运用氧稳定同位素研究黑河中游盆地地下水与河水转化

在西北干旱区内陆河流域盆地, 地表水与地下水转化频繁, 研究地表水与地下水转化对于有效地开发利用水资源和预测地下水环境的变化具有重要的意义. 运用地下水和地表水中稳定同位素δ18O 值存在明显差异的特点, 在黑河中游盆地沿不同河段地表水和地下水现场取样, 进行同位素分析. 结果表明: 在黑河中游盆地绿洲灌溉区, 农田灌溉严重影响了地下水和地表水之间的转化, 导致地下水补给地表水的增加. 运用质量守恒原理, 定量分析了黑河中游盆地黑河地下水与地表水转化的转化量, 为正确评价和合理利用水资源奠定了基础.     

甘肃省黑河流域土地沙漠化的水文学指征初探

黑河流域土地沙漠化及水资源合理利用一直是该流域研究的焦点问题。文章首先从土地沙漠化分布范围、种类、面积、沙漠化程度等方面，分析了黑河流域土地沙漠化的现状：土地沙漠化主要发生在流域的中下游地区，尤以额济纳绿洲沙漠化形势严峻；其次，从地表水、地下水之水质、水量方面分析了黑河流域水环境变化的状况：人类不合理的经济活动，导致黑河流域水资源环境恶化，具体表现在地下水、地表水水位下降、水质恶化。在此基础上，从黑河流域地表水及地下水着手，初步提出了黑河流域土地沙漠化的水文学指征体系：其中，地表水主要包括蒸发与蒸腾的消耗、径流和渗漏3个部分；径流部分又分为地表水流经区域及水量变化、干流水量的系列变化以及泥沙沉积3方面；地下水则主要有水质变化及水位的连续变化2方面。     

黑河流域中西部子水系水资源分布特征研究

根据研究区的气象、水文、地质和冰川等资料,结合野外调查,研究了黑河流域中西部子水系的降水资源、冰川资源、地表水资源、地下水资源、水资源总量及其时空分布特征.山区水资源主要由祁连山南部的降水、冰雪融水等形式补给,以冰川、地表水、地下基流形式存在,冰川融水补给量为0.5532×108m3,地表水资源量为11.64×108m3,出山口基流量为5.264×108m3.河流进入山前平原后,地表水与地下水多次重复转化,南盆地地下水资源量为8.74×108m3,北盆地地下水资源量为2.06×108m3.中游耗水量的增加,加剧了中游和下游地区用水矛盾.对河流水质现状进行了分析评价,中、下游受生活污水、工业废水、农业退水的影响,河流水质较差.随着张掖市节水型社会建设和黑河流域综合治理的逐步推进,黑河流域中西部子水系的水资源问题日趋突出,研究水资源的分布特征,可为区域水资源的管理调度、可持续利用提供科学的决策依据.     

近三十年黑河中下游盆地地下水资源变化特征与演变趋势分析

根据1980～2005年地下水观测资料,对黑河流域中游张临高盆地与下游额济纳绿洲地下水资源变化特征及未来演变趋势进行了分析和预测。结果显示,近几十年来黑河流域中下游盆地地下水资源的变化过程主要分两个阶段。2000年黑河实施调水之前,中游盆地地下水资源主要受地表径流和阶段性土地开发利用的影响,出山径流与地下水资源的关系相对稳定,下游盆地地下水资源受中游用水的影响十分明显;从2000年实施调水后,中游盆地地下水资源与出山径流的关系发生了变化,中游盆地地下水平均水位持续下降,地下水资源量呈减少趋势,而下游额济纳旗盆地由于流入地表水数量增加,相应对地下水的补给量也增大,地下水水位则有不同程度的上升。为此,建议在水资源的利用中,应当充分利用地表水、地下水多次转化过程,最大限度地提高水资源的总体利用率。     

黑河流域水资源转化特征及其变化规律

黑河流域水资源主要以冰雪水资源、 地表水资源与地下水资源的形式存在.上游祁连山区分布有现代冰川428条, 发育大小河流共计29条, 多年平均出山径流量37.83×10⁸m³·a^-1; 中下游走廊平原由松散沉积的第四系盆地组成, 接受出山河水及引灌河水的入渗补给, 是地表水资源的重复表现形式, 地下水补给量为25.637×10⁸m³·a^-1.受构造-地貌条件的制约, 自南部山区至北部盆地, 地下水与河水之间经过5个不同地带有规律的、 大数量的、 重复的转化过程, 形成完整统一的"山区地下水-出山地表水-中游盆地地下水-中游盆地地表水(泉水)-下游盆地地下水"水资源循环转化系统.     

黑河中游盆地水资源转化规律研究

基于近二十多年黑河中游盆地的地表水和地下水观测资料,通过对盆地水资源转化规律的认识,利用水文系统分析法分析了该区域地表水、地下水相互转化规律,建立了盆地出口断面水资源量转化模型和盆地平均地下水水位变幅变化模型,经模型计算值与实测值比较吻合的较好,故可运用模型预测该盆地出口断面的水资源量和地下水水位的变化幅度。根据黑河出山径流不同频率的来水量,预测了现状条件下中游绿洲区平均地下水水位的变化幅度。得出了应该充分利用地表水和地下水的相互转化提高水资源的总体利用率,单方面考虑提高地表水利用率的做法有可能破坏地下水资源、降低水资源的总体利用率和造成生态与环境恶化的结论。     

1985-2013年黑河中游流域地下水位动态变化特征

在气候变化和人类活动的影响下, 黑河流域地表水和地下水的时空分布特征发生了很大变化. 研究水系统演化及其驱动机制对流域水资源可持续管理非常关键. 基于甘肃河西黑河中游流域地下水位动态、水文气象、土地利用和灌溉统计数据, 研究了1985-2013年黑河中游流域地下水位时空变化. 结果表明: 地表水的不合理分配和耕地的扩展导致了地下水的过量开采和地下水位的剧烈变化. 1985-2004年区域地下水位以下降为主; 2005-2013年呈现下降和回升两极发展趋势, 冲洪积扇群带地下水最大下降达17.41 m, 而黑河干流沿岸地下水位最大回升了3.3 m, 地下水埋深普遍增加了1.0~3.0 m. 尽管地下水位在2005-2013年表现出回升趋势, 但干流中游盆地地下水系统处于严重负均衡状态, 制定合理的“生态分水”方案和水资源综合管理规划非常紧迫.     

黑河流域中游人工水循环系统在分水前后的变化

介绍了黑河流域中游人工水文循环过程及其中各系统之间的关系,目标是为黑河流域生态—水文过程模拟提供一套较准确的数据集。利用张掖市水利年报、莺落峡水文站资料以及张掖市水资源管理年报等调查数据分析了黑河分水前后,2000年和2010年黑河流域中游引水、输水和用水系统的变化过程,得出以下结论:①人工水文循环过程通过引水系统、输水系统、储水系统和用水系统来影响农业水资源在时空上的分配,它是人类活动影响下的中游水文循环过程的重要组成部分;②2010年比2000年引水口门减少了26处,渠道综合水利用率提高了3.6%;③与2000年相比,2010年地表水和地下水资源开发利用在空间上产生了很大变化,地表水引水量减少了1.05亿m3,地下水开采量增加了1.64亿m3。最后,从径流、地下水、大气水方面分析了人工水循环过程对自然水循环过程的影响。     

黑河流域水资源及现阶段合理开发利用

黑河是我国西部较大的一条内陆河,近30多年来,由于中游地区水资源开发利用程度不断提高,使进入下游额济纳平原的地表水逐渐减少,导致下游生态环境发生恶化.为了拯救下游绿洲,改善生态环境,自1992年起对黑河中、下游用水实行计划调度,1999年开始实施国家定量分水方案.根据近几年的最新调查研究成果,计算评价了黑河流域的总水资源、地表水资源、地下水资源、地表水和地下水的利用现状及开采潜力.在此基础上,提出现阶段中游以加强引输水工程改造、提高地表水资源利用率和推广田间节水灌溉工程,发挥水利用效益;下游以适度开发利用地下水、加强地表水和地下水综合开发利用,改善生态环境.为中、下游科学分配地表水资源和合理开发利用地下水资源提供科学依据.     

新疆白杨河流域水资源特征及开发利用对策

通过对新疆准噶尔盆地西北缘白杨河流域水资源特征的分析,阐述了区内水资源开发利用现状,指出水资源开发利用存在地表水与地下水统一规划缺失、灌溉方式落后、开发利用缺乏全局观念以及对水与生态环境缺乏系统研究等的主要问题,提出加强流域综合分析研究,改变落后灌溉方式、对地表水和地下水实行统一管理开发、加强地下水动态监测等措施,对流域地表水与地下水资源进行合理开发利用。     

The research of groundwater flow model in Ejina Basin,Northwestern China

Water resources is a primary controlling factor for economical development and ecological environmental protection in the inland river basins of arid western China. Groundwater, as the important component of total water resources, plays a dominant role in the development of western China. In recent years, with the utilization ratio of surface water raised, the groundwater recharge rate has been reduced by surface water, and groundwater was exploited on a large-scale. This has led to the decline of groundwater levels and the degradation of eco-environments in the lower reaches of Heihe watershed, especially. Therefore, the study on the groundwater-level change in recent years, as well as simulating and predicting groundwater levels changes in the future is very significant to improve the ecological environment of the Heihe River Basin, coordinate the water contradiction, and allocate the water resources. The purpose of this study is to analyze the groundwater-level variations of the Ejina region basin on a large-scale, to develop and evaluate a conceptual groundwater model in Ejina Basin; according to the experimental observation data, to establish the groundwater flow model combining MODFLOW and GIS Software; simulated the regional hydrologic regime in recent 10 years and compared with various delivery scenarios from midstream; determined which one would be the best plan for maintaining and recovering the groundwater levels and increasing the area of Ejina Oasis. Finally, this paper discusses the possible vegetation changes of Ejina Basin in the future.     

中国西北地区额济纳绿洲植被盖度与黑河流量的滞后效应研究

干旱区植被生长与地下水的关系是生态水文地质学研究的热点之一。西北干旱地区,由于降水稀少,绿洲是当地人类生存和发展的主要依托。近年来,随着黑河流域中游地区用水量的逐年加大,下游来水量减少,使得下游额济纳绿洲的面积不断减小,湖泊干涸,沙漠化严重,生态环境恶化。由于绿洲植被的生长与水有极为密切的关系,因此,研究河流流量与绿洲植被生长之间的定量关系,对改善黑河流域生态环境、协调用水矛盾和合理配置水资源具有重要意义。将遥感数据与黑河径流量数据相结合,在区域尺度上定量研究额济纳绿洲植被生长与河流径流量的关系。结果表明,绿洲植被对黑河径流以及地下水有很强的依赖关系,而且黑河径流对额济纳绿洲的影响存在一年的滞后期,而地下水则通过这种滞后作用将两者联系起来。     

河西内陆干旱区地表和地下水资源的相互转化研究

根据有关台站的水文气象观测资料及"九五"国家科技重点攻关项目"96－912"专题有关成果,对甘肃省河西内陆干旱区地表水、地下水资源的数量、分布特征与变化规律及相互转化关系进行了分析和研究。结果表明,内陆干旱地区的地表径流主要形成于中、高山区,散失于山前平原和沙漠。径流的补给来源主要为大气降水、冰雪融水和地下水。降水量及其时空分布对水资源的形成有着重要的影响。这里降水、河川径流与地下水转化关系十分明显。内陆干旱地区水资源最主要的特征就是从山区到平原地表水与地下水在不同地质地貌单元间的相互转化,并且由径流源区的山区到河流下游的平原,不同区域、不同地段地表水与地下水的转化关系及地下水的流动模式亦不相同：即由降水与冰雪融水下渗所形成的山区地下水绝大部分以基流形式排泄,形成地表径流进入盆地;而河流在进入盆地或平原区流经透水性极强的山前冲、洪积平原后又大量渗漏补给地下水,山前冲、洪积扇平原的地下水沿地形坡降向冲积平原运动至冲积扇缘地带后,由于含水层土壤颗粒变细,导水性减弱,形成地下水溢出带,地下水沿沟壑呈泉水大量溢出地表,汇集成泉沟进入河流而转化成为地表水。在冲、洪积扇以下的冲积平原上,潜水含水层土壤颗粒细,地下水埋藏浅,径流水平流动缓慢,地下水以垂向水量交替为主。在自然状态下,冲积平原下游直到尾闾湖;洪水季节（洪水季节外,河川径流量很小甚至没有）河流泻洪通过河道补给地下水,余水进入尾闾湖。正是水量不大的河水及其所转化形成的地下水维系着西北内陆干旱地河流下游地区的绿州的存在和这里十分脆弱的生态环境。这些地表水与地下水之间的转化过程的这种特征直接影响本地区水资源的开发利用模式。目前,在上游地区大规模发展经济、开发水资源的情况下,随着地表径流利用率的不断提高和地下水得到的补给减少,许多地方泉水量减少甚至枯竭,原来的泉灌区被迫变为井灌区。冲积平原下游即使在洪水季节也很难接受上游地表径流的补给,造成地下水位持续下降,植被死亡,土壤荒漠化。因此,内陆干旱区的水资源开发利用必须从整个流域的角度出发进行统一的合理的规划,总结不同类型地区水资源开发利用过程中的经验教训,逐步建立不同类型最优化的水资源利用模式,这将对今后干旱区的水资源开发利用具有重要的意义。     

黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

地表水与地下水相互转化是中国西北干旱内流盆地水循环的显著特征,转化机制研究是盆地水循环规律认知和水资源可持续管理的重要基础。以我国西北干旱内流河黑河流域中游的张掖盆地和盐池盆地为研究区,建立了黑河主干河道时变水平衡模型和地表水地下水耦合数值模型,研究了长周期水文变化和人类活动双重影响下地表水与地下水转化机制,得到如下认识:（1）补给条件由以天然条件下河流渗漏为主的线状补给演变为以河流与引水渠道渗漏的线状补给和灌区田间入渗面状补给,排泄条件由以泉水溢出和天然湿地排泄演变为以泉水溢出与地下水开采为主的排泄。（2）张掖盆地黑河干流河道入渗段和溢出段大致以G312 大桥为界,亦称为地表水与地下水转化的转折点。莺落峡—G312 大桥段为悬河渗漏段,河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。其中,莺落峡—草滩庄段河道入渗补给率为28.20 %;草滩庄—G312 大桥段河道入渗补给量与河道过水量的关系可用分段函数表达,河道过水量大于或等于0.37×108 m3/mon时呈幂函数关系,小于则呈线性函数关系。G312 大桥—正义峡段为地下水溢出段,其中G312大桥—平川大桥段地下水溢出量约占全部溢出量的70%,溢出峰值出现在高崖水文站下游约6 km处,其单长溢出量可达0.46 m3/(s·km)。（3）研究区是一个相对完整的河流—含水层系统,近31年来经历了连枯和连丰的水文变化,地下水补给排泄条件及与地表水转化机制均发生了相应的变化。地表水与地下水转化最强烈的地区为张掖盆地中部的黑河—梨园河倾斜平原。1990—2001 年连枯期,灌区引水量总体逐年减少,以河道入渗和渠系渗漏为主的补给量平均以0.06×108 m3/a速率减少,农田灌溉面积增加导致灌溉用水增加,地下水开采量显著增加,地下水水位逐年下降,储存量累计减少5.77×108 m3,地下水溢出量平均减少0.16×108 m3/a;而2002—2020 年连丰期,灌区引水量总体逐年减少,河道入渗量呈增加趋势,地下水总补给量平均增加0.15×108 m3/a,灌溉面积继续扩大,农灌开采量随之增加,以河道入渗量增加为主导,地下水水位持续上升,储存量累计增加5.45×108 m3,地下水溢出量平均增加0.08×108 m3/a。总之,补给和排泄条件变化较大,地下水储存量先减后增,地下水溢出总量变化较为平缓,反映了该区巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。（4）位于张掖盆地东部的诸河倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于地表水开发过度,补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原地下水水位基本稳定。30 多年来盐池盆地倾斜平原地下水水位长期处于持续下降状态,这是由于移民开垦导致地下水过量开采。（5）内流盆地天然悬河入渗段是珍贵的地下水补给通道,无论连枯期还是连丰期,河道实际过水量是河道渗漏补给量的关键,保护上游天然河道和一定的河道实际过水量是内流盆地水资源可持续管理的关键。     

The impact of the development of water resources on environment in arid inland river basins of Hexi region, Northwestern China

Water resources use is a key parameter in the hydrological cycle, especially in arid inland of Northwest China, groundwater movement and circulation processes are closely related to the surface water, while recoverable and renewable groundwater mainly comes from the conversion of surface river water, and there is extensive transfer among rainfall, surface water and groundwater. Human activity, in particular, large-scale water resources exploitation and development associated with dramatic population growth in the last decades, has led to tremendous changes in the water regime. There are misuse and wastage of surface water with traditional multi-channel irrigation for most rivers, which in turn leads to over-exploitation of groundwater to augment supplies. This situation has been exacerbated by rapid population growth and socio-economic development, with decreased irrigational systems return to groundwater due to the irrigation system in the middle reaches of rivers in the Hexi region becoming better. The investigations of this study revealed that over the last decades, man-made oases have developed rapidly in various inland river basins. With the increasing human demand for water, the contradiction between water demand and water supply is becoming increasingly acute and the amount of groundwater usage significantly increased. Notwithstanding the annual surface water from mountains is relatively stable in the Hexi region, the recharges of groundwater have been reduced by 11.1%, with a maximum reduction of 50% in the Shiyang River basin. Groundwater abstraction increased by approximately six times, particularly in the Shiyang River basin, groundwater abstraction exceeds recharge by 4.1×10⁸ m³ year⁻¹ in recent decades. Consequently, the groundwater level has declined widely by 3–16 m, with a maximum decline of 45 m in several groundwater observation wells in the Minqin basin on the lower reaches of the Shiyang River basin. These cause serious human activity-induced environmental problems, such as water-quality deterioration, vegetation degradation, soil salinization and land desert desertification, etc. It is suggested that modernized irrigation technology and new regulation to cover water resources management and allocation with the river basins are urgently needed to achieve a sustainable development. The aim of this study is to analyze the impact of the development of water resources on the environment in arid inland river basins in Northwestern China, which were analyzed by comparing the three main river basins (i.e., the Shuilei, the Heihe and the Shiyang River basins) with different water resources development cases.     

利用GRACE重力卫星数据反演黑河流域地下水变化

干旱区地表水资源有限, 地下水资源被超采利用, 黑河流域是西北干旱区典型内陆河流域, 有同样的地下水资源利用问题. 然而由于监测地下水变化的测井数目有限且分布不均, 难以从流域尺度上把握地下水资源的时空变化. 利用GRACE重力测量卫星数据反演黑河流域2003-2008年间的地下水时空变化, 为合理分配利用水资源提供科学依据, 为掌握无资料区域地下水水资源及其变化趋势提供了计算方法. 为验证GRACE反演结果的可靠性, 首先将计算出的黑河中上游地下水的变化, 与该区域实测地下水变化数据进行对比分析, 结果显示二者之间相关性较好, 在一定程度上表明GRACE数据具备反演整个黑河流域水储量变化及其各个组分的能力. 此后, 利用GRACE数据反演了全黑河流域的地下水变化, 对其时空变化进行了分析和讨论. 结果表明: 黑河流域2003-2004年间地下水减少的幅度越来越少, 2005年夏季期间地下水资源量增加量最多, 自此地下水增加幅度逐渐减少, 至2008年趋于平衡. 空间上流域局部变化波动较大, 2003-2004年间黑河上游地下水资源量处于减少状态, 2005年相对于6 a地下水平均含量有轻微增加趋势, 2006年处于6 a平均值状态, 2007-2008年有稍微上升趋势; 中游在2005年有略微的上升, 之后3 a下降; 下游地下水含量在6 a中整体呈上升趋势.     

黑河流域不同水体中δ18O的变化

水资源短缺和合理利用是干旱半干旱区黑河流域面临的一个严峻问题,解决问题的关键是要深入了解水循环机理,而分析不同水体中环境同位素变化特征是应用同位素示踪技术研究水循环机理所必须的前提。根据测得的黑河流域降水、河水和地下水中δ18O,分析了取样期间不同水样δ18O的变化,揭示了降水中δ18O存在显著的温度效应、季节效应、高程效应以及与降水量的正相关关系;河水中δ18O的时空变化特征,即出山口地区河水中δ18O统计值低于山区和盆地,山区河水中δ18O的时间分布与大气降水一致,出山口河水中δ18O时间分布与大气降水相反,河水中δ18O沿黑河流程存在显著递增趋势;地下水中δ18O在张掖变化幅度较大,在临泽较均一且9月份普遍高于6月份,而在高台则分为显著的2组,较高的一组9月份普遍低于6月份。研究了不同因素对水循环过程中δ18O变化的影响及相互作用,为同位素技术在黑河流域水循环研究中的应用提供科学依据。     

甘肃河西走廊内陆河流域节水战略选择——地表水与地下水联合管理

过去20多年甘肃河西走廊内陆河流域的水资源管理经历了各类制度改革,不同程度地推动了地表水和地下水的联合管理。但是,由于机构设置及其权限制约以及改革目标差异,河西走廊地区的3个内陆河流域水资源管理效率差异化越来越显著,与石羊河流域相比,黑河和疏勒河流域的监管制度和管理办法并未完全跳出多头管理体制的窠臼,地表水和地下水没有形成有效的联合管理。通过梳理3个流域的水资源管理机构设置和管理模式,总结农业灌溉用水监管的经验教训,对比分析地表水和地下水联合管理措施在实践操作中的利弊,进一步探讨流域联合管理的实践意义和实现路径,寻求普遍适用于内陆河流域水资源的管理办法,保障内陆河流域节水战略的顺利实施。近10 a的实践经验表明：地表水和地下水联合管理是内陆河流域提高水资源利用效率、促进水资源可持续利用最为有效的路径,更是实现区域生态环境绿色发展的必由之路。