水文背景条件变化

水文地质条件的影响~

研究区处于黄河冲积平原，全区均为第四纪松散地层堆积，地下水就赋存在这些厚度巨大而分布广泛的地层孔隙中，松散岩类中地下水的赋存条件，主要取决于含水层分布范围的大小、厚度、颗粒的粗细和结构的致密程度。一般来讲，含水层分布面积广、厚度大、颗粒粗、结构疏松，赋存条件就好，反之就差。本区各时代含水层从上到下，时代由新到老重叠覆盖，孔隙率也由新到老逐渐变小，这是因为时代新的压密程度较低，较松散，时代老埋藏深，压密程度高，故地下水赋存条件由新到老逐渐变差。
黄河冲积平原浅层水由于古黄河多次改道古河道分布面积广大，砂层颗粒粗，厚度大，结构松散，孔隙大，这对地下水的赋存与分布是极为有利的条件。西部条形岗地浅层水由于含水砂层颗粒细，厚度小，或者无砂层，地下水赋存条件较差。
深层地下水在不同地区、不同深度都埋藏有较厚的中粗砂、中细砂含水层，给地下水的存在和富集形成了较大的空间，地下水缺少储存的空间，而在300m深度以下有厚层的中粗砂含水砾石，其赋存条件较好。
研究区含水层的岩性、地下水的埋藏深度以及地下水的补径排对氟的迁移富集起很重要的作用，以下将分别进行阐述。
（一）含水层岩性的影响
研究区含水层岩性决定含水层的透水能力，而含水层的透水性好坏往往又决定地下水交替的快慢。如果含水层的透水性好，包气带的淋洗水进入含水层后，可及时被带走，有利于土壤的脱盐；另外由于径流条件好，地下水交替积极，潜水的矿化度往往也相对较低。反之，如果含水层的透水性差，来自包气带的淋洗水难以排走，导致土壤向积盐方向发展，造成土壤的盐渍化。例如，在一些干旱、半干旱地区，虽然潜水埋藏深度小于支持毛细带的最大上升高度，但潜水含水层（砂砾石层）透水性极佳，往往见不到盐分聚集现象。
另外，含水层由粒径较细的颗粒（如黏性土）组成时，这些细颗粒的物质可以吸附周围环境中的氟，使含水层中氟的背景值变大，这时在一定的水化学条件下进入地下水中的氟也会相应地增多，容易出现高氟地下水。
在研究区北部、东部以及南部的大部分地区为黄河冲积平原、古河道主流带地区，含水层上游以含砾石、中粗砂为主，下游以中细砂为主，为黄河古河道河床相堆积。含水砂层顶板埋深上游10m左右，下游可达20m。覆盖层岩性为亚砂土夹亚黏土，局部为粉砂，与下层含水层构成上细、下粗的“二元结构”。在古河道主流相和泛流相沉积中易形成这种典型的二元结构，为黄河冲积平原分布面积最大的含水层类型。上部为亚砂土、亚黏土等组成的弱含水层，下部为稳定的含水砂层。主流相含水砂层，以细砂、中细砂、中粗砂为主，厚度一般为10～35m，以HCO3-Ca，HCO3-Ca·Mg，HCO3-Na·Mg，HCO3-Mg·Na型水为主，氟含量一般小于1mg/L。
中牟县芦岗、大马寨，开封县榆园、三里寨、半坡店，杞县城南—裴庄店，通许县城南—太康县杨庙，扶沟县吕潭—太康县、鄢陵板桥、县城—马栏，尉氏县朱曲及临近条形岗地的黄河冲积平原的边缘地带，属于泛流带和泛流边缘带沉积。含水层颗粒细，厚度比较薄，地下水径流条件较差，因而水质也比主流带差，易形成高氟地下水，水化学类型为HCO3-Na·Mg型水，HCO3·Cl-Na·Mg·Ca型水，HCO3·SO4·Cl-Na·Mg型水，局部地区为SO4·Cl-Na·Mg型水，矿化度较高，一般为1～3g/L的微咸水。
（二）地下水埋藏深度的影响
地下水的埋藏深度影响潜水蒸发能力的大小，当地下水位埋深不大时，潜水的蒸发作用强烈，容易引起毛细上升，深层的地下水进入浅层，而潜水又被大量蒸发而浓缩，从而使氟离子含量升高。
地下水埋藏深度对高氟富集的影响在前文中已有阐述，在此不再进行赘述。
（三）地下水补径排的影响
1.地下水的补给
研究区地下水的补给分为垂直补给和水平补给两种，而以垂直补给为主。垂直补给以大气降水为主，其次为河流、渠系及灌溉回渗补给。大气降水的补给与降水量大小、降水强度、包气带岩性、土壤含水量、地形条件、地下水位埋深及植物等因素有关。这些因素不同程度地影响降水入渗补给量的大小，但在一般情况下，降水入渗补给量随降水量的增加而增大，随地下水位埋深增大而减少，包气带岩性越粗、地形越平坦、地下水径流越迟缓、土壤含水量越少、植被越密集则补给量越大，反之则越小。
本区广大平原区地形平坦，地表径流迟缓，岩性以亚砂土为主，地下水位埋深为3～4m，部分为1～2m，少数为4～6m，这对降水补给十分有利。尉氏县西部条形岗地，起伏较大，地表径流较好，降水补给条件稍差。
本研究区的地下水主要补给来源为大气降水，其次在雨季部分河流补给地下水，旱季则排泄地下水。地下水位埋深较浅，对降水补给十分有利。随着降水入渗，包气带中的含氟组分在溶滤作用下随之迁移到地下水中。
2.地下水的径流
地下水水平径流条件较好，有利于氟的迁移扩散，水氟含量较低；水平径流滞缓，则为氟的累积富集提供了有利条件。
研究区内的条形岗地，包括尉氏县西部岗地以及召陵岗地带，由于地形起伏大，地下水径流条件好，不利于氟的富集，故形成矿化度低的淡水；而东部广阔的黄河冲积平原，地形平缓，地下水径流缓慢，尤其是岗间的带状洼地、槽形洼地、碟形洼地等微地形、地貌，地下水流动滞缓，又属于地下水的排泄汇聚点，故易形成高氟地下水。
浅层地下水径流受地形、补给来源和含水层岩性的控制，研究区西部岗地（主要分布在中牟县黄店和尉氏县大桥以西）地形起伏较大，水力坡度也较大，自西向东、东北、东南呈放射状缓慢向下游流动，水力坡度为1/200～1/1000，地下水的径流相对较强，有利于氟的迁移。其他冲积平原地形平坦，地下水水力坡度上游为1/2000、下游为1/4000～1/6000，顺地面坡降由西北向东南流动，地下水的流动相当滞缓，容易造成氟的富集。
在平原区内，受微地貌和古地形的影响，往往形成局部的高氟和低氟地下水区。例如，在黄泛平原区，古河道分布较广，径流条件较好，形成局部的高渗透性透镜体，氟在地下水中的含量就比较低。而在径流条件差的闭塞低洼区，经过长期的水-岩作用，矿化度较高，促使氟向该处集中。
3.地下水的排泄
蒸发是研究区地下水排泄的主要形式，由于包气带岩性和地下水埋深均不同，其蒸发强度也不相同。我国蒸降比为1的地带可以大致看作高低氟地下水的分界区，蒸降比越大，水氟的浓缩特征越明显，这种浓缩特征在以松散均质沉积物构成的平原区尤为显著。在地下水位埋深为1～2m的地区，蒸发量最大，地下水位埋深在4m以下的地区蒸发量微小。研究区蒸降比达到2，地下水位埋深一般2～4m，部分地区1～2m和4～6m，地表岩性尤以亚砂土为主，毛细管作用强烈，蒸发量大，十分有利于氟的浓缩富集。
综合各方面因素可以得出：地下水补径排条件不同，对氟富集的影响不同。可归结为：补排类型为入渗-蒸发型的地区，有利于氟的浓缩富集，常为高氟地下水分布区。该地区主要分布在水位埋深小于2m的地区，面积较小，以降水入渗补给为主，其次为河渠水与灌溉水的补给；地下水水平径流滞缓，或岗间洼地地带的地下水汇聚点。开采水平极低，蒸发是地下水的主要排泄方式，地下水位埋深浅、含水层岩性细，有利于地下水的蒸发，易形成高氟地下水。反之，则不易形成高氟地下水。

　　水文既是一项传统的专业性工作，又是一项与经济社会发展密切相关的基础性工作。新中国成立以来，我国水文事业进入快速发展时期。特别是近年来，在全球气候变化日趋明显、经济社会发展日新月异、水资源条件深刻变化的历史背景下，水文的基础地位更加重要，支撑作用更加突出，发展前景更加广阔。
　　1水文的社会功能
　　1.1为防汛抗旱提供重要支撑和保障。
　　近年来，受全球气候变化影响，我国极端水旱灾害事件呈频率加快、强度加大、危害加深的态势。各级水文部门根据防汛抗旱工作的新形势、新要求，不断加强水情、雨情、墒情、地下水等方面的监测和预测预报工作，着力为防汛抗旱指挥调度提供准确、及时的信息服务。
　　1.2为水资源管理提供科学依据。
　　水文部门通过大量的水资源调查评价和论证工作，为编制全国水资源综合规划、优化配置水资源提供了决策依据，为建立国家水权制度奠定了坚实基础。水文部门积极开展水功能区监测、水源地水质监测、地下水动态监测、水量水质综合评价等，为水资源保护做出了重要贡献。水文部门通过开展水平衡测试、制定用水定额等工作为节水型社会建设提供了重要支撑。
　　1.3为水生态建设提供重要支持。
　　水文部门充分利用自身水文站网和人员优势，积极开展水质、藻类监测和分析评价，为保护和修复水生态系统，保障生态安全做了大量基础性工作。在城市水生态系统保护与修复试点等工作中，水文部门及时提供了可靠的信息支持。水文部门与水土保持部门密切配合，积极开展水土保持监测和研究，为水土保持提供了良好服务。
　　2传统水文与现代水文的比较
　　在美国，水文主要采用先进的自动化水文数据遥测系统和地球静止卫星系统（GOES）进行的水文数据实时传输，并广泛运用Internet网，从而水文站点做到了无人值守，每个野外水文观测人员负责的站点数高达12～18个。这几年，我们水文也开始大力推广巡测，着力解决基本水文人生活与工作的矛盾。但由于我们的硬件设备设施没跟上，还没能真正意义上让基层的水文工作者从固定的断面解放出来。这些与美国水文比较起来，我们的水文主要还是靠人多，依靠的是人多力量大，而美国的水文他们则主要依靠的科学技术，运用先进的设备，从而轻松的一个人管理十几个水文站点。
　　3传统水文向现代水文转变的途径
　　在当前这个与国际接轨的新时代里，我们既面临着难得的发展机遇，也面临严峻的挑战，在这样的形势面前，想不想创新，敢不敢创新，能不能创新，关系到整个水文事业兴衰成败。目前，我们要充分认识到水文工作的诸多不适应，如何发挥水文人的优势和弥补我们的不足之处，我们必须保持清醒头脑，抓住关键要点，盯住问题抓落实，扭住难点去攻关。不断研究新情况，解决新问题，增长新本领，要通过创新推动水文稳步快速发展。那如何推进水文由传统水文向现代水文转变呢？
　　3.1拓宽服务领域。随着人口增长和社会经济的快速发展，城市用水量不断增加，水污染、水资源的问题也日益突出。水文部门应积极主动不断拓宽服务领域，通过充实和调整水质监测站网，加强设施和人员素质建设，开展工业用水和城市生活用水定额、入河排污口调查，定期测报省界水体水环境质量，监测重要城市供水水源地，开展水资源旬报工作，系统掌握了河流的水质基本状况，为水资源管理和保护工作中发挥了积极作用。进一步拓展服务领域，通过开展泥石流、滑坡等山洪灾害的预测预报，旱情的监测、分析和预测预报，以更好地服务于防汛，服务于社会。同时，水文系统要认真做好洪水影响评价和水利建设项目环境影响评价，开展重点建设项目水资源和防洪论证工作，为防洪、城市规划和国民经济建设开展多方位的优质服务。

一、降水量变化

近50年以来，黑河流域年降水距平呈递增趋势（见图3-8），其中20世纪70年代中期到80年代初期为丰水期，之后转变为枯水期。80年代中期偏枯、后期偏丰；90年代初再度偏枯。总体上，近50年来全流域的年降水趋于增加。从占全年降水绝大部分比重的夏季年降水量来看，近50年来全流域降水量呈缓慢上升态势（图7-7）。

在黑河流域不同地区，降水量随时间变化的趋势存在差异。在上游区从东部扁都口至中部札马什克一带，年降水量随时间明显增加。向西至冰沟，变化幅度变小（图7-8）。在中游区张掖地区和位于中、上游分界线的莺落峡一带，年降水量动态比较稳定。在正义峡地区，降水量呈增加趋势。在西部的酒泉地区，年降水量也呈增加趋势（图7-9）。在下游地区，除马鬃山的年降水量随时间略有下降外，阿拉善右旗、拐子湖和额济纳旗的年降水量都比较稳定（图7-10）。总之，近50年来，黑河流域在上游的中、东部地区，年降水量呈增加的趋势，而在中、下游地区年降水量比较稳定。

图7-7 黑河流域夏季降水5年滑动平均变化趋势

图7-8 黑河流域上游区主要台站降水量历年变化趋势

二、蒸发与径流变化

（一）蒸发

分析黑河流域φ20 cm蒸发皿的观测结果发现，蒸发量从南部祁连山近1000 mm/a向北递增，到北部额济纳盆地达4000 mm/a（图7-11）。年内蒸发主要发生在4～9月份，其中7月份水面蒸发量最大。从多年变化过程来看，在上游的托勒一带，年水面蒸发量呈下降趋势，中游张掖变化稳定，酒泉略呈下降趋势，而在下游除马鬃山变幅较小外，拐子湖呈明显上升趋势，阿拉善右旗和额济纳旗均呈明显下降趋势（图7-12）。

（二）径流

近50年来，黑河流域径流变化如图7-13所示。在上游的札马什克地区，其径流量的时间过程线呈“U”型，即在20世纪50年代和80年代末为高值，其间为震荡的低值；西部讨赖河上游冰沟站的径流量随时间呈下降趋势；黑河出山口莺落峡径流量近50年来变化平稳，而梨园河出山口径流量则随时间呈增大趋势；黑河中游高崖径流量随时间下降，正义峡径流量随时间下降趋势更明显。

图7-9 黑河流域中游区主要台站降水量历年变化趋势

图7-10 黑河流域下游区主要台站降水量历年变化趋势

三、水文变化趋势分析

采用Kendall秩次相关法（李俊平，1995；张清等，2003；杨莲梅，2003；马晓波等，2003）进行非参数统计检验，量化黑河流域水文变化趋势与显著性检验。该方法步骤如下：

首先，计算Kendall统计量（τ），方差和标准化变量（M）：

图7-11 黑河流域φ20 cm蒸发皿年水面蒸发量等值线图

西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式

式中：P——径流系列所有对偶观测值（R_i，R_j，iij出现的次数；

n——系列长度。

其次，给定显著性水平（α）。假定α=0.05，则检验临界值M_a=1.96。

最后，通过M与M_a的对比，进行判断：①若＞M_a，且M＞0，则上升趋势显著；②若＞Ma，且M＜0，则下降趋势显著。

Kendall秩次相关法计算结果如表7-4所示。在黑河流域扁都口地区年降水量的M值为2.76，其 M ＞1.96，且M＞0，而其余各站的M绝对值均小于1.96，表明黑河流域只有上游东部年降水量趋势增加显著，其余各站变化趋势均不显著。

张掖站年水面蒸发量的M绝对值小于1.96，其余各站的M 绝对值均大于1.96，表明张掖地区年水面蒸发量变化趋势不显著，其他地区年水面蒸发量变化趋势明显。其中托勒、阿拉善右旗、酒泉、额济纳旗站的M值分别为-3.63、-4.59、-5.05，均小于0，蒸发强度呈下降趋势；拐子湖站和马鬃山站的M值分别为2.71和2.85，均大于0，蒸发强度呈上升趋势。

图7-12 黑河流域主要台站φ20 cm蒸发皿水面蒸发量历年变化趋势

正义峡站年径流量的M值为-3.20，其 M ＞1.96，且M＜0，说明正义峡年径流量下降趋势显著。其余各站，包括莺落峡站的M绝对值均小于1.96，表明这些站年径流量变化趋势不显著。

利用正义峡站1957～2000年各月径流量资料（缺1967年，1974年和1981年资料）计算M值的结果表明，3月、4月、5月、10月和11月的M绝对值均大于1.96，且M值均为负值，表明月径流在年际历年下降趋势显著，尤以4月为最。其余各月下降趋势均不显著（表7-5）。

图7-13 黑河流域主要测站径流量历年变化趋势

表7-4 黑河流域水循环要素时间序列Kendall秩次相关法计算结果

综上所述，近50年来黑河流域年降水量呈增加趋势，但是除上游东部增加趋势显著外，其他地区变化趋势均不显著。而年水面蒸发量除张掖外，增加或下降趋势均显著。年径流量唯正义峡下降趋势明显。这些情况说明水循环要素的影响因素复杂。

表7-5 1957～2000年黑河流域正义峡各月径流量秩次相关法计算结果

---

水文背景条件变化视频