柴達木盆地地下水位上升災害防治對策

黨學亞,顧小凡,常 亮

(1.中國地質調查局西安地質調查中心,陜西 西安 710054;2.陜西省水資源與環境工程技術研究中心,陜西 西安 710054;3.中國地質調查局干旱-半干旱地區地下水與生態重點實驗室,陜西 西安 710054)

柴達木盆地是中國的第三大干旱內陸盆地,位于青藏高原東北部,面積276.2×103km2。與西北其它盆地地下水位幾十年來呈現的持續下降情況不同,該盆地地下水位呈現上升態勢,造成地下水溢出帶多次向沖洪積扇后部擴展,對位于昆侖山前的格爾木市及位于祁連山前的德令哈市等地造成了嚴重的財產損失并威脅到了人居安全。20世紀60、70年代以來,格爾木市地下水位上升造成市區北部片區內澇、房屋受浸開裂,農田、草場及村舍大面積被淹[1-4]。2002年以后,德令哈市的尕海鎮和柯魯柯鎮也出現了地下水位上升大面積淹沒農田、草場和村舍的災害,以及造成多處村莊房倒屋塌的嚴重問題,迫使許多村莊搬遷重建,其中尕海鎮部分搬至新址的村莊因地下水位上升又面臨著二次搬遷的窘境[5-6]。為此,當地政府安排了調查研究工作以尋求解決對策。但限于應對策略和經濟條件等因素制約,地下水位上升致災問題依然沒能根治。2019年尕海鎮所在地及周邊地區仍處于淹水狀態。

對此,筆者在分析格爾木市和德令哈市山前平原第四系水文地質條件基礎上,結合區內供水水源不足的現實問題,依托2015—2018年中國地質調查局在兩地實施的1∶5萬水文地質調查資料和數據,本著變害為利理念突破前期災害治理策略與措施的局限,探索既能防災又可提升供水保障能力的長效對策與治理新途徑。

1 自然環境概況

1.1 自然環境特征

柴達木盆地四周高山環繞,是一個完全封閉的巨型山間盆地,海拔為2 670～6 880 m。盆地山區分布有雪山、凍土及少量冰川;內部平原荒漠遼闊、綠洲斑駁并分布有一系列大小不等的湖泊。格爾木河是柴達木盆地的第二大河,發源于昆侖山北麓,出山口以上匯水面積為18 648 km2,出山口以下的山前平原面積為4 878 km2,地貌依次為沖洪積扇群構成的戈壁礫石平原、辮狀河流沖積而成的細土平原、沖湖積鹽沼平原。巴音河是柴達木盆地的第四大河,發源于祁連山南麓,山區匯水面積為7 281 km2,山前平原面積為956 km2,地貌依次為沖洪積扇群構成的戈壁礫石平原、辮狀河流沖積而成的細土平原。該盆地降水呈現東南多、西北少,山區多、平原區少的特征,格爾木和德令哈多年平均降水量分別為44.6、195.3 mm。

1.2 水文地質

柴達木盆地內部平原區的水源主要形成于周邊山區,經河流輸入,之后經過地表、地下多次轉化,最終進入終端湖泊。根據王永貴等[7]、黨學亞等[8-9]調查研究成果:全盆地河流平均約70%的出山流量在沖洪積扇地帶發生滲漏轉化成了地下水,地下水補給總量約有85%來自河水。格爾木河和巴音河在1960—2018年出山的平均徑流量分別為819×106m3(格爾木三站)和357×106m3(德令哈站),分別約有75%、53%滲漏補給了山前第四系松散層地下水。地下水獲得補給后向下游徑流,大部分在沖洪積扇前緣溢出地表并形成泉集河流向下游平原,除沿途發生水面與土面蒸發及植被蒸騰外,最終在終端湖泊被蒸散[10];未溢出地表的地下水以開采和終端湖泊蒸散等方式排泄。

相關區域地質、水文地質調查資料與成果揭示:格爾木河山前平原的第四系厚度在幾十米至近千米不等;德令哈巴音河山前平原的第四系厚度在幾十米至500 m不等。從沖洪積平原到下游的細土平原,第四系地質結構從單一的漂卵礫石層向粉細砂間夾多層黏性土的多層結構演變。沖洪積扇為平原區地下水賦存提供了良好的地下空間,不僅富水性強而且單井出水量大,在下游多層結構阻礙地下徑流作用影響下,這兩條河流第四系松散層地下水系統的沖洪積平原天然具有攔洪蓄水功能,是良好的地下水庫。地下水位上升表明通過滲漏吸納,山前第四系地下水系統可將短暫過境的洪水轉化為持續有效的供水水源。

2 地下水位上升致災情況

格爾木與德令哈的災區均位于沖洪積扇前部的地下水溢出帶附近。

格爾木地下水位上升致災事件有6次,分別發生在1967、1972、1977、1981—1983、1989和2010年。前2次發生在格爾木河未修建任何水庫前,第3次發生在出山口第一座水庫乃吉里水庫將要蓄水之時,第4、5次發生在乃吉里水庫蓄水之后,第6次發生在格爾木河山區河段相繼建成了溫泉水庫等幾個梯級水庫之后。學界對災害成因形成了兩種不同主要意見:一種認為主要是由于徑流增大引起地下水補給量增加所致[4];另一種則認為主要是由于水庫蓄水影響所致[2-3]。

德令哈地下水位上升致災發生在2002、2005、2012和2017—2019年。馬小強等[5]、趙振等[6]均認為是降水量、冰雪融化量增大所致,同時農灌渠系的跑冒滴漏也產生了重要作用。

3 分析與討論

地下水位升降是地下水系統響應外來水量輸入變化的自然現象。在正常情況下,地下水系統獲得的補給量與其排泄的水量是平衡的,但當其獲得補給量大于原有過水斷面排泄能力時,必然會引起地下水位上升,反之會下降。黨學亞等[8]在德令哈巴音河河床開展原位試驗時發現:河水滲漏量(Y)與河川徑流量(X)呈指數關系,如式(1):

Y=2.797(X-1)0.647

(1)

當河川徑流量小于25 m3/s時,地下水將全部滲漏[11]。顯然,在河床滲漏極限內,河川徑流量越大其滲漏量越大;在排泄條件不變情況下,地下水獲得滲漏補給強度越大水位上升幅度越大。因此格爾木和德令哈地下水位上升致災,必然是山前平原地下水系統在短時間內獲得了超強補給,引起地下水溢出帶向沖洪積扇后部擴展所致。

3.1 補徑排條件變化與影響分析

3.1.1 補給條件變化與影響分析

1)河水補給變化影響

分別采用出山口水文站格爾木三站和德令哈站1960—2018年數據序列進行分析。格爾木河及巴音河年徑流量歷時變化曲線如圖1。

圖1中:兩站災害年徑流量明顯高于非災年的,災害出現的最小徑流量分別是842×106m3(1982年)和529×106m3(2002年)。不過值得注意的是:格爾木河2002、2005、2006、2009年及2011—2018年徑流量超過了1982年,但格爾木并未發生水位上升致災問題,直至2010年出現了1 896×106m3的歷史最高徑流量時才再次出現災情〔圖1(a)〕。對此,通過分析洪水特征和防洪措施發現:這兩地災年河川徑流均是在河道內大面積攤開流淌,對地下水形成了強烈的面狀補給。格爾木在2002年以后筑建堤防歸攏了河水,2010年超強洪水沖毀堤防后再次筑堤歸攏了河水。與格爾木不同,德令哈僅在城區段對巴音河岸坡進行了加固和河床防滲處理,并未對河水可大面積補給地下水的下游河段采取措施。

由此可見,地下水位上升致災與河水對地下水補給量大小密切相關。在較大流量情況下,格爾木沒有發生地下水位上升致災問題顯然是與歸攏河水抑制了地下水獲得補給有關。至于水庫增加滲漏使得地下水位上升致災可能會在某個單次對成災有所貢獻,但當新的補排平衡建立后其貢獻基本就會消失,未建水庫前的成災情況也說明了這一點。

2)降水補給變化影響

采用格爾木、德令哈兩專業氣象站1960—2018年的年降水量數據序列進行分析研究。研究結果顯示:①格爾木平原區的年降水量基本在50 mm以下〔圖1(a)〕,顯然這樣的降水量很難對地下水形成有效補給。盡管2007年以后有氣候變化帶來降水增加的跡象,但基本少于70 mm,仍不足以對地下水形成有效補給。②德令哈平原區的降水量大致存在1960—1973、1974—2001、2002—2018年3個明顯變化時段〔圖1(b)〕。第1時段多在75～150 mm之間波動、第2時段多在150～225 mm之間波動、第3時段多在225～325 mm之間波動,呈現階梯式增加的趨勢,明顯是對青藏高原氣候變化的響應。一般而言,降水增多對地下水的補給量勢必增加。

發災年德令哈平原的確有較高的降水量,但在降水量次高的2009年并未出現災害。針對這一現象,限于當時地下水沒有相應的監測數據,只能從2007、2008年的降水量進行對比分析。結果發現:這兩年德令哈平原也有較高降水量,若是對地下水有強烈補給,那么這兩年的地下水位會處于高位,與2009年作用累加必然會出現災害。但當年巴音河徑流量僅有4.41×106m3,顯示當年巴音河山區匯水區的降水量與平原區不一致。這不僅說明德令哈平原區降水增加對地下水位上升致災作用有限,而且印證了河川徑流大小是決定地下水位上升災害的主控因素。

3)農灌回歸水補給變化影響

格爾木河與巴音河的出山口均建有東、西干渠引水灌溉。對農灌回歸水補給變化的影響,筆者僅以巴音河平原為例進行分析。2002—2016年該灌區的灌溉用水量在105.48×106～235.91×106m3,平均數為168.30×106m3,見表1。發災年灌溉用水量基本保持平均水平,而用水量最大的2008年并未發災。這說明,灌溉回歸水補給對助長地下水位上升致災作用也非常有限。

表1 巴音河平原灌區年用水量一覽

4)山區地下水側向徑流補給變化影響

通過分析兩地平原與山區的接觸關系可定性判斷。兩地平原與山區均是通過隔水為主要特征的逆沖斷裂接觸,加之山區地下水以基巖裂隙水為主,富水性差,故認為山區地下水向平原區的補給量有限,可不考慮對地下水位上升致災的作用。

3.1.2 徑流排泄條件變化影響分析

兩地除在沖洪積扇中前部有較多生活生產供水井取水,增加排泄外,地下水徑流排泄條件基本保持著天然狀態,故不存在徑流排泄條件變化助長地下水位上升致災。

3.2 主控因素討論

綜合上述對研究區地下水源匯項條件變化的分析可知:顯著增大的河川徑流是導致地下水位上升致災的主控因素;平原區降水量增加等其他因素對地下水位上升致災作用有限。能使河川徑流量增大的作用定是山區降水量增加和冰川融化兩種情形。

由圖1可知:這兩地降水量與河川徑流量呈現顯著的正相關關系。盡管格爾木河、巴音河源頭山區缺少氣象站觀測,但干旱內陸盆地水資源流域具有平原區降水大時一般山區降水亦大的特點。故可借助臨近格爾木河源區唯一的專業氣象站——五道梁站1960—2018年降水數據對山區降水量變化進行分析研究。該站降水量變化與德令哈站較為相似,大致也有1960—1995、1996—2007、2008—2018年這3個明顯變化時段,只是時間節點有所不同。第1時段年在225～325 mm、第2時段在275～350 mm、第3時段在350～450 mm,呈現出強烈增加的變化特征。顯然降水量增大對河川徑流增加做出了重要貢獻。

冰川消融的貢獻,由楊惠安等[12]研究可知:格爾木河源區存在一定數量和規模的冰川,而巴音河流域基本沒有冰川。由此判斷,冰川消融對格爾木河徑流增加或許有所貢獻,但對巴音河徑流不會有影響。再根據五道梁站降水量變化的判斷,即使冰川消融增加了格爾木河徑流量,其貢獻也會少于山區降水增加而居其次。這與段安民等[13]和黨學亞等[14]的結論一致。故兩地河川徑流量增加主因是降水量的顯著增加,根源在于青藏高原氣候變化。

4 應對策略與措施

根據兩地地下水位上升成災的規律和現今采取的應對措施,格爾木采取的是將洪水局限在線狀河道內,抑制了面狀散流對地下水補給,使得地下水上升高度控制在安全范圍之內,明顯抑制了地下水位上升成災,但很難說再遇到類似2010年的大洪水不再發災。德令哈應對災情采取了搬遷避讓措施,2019年仍遭受著地下水位上升災害的困擾。因此十分有必要尋找長效應對之策。

從水資源需求看,柴達木地處內陸腹地,盡管氣候變化使區內水資源有所增加,但干旱缺水的總體特征依然未變。地下水位上升成災展示出來的“水多”并沒有改變區內長期存在的缺水問題,發展建設、生態保護的水資源供需矛盾仍舊突出。“水多”現象實質仍是盆地水資源時空分布不均的反映。若結合與“水多”完全矛盾的供水水源不足這一現實問題統籌考慮地下水位上升災害的治理,顯然本著變害為利理念可完全從思路與策略上突破傳統治理理念和對策局限,提高治理的綜合效益。

從兩地河川徑流特征及用水量看,除了歸攏河水,疏導河水以減少地下水補給也是區內減災防災的最優選擇。具體是通過完善兩地現有灌溉渠系,使之成為洪水期疏導河水的通道,將多余水量直接排向災區下游,以抑制河水滲漏對地下水位上升的貢獻。此舉不僅能取得實效且可節約建設成本。

其次是利用山前沖洪積扇的調蓄功能防災。山前沖洪積扇是天然的地下水庫,可通過加大枯水期地下水的開采為洪水期接納地下水補給與抑制水位上升騰出庫容,同時可有效提升區內的水源保障能力[15]。地下水庫調蓄不僅避免了水源的無效蒸發、泥沙淤積,而且將有效提升區內水資源的可利用量。

再是通過構建了渠系疏導+地下水庫調蓄+水源地截流開采三位一體的水源調控系統減災防災。在沖洪積扇合理設置傍河水源地,進行調蓄性和截流性開采,為洪水滲漏補給地下水騰挪地下庫容。以綜合治水之法將地下水位上升高度控制在人居安全和綠洲生態用水安全的范圍內,實現對地下水位上升致災的有效治理[16]。從水資源合理開發利用角度看,構建水源調控系統就是學界倡導的地表水、地下水聯合調度及科學管理。當前,格爾木與德令哈現有渠系和水源地已經為水源調控系統建設打下了良好基礎,只需稍加完善現有渠系排導功能、優化或增補幾處水源地并開展地下水庫水源補給場建設,即可滿足減災防災需求。

5 結 論

1)地下水位上升致災主要是顯著增大的河川徑流量所引起,災區當地的降水入滲補給、農田灌溉回歸水補給、山區冰川融水等對地下水位上升致災作用有限。徑流量顯著增加的根源是青藏高原氣候變化帶來的河源區降水量劇烈增加。

2)采用歸攏河水于線狀河道內,可顯著減少河水對地下水的補給,有效防治地下水位上升災害。但從長遠看,其仍是權宜之策;若要長效應對,必須突破傳統理念和治理方式的局限,探索能獲得綜合收益的新途徑。

3)地下水位上升給區內生活生產帶來了嚴重災害,但同時對解決區內的工農業生產水源不足問題也是難得的機遇。區內應對地下水上升災害的長效之策是:本著變害為利理念,采取拓展現有渠系的排洪功能、利用山前第四系松散含水層系統天然具備的水源調蓄功能,以及合理增加地下水開采等措施,構建渠系疏導+地下水庫調蓄+水源地截流開采三位一體的水源調控系統控制地下水位,可取得減災防災與增強水源保障的雙重效益。