主編致讀者

?李文鵬

黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制與水平衡研究

我國西北干旱內(nèi)流盆地面積2.38×106km2，約占西北地區(qū)面積的70%，是“一帶一路”國家級頂層合作倡議與西部大開發(fā)戰(zhàn)略發(fā)展區(qū)。西北內(nèi)流盆地地表水與地下水同出一源，主要形成于周邊山區(qū)，地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化強烈，最終耗散于盆地平原區(qū)，水資源開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護等都具有很大的相似性，俗話說，每個流域幾乎都演繹著相同的故事。黑河流域是我國第二大內(nèi)流河流域，具有極強的代表性。由于水循環(huán)過程的復雜性和地表徑流關鍵斷面監(jiān)測資料的不足，使得對相關科學問題的認知還存在很大的不確定性，成為水文、生態(tài)、環(huán)境等領域的研究瓶頸，制約了水資源管理與可持續(xù)開發(fā)利用，尤其降水與耗水量的分區(qū)量化一直是流域水循環(huán)與水平衡研究中的難點，近年來，遙感技術為此提供了新的視角和研究方法。為此，利用多學科方法，開展黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制與基于遙感的水平衡分析，對于科學、合理、有效地配置和利用水資源，促進干旱區(qū)水文地質(zhì)科學、水文水資源科學、農(nóng)業(yè)科學等的發(fā)展具有重要理論價值，對指導干旱區(qū)水資源高效利用與生態(tài)環(huán)境保護具有重要的現(xiàn)實意義。

在國家自然科學基金委員會重大研究計劃“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究”支持下，2011—2014年重點基金項目“黑河流域地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化的觀測與機制研究”（項目批準號：91025019），以地表水和地下水觀測為出發(fā)點，利用鉆探、物探、遙感、水化學同位素等技術和方法，對黑河流域平原區(qū)地表水與地下水相互轉(zhuǎn)化機制進行了定性或定量研究。取得的主要成果包括：建立了平原區(qū)三維高頻地下水監(jiān)測網(wǎng)；構(gòu)建了平原區(qū)三維含水層結(jié)構(gòu)模型；查明了山盆之間及次級盆地接觸關系及與地下水聯(lián)系；首次在張掖盆地揭穿了第四系含水層，發(fā)現(xiàn)了富水性極強、水質(zhì)良好的早更新統(tǒng)“西域礫巖”巨厚含水層；在張掖盆地發(fā)現(xiàn)了面積大于500 km2的極強富水性含水層系統(tǒng)；揭示了黑河干流河道入滲規(guī)律與地下水溢出的時空不均勻分布特征；利用分布式光纖測溫技術鑒別了地下水溢出排泄的空間分布和強度；利用人工溴示蹤試驗較準確地測定了灌溉水下滲速度和數(shù)量；結(jié)合遙感和同位素技術，將單位面積總蒸散量分解為植被蒸騰量和地下水蒸發(fā)量；基于數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)了盆地尺度地下水儲存量及黑河干流地表水與地下水轉(zhuǎn)化量的時空變化特征；研發(fā)出第四系含水層分層監(jiān)測井管材、止水材料和成井方法，建成7 通道7 層監(jiān)測井和一孔12 層監(jiān)測井（Westbay System）；聯(lián)合利用井中封隔技術和自動監(jiān)測技術，進行同孔分段震動洗井和分段抽水試驗，探求大厚度第四系含水層的真實水文地質(zhì)參數(shù)取得了突破。

2014年，國家自然科學基金重大研究計劃支持的“黑河流域祁連山前山盆構(gòu)造水文地質(zhì)意義研究” 項目（項目批準號：91325107），充分考慮新構(gòu)造運動強烈的特點，對黑河流域山前逆沖大斷裂采用音頻大地電磁測深法（AMT）和高分辨率地震法，利用電性（電阻率）和彈性波（波速、波阻抗等）參數(shù)進行綜合研究，對祁連山山前地層巖性、斷裂的性質(zhì)與產(chǎn)狀分段進行了詳細探測。揭示祁連山區(qū)與盆地之間的山前斷裂是由大型逆沖斷層組成的疊瓦式構(gòu)造，斷層帶南傾，傾角約76°～80°。山前大斷裂作用形成的山盆三種接觸關系均使山區(qū)地下水與平原地下水水力聯(lián)系差，地下水徑流受阻，主要通過山區(qū)河流作為局部侵蝕基準面，通過出山口地表河流或河道潛流補給平原區(qū)地下水。

2014—2018年，先后完成中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“黑河流域重點地區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查”（項目編碼：12120114018401）與“河西走廊黑河流域1∶50 000 水文地質(zhì)調(diào)查”（項目編碼：DD20160292），探測了工作區(qū)第四系松散沉積物厚度、物性特征與空間分布以及前山帶和盆地內(nèi)隱伏斷裂分布；深入研究了山盆關系、盆地結(jié)構(gòu)、河流規(guī)模及其對地下水系統(tǒng)的控制作用與生態(tài)效應；創(chuàng)新形成“一孔同徑、分層成井、封隔洗井、分層抽水、實時監(jiān)控”的地下水分層勘查技術體系；評價了地下水資源量與質(zhì)量；初步構(gòu)建了以張掖盆地平原堡為核心區(qū)的地下水科學試驗觀測平臺，包括灌溉水入滲試驗場、泉溝監(jiān)測斷面、各類典型勘探孔（監(jiān)測孔），以及張掖盆地我國首個自流井水頭高度展示平臺；基于遙感分析了近25年來人工綠洲、天然濕地、植被及城鎮(zhèn)化的動態(tài)變化；揭示了鹽池盆地駱駝城—明花鄉(xiāng)等典型生態(tài)脆弱區(qū)水土資源開發(fā)利用的生態(tài)環(huán)境效應。

2015年啟動的“國家地下水監(jiān)測工程”，在上述項目的基礎上，黑河流域建成國家級地下水監(jiān)測站255 處，其中自然資源部140 處，水利部115 處，形成2018年至今的監(jiān)測數(shù)據(jù)集。2019年以來依托“全國地下水綜合調(diào)查評價”項目開展的黑河流域地下水位統(tǒng)測，查明了流域平原區(qū)地下水流場與儲存量變化特征。

《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》刊出 “黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制與水平衡研究”專欄6 篇論文，是以年輕人為主體的研究團隊在上述項目基礎上完成的部分研究成果。主要著眼于黑河流域地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制與水平衡研究的若干關鍵問題，研究區(qū)域涵蓋整個黑河流域，研究對象包括大氣降水、地表水、地下水與蒸散發(fā)等，研究方法包括原位試驗、原位監(jiān)測、數(shù)值模擬、遙感監(jiān)測等。

其中，《黑河中游盆地南部山區(qū)地下水對平原區(qū)側(cè)向徑流補給量的估算》針對長期以來山盆間地下水交換量的難題，通過黑河中游盆地南部山盆交接帶的地質(zhì)構(gòu)造接觸關系、地層巖性接觸關系及梨園河口白堊系風化殼含水層結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)參數(shù)分析，將山盆交接帶劃分為大中型河流河谷補給段和小微型河流或沖溝群流域構(gòu)成的淺山帶補給段，前者勘探資料較為豐富采用傳統(tǒng)的達西斷面法計算，后者缺乏勘探資料，提出了淺山帶巖性、匯水區(qū)面積、降水量等3 個變量的山區(qū)地下水對平原區(qū)側(cè)向徑流補給量的估算方法?！逗诤恿饔蛑杏闻璧氐叵滤畡討B(tài)特征及其調(diào)蓄能力分析》基于本區(qū)豐富的地下水長期動態(tài)監(jiān)測資料，研究區(qū)域地下水動態(tài)特征，識別出黑河流域中游盆地地下水補排平衡區(qū)與非平衡區(qū)，評價了補排平衡區(qū)的調(diào)節(jié)水量與調(diào)蓄能力?！逗诤又杏尾煌喔确绞较碌叵滤霛B補給特征研究》鑒于長期以來對地下水補給量沒有成熟的監(jiān)測方法，采用人工溴示蹤法研究黑河中游張掖平原堡試驗場不同灌溉條件和不同深度條件下的地下水入滲補給規(guī)律和不同灌溉條件下的年度補給量，研究成果為黑河流域地下水補給量計算提供了難得的實證參數(shù)?！逗诤恿饔蛑杏闻璧氐乇硭c地下水轉(zhuǎn)化機制研究》以黑河流域中游的張掖盆地和鹽池盆地為研究區(qū)，利用長序列地表水和地下水觀測資料，建立了黑河主干河道時變水平衡模型和地表水地下水耦合數(shù)值模型，研究了長周期水文變化和人類活動雙重影響下地表水與地下水轉(zhuǎn)化機制。《基于地表水循環(huán)遙感觀測的黑河流域水平衡分析》綜合應用TRMM 與GPM 衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，估算流域上中下游的降水量和天然荒漠區(qū)和種植區(qū)的蒸散發(fā)量，與地面氣象、水文觀測數(shù)據(jù)計算的結(jié)果具有較好吻合度，分析了流域各水資源分區(qū)降水、蒸散發(fā)與徑流等水循環(huán)要素的水平衡狀況。該文是利用遙感方法探索流域尺度水循環(huán)要素時空分布與變化、分析流域水平衡狀況、評判水資源合理開發(fā)利用程度的一次嘗試?！冻樗囼炛胁煌恢米詣铀挥嬳憫獢?shù)據(jù)應用分析》針對抽水試驗中如何合理放置自動水位計以及在參數(shù)計算中如何應用其獲取的水位降深開展實驗研究。在黑河流域第四系大厚度含水層地區(qū)，選擇典型單層試驗孔和利用分層封隔技術，實現(xiàn)了一孔同徑多層抽水孔抽水試驗，實測到井筒內(nèi)不同部位井損，為更好地理解井中水頭損失分布與機理提供了依據(jù)；提出了避開較大水頭損失的水位計優(yōu)選安放位置；給出了通過單孔多落程抽水試驗數(shù)據(jù)分析，科學扣除井損求取水文地質(zhì)參數(shù)的范例。

服務于新時代水資源管理與生態(tài)文明建設，對流域水循環(huán)與水平衡認知提出了新的要求，科學開展水資源調(diào)查、監(jiān)測、評價、確權登記、有償使用與合理開發(fā)利用等工作，亟需探索建立西北內(nèi)流盆地尺度貫穿不同地貌單元不同生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)與生態(tài)過程的多要素觀測體系；揭示水循環(huán)關鍵界面動力學機制及其通量，探索氣候變化與人類活動對水循環(huán)過程與生態(tài)效應的影響機制；研發(fā)流域尺度以降水-蒸散為邊界的水循環(huán)多源數(shù)據(jù)融合與智能模擬系統(tǒng)；建立完善基于多學科調(diào)查研究的水資源評價和水資源可持續(xù)利用量的評價理論與方法，實現(xiàn)水資源開發(fā)利用管理向開發(fā)利用與蒸散量聯(lián)合管理的轉(zhuǎn)變；建立流域水循環(huán)生態(tài)環(huán)境效應評價理論，形成山水林田湖草沙冰生命共同體和諧健康的診斷指標體系與方法。為流域尺度水資源可持續(xù)利用、國土空間規(guī)劃與用途管制，生態(tài)保護與修復提供長期的水循環(huán)科學觀測基地與研究范例。