黑河流域土地利用变化对地下水资源的影响.pdf

第 6 O卷第 3期 2 0 0 5 年 5月 地 理 学 报 ACTA GE oGRAP HI CA S I NI CA V 0 I _ 6 0 ． No ． 3 M a y ， 2 0 0 5 黑河流域土地利用变化对地下水资源的影响 王 根 绪 1, 2 杨 玲 媛 ， 陈玲 ， 洼 田 顺 平 r 1 ． 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，兰州 7 3 0 0 0 0 ； 2 ． 兰州大学资源环境学院，兰州 7 3 0 0 0 0 ；3 ． 日本综合地球环境研究所，京都 6 0 2 0 8 7 8 摘要土地利用与覆被变化对区域水文过程具有深刻影响。利用 1 9 6 0 S 以来的三期遥感数据和 1 9 8 0 年以来的地下水长期观测数据，从地下水补给和排泄系统两方面，分析了近 3 0年来甘肃 省黑河流域中游地区土地利用与覆被变化对地下水系统的影响，结果表明以 1 9 8 5年为界， 随土地利用与覆被变化强度不同，前后 l 5 年土地利用变化对地下水系统补给的影响分别达到 2 ． 6 0 2亿m3 ／ a 和0 ． 2 1 8亿m 3 ／ a ，对排泄系统的影响分别为 2 ． 0 3 5 亿 m3 ／ a 和4 ． 9 1 亿 m 3 ／ a ，在保持 区域人工开采量不超过 3 ． 0 亿 m3 ／ a的合理幅度下，土地利用变化对区域地下水资源变化起着 决定作用；在区域土地利用与覆被变化和近 l 0年来人类较大规模开采影响下，甘肃省张掖盆 地地下水资源变化出现了显著的区域差异性。认识土地利用变化对流域地下水系统的作用与 区域地下水资源的时空变化特征，对流域水土资源合理利用规划与管理有重要意义。 关键词土地利用；内陆河；地下水系统；黑河 土地利用与覆被变化对区域水平衡的影响是目前国际水文科学最具活力的研究领域， 大量研究表明大尺度土地覆盖与土地利用变化是导致区域气候与水文循环变化的重要因 素【 1． 2】 ，因此国际地圈生物圈计划 I G B P 、国际全球环境变化人文因素计划 I H D P 、世界 气候研究计划 WC R P 、生物多样性计划 D 1V E R S I T A S 等将水循环中生物圈作用研究 r B A H C 与土地利用与覆被变化的关系及其气候脆弱性等作为其核心计划[3 l 4 】 ，而在 I G B P 与 I H D P 共同确立的国际问研究计划 L U C C中，一个主要问题就是要了解区域土地利用 与覆被变化对水文过程与水资源的影响 。大量研究表明，土地覆盖与土地利用变化引 起的区域植被生态系统改变对区域水文循环过程有着极其显著的影响[z I 8 ， 】 ，关于流域集水 区土地利用和覆盖变化对水文过程的影响以及植被组成结构与变化的区域水文响应机制 是近 l 0 年来水文科学研究的热点领域，并成为水文科学发展的另一个重要领域【 - ． -。 干旱地区的水资源特性决定了地下水通常是干旱地区最重要的水源和最佳的供水选 择，地下水资源往往成为维持干旱区生命绿洲，尤其是沙漠、荒漠地区社会一经济发展 的首要因素【 ， “ 】 。从世界范围看，地下水资源确实在解决干旱区缺水问题中起到了不可替 代的主导作用，科学的论证和有效的管理是开发利用好干旱区地下水资源的重要保证和 必要前提，其中准确判断人类活动对地下水系统的影响是制定区域地下水合理利用规划 的关键 n 】 。以往对干旱区地下水系统影响的人为因素分析，主要集中在对地下水开采利 用的强度与合理性方面，忽略了土地利用变化对流域地下水系统的影响，实际上，作为 区域水文循环的重要环节，地下水系统对流域土地利用与覆被变化具有强烈的响应【 ， “ 】 ， 本文以河西地区黑河流域中游地区的张掖盆地为研究区域，分析干旱内陆流域地下水系 统对土地利用变化的响应特征。 收稿日 期2 0 0 5 0 1 ． 2 l 修订日 期；2 0 0 5 0 3 2 7 基金项目国家自 然科学基金项目 4 0 1 7 1 0 0 2 ； 中日国际合作项目” 变化环境下干旱绿洲水资源适应性评价” 联合资助 【 F o u n d a t i o n Na t i o n a l N a t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a ， N o ．4 0 1 7 l 0 0 2 ； C h i n a - J a p a n C o o p e r a t i o n P r o j e c t ” E s t i ma t i o n o f o a s i s a d a p t a b i l i t y t o w a t e r r e s o u r c e u n d e r c h ang i n g e n v i r o n me n t ” ] 作者简介王根绪 1 9 6 5 一 ， 男， 研究员， 博士。主要从事寒旱区土地覆被变化与环境以及水文学与水资源方面的研究。 E ma i l g x w ang l z b ． a c ． c n 4 5 6 - 4 6 6页 维普资讯 3 期 王根绪等 黑河流域土地利用变化对地下水资源的影响4 5 7 1研究区域与方法 1 ． 1研究区域概况 选择黑河流域中游张掖盆地为典型研究区域，该区位于河西走廊中段 ，介于 9 7 o 2 0 1 0 2 。 1 Y E ，3 7 2 8 ～ 3 9 。 5 9 ’N之间，总面积 4 2 1 ．4万h m ，包括张掖市的甘州区、临泽 县和高台县的山前平原区 图 1 。该地区属典型的温带大陆性气候，降水少而蒸发强烈， 区内多年平均降水量6 2 ～ 2 8 0 l n l n ，多年平均蒸发量 1 0 0 0 ～ 2 0 0 0 l n l n 。黑河出山河流是张掖 盆地唯一地表水径流，自1 9 5 1 年以来，地表径流和区域内大气降水没有明显增减变化趋 势，基本稳定【 l5 ] ，近 5 O年来张掖地区气温变化总趋势是 2 O世纪 5 O年代中期到 2 O世纪 9 O 年代中期气温偏低，从 9 O 年代中期开始略有增加，但增温幅度尚未超过 2 O 世纪 5 O 年 代高温期，据此可以认为近 5 O年来研究区域气候变化不明显，气候变化对区域地下水系 统产生的直接影响微弱。研究区域地势自东南向西北倾斜，地形坡度 4 2 5 ％ o ，地貌上分 为南部山前冲洪积 ． 洪积戈壁平原和盆地中部冲洪积细土平原两类。受地貌、沉积物和构 造条件制约，地下水主要为第四系孔隙水，并依地貌单元自南部山前至北部盆地中心， 划分为4个地下水单元南部冲洪积扇中上部、冲洪积扇下部、盆地中部冲洪积细土平 原、盆地下游河谷平原区。在各地下水单元内，从 1 9 8 0 年开始先后建立了近 6 O 个地下 水动态长期观测点 图 1 。 研究表明【l6 ] ，黑河流域近 1 5年来的土地利用与覆被变化十分强烈，其显著标志在于 以灌溉耕地急剧增加带动的人工绿洲系统的扩张和天然草地减少和原有河道的大量废弃 为代表的天然绿洲体系的萎缩，这种变化将驱动整个水资源系统的时空分布发生根本改 变，对地下水资源系统的三个关键环节补给、径流和排泄，均将产生较大影响。 1 ． 2研究方法与数据 地下水资源构成变化与地下水资源管理研究的基本方程为 一 A S 1 图 l张掖盆地地貌分区以及地下水动态观测点布置图 F i g ．1 T h e h y o g e o l o g i c a l s u b z o n e s a n d g r o u n d w a t e r o b s e r v a t i o n s i t e s i n t h e Z h a n g y e r e g i o n 维普资讯 4 5 8 地 理 学 报 6 0 卷 式中Q 表示地下水补给量，在干旱内陆流域一般有河道入渗、降水入渗和灌溉水入渗 补给以及地下水测向径流入流补给等要素。Q 。 为地下水系统排泄量，主要有泉水溢出、 潜水蒸散发、地下水开采以及地下水测向流出等要素。△ ．s 为地下水系统的储存量变化。 分析地下水系统对土地利用与覆被变化的响应就是通过这些基本构成要素的变化来体现。 本次研究的总体思路是把 1 9 7 0 ～ 2 0 0 0 年的 3 O 年，从 1 9 8 5 分割为前后 1 5 年，进行土 地利用与覆被变化对地下水资源影响的对比分析。 1 ．2 ． 1 地下水系统补给与排泄要素变化的分析方法 在地下水系统补给要素中，由于干 旱内陆流域平原区降水量稀少，降水补给主要通过山前降水形成的雨洪入渗补给地下水， 这部分补给量以及地下水测向补给量受土地利用与覆被变化的影响不大，这里不予分析。 因此，参与土地利用与覆被变化的地下水补给要素主要是河道河水入渗和灌溉系统灌溉 水入渗补给。其分析方法如下 对河道河水补给△ Q ， q A L 入 2 i l 但对干流区域，河道入渗量的计算以引水口为界分两段进行，即渠首以上和渠首以 下至泉水溢出带。渠首以上河道入渗补给量的变化主要受河流出山径流量变化影响，与 区域土地利用无关，且多年来出山径流量基本稳定，因此不予分析 渠首以 F a Q Q o Q 一A q 入 3 式 2 和 3 中q 为不同河流的出山径流量，△ ￡ 代表不同河流河道的长度变化量，入 为不同河流河道的入渗系数；Q 。 为干流出山径流量，Q ， 为渠首以上河道渗漏量，△ 口 为 渠首河水引水量的变化量，与耕地变化关系密切；入 为干流渠首以下至泉水溢出带河道 入渗补给率。 对灌溉水补给又进一步划分为渠系水入渗和田间灌溉水入渗两部分，各 自随土地利 用变化的分析方程如下 对渠系水补给变化a Q q 1 一△ 4 对田 间 灌 溉水 补 给变 化 a Q ∑△ q 。 5 1 式中q 为渠首引水量，q 。 为不同区域净灌溉定额；△ 表示渠系利用系数随渠系长度的 变化量， 卢为渠系水入渗补给系数， 为不同灌区的灌溉水入渗补给系数△ 为不同灌 区灌溉面积的变化量。 地下水的排泄系统要素中，井灌区面积的增加使得开采量增加，与土地利用变化关 系密切，泉水溢出量的变化受控于地下水位变化，属于土地利用变化的间接影响结果。 据此，地下水排泄要素中的开采量和泉水溢出量变化直接采用统计数据，对于潜水蒸散 发量的变化利用不同地下水位分布面积的调查结果和潜水蒸发强度来计算，由于不同土 地利用与覆被类型具有不同的潜水蒸散发强度，因此潜水蒸散发强度是地下水位和土地 利用覆被变化量两种变量的耦合结果，用下式计算 ￡ a Q ， ， 6 P 1 1 式中 ， 和 y ⋯分别表示依据地下水位分区的第P分区，再按照不同土地覆被类型划分 的次一级分区 的分布面积和潜水蒸散发强度。 1 ． 2 ． 2 地下水储存量变化的分析方法 在水文地质分区基础上，计算各个区域地下水储 量的近2 O 年内的多年变化，并以此来分析各区域的地下水储存量多年动态变化规律。 A W H H i。 7 维普资讯 3 期 王根绪 等黑河流域土地利用变化对地下水资源的影响4 5 9 式中A W． 为第 区 年的地下水储量相对于 1 9 8 1 年 或 1 9 8 4 年 地下水储量的变化量， 单位是 1 0 6 m 3 ； 为第 i 区含水层的给水度，无量纲； 为第 i 区的面积，单位是 m ；H 为第 区第 年地下水位的平均观测值，t-I ,o 为第 i 区 1 9 8 1 年 或 1 9 8 4年 地下水位的平 均观测值，单位均为m。 1 ． 2 ． 3 分析数据来源与计算参数的确定 f l 1 土地利用变化数据采用 1 9 6 9 年研究区域航测数据、1 9 8 6 年和 2 0 0 0 年研究区域 卫星遥感 T M数据，在 1 1 0 0 0 0 0 地形图的基础上，依据国家土地类型分类标准划分土地 利用图斑，提取不同时期与地下水变化密切相关的灌溉土地、草地、林地、荒漠 裸岩、 土，沙漠、戈壁等 、河流、渠系等类型的土地利用面积，然后根据 1 9 8 6 年和 2 0 0 0 年通 过地下水动态观测数据获得的地下水等水位线分别与 1 9 6 9 ～ 1 9 8 6年土地利用变化和 1 9 8 6 ～ 2 0 0 0 年土地利用变化对比，获得与地下水位埋深小于 1 m、l ～ 3 m、3 ～ 5 m和 5 ～ l 0 m相匹配的上述各类土地利用变化数据。 2 1 地下水动态观测数据与地表水资源数据黑河流域中游张掖盆地沿流域设置 5 4 个动态观测井点，其中2 8 个点开始于 1 9 8 0 年，有效数据为 1 9 8 1 - 2 0 0 1 年的2 0 年年平均 观测值、月平均观测值，另外 2 6 个点开始于 1 9 8 3 年后半年，有效数据为 1 9 8 4 ～ 2 0 0 1 年 的 l 7 年年平均观测值、月平均观测值。研究区域地表水资源及其利用数据均采用国家 “ 九五” 攻关计划黑河流域专题成果【 。 3 1 计算参数的确定1 9 8 6 ～ 1 9 8 9 年间，在研究区域内的张掖盆地中先后开展了大规 模地下水资源勘查研究，建立了大型地下水抽水与动态观测场、地渗仪观测试验场和地 下水运动参数研究区段等，通过大量的试验与观测分析，获得了区域内较为准确的一系 列水文地质计算参数，并逐渐形成了一系列相对于研究区域统一的水文地质参数，本文 研究使用的给水度、渗透系数、灌溉入渗系数、潜水蒸散发强度等参数，就采用这些试 验获得的为水文地质界所广泛采用的结果 表 1 ① 。 2 结果与讨论 2 ． 1张掖盆地近 3 O 年土地利用与覆盖变化特征 研究区域 1 9 6 9 年至 2 0 0 0 年期间土地利用变化的最显著特征就是耕地面积扩张、天 然林地和草地面积减少 图2 。3 0 年间，张掖盆地高覆盖草地 覆盖度大于 7 0 ％ 面积减 少了9 3 ． 8 ％，中覆盖草地 覆盖度介于 3 0 ％ ～ 7 0 ％ 面积减少了7 5 ． 1 ％，天然河道面积减少 了 5 4 ． 8 ％，天然有林地面积减少了 1 6 ．6％，其中林地的变化呈现前后 l 5 年不同的特征。 把天然有林地、人工林地和疏林地三种类型合并起来，在 1 9 6 9 ～ 1 9 8 6 年间，林地面积增 加了 1 6 3 ． 1 ％，但在 1 9 8 6 ～ 2 0 0 0年间，林地面积减少了 2 0 ． 2 ％。与草地和天然林地面积减 少相反，耕地面积增加了3 1 ．0 3 ％，其中平原区灌溉耕地增加了 1 8 ％，冲洪积扇中上部以 及浅山区草地大面积转化为旱耕地，导致旱耕地面积急剧扩张了8 9 ． 8 ％；城镇、农村居 表 1张掖盆地地下水各类计算参数的确定值 Ta b ． 1 T h e h y a r o i o g i c c o e ffic i e n t s a n d t h e i r v a l u e s i n t h e Z h a n g y e r e g i o n ① 甘肃水文地质队 黑河干流中游地下水资源及其合理开发利用 1 9 9 0 、 张掖市区域水文地质调 查报告 1 9 9 8 维普资讯 6 学 ≯ 一 菇 釜 ◇ _ J 2 报报i 地 I 9 6 7 和2 0 0 0 I J g 4 , i] J n 6 蹙化 F i g 2 C h a t l g e s o l l a a d⋯ t l i n t h e Z l u mg y e l J ⋯I } 6 2 D O 0 【 成1 建l殳 J I 1 地进逑j h iJ ，3 0年 舒别递增 J 8 7 6 ％、I 4 8 ／ o * n 7 2 ‘ 张撤捕地近 3 0 q柬．不司l 地1 1 J 与渣盖拦型宁I,iJ 化n { 』 上瑶特征挺 现 2 I 潍溉剌地 L 弭 毹地川 I ,oH 扇中 L l 成沿州 岸 rl』 件地 扩展．址札老绿洲摹础 ． 外罔延伸．甲耕地自 J 发J 刚 1 篮焦 I 丌 i,j { 扁1 r 上部和浅I J 地带； 2 1 兀 然林地羽 【 岛 拽精制 】 尘化蜒中庄山 和 } l 瑚 l ， 几工林地{ l 林地的变化 l 要分稍 扑洪 砌扇 I 一 下部s ,I I 嗣符、} ￡ 原地一 【 ] 1 夫 分布卜I l I 前冲泄祝扁上 j竹 刈逋以技川 一 洪牡 扁 郡 ilj 敞乱河道滇蹙 『 地域 岩 这种七地利用与 覆盖变化，尤其足灌溉绿洲的发展 和 问分布蹙化，特 动地表水循虾和地农水系 统的 ⋯ ] 分布发生改业， 艇埘稚地地 F水系统产牛较 凡影响 2 ． 2土地利用与覆盖变化对地下水补给系统的影响 豫撤 稿地‘ 州流域山的晾 F 流以外 他 支流恫 L Ⅲ _ j 茔 溉 韪 { 为 8 3 9 5亿 1 ， a ． 船分 I 9 8 5年 被纳入I 『 前壤系 戚水库． 汁为5 I 8 6 亿 m V a I ，使褂州道分 发 ， 急剧变化，恻件 IIf 水渗漏 的 3 0 ％消耗 r 包气 特 ．I 1 1 此汁并 1 9 8 5 4．由于刈道 分巾变化 导 敛旧八淳补给 _戚 丁 1 6 0 8 亿 m ／ a ．在 I 9 8 6 ～ 2 0 0 0年问，由此减少 八渲补 给帚为0 2 6 6亿 m 3 ／ a 十流㈣ r I ‘ ll 滩 渠 段 _十于发l 引水 7 ． 2亿 n l li a [ 一 I ．由此减少 洲J直 八滓水晨为0 5 2 9亿m 肌 经过草潍序槊首引水以 ． l 9 8 5 年前泉水滁出带以 l ‘ 河道内 渗水 诫 5 6 亿 m ， Ⅱ ．1 9 B 6 ～ 2 0 0 0 印问进 步减少 j 0 ． 3 1 3亿m ，这朴J lJ 硼⋯不同时 州水八浩补给地 I、 水 的减少最分别为 I 9 l 6 亿 111 ／ a 和n 2 8 9 亿n i a 衷 2 I 9 7 0 ～ 1 9 8 5 年的 I 5 年’日 』 ．圯删究I K 城灌溉农业发展撮为迅速的阶段．渠泵K 度1} l】 标准衬删K 度分刖增长丁2 ／ 3和7 5 ％，闪此渠系引水鲢 这阶段增加幅度较 犬“ 仆槊系利川率住 I 9 8 5 年前平均为0 ．5 ． I 9 8 6 f ．兄其是址入9 0 年 以 提高 到、 F 均为0 耶．依州 L 述公式，I l 算莱录八渗补给的变化帚 表 2 l 9 8 5 年前的 I 5 ， 训菜系统州地 下爪晌补给量山于槊系rj 】 水量的增加i llj 增D i1 J 0 9 0 8 亿 m ／ a ， J 9 8 6 扁至 2 0 0 0 均 I 5 Il lJ 增／j lI r u 5 3 7亿 【 l l ／ a f l】』 流 入渗量的变化上要壤 I - 霞牛血区域南 洪积廓r I ， ，缘于k 洲流／壬 山山后做⋯入渠道或水库， 桨系入渗 的叟化则 I 、 。 。＼ m 雠 酣 ． 一 I _ _ ll 维普资讯 3期 下根绪 等 黑河流域十地利用变化对地下水资源的影响4 6 1 表 2张掖盆地河流与渠系分布变化对地下水补给的影响 Ta b ． 2 T h e i mp a c t s o f t h e c h a n g e s i n r i v e r c h a n n e l s a n d c a n a l s y s t e m o n g r o u n d wa t e r r e c h a r g e i n Zh a n g y e r e g i o n 表3 张掖盆地灌溉耕地变化对地下水补给量的影响 Ta b ． 3 T h e i mp a c ts o f i r r i g a t e d a r e a c h a n g o n g r o u n d w a t e r r ech a rg e i n Zh a n g y e r e g i o n 主要集中在人工绿洲内部，在冲积扇中下部和细土平原区。 由于耕地面积变化引起的地下水补给变化是田间灌溉水入渗补给的变化，关键在于 确定灌溉面积变化区域与地下水位空间分布的配比，利用 1 9 8 6年和 2 0 0 0年区域地下水 位等水位埋深图，与 1 9 6 9 ～ 1 9 8 6 年和 1 9 8 6 ～ 2 0 0 0 年两个时间段的土地利用变化图斑进行 空问对应分析，获得两个时问段不同水位埋深的耕地面积变化 表 3 。在干旱内陆流域， 灌溉入渗能够补给地下水的区域一般是地下水位埋深小于 1 0 m的地带。根据张掖市统计 年鉴数据，各地灌溉定额存在一定差异，张掖市甘州区毛灌溉定额一般为 7 8 7 2 ～ 1 4 1 9 1 ． 5 m3／ h m ，临泽毛灌溉定额为 1 0 0 9 2 ～ 1 0 9 5 7 ． 5 m ／ h m z ，高台县毛灌溉定额平均为 9 6 1 8～ 1 7 3 5 6 ．5 m 3 ／ h m ；从 9 0 年代中期以来，由于种植结构逐渐从以前的单一小麦为主转变为 以玉米制种和小麦两种作物为主，灌水定额后期略高于前期。净灌溉定额在 1 9 8 5 年前取 毛定额的5 0 ％，在 1 9 8 6 年以后取 6 5 ％。计算 1 9 8 5 年前 1 5 年间由于灌溉面积增加而增加 的地下水补给量为 2 1 6 9 ． 6 9 万m ／ a ，1 9 8 5 年以后到 2 0 0 0 年的 1 5 年间，灌溉面积变化增 加的地下水补给量为 1 7 6 7 ． 0 9 万m 3 ／ a 。 2 ． 3 土地利用变化对地下水排泄系统的影响 上地利用变化对地下水排泄系统最直接的影响要素主要是潜水蒸散发，由于潜水蒸 散发主要发生在水位埋深小于 1 0 m的地带，在这些区域原来较低覆盖度草地 如荒漠化 草原1 以及半固定、固定沙丘和荒漠等的减少，均演变为灌溉耕地，因此，可以用灌溉耕 地对原草地的变化来计算土地利用变化对潜水蒸散发的影响。需要说明的是，覆盖度大 于 7 0 ％的平原区高覆盖草地对潜水的蒸散发强度被认为与作物相同，因而对于高覆盖草 地与农作物问的相互转换，不计算对地下水的影响。林地对地下水蒸散发的影响巨大， 干旱内陆流域人工绿洲发展中一个重要的土地利用变化就是各类防护林带网的建设带动 林地面积变化。依据有关部门在本区域开展的试验研究[a ] ，林地对地下水的蒸散发强度近 似为2 7 0 0 m ／ h m z 。依据上述评价公式，计算潜水蒸散发量的变化 表 4 。 其他地下水排泄项主要是泉水溢出和人工开采，其变化与土地利用有着间接关系， 由于目前尚无法获知上地利用与两者之间的数量关系，这里直接依据统计和测算数据来 反映地下水开采和泉水溢出量的变化情况 表 5 ，其中2 0 0 0年的泉水溢出量为 张掖 市区域水文地质调查报告 的预测结果。 a甘肃水文地质队 张掖市区域水文地质调查报告 1 9 9 8 b甘肃水文地质队 中华人民共和国综合水文地质图说明书，张掖幅1 2 0 0 0 0 0 1 9 8 1 维普资讯 4 6 2 地 理 学 报 6 0卷 表4 张掖盆地不同土地利用下地下水蒸散发量的变化 Ta b ． 4 C o mp a r i s o n o f g r o u n d wa t e r e v a p o r a t i o n u n d e r d i ffe r e n t l a n d u s e p a t t e r n s i n Zh a n g y e r e g i o n 地下水位埋深 m 1 1 ． 3 3 - 5 5 1 0 林地变 变化 总最 化 灌区面积 变化 k m 甲均 蒸发强度 m ／ h m 潜水 蒸发量 万 m 灌区 面积 变化 k m 甲均 蒸发强度 m ／ h m‘ 潜水 蒸发量 万 m’ 表 5张掖盆地地下水泉水溢出与开采等排泄量的变化 T a b ． 5 Th e c h a n g e s o f g r o u n d w a t e r d i s c h a r g e i n s p rin g o u t fl o w a n d e x p l o i t a t i o n 盟 至 王 生 Q 生 堕 泉水溢出量 亿 m 3 ／ a 1 0 ． 1 9 7 ． 2 3 5 ． 3 4 5 ． 1 7 ． 2 ． 9 6 ． 2 ．0 6 开采量 4 L m 3 ／ a O ． 1 8 6 0 ． 8 3 1 ． 0 8 6 3 ． 6 2 O ． 6 4 4 2 ． 7 9 根据表 4和表 5 结果，张掖盆地由于土地利用变化引起的地下水排泄系统的变化， 在 1 9 8 5 年前的 1 5 年平均减少了2 ．0 3 5 亿 1T I ／ a ，主要缘于泉水溢出量的锐减；在 1 9 8 6 年 以后的 1 5 年平均增加了O ． 6 7 8 5 亿 m 3／ a ，主要原因在于区域泉水溢出量减少和地下水开采 量的急剧增加。 3 地下水资源变化的均衡分析与地下水动态变化 3 ． 1地下水储存量的变化 利用区域内各水文地质单元地下水位动态观测数据，根据公式 6 计算区域内不同水 文地质单元地下水储存量的变化，结果列于表6 。可以看出，位于盆地南部的冲洪积扇中 上部地下水储量呈现明显下降趋势，其中2 O 世纪 8 O 年代地下水储量年均减少 6 ．2 7 1 0 m ；9 0 年代年均减少 1 5 ． 0 8 1 0 m ；2 0 年间累计减少 2 2 0 ． 7 1 0 1T I ；年均减少幅度达到 将近 1 1 ． 0 1 0 1T I 。在冲积扇下部，地下水储量总体上也呈现减少趋势，但在时间上存在 明显的分异性，8 O 年代地下水储量减少幅度平缓，1 9 8 1 ～ 1 9 8 9 年地下水储量总的减少了 1 1 ． 8 O 1 0 1T I ，平均每年 1 ． 2 1 0 1T I ；1 9 8 1 ～ 1 9 8 3 年间地下水储量非但没有减少反而有不 同程度的增加。但在进入2 O 世纪 9 O年代以后，该区出现地下水储量快速减少，1 O年内 累计减少 5 6 ． 8 6 1 0 1T I ，年均达到 5 ．7 1 0 1T I 。在盆地中心细土平原区，地下水储量多 年变化动态平稳，年平均储量变化为0 ． 0 2 1 0 1T I ～0 ．3 3 1 0 6 m 3 之间。位于盆地西部的 临泽和高台河流沿岸的河谷平原区，地下水储量总体变化幅度不大，且从 2 O 世纪 8 O 年 代末与9 O 年代初以来，地下水储量呈现逐渐抬升趋势。 3 ．2 地下水系统补排变化的均衡分析 区域地下水补给系统的变化A t A t A t A t A t ，依据上述结果分析不 同时段张掖盆地地下水补给量的变化如下 1 9 7 0 - 1 9 8 5 年A 0 一 2 ． 3 8 5 0 ． 2 1 7 一 2 ． 1 6 8 亿m ／ a 1 9 8 6 - 2 0 0 0 年A 0 一 0 ． 0 4 2 O ． 1 7 6 O ． 1 3 4 亿m ／ a 区域地下水排泄系统的变化A 0 A 0 A 0 A 0 ，其中A 0 ，A 0 分别代表地 下水开采量和泉水溢出量的变化量。 1 9 7 0 - 1 9 8 5 年A 0 D 一 2 ． 0 3 5亿1T I ／ a ；1 9 8 6 - 2 0 0 0年A 0 D 0 ．6 7 8 5亿m3／ a 均衡结果1 9 7 0 ～ 1 9 8 5 年A 0 A 0 一 0 ． 1 3 3 亿 1T I ／ a ； 1 9 8 6 - 2 0 0 0 年A 0 R A 0 ，】 一 O ． 5 4 5 亿m 3／ a ． 维普资讯 3 期 王根绪 等 黑河流域土地利用变化对地下水资源的影响 表 6 张掖盆地各区域地下水位、地下水储量年际变化 T a b ． 6 Th e s p a t i a l - t e mp o r a l c h a n g e s o f g r o u n d wa t e r t a b l e a n d s t o r a g e 上述分析表明在 1 9 8 5 年前，由于土地利用变化导致的地下水补给和排泄系统变 化，在 1 9 8 5 年时，形成张掖盆地地下水储存量减少 0 ． 1 3 3 亿 m ／ a ，在 1 9 8 6 ～ 2 0 0 0 年间， 由于土地利用与覆被变化导致的地下水储存量平均减少了0 ． 5 4 5 亿 m ／ a 。利用地下水位变 化测算的区域地下水储存量随时间的变化过程如表 6 ，1 9 8 1 ～ 1 9 8 5 年，区域地下水储存量 平均减少了0 ． 1 9 5 亿 m ／ a ，在 1 9 8 6 ～ 2 0 0 0 年问地下水储存量平均减少了0 ． 6 6 7 亿 m 3 ／ a ，均 衡分析两个结果的误差，1 9 8 5 年前由于缺乏 l 9 7 0 ～ 1 9 8 0的 l 0 年间地下水位动态数据，无 法评价两者之间的拟合程度；1 9 8 6 ～ 2 0 0 0 年段，相差0 ． 1 2 6 亿 m 3 ／ a ，相对误差小于 2 0 ％。 由于计算所用的各类参数是在上世纪 8 0 年代通过一些试验获取的，存在一定误差在所难 免，另外，1 9 8 6 年以后的泉水溢出量缺乏实际调查数据，以估算和模型预测结果为依据， 也存在较大误差，据此认为上述分析结果在当前研究精度条件下具有较好的准确性。 3 ． 3 地下水动态变化分析 盆地内土地利用对地下水储量的不同影响，在地下水位动态变化方面具有明显不同 特征 图3 a 。在张掖盆地南部的冲洪积扇中上部，地下水位埋深在 3 0 m以上，大部分地 区超过 5 0 m，地下水类型为单一的潜水含水层结构，受河道减少和井灌耕地面积增加影 响，地下水位呈现明显持续下降趋势，平均地下水位年下降幅度为 0 ．2 3 ～ 0 ．2 6 m，尤其是 2 0 世纪9 0 年代以来，其下降幅度增加，近 2 0 年间累计下降4 ．6 ～ 5 -3 m。在盆地中部位于 绿洲南部边缘的冲洪积扇下部，地下水由单一潜水含水层过渡为多层和承压水含水层结 构，地下水位埋深一般介于5 ～ 2 0 m，区域内2 0 世纪 8 0 年代以来新增灌溉耕地多为河水 与地下水混合灌区，局部甚至为纯井灌区，近 2 0 年地下水多年动态变化在 1 9 9 0 年以前 呈现出相对平稳或缓慢下降态势，在 l 9 9 0 年以后则呈现明显快速下降趋势 图 3 a 。位于 盆地中心地带的细土平原区，含水层结构复杂，多由数层组成，是区域承压水分布区和 主要的泉水出露区，是传统的泉水与井水灌溉区，受泉水减少影响，从 9 0 年代以来开始 大量引用河水灌溉，地下水储量虽然有小幅度减少，但地下水位在近 2 0 年间保持稳定， 1 445 l 43 0 ≥ 1 4 1 5 * 1 40 0 图3不同水文地质分区地下水动态变化特征 F i g ． 3 T h e g r o u n d wa t e r t a b l e d y n a mi c c h a n g e s i n d i ffe n t s u b z o n e s 0 5 0 5 0 5 4 2 1 9 8 6 5 5 5 4 4 4 ；1 1 11 1 Ⅲ ／ * 维普资讯 地 理 学 报 4 1 9 8 5 年和 2 0 0 0 年张掖盆地地 F 水位等值线图 F 4 T h e g r o u n d wa t e r t a b l e i s o l i n e i n I 9 8 5 a n d 2 0 0 0 i n Z h a n g y e r e g i o n 大部分区域水位变化不明显 图3 b 。盆地西北部临泽和高台县境黑河沿岸河谷平原区， 以引河水灌溉为主，地下水动态变化较为稳定，伴随河水灌溉耕地增加，局部地下水位 略有上升 f 图3 b 。 利用 1 9 8 5 年和2 0 0 0 年两个时期的地下水动态观测数据，绘制区域地下水位等值线 图 图4 ，对于张掖盆地中心洪积平原和盆地西北部河谷平原区，近 l 5 年来地下水位在 绝大部分地区处于相对稳定状态，区域地下水位分布状况没有出现显著变化。在盆地东 南部边缘和南部冲洪积扇中上部，地下水位变化最为剧烈，但由于在这些区域观测点稀 少而等水位线未能体现。说明张掖盆地中心洪积平原和盆地西北部河谷平原区，现状地 下水系统尚处于补排平衡状态，人类活动对其影响微弱；过去 3 0 年该区域土地利用与覆 盖变化对地下水动态的影响主要表现在使盆地南部冲洪积扇中上部和下部局部地带地下 水位出现持续下降趋势， 但下降程度还没有形成空问上显著的地下水流场分布变化。 假如考虑人工开采量的增加因素在 1 9 8 6 年以后到2 0 0 0 年逐渐增加到 2 ． 6 2 亿 m 3 ／ a 的 水平，1 9 8 6 - 2 0 0 0 年间地下水的补排均衡关系应该是 △ p 一△ p 。 0 ．4 5 7 亿m S ／ a ，将出现 区域地下水储存量略显增加的局面。综合上述分析表明，只要人类开采保持一个合理的 变幅 在本区域不要超过 3 ．0 亿m 3 ／ a ，土地利用变化将对区域地下水资源变化起着决定性 作用。由于近 l 5 年来，大量地下水开采集中在盆地冲洪积扇的中下部，而地下水因土地 利用变化引起的补给系统变化以盆地中心与西部的细土平原和河谷平原为主，所以出现 了地下水资源区域变化的明显差异性，盆地冲洪积扇中上部和下部地区地下水储量不断 减少，而盆地中西部细土平原和河谷平原区则有所增加 f 表6 。 4 结论与讨论 在黑河流域张掖盆地，自 上世纪 7 0 年代大规模开发以来，到 1 9 8 5 年，由于土地利 用变化导致地下水系统补给量减少2 ． 1 6 8 亿m 3 ／ a ，而地下水补给系统所产生的总的影响幅 度达到 2 ． 6 0 2 亿 m 3／ a ；地下水排泄系统减少了2 ．0 3 5 亿 m 3／ a ，总变化幅度为3 ． 8 8 9 亿m 3 ／ a ， 这些变化形成区域内地下水储存量减少了0 ． 1 3 3 亿 m 3／ a 。从 1 9 8 6 年以来的 l 5 年间，区域 内土地利用的进一步变化，使得地下水补给量变化了0 ． 2 1 8 亿m 3 ／ a ，形成地下水补给量净 增