旱区发生的主要生态与环境问题均与人类不合理开发利用水资源所导致其分布格局和水盐关系的改变息息相关。因此,进一步提高河西走廊水资源及其循环转化关系的研究程度,掌握其变化特征和规律,对于合理开发利用这一地区有限的水资源,切实解决水土资源开发利用中存在的问题,实现工农业经济的可持续发展,建立资源与环境共享的和谐社会均具有重要的指导意义。
1 自然地理及社会经济概况
河西走廊地处干旱的西北内陆,东起乌鞘岭,西至甘新交界,南部以高耸的祁连山与青海省相邻,北侧为低缓的北山与内蒙古自治区接壤。国土面积2.
71 ×10
5 km
2 ,约占甘肃省总面积的60 %。南部祁连山地海拔2 500～5
800 m ,山体陡峭,属切割强烈的中高山区。4 500 m 以上终年积雪,发育现代冰川。3 000 m
以上,降水丰富,森林植被覆盖良好,是水源涵养区和径流形成区,以上面积合计9. 12
×10
4km
2 。中部走廊平原区海拔1 000～1 500 m
,绿洲、戈壁、沙漠相间分布,地势平坦,降水稀少,光热资源充足,是主要的农业灌溉区和水资源耗散区,面积5. 91
×10
4km
2。北部山地海拔1 500～2 200 m
,干燥、缺水、植被稀少、风蚀强烈,为荒漠天然牧场,面积6. 99 ×10
4km
2
。山地与平原(盆地) 相间分布的地形地貌特征,形成了独具特色的“河流—含水层”水资源系统,自东向西分布于石羊河、黑河、疏勒河3
大相对独立的流域水系,维系着十分脆弱的生态和工农业经济的可持续发展。行政区划属武威、金昌、张掖、酒泉、嘉峪关5 市,共辖19
个农牧业县(区) 。2004 年全区总人口4. 78 ×10
6 人,其中农业人口3. 56
×10
6 人。现有总灌溉面积6. 56 ×10
5hm
2
,是甘肃省的主要商品粮、油、棉基地①。
2 水资源
2. 1 水资源存在形式
降水资源、雪冰水资源、地表水资源和地下水资源是西北干旱区水资源的基本存在形式。大气降水是水资源的总补给来源,在高山区,降水凝结成雪与冰成为雪冰水资源;在中低山区和丘陵区,降水部分形成地表径流直接补给河流,部分入渗后成为山区地下水资源,最终通过深切的水文网排泄到沟谷成为地表水资源;在走廊平原,出山河水大量入渗后便成为地下水资源
〔4〕。
2. 2 水资源特征及数量
2. 2. 1
雪冰水资源 祁连山区是现代冰川集中发育地区之一。冰川与积雪犹如一座巨大的“高山固体水库”,具有多年调节河川径流量的作用,是河西水资源的重要组成部分和存在形式。属河西走廊3大流域的冰川共有2
444 条(含苏干湖水系,下同) ,冰川面积1 657. 21 km
2,占祁连山冰川总面积的81 %
,冰川储量801. 31 ×10
8 m
3 ,占祁连山冰川总储量的82 %
,相当于河西走廊出山地表水多年平均径流量的11 倍,雪冰年融水约10 ×10
8 m
3
,占河西走廊地表水资源的14 %(表1)
〔5〕。
受海拔、降水、气温和地形地貌等冰川发育条件的综合影响,冰川发育规模自西向东渐小。冰川末端、雪线及冰川中值高度自东向西抬升,石羊河流域的大靖河冰川末端平均海拔高度为4250m
,疏勒河流域的大哈勒腾河上升到4881m。石羊河流域雪线海拔高度为4400m ,疏勒河流域的党河为5 070
m。雪冰融水补给比重超过30 %的河流有摆浪河、洪水河、疏勒河、党河和大哈勒腾河。受近50a
来西北地区气候干旱化趋势的影响,祁连山区冰川与积雪普遍处于退缩过程中,但除东段的冷龙岭外,大多数冰川的退缩幅度不大,而且有逐年减缓的趋势,甚至有些冰川也出现了增厚的现象〔6〕。
2. 2. 2 地表水资源 河西走廊地区的河流均发源于祁连山区(图1)
,是径流的形成区和水源涵养区,在这个区域内,河水量随流程的增加而增大,一般在出山口处达到最大值;走廊平原则为径流散失区,也是水土资源开发程度最高的地区,河流进入这里以后,由于蒸发、渗漏和沿途引用,河水量随流程增加而急剧减少,余水进入下游尾闾区,殁于沙漠(荒漠)
②。本区大小河流共计57 条(表2) ,大都在上世纪40 - 50 年代设有水文测站③,多年平均出山径流量71. 29
×10
8 m
3 。据统计,本区年出山径流量超过10
×10
8 m
3 的河流有2 条,5 ×10
8 ～10
×10
8 m
3 的河流有1 条,大部分河流的出山径流量小于1
×10
8～5 ×10
8 m
3 ③。
研究表明,出山径流的多年变化过程是由祁连山山区的水文气象条件所决定的〔7〕。根据多年变化过程曲线的一致性和河流丰、枯程度的差异,大致以梨园河为界可分为东西2
个径流变化同步区。
东区河流源于祁连山东段,河川径流以降水补给为主,其补给比重在80
%以上,冰川与积雪融水补给仅占3 %～10 % ,径流年内分配与山区降水过程相吻合,汛期(6～9 月) 径流量占全年径流总量的70
%以上,年际丰、枯变化剧烈。
西区河流源于祁连山西段,河川径流中冰川、积雪融水和地下水所占比重增大,属降雨、雪冰融水、地下水混合补给型,雪冰融水的比重已上升至25
%～34 % ,部分河流如党河及大小哈勒腾河,雪冰融水比重可达40 %以上,属雪冰补给型,年内分配比较平稳。其5～9
月的水量仅占全年水量的50 %左右,径流的年际变化比较平缓。以10 a 为一个代表段来观察,上世纪50
年代北大河以东河流水量偏丰,以西水量偏枯;60 年代除西营河外,其它河流水量偏枯;70 年代与50
年代正好相反,北大河以东河流偏枯,以西河流水量以平水为主;80 年代除杂木河外,其它河流水量平水偏丰;90
年代北大河以东河流水量偏枯,以西河流水量平水偏丰
〔7～10〕。总体而言,近50 a
来河西走廊出山径流变化比较稳定,石羊河流域呈下降趋势,黑河流域相对比较稳定,疏勒河流域呈上升趋势(图2)
〔11〕。
2. 2. 3 地下水资源 调查与勘探证实,走廊平原主要由8 个大型的中新生代构造地貌盆地组成,呈南北两列分布(图1)
;南部(中游) 为武威、张掖、酒泉、玉门—踏实和阿克塞5 个盆地;北部(下游) 为民勤—潮水、金塔—花海、安西—敦煌3
个盆地;中下游盆地沿石羊河、黑河、疏勒河3 大水系呈“串珠状”分布
〔12〕。盆地内堆积了200～1000 m
厚的第四系山麓相—河湖相粗颗粒松散物质,为地下水的赋存和运移提供了良好的天然空间(图3) 。
盆地中的地下水主要接受出山河(洪) 水及引灌河水(渠系、田间)
的垂向入渗补给,占总补给量的90 %左右,是地表水资源的重复表现形式;山区侧向流入量和降水、凝结水入渗补给量仅占总补给量的10
%左右,属自产水资源,与出山地表水无关。根据不同年代地下水均衡计算结果(表3) ③ ,多年平均地下水补给量为42. 42
×10
8 m
3 Pa ,其中石羊河流域为8. 21 ×10
8
m
3 Pa ,占19. 4 %;黑河流域为21. 63 ×10
8
m
3 Pa ,占51.0 %;疏勒河流域为12.57×10
8 m
3
Pa ,占29. 6 %。出山河(洪) 水及引灌河水(渠系、田间) 的垂向入渗补给占总补给量的87. 2 %③。
有关计算结果表明③ ,走廊平原自上世纪50 年代中期至90
年代末期地下水补给量呈不断减少趋势(表4) ,由56.54 ×10
8 m
3 Pa
减少到39. 35 ×10
8 m
3 Pa,即近50 a 来走廊平原地下水补给量减少了30.
4 % ,平均每10 a 减少3. 44 ×10
8 m
3
。以石羊河流域减少幅度最大,达42. 9 % ,黑河流域次之,为41. 3 %
,疏勒河流域由于水资源开发利用程度低,地下水补给量基本保持稳定,近年来还出现了增加的趋势,如90 年代末期较80 年代中期增加13.
8 % ,较50 年代后期增加9. 0 %(图4) 。
已有观测资料证实,近50 a
来区域工农业经济的持续发展和水利化程度的日臻完善,使引用河水量不断增加,渠系利用率不断提高,灌溉定额的不断降低及西北气候干旱化趋势所导致的水资源蒸发量的增大,引起走廊平原地下水补给资源减少
〔13
,14〕。泉水是盆地内地下水的主要排泄方式之一,主要分布于南盆地,已被广泛用于工农业生产及生活。受地下水补给资源减少引起的区域性地下水位下降的影响,河西走廊各流域的泉水资源均处于不断削减过程(表5)
④ , ①1977 - 2000 年的23 a 间泉水资源衰减了24. 6 % ,由22. 32 ×10
8
m
3 Pa 减少到16. 82 ×10
8 m
3 Pa
。其中疏勒河流域衰减3. 98 % ,黑河流域衰减了22. 3 % ,石羊河流域衰减了59. 7
%。由此不难看出,水利化程度较高的石羊河流域,不但是地下水资源减少幅度最大的地区,亦是泉水量减少最大的流域。
2. 3 总水资源
西北干旱区内陆盆地水资源系统的突出特点是,出山河水在盆地平原区与地下水之间存在着大数量的、有规律的、重复的相互转化过程,反映了河水与地下水之间不可分割的内在联系
〔14〕。实质上构成了一个统一的“河流—含水层”水资源系统。虽然这种转化过程极大地提高了水资源的重复利用率,但并不意味着水资源数量的增加。因此,水资源总量应为出山河水量与盆地内和出山河水无关的地下水天然补给量之合,为76.
72 ×10
8 m
3 Pa (表6)
。其中,出山河水量和地下水天然资源量分别占总水资源量的92. 9 %和7. 1 %。黑河流域总水资源占全区总水资源的51. 4 %
,疏勒河流域和石羊河流域总水资源分别占全区总水资源的28. 0 %和20. 6 %。
3 地表水与地下水的相互转化
受构造地貌的制约,河西走廊自南部山区至北部盆地,河水与地下水之间形成有规律的、大量的、重复的转化过程。一般情况下,河西走廊的水资源从祁连山中高山形成区到下游盆地湖积平原的消失区河水与地下水之间都要经过以下5
个不同地带的转化〔15〕③④ :
Ⅰ. 中高山———地下水沿河(沟) 谷大量排泄转化为河水;
Ⅱ. 山麓丘陵———阻滞地下径流;
Ⅲ. 南部盆地;
Ⅲ
1 . 洪积扇群带———河水大量渗漏转化为地下水;
Ⅲ
2 . 细土平原———地下水大量溢出转化为河水(泉水)
;
Ⅳ. 走廊山脉———阻隔地下径流;
Ⅴ. 北部盆地;
Ⅴ
1 . 洪积扇———河水(泉水)
再度渗漏转化为地下水;
Ⅴ
2 .
湖积平原———地下水蒸腾、蒸发消耗殆尽。将上述水资源的转化过程可以概化为图5 模式。
据2000 年计算,河西走廊祁连山山区有24. 91×10
8
m
3 Pa 的地下水通过深切的水文网转化为河水,占出山河川径流量的34. 9 %;在南盆地,出山河水中有34.
94 ×10
8 m
3 Pa
通过山前大厚度砾卵石带河床入渗和以渠道、田间灌溉入渗的方式转化为盆地地下水,占出山河川径流量的49. 0
%;地下水运移至细土平原水位浅埋带,有18.00×10
8 m
3 Pa
地下水重新溢出地表转化为河水(泉水) ,占河水入渗补给地下水量的51.5 % ,并成为进入北盆地地表径流的主要组成部分;
在北盆地,河水中有约12. 48 ×10
8 m
3 Pa
通过山前大厚度砾石层入渗和以渠道、田间灌溉入渗再度转化为盆地地下水,占河水进入北盆地径流量的70. 2 %(图6) 。
4 结 论
(1)
河西走廊地处西北内陆,是全国著名的干旱缺水区。水资源主要以雪冰水资源、地表水资源和地下水资源的形式存在,分布于石羊河、黑河、疏勒河3
大相对独立的流域水系。本区河流均发源于南部祁连山区,大小河流共计57 条,多年平均出山径流量71. 29
×10
8 m
3 。近50 a
来出山径流变化比较稳定,但东部石羊河流域呈下降趋势,中部黑河流域相对比较稳定,西部疏勒河流域呈上升趋势。
(2) 走廊平原主要有8
个大型的中新生代构造地貌盆地组成,其间堆积了巨厚的第四系山麓相—河湖相松散物质,是地下水赋存和运移的天然空间。盆地地下水主要接受出山河(洪)
水及引灌河水的入渗补给,占总补给量的90 %左右,是地表水资源的重复表现形式;山区侧向流入量和降水、凝结水入渗补给量仅占总补给量的10
%左右。走廊平原多年
平均地下水补给量为42. 42 ×10
8 m
3 Pa 。近50 a
来,随着区域工农业经济的持续发展和水利化程度的日臻完善,使水资源利用分配格局改变,受西北气候干旱化趋势的影响,走廊平原地下水补给量减少了17.
19 ×10
8 m
3 ,减少幅度达30. 4 %
,石羊河、黑河流域减少趋势最为明显,由此引起泉水资源23 a 来衰减了24. 6 %。
(3)
受构造地貌的制约,河西走廊的水资源从祁连山中高山形成区到下游盆地湖积平原的消失区,河水与地下水之间都要经过5
个不同地带有规律的、大量的、重复的转化过程,形成完整统一的“山区地下水—地表水—南盆地地下水—地表水(泉水)
—北盆地地下水”水资源循环系统。
①中国科学院兰州沙漠研究所. 甘肃省河西地区水、土地资源及其合理开发利用,1985.
②甘肃省水文局. 甘肃省内陆河流域水文年鉴(1960 - 1989年) ,1991.
③ 丁宏伟,张荷生,王文科,等. 河西走廊地下水勘查报告. 甘肃省地质调查院,2002.
① ④甘肃省地质矿产局地质科学研究所. 甘肃省河西走廊地下水分布规律与合理开发利用研究,1984.
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