黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制研究

祁晓凡，李文鹏，崔虎群，康卫东，刘振英，邵新民

（1.中国地质环境监测院,北京 100081；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定071051；3.西北大学地质学系,陕西 西安 710069；4.河北地质大学水资源与环境学院,河北 石家庄050031；5.浙江省地质环境监测中心,浙江 杭州 310007）

中国西北干旱内流盆地水资源紧缺，生态环境脆弱[1]。水资源作为一种活跃的自然资源，支撑干旱半干旱区经济社会与生态文明建设的作用举足轻重。西北干旱内流盆地水资源有其独特的形成演化模式，主要形成于山区、耗散于平原，水资源以降水、冰雪融水、地表水径流、地下水等多种形式存在，地表水与地下水呈现出巨量的相互转化[2]。科学认识地表水与地下水的相互转化机制，充分利用山前大厚度含水层调蓄功能，对于干旱内流盆地水资源可持续利用具有重要意义[3-4]。

黑河流域是我国第二大干旱内流河流域，其地表水与地下水相互转化一直是国内外学者研究的热点，研究内容主要包括河道渗漏、灌溉水入渗与地下水溢出的空间分布规律与资源量[3-16]，以及天然条件与人类活动作用下，包括地表水与地下水相互转化在内的水循环机制的变化[17-19]。

河水在山前洪积扇群带的渗漏率取决于河床的地貌和水文地质条件，其次与河水流量和流程相关[5，7]。20世纪60年代，绘制黑河流域洪积扇群带河水渗漏率（平均单长渗漏率）与河流流量的关系曲线[5]；通过1967年和1985年流量实测资料，形成黑河莺落峡—黑河大桥河段单长渗漏率与河床输水量的幂函数回归方程[3，6]；依据2012年11月—2013年10月G312 大桥测流数据，计算草滩庄—黑河大桥河段河道入渗补给量与河道过水量的分段经验函数[9-10]。基于以上方程分别计算了中游洪积扇群带河水渗漏补给量，统计河水渗漏率[3，5-7]。

黑河流域中游盆地灌溉水入渗包括灌渠渗漏和田间入渗2 种形式。水利部门提出不同类型与不同衬砌程度灌渠渠道单长渗漏率与渠道引水量的近似计算式[5]；1985—1986年选择76 条典型干支斗渠进行渗漏率测定，进一步总结包气带岩性、渠系衬砌、地下水水位埋深与渠系渗漏率关系，统计渠系单长渗漏率[7]。灌溉水田间入渗受地层岩性、灌溉水量、水位埋深等因素的制约[5]，入渗系数通过经验值或数值模拟等方法给定[3，7]。灌溉水入渗补给量通常采用公式法计算[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变化规律等[3，5-7]。溢出量方面，分析溢出量变化及其原因，采用基流分割法等研究地下水溢出量在正义峡年径流量中的占比[5-6]。沿程变化方面，依据1986年4—5月实测的黑河山丹桥—正义峡地下水溢出量，得到地下水累积溢出量和单长溢出量沿程变化曲线[3，6-7]。通过数值模拟进一步研究黑河单长溢出量沿程变化规律[10]。应用分布式光纤测温技术研究了临泽平川段地下水溢出带的位置与溢出强度相对大小[8]。

数值模拟是研究黑河流域中游盆地地表水与地下水转化机制的有效手段[9-16]。国内外研究表明，黑河中游张临高灌区包括灌渠渗漏量与田间入渗量在内的灌溉水入渗量差别较小，其原因主要在于计算方法与参数差别不大；而河流渗漏量差别明显，如以2014年为例，相关研究计算的黑河与梨园河河水渗漏补给量差别可达3 倍以上，经由黑河泄出的地下水排泄量差别可达67%[9-13]。

出山径流等天然条件变化影响了黑河中游盆地河道渗漏等水循环过程的资源量，而人类活动的影响更为深远。张光辉等[17]认为黑河流域水循环模式总体可概括为自然—人工二元复合水循环模式，人工绿洲的迅速扩展，导致水循环的自然过程变异；周剑等[18]认为中游盆地耕地扩张是导致冲积扇中上部地下水水位下降和植被退化的主要因素，同时影响地下水系统的补排关系；丁宏伟等[19]认为水利化程度提高与农业节水条件下，天然状态下山前—泉水带的区域水循环系统减弱，逐步演变为细土平原—泉水带的局部水循环系统，水资源的循环次数增加，循环深度减少，循环路径扩大。需进一步开展黑河中游盆地河水渗漏与地下水溢出规律研究，分析人类活动作用下长水文周期尺度的地表水与地下水转化机制。

本研究基于1∶5 万水文地质调查、地下水监测与国家自然科学基金项目数据，分析黑河中游盆地河流-含水层系统特征。采用黑河主干河道时变水平衡模型方法，分段计算了黑河干流中游河水渗漏与地下水溢出规律；采用数值模拟方法构建中游盆地地表水—地下水耦合数值模型，以近30 多年水资源开发利用情况和地下水动力场变化过程作为模型校正依据，进行模型识别与验证，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。该研究可为我国西北干旱内流盆地水平衡分析与水资源可持续开发利用提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

黑河流域是我国西北地区第二大内陆河流域，位于祁连山和河西走廊的中段，东、西分别以山丹县境内的大黄山和嘉峪关境内的黑山为界，与石羊河流域、疏勒河流域接壤，南起祁连山分水岭，北至中蒙国界线，流域面积14.3×104km2（图1）。

图1 研究区概图Fig.1 Overview of the study area

1990—2020年，黑河流域平均出山径流量为38.55×108m3/a，其中黑河干流为17.96×108m3/a，梨园河为2.48×108m3/a。流域用水主要为农业灌溉用水、生产生活用水、绿洲生态用水。水资源主要形成于南部的祁连山区，主要耗散于南、北盆地；水资源总体由南向北运移，最终汇入额济纳盆地的东、西居延海[3]。黑河流域存在的主要生态地质环境问题为生态退化、土地荒漠化与地下水水位下降。

研究区包括盐池盆地和张掖盆地，张掖盆地由黑河—梨园河倾斜平原、黑河以东诸河倾斜平原和黑河中游下段侵蚀堆积平原组成，研究区面积0.93×104km2（图1）。

1.2 研究资料

多年来，自然资源部门、水利部门、气象部门、中国科学院等在黑河流域开展了大量工作，其中近些年代表性工作包括：2014—2018年中国地质调查局“黑河流域重点地区水文地质调查”、“河西走廊黑河流域1∶5 万水文地质调查”，2010—2017年国家自然科学基金委员会重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究” 与2015年启动的“国家地下水监测工程”等。依托以上工作，黑河流域建成地下水、水利与遥感监测网，取得了丰富的地下水、地表水、水资源开发利用、土地利用与蒸散发等资料；依据各类型水文地质钻孔与物探成果资料，深入揭示流域山盆关系与盆地水文地质条件[20-21]；建成一孔多层、分层抽水、分层监测科学试验基地与水文参数试验场，更新流域关键水文参数[20-21]。以上资料为本次研究提供了基础数据。

黑河莺落峡、正义峡与梨园河鹦鸽嘴径流量等水文数据采用张掖水文站监测数据；各灌区引水量、开采量等水资源开发利用数据采用张掖市水务局统计数据。以上数据均为1990—2020年月值数据。G312大桥径流量为重点基金项目2011年8月1日—2013年10月30日测流数据。研究区水文地质条件与水文地质参数等采用1∶5 万水文地质调查成果。

1.3 研究方法

1.3.1 黑河主干河道时变水平衡模型

基于黑河中游盆地水文站径流量、灌渠引水量、G312 断面流量与蒸发量等观测数据，采用黑河主干河道时变水平衡模型方法分析黑河河水渗漏与地下水溢出规律。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，G312 大桥—正义峡河段为地下水溢出段。

1.3.2 黑河中游盆地地表水-地下水耦合数值模拟

结合最新黑河流域1∶5 万水文地质调查成果，包括野外调查、物探、钻探、监测与各种试验等，进行中游盆地水文地质条件再分析。通过对模型结构、模型参数、边界条件与源汇项等的概化、赋值与调参，建立地表水-地下水耦合数值模型。模型重点关注地表水与地下水的相互作用，刻画中游盆地流量场时空变化。通过基于多种实测数据的模型识别与验证，评价模型模拟效果，分析盆地地表水与地下水转化机制。

以上2 种研究方法相互衔接，河道水平衡模型关注河道，研究黑河干流河水渗漏与地下水溢出规律；数值模拟着眼于整个研究区，更加深入地分析中游盆地地表水与地下水转化机制。

2 结果与讨论

2.1 基于河道水平衡的黑河河水渗漏与地下水溢出规律

2.1.1 黑河河道渗漏规律

黑河出山径流观测断面为莺落峡水文站，该站多年径流量动态呈现枯—平—枯—平—枯—丰交替变化特征（图2）。研究区1990—2001年为枯水期，2002—2020年为丰水期。黑河出山口莺落峡径流量与向下游排泄的正义峡径流量存在多年动态变化，二者的差值大致反映了以农业灌溉为主的中游盆地耗用水规模的变化。G312 大桥上游约1 km 处是黑河河水渗漏与地下水溢出的转换断面（图1）。黑河河道渗漏发生在莺落峡—草滩庄河段与草滩庄—G312 大桥河段，河道入渗补给主要受控于进入河道的实际过水量。

图2 莺落峡年径流量历时曲线Fig.2 Annual flow time curve of Yingluoxia Gorge

（1）莺落峡—草滩庄河段河道渗漏规律

莺落峡—草滩庄断面相距8.3 km，河床由卵砾石构成。黑河干流出山径流量由龙电渠径流量与莺落峡水利枢纽径流量组成。全年出山径流约65%的水量由龙电渠向下游输送，河道过水量约35%；现状条件下，草滩庄水利枢纽断面水量由东、西总干渠引水量、闸口泄水量和三级电站引水量组成，其中三级电站引水量大部分输送到大满、盈科灌区或回排至黑河河道，小部分由渠道输送至张掖滨河新区3 个人工湖（图3）。2006年以前无三级电站引水量。

图3 莺落峡—G312 大桥河段水资源利用现状概图Fig.3 Overview of current water resources utilization

每年3—11月为灌溉期，采用水量平衡法计算该时段的河水渗漏量，河水渗漏量包括河道渗漏量与龙电渠渗漏量2 部分。水平衡方程为：

式中：Q河道渗漏——河道渗漏量/（108m3·mon-1）；

Q莺落峡、Q草滩庄——莺落峡、草滩庄径流量/（108m3·mon-1）；

Q龙洞渠、Q西洞渠——龙洞渠、西洞渠引水量/（108m3·mon-1）；

Q龙电渠渗漏——龙电渠渗漏量/（108m3·mon-1）

Q蒸发——河水蒸发量/（108m3·mon-1）；

Q草滩庄枢纽——草滩庄水利枢纽闸口泄水量/（108m3·mon-1）；

Q东总干、Q西总干——东总干、西总干引水量/（108m3·mon-1）；

Q三级电站——三级电站引水量/（108m3·mon-1）。

龙电渠渗漏量采用平均入渗率计算。2010年黑河全河段闭口调水期间，依据莺落峡和草滩庄实测日流量，得出当莺落峡龙渠断面流量为26.0～47.0 m3/s，平均流量为40.9 m3/s 时，渠道渗漏量为1.6～2.9 m3/s，平均渗漏量为2.5 m3/s，相应渗漏率为6.0%～6.4%，平均渗漏率为6.2%。

每年的1、2、12月为非灌溉期，河道渗漏量为：

黑河河道渗漏的有效入渗系数取值为0.97，计算得1990—2020年莺落峡—草滩庄河段多年平均河道渗漏补给量为1.75×108m3，占平均河道来水量（6.21×108m3/a）的28.20%，较1977年黑河中游河流12%～18%的引水渠首以上河水入渗率[5]显著增大。龙电渠大量引水使黑河河道过水量显著减少，河道渗漏补给率增大。

（2）草滩庄—G312 黑河大桥河段河道渗漏规律

2011年8月1日—2013年10月30日，首次在G312黑河大桥开展27 个月的黑河径流量日值观测（图4）。G312 大桥径流量包括转换断面径流量和转换断面—G312 大桥地下水溢出量。基于斜线分割法分割出河川基流量与转换断面径流量（图4）。使用河道水平衡计算草滩庄—G312 黑河大桥河段河道渗漏量，计算公式为：

图4 黑河G312 大桥径流量、基流量及转换断面径流量曲线图Fig.4 Curves of runoff and base flow at the Heihe G312 bridge and runoff of the transfer section

式中：Q转换断面——转换断面径流量/（108m3·mon-1）。

选用计算的2012年 11月—2013年10月草滩庄—G312 黑河大桥河道过水量与河道渗漏补给量，拟合草滩庄—G312 黑河大桥的河道渗漏补给量y（108m3/mon）和河道过水量x（108m3/mon）关系：

计算得1990—2020年草滩庄—G312 大桥河段平均河道入渗补给量为4.63×108m3/a，占河道过水量（9.07×108m3/a）的51.05%。1977年黑河中游河流引水渠首以下渗漏率为39%～81%[5]，黑河流量大而渗漏率相对较小，参考39%渗漏率值。本次应用G312 大桥测流数据计算的河水渗漏补给率较前期增大。年际动态上，河道过水量越大，河道渗漏补给率相对越小。

1990—2020年莺落峡径流量为17.96×108m3/a。现状水资源开发利用条件下，莺落峡—G312 黑河大桥河段多年平均河道渗漏补给量（含龙电渠渗漏量）为7.11×108m3，占莺落峡总径流量的39.59%，其中莺落峡—草滩庄多年平均入渗量为2.48×108m3，草滩庄—大桥多年平均入渗量为4.63×108m3。多年平均引水量为6.68×108m3，占莺落峡总径流量的37.19%。转换断面下泄量为3.91×108m3/a，占莺落峡总径流量的21.77%。河水蒸发量为0.26×108m3/a，占莺落峡总径流量的1.45%。与天然条件相比，人类活动条件下，黑河河道过水量减少，河道入渗率提高，但入渗补给量减少。

2.1.2 中游盆地地下水溢出规律

黑河中游盆地地下水溢出包括泉水溢出和河道溢出2 种形式。泉水主要集中于中游盆地细土平原中下部，河道溢出主要发生在黑河与山丹河。

（1）黑河累积溢出量沿程变化规律

1986年4—5月、2002年12月、2003年10月实测了黑河干流沿程径流量，绘制了地下水累积溢出量沿程变化曲线，见图5。从图上可以看出，地下水累积溢出量沿程呈增加趋势，G312 大桥—平川大桥累积溢出量呈近似直线快速增长，平川大桥—正义峡段缓慢增长，地下水溢出主要发生在G312 大桥—平川河段。平川河段以下第四系基底抬升，溢出量减小。

图5 G312 大桥—正义峡地下水累积溢出量沿程变化曲线图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计算地下水溢出量。每年1、2月黑河干流自由下泄，无渠道引水，梨园河流入黑河水量为0。正义峡径流量由G312 大桥转换断面径流量和河道基流量（即地下水溢出量）组成。转换断面径流量由莺落峡—转换断面水平衡计算。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 大桥—正义峡河段地下水溢出量呈先下降后上升趋势，多年平均地下水溢出量为12.14×108m3。1990—2001年多年平均地下水溢出量为11.95×108m3，2002—2020年为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计算成果[3]。绘制1956—2020年地下水溢出量与不同时期实测溢出量历时曲线，见图6。可见基于水平衡法计算得到的1956—2020年溢出量与6 次实测溢出量数值接近，相对误差仅0.07%～4.01%。黑河干流地下水年溢出量最大值出现在1971年，为17.67×108m3；最小值出现在2003年，为10.21×108m3；1956—2020年年均值为13.26×108m3。溢出量呈多年动态变化，总体变化呈三次曲线形态，1971年之前年均增长量为0.14×108m3，1971—2003年年均衰减量为0.16×108m3；2003—2020年年均增长量为0.14×108m3。

图6 地下水平衡溢出量、实测溢出量历时曲线Fig.6 Duration curves of the equilibrium overflow and measured overflow

2.2 基于数值模拟的黑河入渗与地下水溢出规律

在前期数值模拟[10]的基础上，进一步完善黑河流域中游盆地地表水—地下水耦合模型，主要内容包括模型输入项资源量更新与模拟期延续。建立水文地质概念模型与数学模型[10]。模型补给项包括降雨入渗补给量、河流渗漏补给量、渠灌（渠道）渗漏补给量、渠灌（田间）入渗补给量、井灌（田间）回归补给量、山前河谷潜流侧向补给量、山前非河谷侧向补给量与泉水灌溉回归补给量，排泄项包括潜水蒸发量、地下水开采量、地下水溢出量。模型模拟期为1990—2020年，时间步长为月。

采用地下水流场、地下水水位动态、地下水年溢出量、地下水沿程溢出量与正义峡径流量等多种数据进行模型识别与验证[10]。以1990—2015年为模型识别期，2016—2020年为模型验证期。

基于数值模型，总结黑河河水入渗量、灌溉水入渗量（包括灌渠渗漏与田间入渗）与地下水溢出量变化规律，分析地下水储量变化特征与地下水补给径流排泄变化机制。

黑河河道渗漏发生在悬河渗漏段，该段所处地下水水位埋深大，渗漏能力达到地层渗漏能力上限。沿途渗漏量随流量呈非线性变化，具体受河道湿周与水深的综合影响，而与地下水水位无关。渗漏量年际变化较大，1990—2001年黑河渗漏量呈减少趋势，2002—2020年渗漏量显著增加，这是由河水天然径流量和灌溉引水量变化共同决定的。1990—2020年黑河中游引水量总体呈减小趋势，同时农业节水水平提高，使包括渠道渗漏量与田间入渗量在内的灌溉水入渗量也呈减小趋势（图7）。

图7 黑河河道渗漏量与灌溉水入渗量（灌渠渗漏与田间入渗）动态曲线Fig.7 Dynamic curves of leakage of the Heihe River and irrigation water infiltration (canal leakage and field infiltration)

1986年4—5月枯水期山丹桥—正义峡水文站进行了15 个河流断面的流量实测[7]。2002年12月G312黑河大桥—正义峡进行了11 个断面的流量实测，经归并形成G312 大桥—板桥、板桥—黄一、黄一—罗城桥、罗城桥—正义峡4 个单长溢出分段[10]。1986、2002、2020年地下水年溢出量分别为11.15×108，10.90×108，11.28×108m3，3年溢出量差别不大可进行对比。2020年数值模拟单长溢出量总体很好地反映了以上2次实测沿程变化趋势，见图8。黑河沿程单长溢出量，在高崖水文站下游约6 km 处最大，其后逐渐减小，至平川大桥溢出量约占全部溢出量的70%。受侵蚀堆积平原基底隆起影响，平川大桥附近溢出量增大，其后逐步减小，至正义峡地下水全部溢出。地下水溢出段河泉溢出能力受下伏含水层导水能力制约，G312 大桥—平川大桥河段，含水层厚度大、导水性强，为黑河中游盆地主要溢出段。

图8 G312 大桥—正义峡地下水沿程溢出量Fig.8 Groundwater overflow from G312 bridge to Zhengyixia

黑河干流逐月沿程径流过程受莺落峡径流量、黑河渗漏量、灌渠引水量、地下水溢出量等的共同影响，灌渠引水量资料最新为2013年，绘制2013年莺落峡—正义峡总计204 km 的逐月径流过程，见图9。

图9 2013年莺落峡—正义峡黑河逐月沿程径流过程Fig.9 Monthly runoff process of the Heihe River in 2013 from Yingluoxia to Zhengyixia

黑河自莺落峡出山后有龙洞渠、西洞渠引水，同时河水渗漏，黑河径流量逐渐减少。草滩庄东、西总干在每年3—11月农灌季节大量引水，使黑河沿程径流量出现最大减幅。草滩庄—G312 大桥河水渗漏，草滩庄各月径流量不同的情况下，沿程渗漏量差异较大，河水径流量减小。转换断面—正义峡地下水溢出，同时该段河道沿岸有36 个干渠引水口在农灌季节引水，使黑河沿程径流量呈锯齿状分布；非农灌季节则由于沿程地下水持续溢出，黑河径流量持续增加。每年9月份农灌引水较少，黑河沿程径流受人类活动的影响相对较小。

多年来，黑河干流河道悬河补给段与地下水溢出段的转折点变化不明显，基本保持在G213 黑河大桥上游1～2 km 范围。小型泉集河的泉脑随地下水流场变化上下游略有移动。

2.3 基于数值模拟的黑河中游盆地地表水与地下水相互转化

地表水与地下水相互转化在天然条件与人类活动影响下存在显著差异，不同年代水资源开发利用强度不同，也使得地表水与地下水转化量存在差别。内流盆地河流—含水层系统是一个完整的整体，补给条件改变是地下水系统变化的主要动力，补给和开采共同影响整个地下水循环模式，进而影响泉水溢出的范围和溢出量，即引发地表水与地下水转化机制的变化。

2.3.1 中游盆地地下水补给机制

山前地带大规模引水灌溉使中游盆地地下水补给径流排泄条件发生了很大的变化。天然条件下，黑河流域中游盆地地下水补给以河流渗漏补给为主，呈线状补给方式；人类活动影响下，地下水补给主要包括河流渗漏补给、灌渠（渠道）渗漏补给与田间入渗补给，其中前两种为线状补给（图10），后一种为面状补给。1990—2020年，河流渗漏补给量占年均地下水总补给量的50.12%，灌渠（渠道）渗漏补给量占31.38%，包括渠灌田间入渗补给与井灌回归补给在内的灌溉水入渗补给占总补给量的7.79%，以上补给量合计占地下水总补给量的89.29%。

图10 盆地地下水主要补给条件变化示意图Fig.10 Schematic maps of main groundwater recharge conditions

通过地表水-地下水耦合数值模拟分析研究区地下水均衡。1990—2020年研究区地下水平均补给量为18.24×108m3/a，排泄量为18.78×108m3/a，补排差为-0.54×108m3/a。其中，1990—2001年盆地地下水补给量为16.54×108m3/a，排泄量为17.98×108m3/a，补排差为-1.44×108m3/a；2002—2020年盆地地下水补给量为19.32×108m3/a，排泄量为19.28×108m3/a，补排差为0.04×108m3/a（表1）。模拟期地下水总储变量为-16.52×108m3，其中1990—2001年盆地地下水储变量为-17.28×108m3，2002—2020年为0.76×108m3。 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0.06×108m3/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5.77×108m3，地下水溢出量减少0.16×108m3/a。 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0.15×108m3/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5.45×108m3，地下水溢出量平均增加0.08×108m3/a。 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而使地下水补给量锐减。黑河侵蚀堆积平原处于地下水溢出带，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。

表1 研究区地下水均衡Table 1 Groundwater budgets in the study area

黑河流域中游盆地地下水补给量年际波动大，而排泄量年际波动小（图11），地下水储存量先减后增，地下水溢出总量变化较为平缓，反映了盆地巨厚含水层系统的巨大调蓄功能。同时地下水排泄具有自适应变化特征，如黑河两岸浅埋区地下水开采量增加时，地下水溢出量自适应性减少，两者之和反映了中游盆地地下水排泄的宏观变化。

图11 研究区历年地下水补排量与补排差Fig.11 Quantity and difference of groundwater recharge and discharge in the study area from 1990 to 2020

分析研究区地表水平衡与地表水地下水总水平衡（表2、表3）。1990—2001年、2002—2020年地表水平衡差分别为0.15×108，0.18×108m3/a，地表水地下水总水平衡差分别为-0.96×108，0.16×108m3/a。

表2 研究区地表水平衡Table 2 Surface water balance in the middle reaches basin/（108 m3·a-1）

表3 研究区水平衡Table 3 Water balance in the middle reaches basin/（108 m3·a-1）

2.3.2 中游盆地地下水径流机制

依据黑河中游强径流带典型监测孔水位动态变化（图12），选取1990、2001、2014、2020年4 个典型年，分析天然条件与人类活动共同影响下中游盆地地下水强径流带动态变化（图13）。

图12 张掖市甘州区明永村H13-0 潜水地下水水位动态变化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场的空间形态取决于地下水补给、排泄条件和含水层导水能力的空间分布。黑河干流中游盆地地下水的强径流带为甘州区大满至临泽县平川一带，呈纺锤体状展布（图13）。流量峰值出现在黑河草滩庄—G312 大桥黑河渗漏段，反映了黑河强烈渗漏对地下水的补给（图13）。盐池盆地与黑河以东诸河倾斜平原，地下水补给量相对较小而面积相对较大，因此地下径流流量相对较小。侵蚀堆积平原地下水溢出，地下径流流量相对较大，且存在空间分布差异，越向下游地下径流流量越小。

黑河干流中游盆地强径流带范围动态变化，主要受黑河出山径流、灌区地下水开采与灌区引水等的共同影响。总体而言，黑河出山径流量越大，灌溉引水量越小，地下水开采量越小，强径流带范围越大。基于长周期水文变化情况与强径流带地下水水位动态选取4 个典型年份，按3 个时段进行分析。1990—2001年，黑河流域连续枯水，莺落峡多年平均径流量仅为15.35×108m3，天然河道过水量少，河道入渗补给量少，灌区引水量逐年略减而地下水开采量显著增加，使强径流带地下水水位持续下降，强径流带范围减小，地下径流流量减少；2001—2014年，黑河流域由枯转丰，地下水开采量与灌区引水量均增加，但出山径流量增加占据主导作用，强径流带地下水水位持续上升，强径流带范围增大，流量增大；2014—2020年，黑河流域连续丰水，莺落峡多年平均径流量21.42×108m3，灌区引水量减少而地下水开采量继续增大，三者共同作用使强径流带地下水水位虽略有下降但仍然较高，强径流带范围较大（表1、图11—图13）。

图13 典型年份黑河中游盆地强径流带动态变化示意图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场，识别黑河干流河道渗漏补给影响区（图14）。1990—2001年，受流域连枯与地下水开采增加等因素的影响，黑河补给影响区范围减小；2001—2014年，流域由枯转丰，出山径流量显著增加，补给影响区范围增大；2014—2020年，黑河流域连续丰水，在出山径流、灌区引水与地下水开采共同作用下，黑河河道渗漏补给影响区范围略有减小。

图14 典型年份黑河干流河道渗漏补给影响区变化示意图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机制

天然条件下，黑河中游盆地地下水排泄以泉水溢出排泄和天然湿地排泄为主；人类活动影响下，地下水排泄除上述2 种方式外，新增地下水开采排泄（图15）。1990—2020年，包括河流溢出与泉水溢出在内的地下水溢出占年均地下水总排泄量的69.55%，地下水开采占18.54%，两者合计占地下水总排泄量的88.09%。

图15 盆地地下水主要排泄条件变化示意图Fig.15 Schematic maps showing the main groundwater discharge conditions

选取4 个典型年份，通过流线追踪分析中游盆地黑河溢出量中来自黑河渗漏补给量占比的多年变化规律（图16，表4）。与1990年平水年相比，2001年枯水年黑河渗漏补给量占总补给量的比例由36.92%减小至34.22%，这主要受莺落峡来水量减小的影响；黑河溢出量中来自黑河的渗漏补给量占比由63.37%增大至67.80%，其原因可能是随着灌区地下水开采量的显著增加（表1），因黑河补给路径相对较远使开采量中来自黑河渗漏补给的水量相对减少。与2001年枯水年相比，2014年丰水年黑河渗漏补给量占总补给量的比例显著增大，黑河溢出量增大，黑河溢出量中来自黑河的渗漏补给量占比也明显增大。与2014年相比，2020年莺落峡出山径流量减少，但仍为丰水年，黑河渗漏补给量占总补给量的比例减小，黑河溢出量中来自黑河的渗漏补给量占比也有所减小。总体而言，莺落峡径流量越大，中游盆地黑河渗漏补给量占总补给量的比例越大，黑河溢出量中来自黑河的渗漏补给量占比也越大。远离泉水溢出区的灌区引水与开采对泉水溢出量影响不大，位于河流溢出段和泉集河附近的灌区引水与开采则会有一定影响。

表4 黑河渗漏占河流溢出比例与莺落峡径流量、地下水开采量统计值Table 4 Groundwater balance in the middle reaches basin

图16 典型年份黑河溢出流线示意图Fig.16 Flow lines of the Heihe River overflow in typical years

3 结论与建议

（1）构建了黑河流域中游盆地地表水-地下水耦合数值模型和黑河主干河道时变水平衡模型，为分析黑河河道渗漏、渠系渗漏、田间入渗、地下水溢出规律和中游盆地地表水与地下水转化机制奠定了基础。

（2）山前地带大规模农业灌溉使中游盆地地下水补给径流排泄条件发生了很大的变化。天然条件下以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方式；以泉水溢出排泄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；甘州区大满—临泽县平川一带发育纺锤体状的地下水强径流带，随补排关系变化而变化。

（3）莺落峡—G312 黑河大桥段为悬河渗漏段，河道渗漏补给主要受控于进入天然河道的实际径流量。其中莺落峡—草滩庄段河道渗漏补给率为28.20%；草滩庄—G312 大桥段河道渗漏补给量与河道过水量呈分段函数关系；河道沿途渗漏量随流量呈非线性变化。

（4）G312 大桥—正义峡段为地下水溢出段，黑河中游盆地地下水溢出段的河泉溢出能力受下伏含水层导水能力制约。G312 大桥—平川大桥河段含水层厚度大、导水性强，为黑河中游盆地主要溢出段，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，该处单长溢出量可达0.46 m3/（s·km）。

（5）黑河中游盆地流场的空间形态取决于地下水补给排泄条件和含水层导水能力的空间分布。强径流带流量峰值出现在黑河草滩庄—G312 大桥河道渗漏段，反映了黑河渗漏对地下水的强烈补给。强径流带范围呈多年动态变化，总体而言，黑河出山径流量越大，灌溉引水量越小，地下水开采量越小，强径流带范围越大。

（6）黑河中游盆地河流—含水层系统是一个有机的整体，补给条件改变是地下水系统变化的主要动力，补给和开采共同影响整个地下水循环模式，进而影响泉水溢出的范围和溢出量。黑河—梨园河平原1990—2001年连枯期补给量减少，地下水水位逐年下降，储存量减少，地下水溢出量减少；2002—2020年连丰期地下水补给量增加，水位持续上升，储存量增加，地下水溢出量增加。在连枯—连丰长周期水文过程中，黑河—梨园河平原河道渗漏量变化强烈，地下水储存量先减后增，地下水溢出总量多年变化较为平缓，反映了盆地巨厚含水层系统巨大的调蓄功能。

（7）近31年来，黑河以东诸河平原由于地表水开发过度，补给量锐减。盐池盆地移民开垦导致地下水过量开采，地下水水位基本处于持续下降状态。黑河中游下段侵蚀堆积平原多年来地下水水位基本稳定。

（8）内流盆地天然悬河渗漏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。

（9）干旱内流盆地水资源具有资源、环境、生态等多重功能，水资源开发利用应充分认识地表水与地下水转化机制，重视巨厚含水层系统调蓄功能，开展地表水地下水联合调蓄与联合利用。黑河流域中游盆地应维持合理的土地开发规模，发展节水农业，适度退耕还林还草，保护湿地与天然植被，做到引水有度，开采有序，促进内流盆地水文、生态与经济社会协调健康发展。