黑龍江省和薩哈共和國(guó)地下水賦存特征分析研究戴

長(zhǎng)雷，于 淼，張曉紅

(1.黑龍江大學(xué) 寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080； 3.黑龍江大學(xué) 中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080； 4.東北聯(lián)邦大學(xué) 東方學(xué)院，雅庫茨克 俄羅斯 677000)

黑龍江省是中國(guó)緯度最高的寒區(qū)，薩哈共和國(guó)是俄羅斯西伯利亞東北部最典型的寒區(qū)。兩地關(guān)于地下水賦存特征的相關(guān)研究各有特點(diǎn)，但又有一些相同之處。在分析中俄相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)兩者的賦存特征進(jìn)行對(duì)比分析，以期為相關(guān)的研究提供參考和借鑒。

1 相關(guān)研究平臺(tái)

研究機(jī)構(gòu)是研究地下水賦存特征不可或缺的平臺(tái)之一，通過對(duì)兩地典型研究機(jī)構(gòu)的級(jí)別和研究?jī)?nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，可更加便捷地了解兩地的研究水平。

俄羅斯薩哈(雅庫特)共和國(guó)境內(nèi)的俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所(該研究所在中國(guó)通常被稱為“西伯利亞凍土所”)成立于1960年，具有近60 a的凍土水文研究歷史，擁有完備的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，是世界一流的寒區(qū)地下水科研機(jī)構(gòu)。該所致力于對(duì)自然和人為因素有關(guān)的凍土水文方面的研究。以凍土所為中心，帶動(dòng)了整個(gè)西伯利亞乃至全俄羅斯的凍土水文研究，為世界寒區(qū)地下水及其相關(guān)領(lǐng)域的理論、實(shí)踐研究做出了重要的貢獻(xiàn)[1]。另外俄羅斯東北聯(lián)邦大學(xué)自然科學(xué)研究所對(duì)永久凍土生態(tài)系統(tǒng)也有著相關(guān)研究。

黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所成立于2007年，是中國(guó)高校中目前唯一一所專門從事寒區(qū)地下水研究的科研團(tuán)體。該所長(zhǎng)期致力于黑龍江中下游中俄跨國(guó)界含水層地下水資源分析與評(píng)價(jià)工作和融雪過程中凍土層水鹽入滲特征試驗(yàn)、積雪和凍土保墑監(jiān)測(cè)試驗(yàn)、溢流積冰的地下水補(bǔ)給通道物探勘測(cè)等試驗(yàn)性監(jiān)測(cè)工作[2-4]。借鑒了加拿大先進(jìn)的寒區(qū)地下水研究經(jīng)驗(yàn)[5]；與美國(guó)阿拉斯加大學(xué)安克雷奇分校開展了寒區(qū)地下水相關(guān)合作[6-9]；成功發(fā)起了“龍江地下水學(xué)術(shù)研討會(huì)”，對(duì)黑龍江省地下水的現(xiàn)狀與問題進(jìn)行了深入探究。另外，省內(nèi)的東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、黑龍江省水文局、黑龍江省水利科學(xué)研究院等單位對(duì)黑龍江寒區(qū)地下水領(lǐng)域的研究也做出了相應(yīng)的智力支持。

綜上所述，從級(jí)別來講，西伯利亞凍土所是國(guó)家級(jí)的研究機(jī)構(gòu)，擁有深厚的研究背景，而寒區(qū)地下水研究所是校級(jí)科研團(tuán)體，二者相差甚遠(yuǎn)。但從研究?jī)?nèi)容而言，兩所研究機(jī)構(gòu)均對(duì)地下水賦存特征進(jìn)行較為深入的研究，且均為專門研究寒區(qū)地下水的研究機(jī)構(gòu)。

2 相關(guān)成果

2.1 文獻(xiàn)的選擇

科研成果主要以文獻(xiàn)的形式體現(xiàn)，其作用是通過相互交流使得信息快速流通，從而促進(jìn)該領(lǐng)域的發(fā)展。文獻(xiàn)涵蓋專著、期刊和報(bào)紙等，其中，專著更能體現(xiàn)研究人員對(duì)該領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)間研究的成果[10-11]。通過同行資料交換，黑龍江大學(xué)中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室資料交換和搜索引擎搜索等方法，搜集整理兩地地下水研究的專著，專著類文獻(xiàn)列于表1[12-21]。

表1 黑龍江省和薩哈共和國(guó)地下水相關(guān)專著

隨著全球?qū)畢^(qū)水科學(xué)問題關(guān)注的提高，從2000年開始，兩地專著類文獻(xiàn)數(shù)量明顯增多。本文共選用專著類文獻(xiàn)10部，黑龍江省和薩哈共和國(guó)地下水相關(guān)專著各5部。歸納整理各專著主題詞，具體比例如圖1所示。

圖1 地下水相關(guān)專著主題詞餅狀圖

2.2 典型專著的對(duì)比分析

地下水賦存特征的研究需要相關(guān)專著類文獻(xiàn)的理論支撐。根據(jù)主題詞出現(xiàn)的頻率，分別選取薩哈共和國(guó)和黑龍江省地下水相關(guān)專著中主題詞出現(xiàn)頻率最高的《寒區(qū)凍結(jié)層上水》和《黑龍江省水文地質(zhì)志》進(jìn)行對(duì)比分析。

薩哈(雅庫特)共和國(guó)科學(xué)院院士、俄羅斯工程院通信院士維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫是著名的凍土水文學(xué)家。由他所著的《寒區(qū)凍結(jié)層上水》深化了現(xiàn)有的關(guān)于凍結(jié)層上水形成、分布、排泄和水體動(dòng)態(tài)方面的研究，對(duì)地球冰凍巖石圈及其水交換作用重新定義，闡明了在自然水圈一體化和相態(tài)變化的條件下自然水循環(huán)的方式及多年凍土分布區(qū)的包氣帶及其地理生態(tài)作用，提出了判斷全球氣候變化與凍土區(qū)城市抗凍的方法，且對(duì)冰泉及其水文地質(zhì)作用進(jìn)行了詳實(shí)的研究。

黑龍江地質(zhì)礦產(chǎn)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院韓振新所著的《黑龍江省水文地質(zhì)志》系統(tǒng)地總結(jié)了黑龍江省近40 a的水文地質(zhì)成果，全面敘述了黑龍江省水文地質(zhì)工作的開始、發(fā)展與開拓前進(jìn)的歷史過程；系統(tǒng)論述了地下水形成的自然背景條件、賦存條件與分布規(guī)律；采用系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，針對(duì)黑龍江省進(jìn)行了地下水資源評(píng)價(jià)；全面論述黑龍江省主要城市地下水資源與環(huán)境及主要環(huán)境水文地質(zhì)問題、礦息水與地?zé)豳Y源，并結(jié)合地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀對(duì)地下水進(jìn)行了區(qū)劃。

綜上所述，就研究方向而言，維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫更多地從事寒區(qū)凍結(jié)層上水方面的理論研究，就研究方向而言，《寒區(qū)凍結(jié)層上水》偏向于寒區(qū)地下水的理論研究，而《黑龍江省水文地質(zhì)志》對(duì)區(qū)域地下水特別是黑龍江省的研究更為深入。就研究?jī)?nèi)容來講，兩部著作均包含對(duì)地下水賦存特征的研究。

3 地下水賦存背景對(duì)比分析

3.1 區(qū)位與地形地貌對(duì)比分析

地理位置對(duì)于地下水賦存的影響十分重要。黑龍江省是中國(guó)位置最北、緯度最高的省份。黑龍江省面積為45.48×104km2，占全國(guó)面積4.7%，是中國(guó)第6大省。薩哈共和國(guó)位于俄羅斯西伯利亞的東北部，面積為310.32×104km2，占俄羅斯總面積的18.12%[22-23]。

總體來看，黑龍江省與薩哈共和國(guó)僅相隔阿穆爾州，但薩哈共和國(guó)緯度更高，面積更大，擁有更廣袤的寒區(qū)環(huán)境，但人口相對(duì)稀少。通過搜集大量相關(guān)圖件，繪制出黑龍江省和薩哈共和國(guó)區(qū)位圖，兩地具體區(qū)位如圖2所示(圖略，有需要請(qǐng)聯(lián)系作者)。

地形地貌會(huì)影響河流走向，進(jìn)而影響地下水賦存，通過對(duì)兩地地形地貌的對(duì)比分析，有利于分析兩地地下水賦存特征。

黑龍江省地勢(shì)大致是西北部、北部和東南部高，東北部、西南部低。省內(nèi)有6座主要山脈，分別是大興安嶺、小興安嶺、伊勒呼里山、老爺嶺、完達(dá)山和張廣才嶺，省內(nèi)的最高點(diǎn)位于海拔1690 m的大禿頂子山[24]。東北部的三江平原、西部的松嫩平原，是中國(guó)面積最大的平原——東北平原的一部分，平原占全省總面積的37.0%，平均海拔為50～200 m，2條主要河流分別是黑龍江(包括嫩江、松花江干流、黑龍江干流和烏蘇里江)與綏芬河[25]。

薩哈共和國(guó)大部分的地區(qū)被山脈和臺(tái)原占居，這兩者占有全境2/3的面積，剩余1/3則是海拔小于200 m低地。境內(nèi)有兩座主要山脈，分別為上揚(yáng)斯克山脈和切爾斯基山脈，最高點(diǎn)位于海拔3147 m的勝利山[26-29]。雅庫特地區(qū)可劃分為兩大地質(zhì)構(gòu)造部分，即西部的西伯利亞平原和東部上揚(yáng)斯克——楚克奇褶皺山地。境內(nèi)主要河流有勒拿河、維柳伊河、奧列尼奧克河、阿爾丹河、科雷馬河。其中勒拿河流域面積249×104km2，水能豐富，長(zhǎng)度與流域面積在俄羅斯河流中僅次于葉尼塞河與鄂畢河而居第3位，流量居第2位，為世界著名大河[30-33]。

總體來看，山脈均為兩地重要的組成部分，其中薩哈共和國(guó)勝利山的最高點(diǎn)海拔要高于黑龍江省的大禿頂子山，另外臺(tái)地和平原也是兩地不可或缺的一部分。舉世聞名的大河兩地各占一條，分別是黑龍江(阿穆爾河)和勒拿河。從流域面積上來講，黑龍江(阿穆爾河)要小于勒拿河；從長(zhǎng)度上來講，兩條河流相差不多。

3.2 氣候特征對(duì)比分析

氣候特征會(huì)影響蒸發(fā)量和降水量，進(jìn)而影響地下水賦存。主要從氣候、溫度和降水量3方面對(duì)兩地氣候特征進(jìn)行對(duì)比分析。

黑龍江省位于歐亞大陸東部、太平洋西岸、中國(guó)最東北部，氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候。全省年平均氣溫多在-5～5℃之間，全省年降水量多介于 400～650 mm之間，中部山區(qū)多，東部次之，西、北部少。降水資源比較穩(wěn)定，尤其夏季變率小，一般為 21%～35%[34]。

雅庫特地處俄羅斯東北部高緯度地區(qū)，氣候?qū)儆诘湫偷拇箨懶詺夂颍韭L(zhǎng)，夏季短暫。全年夏季最高溫與冬季最低溫溫差較大，可達(dá)到100 ℃。大氣降水少，氣候干燥。薩哈共和國(guó)各部分降水量變化較大，東北部降水最少(155～170 mm)，降水最多的是在上揚(yáng)斯克、科雷馬，和薩哈共和國(guó)南部地區(qū)(400～500 mm)。全境年內(nèi)降水變化較大，10月到次年4月降水量最小，5—9月降水量最大，占全年降水量的75～80%[35]。

總體來看，從氣候的角度來講，兩地均屬大陸性氣候，全年夏季最高溫與冬季最低溫溫差較大；從溫度的角度來講，薩哈共和國(guó)的平均溫度較黑龍江省更低；從降水量的角度來講，黑龍江省年降水量要高于薩哈共和國(guó)，且薩哈共和國(guó)年降水的穩(wěn)定程度不及黑龍江省。

4 地下水區(qū)劃與分析

地下水區(qū)劃是對(duì)一個(gè)地區(qū)地下水賦存特征的高度概括性總結(jié)。所以，地下水區(qū)劃能夠綜合地反映出研究區(qū)域的區(qū)域地下水與周圍介質(zhì)相互作用下的形成規(guī)律和分布規(guī)律[36]。地下水分區(qū)圖不僅能揭示出水文地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)各種具有科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值的水文地質(zhì)規(guī)律，同時(shí)還能揭示地下水與地質(zhì)、地貌、構(gòu)造、水文，以及氣候等各種自然因素的關(guān)系。采用地下水區(qū)劃的概念編制地下水分區(qū)圖，是目前公認(rèn)的可較好反映出該地區(qū)地下水賦存特征的手段[37-38]。

進(jìn)行地下水分區(qū)圖的編制時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)地形地貌條件、水文地質(zhì)資料及有關(guān)的基本圖件，對(duì)地下水的補(bǔ)給、運(yùn)動(dòng)和排泄特征進(jìn)行分析。地下水區(qū)劃設(shè)計(jì)時(shí)需要的信息量大，設(shè)計(jì)的范圍也廣，一般包括地表水分區(qū)、地下水資源、行政區(qū)劃的基本情況。在選取底圖的時(shí)候，所包含的要素應(yīng)盡量的全面、詳細(xì)，在此基礎(chǔ)上所顯示的地理信息必須準(zhǔn)確、精度合適規(guī)范、現(xiàn)實(shí)性強(qiáng)，同時(shí)要有相應(yīng)的軟件與之兼容，便于設(shè)計(jì)時(shí)參考和使用[39]。

黑龍江省和薩哈共和國(guó)的地域廣、信息復(fù)雜，以亞洲水文地質(zhì)圖、兩地行政區(qū)劃圖和兩地地表水分區(qū)圖等已有資料為基礎(chǔ)底圖資料，并參考《中國(guó)水文地質(zhì)分區(qū)圖》的編制原則，由于資料的局限性，兩者根據(jù)不同的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，黑龍江省地下水分區(qū)圖根據(jù)地下水所處的區(qū)域進(jìn)行劃分，而薩哈共和國(guó)地下水分區(qū)圖則按照地下水類型(孔隙水、巖溶水、裂隙水和裂隙孔隙水)進(jìn)行劃分。依托于相關(guān)制圖軟件，按照地下水條件、地表水條件和行政區(qū)劃分別進(jìn)行單因素分區(qū)，然后再綜合各因素進(jìn)行耦合分區(qū)，得到兩地地下水分區(qū)圖，如圖3、圖4所示(圖略，有需要請(qǐng)聯(lián)系作者)。

其中，黑龍江省地下水分區(qū)示意圖編號(hào)含義如表2所示。薩哈共和國(guó)地下水分區(qū)示意圖編號(hào)含義如表3所示。

表2 黑龍江省地下水區(qū)劃編號(hào)含義

表3 薩哈共和國(guó)地下水區(qū)劃編號(hào)含義

續(xù)表3

通過地下水、地表水和行政三因素進(jìn)行耦合得到分區(qū)圖，在研究地下水賦存特征時(shí)可同時(shí)兼顧地表水和地下水，又可更為直觀的表示出對(duì)應(yīng)行政單位開發(fā)利用地下水資源和地表水資源的相關(guān)方式。

5 小結(jié)與展望

綜上所述，就科研機(jī)構(gòu)而言，中國(guó)黑龍江省寒區(qū)地下水方面的研究機(jī)構(gòu)數(shù)量較多，但相對(duì)分散且級(jí)別不高。就科研成果而言，中國(guó)寒區(qū)地下水相關(guān)領(lǐng)域的專著數(shù)量較多，類型較全面，但多數(shù)偏向于區(qū)域性研究，理論研究較少，且不夠系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，從地理位置與人口、地形地貌和氣候特征3方面詳細(xì)剖析并對(duì)比分析了兩地地下水賦存背景。兩地僅相隔阿穆爾州，但薩哈共和國(guó)緯度更高，面積更大，擁有更廣袤的寒區(qū)環(huán)境。兩地山脈數(shù)量眾多，且水系發(fā)達(dá)，均屬大陸性氣候，全年夏季最高溫與冬季最低溫溫差較大，且整體溫度較低?？傮w而言，通過對(duì)兩地區(qū)位、地形地貌、氣候特征等因素進(jìn)行對(duì)比分析，可有利加強(qiáng)對(duì)兩地地下水賦存特征的研究。當(dāng)前階段，可在綜合兩地寒區(qū)地下水的相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，開展地下水賦存區(qū)劃的研究。從黑龍江省的角度來看，根據(jù)地下水的賦存區(qū)域可大致分為10個(gè)區(qū)。從薩哈共和國(guó)角度來看，根據(jù)地下水類型大致可分為4個(gè)區(qū)。

為推動(dòng)兩地地下水賦存特征相關(guān)研究，可以開展地下水領(lǐng)域的相關(guān)交流與合作。派出了黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院代表團(tuán)到位于俄羅斯薩哈(雅庫特)共和國(guó)首府雅庫茨克市的俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所進(jìn)行了“中俄寒區(qū)水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室及人才培養(yǎng)”項(xiàng)目和“極地凍土水文氣象監(jiān)測(cè)人才培訓(xùn)”項(xiàng)目，建立中俄寒區(qū)水文和水利工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，并且預(yù)備開展亞歐大陸北部?jī)鼋Y(jié)層上水類型與賦存規(guī)律的相關(guān)研究。另外，也可到美國(guó)阿拉斯加和加拿大等地開展更廣闊的寒區(qū)水文地理研究。