4. 8. 1 地下水溢出特征
4. 8. 1. 1 泉水与泄流的形成条件
黑河干流地下水溢出发生在中游地区，地下水溢出的形式主要是泉水和泄流。泉水主要集中于细土平原的中下部，泄流则分布在大桥和碱滩以下至正义峡的黑河与山丹河的沿岸地带。泉水和泄流是中游地区地下水的主要排泄方式之一，也是干流水资源的重要组成部分。
黑河干流中游地区地下水自南东向北西运动，当地下水流经洪积扇前缘至细土平原时，沿着径流方向由于地形坡度变缓，含水层颗粒变细，导水性减弱等原因，地下水在低洼地带开始以泉的形式溢出，并汇集成 “泉沟”注入黑河干流，如九眼渠泉沟、余家河泉沟、剪河泉沟等; 张掖盆地地下水还受到北山的阻水作用及高台以下基底不断抬升的影响，从黑河大桥往下多以泄流的形式不断溢出，至正义峡已全部泄出而参与地表径流 ( 图 4. 33) 。
4. 8. 1. 2 泉水流量动态特征
根据张掖地区代表性监测点———泉 5 ( 下降泉) 、泉 6 ( 上升泉) 的流量资料分析，泉水多年月平均流量过程线丰、枯值明显，一般 5～6 月份为谷值，9～10 月份为峰值; 潜水泉与承压水泉流量动态曲线形态相似，丰枯值之比分别为 2. 0 和 1. 3，丰、枯流量值出现时间潜水泉约滞后承压水泉一个月时间 ( 图 4. 34) ，这与潜水和承压水同源 ( 均主要来自上游径流补给) 以及承压水越流补给潜水的实际情况是完全吻合的。
泉水多年流量动态呈现周期性波动，总规律呈衰减趋势，从 1985 年到 1999 年的泉水衰减率为 2. 75%，泉流量衰减与区域地下水位下降是一致的 ( 图 1. 27) 。
4. 8. 1. 3 溢出量沿程变化规律
甘肃省地矿局第二水文地质队于 1986 年 4～5 月实测了从山丹桥到正义峡黑河沿岸地下水溢出量，依此绘制的地下水累积溢出量和地下水单位长度溢出量沿地表水流程的变化曲线见图 4. 35、图 4. 36。
地下水累积溢出量沿程呈增加趋势，曲线可用过坐标原点的 5 次多项式很好地描述，山丹桥到平川大桥段累积溢出量随流程呈近似直线快速增长，平川大桥到高台大桥段累积溢出量随流程为曲线缓慢增长，高台大桥到正义峡段累积溢出量随流程为极缓慢增长; 说明地下水溢出主要发生在平川大桥以上河段，至高台大桥几乎全部溢出，高台大桥以下河段地下水溢出甚微，这与高台以下基底不断抬升的实际是一致的。
地下水单长溢出量沿程呈偏态分布，曲线可用 5 次多项式较好地表出，峰值靠近山丹桥一侧，出现在高崖水文站至小鸭河段，峰值之东增长快，峰值之西下降慢，至高台大桥以下河段地下水单长溢出量小且比较平缓，正义峡口至水文站为河水入渗河段; 地下水单长溢出量峰值出现在高崖水文站至小鸭河段，与中游平原地下水主要来至黑河河渠水补给有关，也与高台以下基底不断抬升等有关。
4. 8. 2 溢出量的均衡分析与衰减规律
黑河干流中游地区地下水溢出量采用均衡法推算，在与实测溢出量和泉水流量长观数据进行对比分析的基础上，最终确定地下水溢出量系列，以进一步分析中游地区水资源态势及探寻溢出量的衰减规律。
图 4. 33 张掖盆地泉水与泄流形成条件剖面示意图
图 4. 34 泉 5、泉 6 多年 ( 1986～1988 年) 月平均流量过程线
图 4. 35 地下水累积溢出量沿程变化曲线图
图 4. 36 地下水单长溢出量沿程变化曲线图
4. 8. 2. 1 1956 ～1980 年大桥到正义峡干流溢出量均衡分析
根据黑河干流中游地区河流来水量 ( 莺落峡径流量) 、河流入渗量 ( 莺落峡到大桥河段入渗量) 、河流下泄量 ( 正义峡径流量) 、河道蒸发量等 1956～1980 年 1、2、12 月的系列资料，采用干流河道均衡方法分析大桥至正义峡河段 12～2 月的地下水溢出量。
黑河干流中游地区在每年的 1、2、12 月份河流自由下泄，且灌区不再灌溉引水，莺落峡到大桥为河水入渗段，该段河水入渗量可用河流单位长度入渗率 y ( %/km) 与河流来水量 x ( m3/ s)关系式 y=11. 8488x－0. 6867计算。
以莺落峡到正义峡的河道为均衡区，月为均衡期 ( 1、2、12 月) ，莺落峡来水量、莺落峡到大桥河流入渗量、正义峡下泄量、河道蒸发量、大桥到正义峡地下水溢出量为均衡要素，采用出流量减去入流量 ( 河道水年储变量为零) ，计算了 1956～1980 年 1、2、12 月的河道地下水溢出量，并用三次实测的地下水溢出量与同年 12～2 月溢出量之比的平均值推算的年溢出量列入表4. 33，25 年平均溢出量为 14. 40×108m3/ a。
4. 8. 2. 2 1981 ～2000 年大桥到正义峡干流溢出量均衡分析
根据黑河干流中游地区河流来水量 ( 大桥径流量与梨园河入黑河水量) 、河流下泄量 ( 正义峡径流量) 、渠道引水量 ( 包括乌江、鸭暖、板桥、平川、蓼泉、友联、六坝、罗城 8 个灌区) 、河道蒸发量等 1981～2000 年系列资料，采用干流河道均衡方法分析大桥至正义峡河段地下水溢出量。
梨园河出山口有东、西干渠引水灌溉梨园河灌区与沙河灌区，每年仅洪水期及非灌溉季节有水经梨园河河道下泄，沿途入渗后的剩余水量排入黑河干流。梨园河出山后河道长约 40km，河水平均入渗率 80%; 依据梨园河出山径流量与灌区引水量，可算得河道下泄量、入渗量及排入黑河水量，梨园河 1981 ～ 2000 年河道平均入渗量 0. 86×108m3/ a，平均排入黑河水量 0. 22 × 108m3/ a( 表 4. 34) 。
以大桥到正义峡的河道为均衡区，年为均衡期，大桥来水量、梨园河入黑河量、灌区引水量、河道蒸发量、正义峡下泄量、地下水溢出量为均衡要素，采用出流量减去入流量 ( 河道水年储变量为零) ，计算了 1981～2000 年的河道地下水溢出量。20 年来地下水溢出量呈总体下降趋势，20年平均溢出量为 11. 44×108m3/ a ( 表 4. 35) 。
4. 8. 2. 3 溢出量对比分析与衰减规律
黑河干流在 1966 年、1967 年、1984 年及 1986 年 4～5 月份曾系统实测了地下水溢出量，溢出量分别为 15. 45×108、14. 82×108、13. 90×108、11. 38×108m3; 甘肃省地矿局第二水文地质队在实测部分溢出量的基础上，计算的 1977 年地下水溢出量为 12. 80×108m3。泉 6 从 1986 年开始长观，泉水监测到 2000 年已有 15 年的流量数据。
表 4. 33 大桥—正义峡 1956～1980 年地下水溢出量均衡计算表 单位: 108m3
由实测溢出量、长观泉流量及本次均衡分析溢出量数据绘制的历时曲线见图 4. 37，其数据列入表 4. 36。图、表数据表明: 均衡分析方法得到的 1956～2000 年地下水溢出量结果与五次实测溢出量变化趋势相同且数值很接近，相对误差 0. 09%～4. 04% ( 平均值 1. 80%) ; 1986～2000 年溢出量衰减率 1. 95%/a，泉流量衰减率 2. 37%/a，衰减率相近。这说明了均衡分析溢出量是可信的，即参与均衡分析各要素的系列数据是可靠的。
黑河干流地下水溢出量 1956 年为 14. 68×108m3，2000 年为 9. 76×108m3，最大值出现在 1971 年，为 17. 67×108m3，45 年平均值 12. 73×108m3。溢出量历时呈丰、平、枯交替变化，总体变化呈二次曲线形态，1971 年之前呈缓慢增长，年增长量 0. 07×108m3; 1971 年之后呈衰减趋势，年衰减量 0. 24×108m3，并有历时加速衰减态势，年衰减量由 1986 年之前的 0. 16×108m3，变成 1986 年之后的 0. 25×108m3，年衰减量增加了 0. 09×108m3。溢出量总体呈逐年衰减态势，水资源形势是比较严峻的。
表 4. 34 梨园河入渗量及排入黑河量计算表 单位: 108m3/ a
表 4. 35 大桥—正义峡 1981～2000 年地下水溢出量均衡计算表 单位: 108m3/ a
续表
图 4. 37 均衡溢出量、实测溢出量、泉流量历时曲线
4. 8. 3 地下水溢出量的衰减机制
4. 8. 3. 1 溢出量与地下水位的关系
地下水的溢出同蒸发一样也具有自调节功能，它与地下水位是相互影响、相互制衡的关系，水位上升则溢出量增大，水位下降则溢出量减小，溢出量的增、减反过来将抑制水位的进一步升高或降低，一般这种相互作用都在滞后一段时间后才表现出来。
根据九眼渠泉 6 监测点资料分析，泉水流量动态与溢出带地下水水位动态相吻合，一般5 ～ 7 月为谷值期，9 ～ 12 月为峰值 期，两 者 具 有 近 于 同步 升、降 的 变 化规 律 ( 图 4. 38 ) ; 多年泉水流量与水位动态呈现同步周期性波动，总体呈现衰减趋势 ( 图 4. 39) 。地下水溢出量( 泉水流量) 衰减及区域地下水位持续下降的原因是一致的，主要是地下水补给量多年不断减少造成的。
表 4. 36 黑河干流均衡分析溢出量与实测溢出量对比表
续表
注: 溢出量相对误差平均为 1. 80%; 1986～2000 年溢出量衰减率为 1. 95%/a，泉流量衰减率为 2. 37%/a。
4. 8. 3. 2 补给量对溢出量的影响
补给量的增、减主要是通过对地下水位的改变而影响溢出量的，补给量的减少将会造成区域地下水位下降及水力坡度变缓而导致溢出量的衰减，这种补给量对溢出量的影响一般都有比较长的滞后时间，可达几个月甚至几年时间。根据黑河干流中游地区地下水总补给量与总溢出量，以及山丹泉群流量资料，分析 20 世纪 50 年代～90 年代补给量对溢出量的影响 ( 表 4. 37、图 4. 40) 。
总补给量从 20 世纪 50 年代后期到 90 年代后期在逐年减少，但补给量的减少率却在逐年变小，年减少率从 1. 44%变为 0. 53%。总溢出量从 50 年代后期到 60 年代中期在逐年增长，年增长率 1. 63%; 总溢出量 60 年代中期至 90 年代后期在逐年衰减，年衰减率为 1. 23%～1. 56%。对比分析说明: 60 年代以来总溢出量的衰减主要是由补给量的减少造成的，且总补给量对总溢出量的影响大约有 10 年左右的滞后时间，这从五六十年代总补给量减少率与六七十年代总溢出量衰减率的极为接近的结果得以证实; 进入 90 年代总溢出量衰减率明显大于八九十年代总补给量减少率，总溢出量衰减率是总补给量减少率的 2. 1～2. 8 倍，说明这一时期总溢出量的衰减不仅有补给量减少的影响，而且还叠加了地下水开采量急剧增加的作用 ( 图 4. 14、图 4. 15) ，即 80 年代中期以来总溢出量的加速衰减是补给量减少与开采量增加共同作用的结果。
60 年代以来山丹泉群流量在加速衰减，70 年代中期以后山丹泉群流量的衰减率明显大于总溢出量的衰减率，反映出溢出量的衰减规律在中游盆地各地是不一致的，这主要是各地补给量减少的不一致造成的。
4. 8. 3. 3 开采量对溢出量的影响
开采量与溢出量、蒸发量同属于地下水的排泄量，开采量是由补给量的增加量、排泄量的减少量和动用的储存量 ( 即储耗量) 三部分组成的。在补给量不变的条件下，开采量的增加必然造成溢出量、蒸发量等排泄量的减少，也可导致储存量的消耗。因此，研究溢出量与开采量的关系，以及溢出量、蒸发量、储耗量与开采量之间的关系，分析开采量对溢出量等的影响，对合理开发地下水具有重要的指导作用和现实意义。
图 4. 38 临泽化音泉 6 流量与 87—1 井水位月动态曲线图
图 4. 39 临泽化音泉 6 流量与 87—1 井水位年动态曲线图
( 1) 溢出量与开采量的统计关系
根据 1990 年和 1995～2000 年实测张临高地区地下水开采量，以及对应年份的均衡分析溢出量，绘制的关系曲线见图 4. 41。地下水溢出量随开采量的增加呈近似直线减少，基本上反映了开采量对溢出量影响的特点; 但增加单位开采量将减少约 1. 2 倍开采量的溢出量，这从另一侧面又证明了 90 年代以来溢出量的减少是开采量的增加和补给量的减少共同作用的结果。
( 2) 开采量对溢出量影响的数值模拟
为了定量分析溢出量、蒸发量、储耗量与开采量和补给量之间的关系，确定开采量对溢出量等的影响程度，对黑河干流中游平原区地下水进行了数值模拟，其水文地质概念模型与数学模型及模型数据等内容详见第 8 章。
1) 1990 年和 1999 年地下水均衡分析。模拟模型对 1990 年和 1999 年的地下水均衡进行了分析 ( 表 4. 38) ，比较两个典型年的水均衡数据，地下水补给量从 16. 33×108m3/ a 减少 到13. 04×108m3/ a，减少 3. 28×108m3/ a; 地下水排泄量从 16. 37×108m3/ a 下降到 15. 16×108m3/ a，减少 1. 21×108m3/ a; 地下水 补、排 不平衡造成储存量的消耗，数值计算平均储耗量为 2. 07 ×108m3/ a。数值模拟地下水溢出量从 1990 年的 11. 18×108m3/ a 下降到 1999 年的 10. 04 × 108m3/ a，减少了 1. 14×108m3/ a。溢出量衰减主要有两方面的原因: 一是近年来的渠系防渗与控制灌溉定额，使该两项补给从 7. 16×1108m3/ a 下降到 4. 79×108m3/ a，减少了 2. 37×108m3( 占总补给量减少量的 72%) ; 二是增加了对地下水的开采，由原来的 1. 46×108m3/ a 增加到 2. 48×108m3/ a，增加量为 1. 02×108m3。数值模拟的这些结论与前面区域地下水位下降和溢出量衰减成因分析的认识是一致的。
表 4. 37 黑河干流中游地区地下水补给量与溢出量关系分析表
图 4. 40 黑河干流中游地区 20 世纪 50～90 年代补给量、溢出量变化曲线
图 4. 41 地下水溢出量与开采量关系曲线
2) 溢出量、蒸发量、储耗量与开采量的关系。模拟模型在现状水平年 ( 1999 年，平水年)的基础上，对六种开采量方案均进行了 10 年的预测，计算的黑河干流中游平原区不同开采量的溢出量、蒸发量、储耗量结果列入表 4. 39，依此绘制了溢出量、蒸发量、储耗量与开采量的关系曲线 ( 图 4. 42) 。由表、图可见，溢出量和蒸发量随开采量增加而减少，储耗量随开采量增加而增加，其均为线性增减。从第一开采方案到第六开采方案，开采量增加了 2. 50×108m3/ a，补给量减少了 0. 04×108m3/ a，分别占总增量2. 54×108m3/ a的 98%和 2%; 因开采量的增加与补给量的减少，导致溢出量和蒸发量的减少及储耗量的增加分别为 1. 20×108m3/ a、0. 52×108m3/ a、0. 81×108m3/ a，分别占总增量 2. 54×108m3/ a 的 47%、21% 和 32%。也就是说在维持现状开采布局 ( 现状开采量2. 48×108m3/ a，开采增量占总增量百分比不小于 98%) 的前提下，每增加 1×108m3地下水的开采量，可夺取浅埋带地下水蒸发量 0. 21×108m3，减少地下水溢出量 0. 47×108m3，同时动用地下水库的储存量 0. 32×108m3。模拟分析的宏观结论表明: 增加地下水开采量，所袭夺的潜水蒸发量大约占增采水量的 20%左右，但增采的地下水量并不是净增资源可利用量，加大地下水开采量的同时将会减少一部分地下水溢出量和储存量。
需要说明的是: 上述结论是现状补给条件下开采量变化引起的溢出量、蒸发量、储耗量变化，由于现状补给条件的溢出量与储存量仍处于衰减和消耗 ( 区域地下水位下降) 态势，所以各种比例仍然包含补给量不足带来的影响，且该影响所占比重仍是比较大的，这个结论可从 “补给量对溢出量的影响”中印证。
3) 模拟溢出量的沿程变化特征。将模拟模型计算的不同开采量的溢出量沿河道分段给出并进行累加，可得到河道分段及累积溢出量 ( 表 4. 40) ，绘制累积和分段溢出量的沿程变化曲线 ( 图4. 43、图 4. 44) ，可以看出地下水溢出最大的地段在大桥—塘湾河段，塘湾 ( 在平川大桥附近)之下溢出量明显减小，这与 1986 年实测结果 ( 图 4. 35、图 4. 36) 是一致的; 现状开采量的模拟溢出量为 9. 69×108m3/ a，与均衡分析溢出量 ( 9. 15×108～ 9. 76×108m3/ a) 是比较接近的。说明均衡分析与模拟计算结果是可信的。
表 4. 38 黑河干流中游平原区地下水模拟均衡分析表 单位: 108m3/ a
4. 8. 4 溢出量衰减的危害
地下水溢出量主要受补给量和开采量的制约，多年来补给量的持续性减少是溢出量衰减的根本原因，20 世纪 90 年代以来开采量的急剧增长是促使溢出量加速衰减的主要因素。
补给量和开采量都是通过对地下水位的作用来间接影响溢出量的，补给量的减少使山前倾斜平原区地下水位大幅度持续性下降的同时，也释放了大量的储存量补充下游溢出量，其结果是显著地降低和减缓了溢出量的衰减幅度与速度; 由于山前倾斜平原区储存量大，以及补给量对溢出量影响的滞后性，在补给量持续减少的情况下，短时间内溢出量的衰减还不会很明显地表现出来，但随着时间的推移储存量不断地消耗，溢出量得到的补充会愈来愈少，从而出现溢出量的加速衰减。这些特征常常为人们所忽略或不为人们所认识，因而在水资源开发、利用、管理等环节中不自觉地造成了补给量大幅度且持续性地减少，带来了区域地下水位的下降和溢出量的衰减。
地下水溢出量的减少，使泉水灌区不得不开采地下水来弥补灌溉水源的不足，反过来又加大了泉水的衰减速度，形成恶性循环; 也导致了溢出带的水生植物变成了旱生植物，沼泽变成了盐碱地，使土壤含水量降低，进而产生了植被退化和土地沙化等一系列生态环境问题; 也使汇入干流的水量减少，使水资源的重复利用率降低，增加了中下游水资源的供需矛盾等。
溢出量衰减的遏制和恢复，不仅需要充足的水源，也需要人们的对溢出量衰减机制及其危害的深刻认识和理解。事实上，即使含水层能得到足量的补给，由于补给量对溢出量影响的滞后性，溢出量也不会在短时间内大幅而快速增长，即溢出量衰减的遏制和恢复同样也要较长的时间来完成。
表 4. 39 现状补给量条件下不同开采量的数值模拟成果表 单位: 108m3/ a
图 4. 42 溢出量、蒸发量、储耗量与开采量关系图
图 4. 43 不同开采量的累积溢出量沿程变化曲线
表 4. 40 不同开采量的河道分段及累积溢出量计算成果表
图 4. 44 不同开采量的分段溢出量沿程变化曲线
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