黑河流域地表水与地下水相互转化的观测与机制研究

以流域含水层系统构建和区域地下水监测为基础，建立流域水文地质信息平台。通过黑河干流草滩庄枢纽放水过程监测，沿途径流量的分段、定期测流，河流入渗段和地下水溢出段的河水位高频监测，河流影响带三维地下水高频监测，河水-地下水转化过程中的河流水温分布式光纤高分辨率监测，绿洲区间歇性地表水体存留时间、水位与三维地下水高频监测及基于流域尺度遥感和同位素技术的蒸发量量化研究，深化平原区地表水与地下水转化关键环节的认识。在系统分析流域水资源开发利用过程导致的水环境变迁、绿洲变化、河道河水入渗与地下水溢出量变化以及地下水流场变化的基础上，构建基于多元信息校正的地表水与地下水耦合数值模型，重塑近60年山区来水与水资源开发利用驱动的水环境变迁、地表水地下水相互转化、地下水流场及盐分聚积、绿洲响应等过程，揭示它们之间的依存关系、作用机制及主控因素。为流域地下水地表水联合调控、水资源优化配置和生态环境建设提供依据。

本项目以地表水和地下水观测为出发点，利用钻探、物探、遥感、水化学同位素等技术和方法，对黑河流域平原区地表水与地下水相互转化机制进行了定性或定量研究。取得主要成果有：（1）建立了平原区三维高频地下水监测网，研发了多级多源地下水监测设备远程双向控制管理系统。（2）拼接完成数字化的全流域1:20万水文地质图，构建了平原区三维含水层结构模型。（3）通过大量的电磁法和地震勘探工作，查明了黑河流域山盆之间及次级盆地之间的相互接触关系及地下水联系。（4）首次在张掖盆地揭穿了第四系含水层，发现了巨厚的早更新统“西域砾岩”含水层，具有极强的富水性，且水质良好。（5）在黑河张掖盆地发现了面积大于500km2的极强富水性含水层系统，单井开采量可达15000—28800m3/d，为其地表水与地下水联合调蓄提供了难得的地下水库。（6）依据黑河调水全河段闭口期4个断面实测流量研究表明，黑河干流河道具有很强的入渗能力，其莺落峡～草滩庄、草滩庄～213黑河大桥、213黑河大桥～312黑河大桥三河段的单位河长渗失率与其上断面河水流量均呈倒数函数关系。(7) 黑河干流地下水溢出发生在312大桥—正义峡河段，溢出量沿河道分布很不均匀，高台以上溢出量占93%，且以312大桥至平川河段溢出最丰。推算了1956—2013年中游大桥—正义峡河段溢出量，1971年之前呈上升趋势，1971-2004年呈下降趋势，2004年之后转呈上升趋势，具有明显的上升-下降-回升的三阶段变化特征。（8）在地下水溢出河道，利用分布式光纤测温技术，很好地鉴别了地下水排泄点的空间位置和强弱。（9）利用Br-进行人工示踪试验，较准确测定了灌溉水下渗过程中的速度和数量。（10）结合遥感技术和同位素技术，将单位面积总蒸散量分解为植被蒸腾量和地下水蒸发量。（11）建立了经多元数据校正的平原区三维地表水—地下水耦合数值模型，模拟计算了盆地尺度地下水储存量变化及黑河干流地下水与地表水转化量分布和随时间的变化过程。（12）研发出第四系含水层分层监测井管材、止水材料和成井方法，建成7通道7层监测井和12层Westerbay监测井。（13）联合利用井中Packer封隔技术和自动监测技术，进行同孔分段震动洗井和分段抽水试验，探求大厚度第四系含水层的真实水文地质参数上取得突破。