柴达木盆地地下水位上升灾害防治对策

党学亚,顾小凡,常 亮

(1.中国地质调查局西安地质调查中心,陕西 西安 710054;2.陕西省水资源与环境工程技术研究中心,陕西 西安 710054;3.中国地质调查局干旱-半干旱地区地下水与生态重点实验室,陕西 西安 710054)

柴达木盆地是中国的第三大干旱内陆盆地,位于青藏高原东北部,面积276.2×103km2。与西北其它盆地地下水位几十年来呈现的持续下降情况不同,该盆地地下水位呈现上升态势,造成地下水溢出带多次向冲洪积扇后部扩展,对位于昆仑山前的格尔木市及位于祁连山前的德令哈市等地造成了严重的财产损失并威胁到了人居安全。20世纪60、70年代以来,格尔木市地下水位上升造成市区北部片区内涝、房屋受浸开裂,农田、草场及村舍大面积被淹[1-4]。2002年以后,德令哈市的尕海镇和柯鲁柯镇也出现了地下水位上升大面积淹没农田、草场和村舍的灾害,以及造成多处村庄房倒屋塌的严重问题,迫使许多村庄搬迁重建,其中尕海镇部分搬至新址的村庄因地下水位上升又面临着二次搬迁的窘境[5-6]。为此,当地政府安排了调查研究工作以寻求解决对策。但限于应对策略和经济条件等因素制约,地下水位上升致灾问题依然没能根治。2019年尕海镇所在地及周边地区仍处于淹水状态。

对此,笔者在分析格尔木市和德令哈市山前平原第四系水文地质条件基础上,结合区内供水水源不足的现实问题,依托2015—2018年中国地质调查局在两地实施的1∶5万水文地质调查资料和数据,本着变害为利理念突破前期灾害治理策略与措施的局限,探索既能防灾又可提升供水保障能力的长效对策与治理新途径。

1 自然环境概况

1.1 自然环境特征

柴达木盆地四周高山环绕,是一个完全封闭的巨型山间盆地,海拔为2 670～6 880 m。盆地山区分布有雪山、冻土及少量冰川;内部平原荒漠辽阔、绿洲斑驳并分布有一系列大小不等的湖泊。格尔木河是柴达木盆地的第二大河,发源于昆仑山北麓,出山口以上汇水面积为18 648 km2,出山口以下的山前平原面积为4 878 km2,地貌依次为冲洪积扇群构成的戈壁砾石平原、辫状河流冲积而成的细土平原、冲湖积盐沼平原。巴音河是柴达木盆地的第四大河,发源于祁连山南麓,山区汇水面积为7 281 km2,山前平原面积为956 km2,地貌依次为冲洪积扇群构成的戈壁砾石平原、辫状河流冲积而成的细土平原。该盆地降水呈现东南多、西北少,山区多、平原区少的特征,格尔木和德令哈多年平均降水量分别为44.6、195.3 mm。

1.2 水文地质

柴达木盆地内部平原区的水源主要形成于周边山区,经河流输入,之后经过地表、地下多次转化,最终进入终端湖泊。根据王永贵等[7]、党学亚等[8-9]调查研究成果:全盆地河流平均约70%的出山流量在冲洪积扇地带发生渗漏转化成了地下水,地下水补给总量约有85%来自河水。格尔木河和巴音河在1960—2018年出山的平均径流量分别为819×106m3(格尔木三站)和357×106m3(德令哈站),分别约有75%、53%渗漏补给了山前第四系松散层地下水。地下水获得补给后向下游径流,大部分在冲洪积扇前缘溢出地表并形成泉集河流向下游平原,除沿途发生水面与土面蒸发及植被蒸腾外,最终在终端湖泊被蒸散[10];未溢出地表的地下水以开采和终端湖泊蒸散等方式排泄。

相关区域地质、水文地质调查资料与成果揭示:格尔木河山前平原的第四系厚度在几十米至近千米不等;德令哈巴音河山前平原的第四系厚度在几十米至500 m不等。从冲洪积平原到下游的细土平原,第四系地质结构从单一的漂卵砾石层向粉细砂间夹多层黏性土的多层结构演变。冲洪积扇为平原区地下水赋存提供了良好的地下空间,不仅富水性强而且单井出水量大,在下游多层结构阻碍地下径流作用影响下,这两条河流第四系松散层地下水系统的冲洪积平原天然具有拦洪蓄水功能,是良好的地下水库。地下水位上升表明通过渗漏吸纳,山前第四系地下水系统可将短暂过境的洪水转化为持续有效的供水水源。

2 地下水位上升致灾情况

格尔木与德令哈的灾区均位于冲洪积扇前部的地下水溢出带附近。

格尔木地下水位上升致灾事件有6次,分别发生在1967、1972、1977、1981—1983、1989和2010年。前2次发生在格尔木河未修建任何水库前,第3次发生在出山口第一座水库乃吉里水库将要蓄水之时,第4、5次发生在乃吉里水库蓄水之后,第6次发生在格尔木河山区河段相继建成了温泉水库等几个梯级水库之后。学界对灾害成因形成了两种不同主要意见:一种认为主要是由于径流增大引起地下水补给量增加所致[4];另一种则认为主要是由于水库蓄水影响所致[2-3]。

德令哈地下水位上升致灾发生在2002、2005、2012和2017—2019年。马小强等[5]、赵振等[6]均认为是降水量、冰雪融化量增大所致,同时农灌渠系的跑冒滴漏也产生了重要作用。

3 分析与讨论

地下水位升降是地下水系统响应外来水量输入变化的自然现象。在正常情况下,地下水系统获得的补给量与其排泄的水量是平衡的,但当其获得补给量大于原有过水断面排泄能力时,必然会引起地下水位上升,反之会下降。党学亚等[8]在德令哈巴音河河床开展原位试验时发现:河水渗漏量(Y)与河川径流量(X)呈指数关系,如式(1):

Y=2.797(X-1)0.647

(1)

当河川径流量小于25 m3/s时,地下水将全部渗漏[11]。显然,在河床渗漏极限内,河川径流量越大其渗漏量越大;在排泄条件不变情况下,地下水获得渗漏补给强度越大水位上升幅度越大。因此格尔木和德令哈地下水位上升致灾,必然是山前平原地下水系统在短时间内获得了超强补给,引起地下水溢出带向冲洪积扇后部扩展所致。

3.1 补径排条件变化与影响分析

3.1.1 补给条件变化与影响分析

1)河水补给变化影响

分别采用出山口水文站格尔木三站和德令哈站1960—2018年数据序列进行分析。格尔木河及巴音河年径流量历时变化曲线如图1。

图1中:两站灾害年径流量明显高于非灾年的,灾害出现的最小径流量分别是842×106m3(1982年)和529×106m3(2002年)。不过值得注意的是:格尔木河2002、2005、2006、2009年及2011—2018年径流量超过了1982年,但格尔木并未发生水位上升致灾问题,直至2010年出现了1 896×106m3的历史最高径流量时才再次出现灾情〔图1(a)〕。对此,通过分析洪水特征和防洪措施发现:这两地灾年河川径流均是在河道内大面积摊开流淌,对地下水形成了强烈的面状补给。格尔木在2002年以后筑建堤防归拢了河水,2010年超强洪水冲毁堤防后再次筑堤归拢了河水。与格尔木不同,德令哈仅在城区段对巴音河岸坡进行了加固和河床防渗处理,并未对河水可大面积补给地下水的下游河段采取措施。

由此可见,地下水位上升致灾与河水对地下水补给量大小密切相关。在较大流量情况下,格尔木没有发生地下水位上升致灾问题显然是与归拢河水抑制了地下水获得补给有关。至于水库增加渗漏使得地下水位上升致灾可能会在某个单次对成灾有所贡献,但当新的补排平衡建立后其贡献基本就会消失,未建水库前的成灾情况也说明了这一点。

2)降水补给变化影响

采用格尔木、德令哈两专业气象站1960—2018年的年降水量数据序列进行分析研究。研究结果显示:①格尔木平原区的年降水量基本在50 mm以下〔图1(a)〕,显然这样的降水量很难对地下水形成有效补给。尽管2007年以后有气候变化带来降水增加的迹象,但基本少于70 mm,仍不足以对地下水形成有效补给。②德令哈平原区的降水量大致存在1960—1973、1974—2001、2002—2018年3个明显变化时段〔图1(b)〕。第1时段多在75～150 mm之间波动、第2时段多在150～225 mm之间波动、第3时段多在225～325 mm之间波动,呈现阶梯式增加的趋势,明显是对青藏高原气候变化的响应。一般而言,降水增多对地下水的补给量势必增加。

发灾年德令哈平原的确有较高的降水量,但在降水量次高的2009年并未出现灾害。针对这一现象,限于当时地下水没有相应的监测数据,只能从2007、2008年的降水量进行对比分析。结果发现:这两年德令哈平原也有较高降水量,若是对地下水有强烈补给,那么这两年的地下水位会处于高位,与2009年作用累加必然会出现灾害。但当年巴音河径流量仅有4.41×106m3,显示当年巴音河山区汇水区的降水量与平原区不一致。这不仅说明德令哈平原区降水增加对地下水位上升致灾作用有限,而且印证了河川径流大小是决定地下水位上升灾害的主控因素。

3)农灌回归水补给变化影响

格尔木河与巴音河的出山口均建有东、西干渠引水灌溉。对农灌回归水补给变化的影响,笔者仅以巴音河平原为例进行分析。2002—2016年该灌区的灌溉用水量在105.48×106～235.91×106m3,平均数为168.30×106m3,见表1。发灾年灌溉用水量基本保持平均水平,而用水量最大的2008年并未发灾。这说明,灌溉回归水补给对助长地下水位上升致灾作用也非常有限。

表1 巴音河平原灌区年用水量一览

4)山区地下水侧向径流补给变化影响

通过分析两地平原与山区的接触关系可定性判断。两地平原与山区均是通过隔水为主要特征的逆冲断裂接触,加之山区地下水以基岩裂隙水为主,富水性差,故认为山区地下水向平原区的补给量有限,可不考虑对地下水位上升致灾的作用。

3.1.2 径流排泄条件变化影响分析

两地除在冲洪积扇中前部有较多生活生产供水井取水,增加排泄外,地下水径流排泄条件基本保持着天然状态,故不存在径流排泄条件变化助长地下水位上升致灾。

3.2 主控因素讨论

综合上述对研究区地下水源汇项条件变化的分析可知:显著增大的河川径流是导致地下水位上升致灾的主控因素;平原区降水量增加等其他因素对地下水位上升致灾作用有限。能使河川径流量增大的作用定是山区降水量增加和冰川融化两种情形。

由图1可知:这两地降水量与河川径流量呈现显著的正相关关系。尽管格尔木河、巴音河源头山区缺少气象站观测,但干旱内陆盆地水资源流域具有平原区降水大时一般山区降水亦大的特点。故可借助临近格尔木河源区唯一的专业气象站——五道梁站1960—2018年降水数据对山区降水量变化进行分析研究。该站降水量变化与德令哈站较为相似,大致也有1960—1995、1996—2007、2008—2018年这3个明显变化时段,只是时间节点有所不同。第1时段年在225～325 mm、第2时段在275～350 mm、第3时段在350～450 mm,呈现出强烈增加的变化特征。显然降水量增大对河川径流增加做出了重要贡献。

冰川消融的贡献,由杨惠安等[12]研究可知:格尔木河源区存在一定数量和规模的冰川,而巴音河流域基本没有冰川。由此判断,冰川消融对格尔木河径流增加或许有所贡献,但对巴音河径流不会有影响。再根据五道梁站降水量变化的判断,即使冰川消融增加了格尔木河径流量,其贡献也会少于山区降水增加而居其次。这与段安民等[13]和党学亚等[14]的结论一致。故两地河川径流量增加主因是降水量的显著增加,根源在于青藏高原气候变化。

4 应对策略与措施

根据两地地下水位上升成灾的规律和现今采取的应对措施,格尔木采取的是将洪水局限在线状河道内,抑制了面状散流对地下水补给,使得地下水上升高度控制在安全范围之内,明显抑制了地下水位上升成灾,但很难说再遇到类似2010年的大洪水不再发灾。德令哈应对灾情采取了搬迁避让措施,2019年仍遭受着地下水位上升灾害的困扰。因此十分有必要寻找长效应对之策。

从水资源需求看,柴达木地处内陆腹地,尽管气候变化使区内水资源有所增加,但干旱缺水的总体特征依然未变。地下水位上升成灾展示出来的“水多”并没有改变区内长期存在的缺水问题,发展建设、生态保护的水资源供需矛盾仍旧突出。“水多”现象实质仍是盆地水资源时空分布不均的反映。若结合与“水多”完全矛盾的供水水源不足这一现实问题统筹考虑地下水位上升灾害的治理,显然本着变害为利理念可完全从思路与策略上突破传统治理理念和对策局限,提高治理的综合效益。

从两地河川径流特征及用水量看,除了归拢河水,疏导河水以减少地下水补给也是区内减灾防灾的最优选择。具体是通过完善两地现有灌溉渠系,使之成为洪水期疏导河水的通道,将多余水量直接排向灾区下游,以抑制河水渗漏对地下水位上升的贡献。此举不仅能取得实效且可节约建设成本。

其次是利用山前冲洪积扇的调蓄功能防灾。山前冲洪积扇是天然的地下水库,可通过加大枯水期地下水的开采为洪水期接纳地下水补给与抑制水位上升腾出库容,同时可有效提升区内的水源保障能力[15]。地下水库调蓄不仅避免了水源的无效蒸发、泥沙淤积,而且将有效提升区内水资源的可利用量。

再是通过构建了渠系疏导+地下水库调蓄+水源地截流开采三位一体的水源调控系统减灾防灾。在冲洪积扇合理设置傍河水源地,进行调蓄性和截流性开采,为洪水渗漏补给地下水腾挪地下库容。以综合治水之法将地下水位上升高度控制在人居安全和绿洲生态用水安全的范围内,实现对地下水位上升致灾的有效治理[16]。从水资源合理开发利用角度看,构建水源调控系统就是学界倡导的地表水、地下水联合调度及科学管理。当前,格尔木与德令哈现有渠系和水源地已经为水源调控系统建设打下了良好基础,只需稍加完善现有渠系排导功能、优化或增补几处水源地并开展地下水库水源补给场建设,即可满足减灾防灾需求。

5 结 论

1)地下水位上升致灾主要是显著增大的河川径流量所引起,灾区当地的降水入渗补给、农田灌溉回归水补给、山区冰川融水等对地下水位上升致灾作用有限。径流量显著增加的根源是青藏高原气候变化带来的河源区降水量剧烈增加。

2)采用归拢河水于线状河道内,可显著减少河水对地下水的补给,有效防治地下水位上升灾害。但从长远看,其仍是权宜之策;若要长效应对,必须突破传统理念和治理方式的局限,探索能获得综合收益的新途径。

3)地下水位上升给区内生活生产带来了严重灾害,但同时对解决区内的工农业生产水源不足问题也是难得的机遇。区内应对地下水上升灾害的长效之策是:本着变害为利理念,采取拓展现有渠系的排洪功能、利用山前第四系松散含水层系统天然具备的水源调蓄功能,以及合理增加地下水开采等措施,构建渠系疏导+地下水库调蓄+水源地截流开采三位一体的水源调控系统控制地下水位,可取得减灾防灾与增强水源保障的双重效益。