开采与补给量变化对盆地地下水排泄特征的影响

黄小龙，文 静，胡彦斌，姜建旭

(甘肃省地质矿产勘查开发局水文地质工程地质勘察院，甘肃 兰州 730022)

0 引言

地下水作为水资源的组成部分，在保障社会用水、维系社会经济发展、维持生态平衡等方面具有不可替代的作用[1-2]。但是随着开发量的不断增大，地下水过度开采，引发土壤次生盐渍化、城市地质沉降、地下水质污染、地下水水位不断下降等系列问题[3]。盆地地下水系统是地下水位、补给量和排泄特征之间相互作用的复杂系统。随着地下水资源的开采不断增加，以及气候变化等因素的影响，地下水位和排泄特征可能发生变化，从而对生态环境和水资源管理带来挑战。

研究地下水开采与补给量如何影响地下水排泄，对于实现地下水资源的循环利用，建设和谐的生态环境具有十分重要的意义。对此相关学者进行了大量工作，闫志雲等[4]通过Piper三线图解法对地下水化学组分特征及水化学类型进行分析，采用Wilcox图解法和水质指数法对地下水水质进行了评价，认为地下水从山前砾质倾斜平原区流动到细土平原区的过程中，经过岩石的溶滤作用，导致水质逐渐趋于劣化。崔娅茹等[5]、庞园等[6]通过主成分分析法和Spearman秩相关系数法分析了盆地地下水综合质量近六年的变化趋势。杨海娇等[7]研究了盆地典型流域水化学特征及地表水-地下水转化关系，并发现在受基岩阻隔和岩性控制的影响下，山间河谷和冲洪积扇前缘地表水-地下水转化关系的转变使沿程水化学特征的变化规律发生局部逆转。本研究以张掖盆地为研究区域，收集了多年的地下水位、涌泉流量和降雨数据。利用统计分析方法，对这些数据进行了处理和分析，以揭示地下水排泄特征的变化趋势，以期为该地区地下水的循环利用提供了理论依据。

1 盆地地下水

盆地地下水是指储存在盆地内岩层和土层中的地下水，对于维持盆地内生态环境、支持农业生产和满足人类生活用水具有重要意义[8-9]。盆地地下水的分布特征受多种因素影响，如地形地貌、气候条件、地质构造、岩溶发育程度等。盆地地下水在地下岩层和土层中流动，流动方向和速度受地质构造、地下水位变化等因素影响，地下水位受季节性降水、地表水补给和人类活动等因素影响而发生变化。地下水在运动过程中，会与围岩发生化学反应，导致地下水化学成分发生改变，同时，化学成分也会受到地表水和其他地下水的补给的影响。地下水温度受地表温度、地下深度等因素影响，一般情况下，地下水温度较低，但在某些地区也可能出现地下热水资源。

1.1 盆地地下水补给特征

盆地地下水补给主要包括河流入渗、渠系入渗、灌溉水入渗以及降雨入渗几个方面，主要受到地形地貌、气候条件、水文与水系条件以及岩溶发育程度的影响，同时，人类活动也对盆地地下水补给产生影响[10]。通常情况下，盆地中心部位的地下水补给主要来源于地表水和降水的入渗，而盆地周边地区的地下水补给依赖于地表水和地下水的径流以及山地降水。气候条件决定降水的频率与强度，而降水作为地下水补给的主要来源之一，对盆地地下水补给具有重要作用。

盆地内的水文和水系条件同样对地下水补给产生重要的影响。水文条件良好的地区，地下水补给也更为充足，水系发达的区域，地表水和地下水的补给更为充足，此外，河流、湖泊等水体对地下水的补给也有显著影响。盆地内的岩溶发育程度影响了地下水的流动和补给方式，岩溶发育发达的地区存在更多岩溶裂隙，能够提供更多的地下水补给通道。人类通过农田灌溉、城市化进程和水资源开发利用等活动也会改变地下水的补给条件，进而影响盆地地下水的补给特征。

1.2 盆地地下水排泄特征

盆地内地下水的排泄方式主要包括地下水开采、河床溢出和蒸发排泄3种形式。地下水开采用于补充地表水资源、保障饮用水供应以及农业灌溉用水。地下水开采不合理，会带来水质恶化、水资源枯竭等危害，因此要科学合理的开采地下水资源。

河床溢出主要表现为泉水与泄流和两种形式，其中泉水的形成与地下水的循环过程密切相关。当地下的潜水或承压水通过岩层的裂隙或洞穴涌出地表时，就形成了泉水，在这个过程中，地下水在地下岩石中流动，不仅可以带走一部分溶解在水中的有害物质，而且还可以溶解岩石中的矿物质，使得泉水的水质相对较好。河床溢出是指河流水位超过河床边缘，河水流到河床外的现象。这种情况通常发生在河流水量过大、冰雪融化速度快、降雨过多等特殊时期。河床溢出会对周边环境产生一定的影响，如淹没农田、草地，影响交通等。同时，河床溢出还可能导致河水中的污染物质扩散到更广泛的区域，对水环境造成污染。

地下水蒸发是指地下水在地表以下或地表处发生的蒸发过程，这个过程是地下水循环系统的一个重要组成部分，通过地下水蒸发，使得地下水与地表水之间实现相互转换，对环境和生态系统具有十分重要意义。地下水蒸发主要受到气候条件、地质条件、地下水位、和水质四个因素的影响，温度较高、湿度较低的地区，地下水蒸发速度较快；岩石的孔隙度和裂隙发育情况均能对地下水蒸发产生影响，裂隙发达的岩层更容易使地下水蒸发；地下水位较高时，更容易形成地下水蒸气；含有较高盐分的地下水蒸发速度会降低，由于盐分在蒸发过程中会留在岩石表面，形成盐类结晶。

2 盆地地下水响应分析

地表水与地下水有着不可分割的紧密联系，地下水与河水之间不断循环、反复转化是盆地水资源的主要变化形式，张掖盆地位于河西走廊中部，黑河干流中游地区，本文以此盆地进行研究。

2.1 盆地地下水均衡研究

在水循环的基础上，通过对地下水均衡进行分析，不仅可以定量统计盆地内地下水源各要素的占比，而且可以研究地下水溢出量与储存量、补给量之间的相互关系，进而提高地下水资源的利用效率。盆地内地下水溢出量由地下水储存量和补给量转化而来，张掖盆地内2013年地下水排补情况如图1所示。

图1 张掖盆地地下会补排量饼状图

盆地内地下水补给来源包括5个部分，分别为：河水入渗、渠系水入渗、灌溉水入渗、降水入渗以及渠系水入渗。其中河水入渗作为地下水补给的主要来源，占比高达51.9%；渠系水入渗量占比28.9%，是地下水补给的次要来源；灌溉水入渗量占比10.7%，仅次于渠系水入渗量；沟谷潜流量和降水入渗量共计占比不足10%，其中沟谷潜流量占比3.1，降水入渗量占比5.4%。盆地内地下水排泄主要包括地下水溢出、地下水开采以及地下水蒸发三个部分，其中地下水溢出作为地下会排泄的主要途径，占比高达77.3%；地下水蒸发与地下水开采是地下会排泄的次要途径，占比分别为12.9%和9.8%。

2.2 开采量对地下水位、溢出量的影响

地下水开采量作为盆地地下水排泄量的重要组成部分，主要通过影响地下水位来影响地下水的溢出量，盆地地下水资源量的增加部分主要为排泄量的减少量，补给量的增加量和能动的储存量，三者之间相互联系，相互影响。保持盆地地下水补给量不变的情况下，增加地下水开采量，必然增加地下水储存量的消耗，进一步影响地下水蒸发、溢出等排泄。根据2005—2022年张掖盆地地下水开采量与溢出量举例分析，结果如图2所示。

图2 地下水溢出量与开采量的关系曲线图

由图2可知，2013年之前，盆地地下水溢出量与开采量呈现负相关的趋势，随着开采量的增加必然导致地下水位下降，地下水溢出量也随之减少。2013年之后，地下水开采量基本稳定，地下水溢出量受到河道水入渗量的影响，整体呈现上升的趋势。

2.3 补给量对地下水位、溢出量的影响

盆地地下水补给主要来源于灌区引水与河道渗透两方面，对溢出量的影响也主要分为2个方面，一方面是水力坡度的改变，一方面是地下水位的影响，这种影响通常具有滞后性的特点，滞后时间难以确定，短则几个月，长则可至几年。1997—2022年之间，河流入渗量与地下水溢出量关系如图3所示。

图3 地下水均衡溢出量与河道渗入量的关系曲线图

由图3可知，2009年之前河道入渗量与灌区引水量基本保持一致，并且处于较为稳定的状态，而地下水溢出量整体出现减少的趋势，其年均减少量为0.2×108m3，这与水文周期中的偏枯期具有一定的关系。2009年之后，灌区引水量稍微增加，年均引水量为5.2×108m3，并且基本保持平稳趋势，而地下水溢出量与河道入渗量均呈现明显增加趋势，其原因是河道渗漏量的增加使得山前冲洪积戈壁带地下水位普遍上升，从而提高了细土平原地下水的溢出量。同时，随着偏丰水文周期的来临，政府加强相关管理对黑河河水进行治理。由此可见，河道入渗量与地下水溢出量为正相关关系，入渗量增加则溢出量增加，入渗量降低则溢出量降低。

3 结论

本文以以张掖盆地为研究对象，收集多年的地下水位、涌泉流量和降雨数据，从而揭示地下水排泄特征的变化趋势，得到了开采量与补给量对地下水位、溢出量的影响。研究表明：地下水溢出为地下会排泄的主要途径，占77.3%；地下水蒸发与地下水开采是地下会排泄的次要途径，占比分别为12.9%和9.8%；地下水开采量基本稳定，地下水溢出量受到河道水入渗量的影响，整体呈现上升的趋势；河道入渗量与地下水溢出量为正相关关系，入渗量增加则溢出量增加，入渗量降低则溢出量降低。研究结果可为该地区地下水的循环利用提供依据。