開采與補給量變化對盆地地下水排泄特征的影響

黃小龍，文 靜，胡彥斌，姜建旭

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 蘭州 730022)

0 引言

地下水作為水資源的組成部分，在保障社會用水、維系社會經(jīng)濟發(fā)展、維持生態(tài)平衡等方面具有不可替代的作用[1-2]。但是隨著開發(fā)量的不斷增大，地下水過度開采，引發(fā)土壤次生鹽漬化、城市地質(zhì)沉降、地下水質(zhì)污染、地下水水位不斷下降等系列問題[3]。盆地地下水系統(tǒng)是地下水位、補給量和排泄特征之間相互作用的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著地下水資源的開采不斷增加，以及氣候變化等因素的影響，地下水位和排泄特征可能發(fā)生變化，從而對生態(tài)環(huán)境和水資源管理帶來挑戰(zhàn)。

研究地下水開采與補給量如何影響地下水排泄，對于實現(xiàn)地下水資源的循環(huán)利用，建設(shè)和諧的生態(tài)環(huán)境具有十分重要的意義。對此相關(guān)學(xué)者進行了大量工作，閆志雲(yún)等[4]通過Piper三線圖解法對地下水化學(xué)組分特征及水化學(xué)類型進行分析，采用Wilcox圖解法和水質(zhì)指數(shù)法對地下水水質(zhì)進行了評價，認為地下水從山前礫質(zhì)傾斜平原區(qū)流動到細土平原區(qū)的過程中，經(jīng)過巖石的溶濾作用，導(dǎo)致水質(zhì)逐漸趨于劣化。崔婭茹等[5]、龐園等[6]通過主成分分析法和Spearman秩相關(guān)系數(shù)法分析了盆地地下水綜合質(zhì)量近六年的變化趨勢。楊海嬌等[7]研究了盆地典型流域水化學(xué)特征及地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)在受基巖阻隔和巖性控制的影響下，山間河谷和沖洪積扇前緣地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系的轉(zhuǎn)變使沿程水化學(xué)特征的變化規(guī)律發(fā)生局部逆轉(zhuǎn)。本研究以張掖盆地為研究區(qū)域，收集了多年的地下水位、涌泉流量和降雨數(shù)據(jù)。利用統(tǒng)計分析方法，對這些數(shù)據(jù)進行了處理和分析，以揭示地下水排泄特征的變化趨勢，以期為該地區(qū)地下水的循環(huán)利用提供了理論依據(jù)。

1 盆地地下水

盆地地下水是指儲存在盆地內(nèi)巖層和土層中的地下水，對于維持盆地內(nèi)生態(tài)環(huán)境、支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和滿足人類生活用水具有重要意義[8-9]。盆地地下水的分布特征受多種因素影響，如地形地貌、氣候條件、地質(zhì)構(gòu)造、巖溶發(fā)育程度等。盆地地下水在地下巖層和土層中流動，流動方向和速度受地質(zhì)構(gòu)造、地下水位變化等因素影響，地下水位受季節(jié)性降水、地表水補給和人類活動等因素影響而發(fā)生變化。地下水在運動過程中，會與圍巖發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致地下水化學(xué)成分發(fā)生改變，同時，化學(xué)成分也會受到地表水和其他地下水的補給的影響。地下水溫度受地表溫度、地下深度等因素影響，一般情況下，地下水溫度較低，但在某些地區(qū)也可能出現(xiàn)地下熱水資源。

1.1 盆地地下水補給特征

盆地地下水補給主要包括河流入滲、渠系入滲、灌溉水入滲以及降雨入滲幾個方面，主要受到地形地貌、氣候條件、水文與水系條件以及巖溶發(fā)育程度的影響，同時，人類活動也對盆地地下水補給產(chǎn)生影響[10]。通常情況下，盆地中心部位的地下水補給主要來源于地表水和降水的入滲，而盆地周邊地區(qū)的地下水補給依賴于地表水和地下水的徑流以及山地降水。氣候條件決定降水的頻率與強度，而降水作為地下水補給的主要來源之一，對盆地地下水補給具有重要作用。

盆地內(nèi)的水文和水系條件同樣對地下水補給產(chǎn)生重要的影響。水文條件良好的地區(qū)，地下水補給也更為充足，水系發(fā)達的區(qū)域，地表水和地下水的補給更為充足，此外，河流、湖泊等水體對地下水的補給也有顯著影響。盆地內(nèi)的巖溶發(fā)育程度影響了地下水的流動和補給方式，巖溶發(fā)育發(fā)達的地區(qū)存在更多巖溶裂隙，能夠提供更多的地下水補給通道。人類通過農(nóng)田灌溉、城市化進程和水資源開發(fā)利用等活動也會改變地下水的補給條件，進而影響盆地地下水的補給特征。

1.2 盆地地下水排泄特征

盆地內(nèi)地下水的排泄方式主要包括地下水開采、河床溢出和蒸發(fā)排泄3種形式。地下水開采用于補充地表水資源、保障飲用水供應(yīng)以及農(nóng)業(yè)灌溉用水。地下水開采不合理，會帶來水質(zhì)惡化、水資源枯竭等危害，因此要科學(xué)合理的開采地下水資源。

河床溢出主要表現(xiàn)為泉水與泄流和兩種形式，其中泉水的形成與地下水的循環(huán)過程密切相關(guān)。當?shù)叵碌臐撍虺袎核ㄟ^巖層的裂隙或洞穴涌出地表時，就形成了泉水，在這個過程中，地下水在地下巖石中流動，不僅可以帶走一部分溶解在水中的有害物質(zhì)，而且還可以溶解巖石中的礦物質(zhì)，使得泉水的水質(zhì)相對較好。河床溢出是指河流水位超過河床邊緣，河水流到河床外的現(xiàn)象。這種情況通常發(fā)生在河流水量過大、冰雪融化速度快、降雨過多等特殊時期。河床溢出會對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，如淹沒農(nóng)田、草地，影響交通等。同時，河床溢出還可能導(dǎo)致河水中的污染物質(zhì)擴散到更廣泛的區(qū)域，對水環(huán)境造成污染。

地下水蒸發(fā)是指地下水在地表以下或地表處發(fā)生的蒸發(fā)過程，這個過程是地下水循環(huán)系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過地下水蒸發(fā)，使得地下水與地表水之間實現(xiàn)相互轉(zhuǎn)換，對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)具有十分重要意義。地下水蒸發(fā)主要受到氣候條件、地質(zhì)條件、地下水位、和水質(zhì)四個因素的影響，溫度較高、濕度較低的地區(qū)，地下水蒸發(fā)速度較快；巖石的孔隙度和裂隙發(fā)育情況均能對地下水蒸發(fā)產(chǎn)生影響，裂隙發(fā)達的巖層更容易使地下水蒸發(fā)；地下水位較高時，更容易形成地下水蒸氣；含有較高鹽分的地下水蒸發(fā)速度會降低，由于鹽分在蒸發(fā)過程中會留在巖石表面，形成鹽類結(jié)晶。

2 盆地地下水響應(yīng)分析

地表水與地下水有著不可分割的緊密聯(lián)系，地下水與河水之間不斷循環(huán)、反復(fù)轉(zhuǎn)化是盆地水資源的主要變化形式，張掖盆地位于河西走廊中部，黑河干流中游地區(qū)，本文以此盆地進行研究。

2.1 盆地地下水均衡研究

在水循環(huán)的基礎(chǔ)上，通過對地下水均衡進行分析，不僅可以定量統(tǒng)計盆地內(nèi)地下水源各要素的占比，而且可以研究地下水溢出量與儲存量、補給量之間的相互關(guān)系，進而提高地下水資源的利用效率。盆地內(nèi)地下水溢出量由地下水儲存量和補給量轉(zhuǎn)化而來，張掖盆地內(nèi)2013年地下水排補情況如圖1所示。

圖1 張掖盆地地下會補排量餅狀圖

盆地內(nèi)地下水補給來源包括5個部分，分別為：河水入滲、渠系水入滲、灌溉水入滲、降水入滲以及渠系水入滲。其中河水入滲作為地下水補給的主要來源，占比高達51.9%；渠系水入滲量占比28.9%，是地下水補給的次要來源；灌溉水入滲量占比10.7%，僅次于渠系水入滲量；溝谷潛流量和降水入滲量共計占比不足10%，其中溝谷潛流量占比3.1，降水入滲量占比5.4%。盆地內(nèi)地下水排泄主要包括地下水溢出、地下水開采以及地下水蒸發(fā)三個部分，其中地下水溢出作為地下會排泄的主要途徑，占比高達77.3%；地下水蒸發(fā)與地下水開采是地下會排泄的次要途徑，占比分別為12.9%和9.8%。

2.2 開采量對地下水位、溢出量的影響

地下水開采量作為盆地地下水排泄量的重要組成部分，主要通過影響地下水位來影響地下水的溢出量，盆地地下水資源量的增加部分主要為排泄量的減少量，補給量的增加量和能動的儲存量，三者之間相互聯(lián)系，相互影響。保持盆地地下水補給量不變的情況下，增加地下水開采量，必然增加地下水儲存量的消耗，進一步影響地下水蒸發(fā)、溢出等排泄。根據(jù)2005—2022年張掖盆地地下水開采量與溢出量舉例分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 地下水溢出量與開采量的關(guān)系曲線圖

由圖2可知，2013年之前，盆地地下水溢出量與開采量呈現(xiàn)負相關(guān)的趨勢，隨著開采量的增加必然導(dǎo)致地下水位下降，地下水溢出量也隨之減少。2013年之后，地下水開采量基本穩(wěn)定，地下水溢出量受到河道水入滲量的影響，整體呈現(xiàn)上升的趨勢。

2.3 補給量對地下水位、溢出量的影響

盆地地下水補給主要來源于灌區(qū)引水與河道滲透兩方面，對溢出量的影響也主要分為2個方面，一方面是水力坡度的改變，一方面是地下水位的影響，這種影響通常具有滯后性的特點，滯后時間難以確定，短則幾個月，長則可至幾年。1997—2022年之間，河流入滲量與地下水溢出量關(guān)系如圖3所示。

圖3 地下水均衡溢出量與河道滲入量的關(guān)系曲線圖

由圖3可知，2009年之前河道入滲量與灌區(qū)引水量基本保持一致，并且處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，而地下水溢出量整體出現(xiàn)減少的趨勢，其年均減少量為0.2×108m3，這與水文周期中的偏枯期具有一定的關(guān)系。2009年之后，灌區(qū)引水量稍微增加，年均引水量為5.2×108m3，并且基本保持平穩(wěn)趨勢，而地下水溢出量與河道入滲量均呈現(xiàn)明顯增加趨勢，其原因是河道滲漏量的增加使得山前沖洪積戈壁帶地下水位普遍上升，從而提高了細土平原地下水的溢出量。同時，隨著偏豐水文周期的來臨，政府加強相關(guān)管理對黑河河水進行治理。由此可見，河道入滲量與地下水溢出量為正相關(guān)關(guān)系，入滲量增加則溢出量增加，入滲量降低則溢出量降低。

3 結(jié)論

本文以以張掖盆地為研究對象，收集多年的地下水位、涌泉流量和降雨數(shù)據(jù)，從而揭示地下水排泄特征的變化趨勢，得到了開采量與補給量對地下水位、溢出量的影響。研究表明：地下水溢出為地下會排泄的主要途徑，占77.3%；地下水蒸發(fā)與地下水開采是地下會排泄的次要途徑，占比分別為12.9%和9.8%；地下水開采量基本穩(wěn)定，地下水溢出量受到河道水入滲量的影響，整體呈現(xiàn)上升的趨勢；河道入滲量與地下水溢出量為正相關(guān)關(guān)系，入滲量增加則溢出量增加，入滲量降低則溢出量降低。研究結(jié)果可為該地區(qū)地下水的循環(huán)利用提供依據(jù)。