新民

（1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081；2.中國地質(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.西北大學地質(zhì)學系,陜西 西安 710069；4.河北地質(zhì)大學水資源與環(huán)境學院,河北 石家莊050031；5.浙江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測中心,浙江 杭州 310007）

中國西北干旱內(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)濟社會與生態(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]。科學認識地表水與地下水的相互轉(zhuǎn)化機制，充分利用山前大厚度含水層調(diào)蓄功能，對于干旱內(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)化一直是國內(nèi)外學者研究的熱點，研究內(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活動作用下，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60年代，繪制黑河流域洪積扇群帶河水滲漏率（平均單長滲漏率）與河流流量的關(guān)系曲線[5]；通過1967年和1985年流量實測資料，形成黑河鶯落峽—黑河大橋河段單長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 大橋測流數(shù)據(jù)，計算草灘莊—黑河大橋河段河道入滲補給量與河道過水量的分段經(jīng)驗函數(shù)[9-10]。基于以上方程分別計算了中游洪積扇群帶河水滲漏補給量，統(tǒng)計河水滲漏率[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。水利部門提出不同類型與不同襯砌程度灌渠渠道單長滲漏率與渠道引水量的近似計算式[5]；1985—1986年選擇76 條典型干支斗渠進行滲漏率測定，進一步總結(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)計渠系單長滲漏率[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)通過經(jīng)驗值或數(shù)值模擬等方法給定[3，7]。灌溉水入滲補給量通常采用公式法計算[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月實測的黑河山丹橋—正義峽地下水溢出量，得到地下水累積溢出量和單長溢出量沿程變化曲線[3，6-7]。通過數(shù)值模擬進一步研究黑河單長溢出量沿程變化規(guī)律[10]。應(yīng)用分布式光纖測溫技術(shù)研究了臨澤平川段地下水溢出帶的位置與溢出強度相對大小[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)化機制的有效手段[9-16]。國內(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)研究計算的黑河與梨園河河水滲漏補給量差別可達3 倍以上，經(jīng)由黑河泄出的地下水排泄量差別可達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)過程的資源量，而人類活動的影響更為深遠。張光輝等[17]認為黑河流域水循環(huán)模式總體可概括為自然—人工二元復合水循環(huán)模式，人工綠洲的迅速擴展，導致水循環(huán)的自然過程變異；周劍等[18]認為中游盆地耕地擴張是導致沖積扇中上部地下水水位下降和植被退化的主要因素，同時影響地下水系統(tǒng)的補排關(guān)系；丁宏偉等[19]認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)榧毻疗皆畮У木植克h(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)路徑擴大。需進一步開展黑河中游盆地河水滲漏與地下水溢出規(guī)律研究，分析人類活動作用下長水文周期尺度的地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制。

本研究基于1∶5 萬水文地質(zhì)調(diào)查、地下水監(jiān)測與國家自然科學基金項目數(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變水平衡模型方法，分段計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 多年水資源開發(fā)利用情況和地下水動力場變化過程作為模型校正依據(jù)，進行模型識別與驗證，研究了長周期水文變化和人類活動雙重影響下地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制。該研究可為我國西北干旱內(nèi)流盆地水平衡分析與水資源可持續(xù)開發(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，北至中蒙國界線，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移，最終匯入額濟納盆地的東、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，自然資源部門、水利部門、氣象部門、中國科學院等在黑河流域開展了大量工作，其中近些年代表性工作包括：2014—2018年中國地質(zhì)調(diào)查局“黑河流域重點地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查”、“河西走廊黑河流域1∶5 萬水文地質(zhì)調(diào)查”，2010—2017年國家自然科學基金委員會重大研究計劃“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究” 與2015年啟動的“國家地下水監(jiān)測工程”等。依托以上工作，黑河流域建成地下水、水利與遙感監(jiān)測網(wǎng)，取得了豐富的地下水、地表水、水資源開發(fā)利用、土地利用與蒸散發(fā)等資料；依據(jù)各類型水文地質(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)測科學試驗基地與水文參數(shù)試驗場，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)測數(shù)據(jù)；各灌區(qū)引水量、開采量等水資源開發(fā)利用數(shù)據(jù)采用張掖市水務(wù)局統(tǒng)計數(shù)據(jù)。以上數(shù)據(jù)均為1990—2020年月值數(shù)據(jù)。G312大橋徑流量為重點基金項目2011年8月1日—2013年10月30日測流數(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)量等觀測數(shù)據(jù)，采用黑河主干河道時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 大橋為界，亦稱為地表水與地下水轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)折點。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 萬水文地質(zhì)調(diào)查成果，包括野外調(diào)查、物探、鉆探、監(jiān)測與各種試驗等，進行中游盆地水文地質(zhì)條件再分析。通過對模型結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)、邊界條件與源匯項等的概化、賦值與調(diào)參，建立地表水-地下水耦合數(shù)值模型。模型重點關(guān)注地表水與地下水的相互作用，刻畫中游盆地流量場時空變化。通過基于多種實測數(shù)據(jù)的模型識別與驗證，評價模型模擬效果，分析盆地地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制。

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

黑河出山徑流觀測斷面為鶯落峽水文站，該站多年徑流量動態(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，河道入滲補給主要受控于進入河道的實際過水量。

圖2 鶯落峽年徑流量歷時曲線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、閘口泄水量和三級電站引水量組成，其中三級電站引水量大部分輸送到大滿、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 個人工湖（圖3）。2006年以前無三級電站引水量。

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，采用水量平衡法計算該時段的河水滲漏量，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三級電站——三級電站引水量/（108m3·mon-1）。

龍電渠滲漏量采用平均入滲率計算。2010年黑河全河段閉口調(diào)水期間，依據(jù)鶯落峽和草灘莊實測日流量，得出當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，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，計算得1990—2020年鶯落峽—草灘莊河段多年平均河道滲漏補給量為1.75×108m3，占平均河道來水量（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水量顯著減少，河道滲漏補給率增大。

（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黑河大橋開展27 個月的黑河徑流量日值觀測（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€分割法分割出河川基流量與轉(zhuǎn)換斷面徑流量（圖4）。使用河道水平衡計算草灘莊—G312 黑河大橋河段河道滲漏量，計算公式為：

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）。

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

計算得1990—2020年草灘莊—G312 大橋河段平均河道入滲補給量為4.63×108m3/a，占河道過水量（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較小，參考39%滲漏率值。本次應(yīng)用G312 大橋測流數(shù)據(jù)計算的河水滲漏補給率較前期增大。年際動態(tài)上，河道過水量越大，河道滲漏補給率相對越小。

1990—2020年鶯落峽徑流量為17.96×108m3/a?，F(xiàn)狀水資源開發(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，人類活動條件下，黑河河道過水量減少，河道入滲率提高，但入滲補給量減少。

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月實測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，見圖5。從圖上可以看出，地下水累積溢出量沿程呈增加趨勢，G312 大橋—平川大橋累積溢出量呈近似直線快速增長，平川大橋—正義峽段緩慢增長，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算地下水溢出量。每年1、2月黑河干流自由下泄，無渠道引水，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，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算成果[3]。繪制1956—2020年地下水溢出量與不同時期實測溢出量歷時曲線，見圖6?？梢娀谒胶夥ㄓ嬎愕玫降?956—2020年溢出量與6 次實測溢出量數(shù)值接近，相對誤差僅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。溢出量呈多年動態(tài)變化，總體變化呈三次曲線形態(tài)，1971年之前年均增長量為0.14×108m3，1971—2003年年均衰減量為0.16×108m3；2003—2020年年均增長量為0.14×108m3。

圖6 地下水平衡溢出量、實測溢出量歷時曲線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)學模型[10]。模型補給項包括降雨入滲補給量、河流滲漏補給量、渠灌（渠道）滲漏補給量、渠灌（田間）入滲補給量、井灌（田間）回歸補給量、山前河谷潛流側(cè)向補給量、山前非河谷側(cè)向補給量與泉水灌溉回歸補給量，排泄項包括潛水蒸發(fā)量、地下水開采量、地下水溢出量。模型模擬期為1990—2020年，時間步長為月。

采用地下水流場、地下水水位動態(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)進行模型識別與驗證[10]。以1990—2015年為模型識別期，2016—2020年為模型驗證期。

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，分析地下水儲量變化特征與地下水補給徑流排泄變化機制。

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，滲漏能力達到地層滲漏能力上限。沿途滲漏量隨流量呈非線性變化，具體受河道濕周與水深的綜合影響，而與地下水水位無關(guān)。滲漏量年際變化較大，1990—2001年黑河滲漏量呈減少趨勢，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，同時農(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（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）動態(tài)曲線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—正義峽水文站進行了15 個河流斷面的流量實測[7]。2002年12月G312黑河大橋—正義峽進行了11 個斷面的流量實測，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 個單長溢出分段[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行對比。2020年數(shù)值模擬單長溢出量總體很好地反映了以上2次實測沿程變化趨勢，見圖8。黑河沿程單長溢出量，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水能力制約，G312 大橋—平川大橋河段，含水層厚度大、導水性強，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204 km 的逐月徑流過程，見圖9。

圖9 2013年鶯落峽—正義峽黑河逐月沿程徑流過程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，同時該段河道沿岸有36 個干渠引水口在農(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活動的影響相對較小。

多年來，黑河干流河道懸河補給段與地下水溢出段的轉(zhuǎn)折點變化不明顯，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變化上下游略有移動。

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活動影響下存在顯著差異，不同年代水資源開發(fā)利用強度不同，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)是一個完整的整體，補給條件改變是地下水系統(tǒng)變化的主要動力，補給和開采共同影響整個地下水循環(huán)模式，進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)化機制的變化。

2.3.1 中游盆地地下水補給機制

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

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

通過地表水-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)地下水平均補給量為18.24×108m3/a，排泄量為18.78×108m3/a，補排差為-0.54×108m3/a。其中，1990—2001年盆地地下水補給量為16.54×108m3/a，排泄量為17.98×108m3/a，補排差為-1.44×108m3/a；2002—2020年盆地地下水補給量為19.32×108m3/a，排泄量為19.28×108m3/a，補排差為0.04×108m3/a（表1）。模擬期地下水總儲變量為-16.52×108m3，其中1990—2001年盆地地下水儲變量為-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給量平均以0.06×108m3/a 速率減少，農(nóng)田灌溉面積增加導致灌溉用水增加，地下水開采量顯著增加，地下水水位逐年下降，儲存量累計減少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，地下水總補給量平均增加0.15×108m3/a，灌溉面積繼續(xù)擴大，農(nóng)灌開采量隨之增加，以河道入滲量增加為主導，地下水水位持續(xù)上升，儲存量累計增加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期處于持續(xù)下降狀態(tài)，這是由于地表水開發(fā)過度而使地下水補給量銳減。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，鹽池盆地傾斜平原地下水水位長期處于持續(xù)下降狀態(tài)，這是由于移民開墾導致地下水過量開采。

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給量年際波動大，而排泄量年際波動?。▓D11），地下水儲存量先減后增，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)地下水開采量增加時，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)歷年地下水補排量與補排差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制

依據(jù)黑河中游強徑流帶典型監(jiān)測孔水位動態(tài)變化（圖12），選取1990、2001、2014、2020年4 個典型年，分析天然條件與人類活動共同影響下中游盆地地下水強徑流帶動態(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的空間形態(tài)取決于地下水補給、排泄條件和含水層導水能力的空間分布。黑河干流中游盆地地下水的強徑流帶為甘州區(qū)大滿至臨澤縣平川一帶，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，反映了黑河強烈滲漏對地下水的補給（圖13）。鹽池盆地與黑河以東諸河傾斜平原，地下水補給量相對較小而面積相對較大，因此地下徑流流量相對較小。侵蝕堆積平原地下水溢出，地下徑流流量相對較大，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徑流帶范圍動態(tài)變化，主要受黑河出山徑流、灌區(qū)地下水開采與灌區(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，地下水開采量越小，強徑流帶范圍越大?；陂L周期水文變化情況與強徑流帶地下水水位動態(tài)選取4 個典型年份，按3 個時段進行分析。1990—2001年，黑河流域連續(xù)枯水，鶯落峽多年平均徑流量僅為15.35×108m3，天然河道過水量少，河道入滲補給量少，灌區(qū)引水量逐年略減而地下水開采量顯著增加，使強徑流帶地下水水位持續(xù)下降，強徑流帶范圍減小，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)主導作用，強徑流帶地下水水位持續(xù)上升，強徑流帶范圍增大，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采量繼續(xù)增大，三者共同作用使強徑流帶地下水水位雖略有下降但仍然較高，強徑流帶范圍較大（表1、圖11—圖13）。

圖13 典型年份黑河中游盆地強徑流帶動態(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，識別黑河干流河道滲漏補給影響區(qū)（圖14）。1990—2001年，受流域連枯與地下水開采增加等因素的影響，黑河補給影響區(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)引水與地下水開采共同作用下，黑河河道滲漏補給影響區(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；人類活動影響下，地下水排泄除上述2 種方式外，新增地下水開采排泄（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%，地下水開采占18.54%，兩者合計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 個典型年份，通過流線追蹤分析中游盆地黑河溢出量中來自黑河滲漏補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給量占總補給量的比例由36.92%減小至34.22%，這主要受鶯落峽來水量減小的影響；黑河溢出量中來自黑河的滲漏補給量占比由63.37%增大至67.80%，其原因可能是隨著灌區(qū)地下水開采量的顯著增加（表1），因黑河補給路徑相對較遠使開采量中來自黑河滲漏補給的水量相對減少。與2001年枯水年相比，2014年豐水年黑河滲漏補給量占總補給量的比例顯著增大，黑河溢出量增大，黑河溢出量中來自黑河的滲漏補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，黑河滲漏補給量占總補給量的比例減小，黑河溢出量中來自黑河的滲漏補給量占比也有所減小。總體而言，鶯落峽徑流量越大，中游盆地黑河滲漏補給量占總補給量的比例越大，黑河溢出量中來自黑河的滲漏補給量占比也越大。遠離泉水溢出區(qū)的灌區(qū)引水與開采對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)引水與開采則會有一定影響。

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

圖16 典型年份黑河溢出流線示意圖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狀補給演變?yōu)橐院恿髋c引水渠道滲漏的線狀補給和灌區(qū)田間入滲面狀補給方式；以泉水溢出排泄和天然濕地排泄演變?yōu)橐匀绯雠c地下水開采為主的排泄；甘州區(qū)大滿—臨澤縣平川一帶發(fā)育紡錘體狀的地下水強徑流帶，隨補排關(guān)系變化而變化。

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

（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水能力制約。G312 大橋—平川大橋河段含水層厚度大、導水性強，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，該處單長溢出量可達0.46 m3/（s·km）。

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

（6）黑河中游盆地河流—含水層系統(tǒng)是一個有機的整體，補給條件改變是地下水系統(tǒng)變化的主要動力，補給和開采共同影響整個地下水循環(huán)模式，進而影響泉水溢出的范圍和溢出量。黑河—梨園河平原1990—2001年連枯期補給量減少，地下水水位逐年下降，儲存量減少，地下水溢出量減少；2002—2020年連豐期地下水補給量增加，水位持續(xù)上升，儲存量增加，地下水溢出量增加。在連枯—連豐長周期水文過程中，黑河—梨園河平原河道滲漏量變化強烈，地下水儲存量先減后增，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，黑河以東諸河平原由于地表水開發(fā)過度，補給量銳減。鹽池盆地移民開墾導致地下水過量開采，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給通道，無論連枯期還是連豐期，河道實際過水量是河道滲漏補給量的關(guān)鍵，保護上游天然河道和一定的河道實際過水量是內(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，水資源開發(fā)利用應(yīng)充分認識地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制，重視巨厚含水層系統(tǒng)調(diào)蓄功能，開展地表水地下水聯(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，保護濕地與天然植被，做到引水有度，開采有序，促進內(nèi)流盆地水文、生態(tài)與經(jīng)濟社會協(xié)調(diào)健康發(fā)展。