张荷生  尹  政  崔振卿

（甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院，张掖   734000）

摘要：自2003年11月以来，张掖市甘州城区及外围地下水位大面积上升，2006年3月与2003年3月相比，地下水位上升区面积954.29km2,上升最大的区域为甘州城区一带，累计上升最大幅度达7.66m；其上升原因主要是张掖盆地中心地带基底存在与祁连山区相连的北西向深大断裂带，祁连山区基岩裂隙水沿着这些深大断裂向上越流补给盆地第四系孔隙水，使盆地地下水补给量大于排泄量，造成地下水位大面积上升；设计水位上升诱发地质灾害治理方案的总体思路是排（水）降（水）结合，以排为主，拟在急需解决城区地下建筑物降水的地段，实施垂直管井排水工程措施，为达到“长治久安”的效果，在城区范围实施水平排水工程措施，为弥补水平排水方案受城区道路、建筑物布局等所限制造成控制范围的不足在城区东北部重灾区实施垂直管井排水工程措施。

关键词：地下水位上升；地质灾害防治

1．问题提出

　　张掖古称甘州，地处我国西北的河西走廊中部，以其水土资源丰富、光热资源充沛而闻名于世。历史上，甘州城区曾经是“半城芦苇半城庙”的景观[1]，地下高水位的现象一直持续到上世纪70年代末。80年代中期以来，随着水利化程度的不断提高引起的水资源利用、分布格局的变化所导致的对地下水总补量的不断减少和地下水开采量的持续增加，张掖盆地地下水位处于区域性持续下降过程，城区一带地下水位年均下降幅度为0.2～0.3m，到2002年末已累计下降4～6m，著名的“甘泉”和北大池、南大池相继干涸[2]。自2003年11月以来，甘州区大部分地段地下水位停止下降开始出现上升趋势。特别是2005年9月以来，张掖市甘州城区及外围地下水位突然大面积上升，突出的表现在城区的地下室、地下仓库渗水，积水深度达到1.0～1.5m，部分平房出现裂缝或倒塌，居民住宅遭受严重威胁；农村乌江—三闸一带部分耕地被淹没，已经形成环境地质灾害。2003年3月与2006年3月相比，地下水位上升区面积954.29km2,上升幅度自南北两侧向城区由小渐大,一般为1.0～4.0m，上升最大的区域为甘州城区一带，累计上升最大幅度达7.66m(图1)。鉴于出现这些问题的严重性及紧迫性，甘肃省国土资源厅实施了《张掖市甘州区地下水位上升原因紧急调查及地质灾害防治方案研究》项目，旨在查明地下水位上升原因，提出合理的防治对策方案。

2.研究思路

　　地下水位的升降是区域地下水资源丰欠的直观反映。对一个水文地质盆地而言，当地下水补给量大于排泄量时，地下水位表现为上升，反之，则地下水位表现为下降。毫无疑问，甘州城区及外围地下水位在短期内大幅度上升，是张掖盆地地下水资源均衡状况发生明显改变的缘故。因此，研究思路是：一是通过地下水资源均衡项的变化研究，确定上升区多余地下水的数量；二是通过对比分析水位上升区地下水与区内降水、出山河水、祁连山区基岩裂隙水中水文地球化学、环境同位素特征，分析各水体的水力联系等，确定水位上升区不同地下水的补给来源；三是通过水文物探并辅以适量钻探方法研究区域地质构造的变化，确定水源补给通道；四是确定导致地质构造及水文地质条件改变的原因；最后进行地质灾害防治方案研究。

3.地下水位上升原因分析

3.1水位上升区地下水均衡

　　均衡区位于张掖盆地中部，以甘州城区为中心，南、北至祁连山及北山山前，东至大满—碱滩乡，西至甘浚—高崖一线，面积1507.27km2。传统观念认为，区内地下水主要接受出山河（洪）水及引灌河水的入渗补给，次为来自民乐方向地下侧向径流补给及南北山前沟谷潜流和降水、凝结水的入渗补给，主要以泉水溢出、人工开采、蒸发蒸腾和地下侧向流出的方式排泄。均衡计算结果，均衡期2005年地下水总补给量为84480.55万m3/a，总排泄量为94744.32万m3/a，计算均衡差为-10263.77万m3/a（表1），与区内地下水位大面积上升的事实不符，而区内均衡期始末地下水储量变化量为+12457.03万m3/a[3]。那么多余22720.8万m3的地下水来自何方？

　　　　　　　　　　　　　表1                  地下水均衡计算表           

3.2黑河节水工程实施前后张掖盆地东段地下水补排量变化分析

3.2.1地下水补给量

　　据按传统方法地下水均衡结果，黑节工程(2000—2005年)实施后2005年（丰水年）地下水补给量为8.6853亿m3/a，其中河、洪水入渗补给量4.3151亿m3/a，占总补给量的49.68%；渠系田间灌溉入渗量3.1231亿m3/a，占35.96%；山区沟谷潜流量和基岩裂隙水侧向流入量及大气降水、凝结水入补给量合计为1.2471亿m3/a，占14.35%。黑节工程实施前的1999年（平水偏丰年）地下水补给量为8.1057亿m3/a，其中河、洪水入渗补给量3.1524亿m3/a，占总补给量的38.89%；渠系田间灌溉入渗量3.8527亿m3/a，占47.53%；山区沟谷潜流量和基岩裂隙水侧向流入量及大气降水、凝结水入渗补给量合计为1.2005亿m3/a，占 13.58%。

　　对比黑节工程实施前后张掖盆地东段地下水资源补给量变化，总的地下水补给资源增加了0.5797亿m3，其中河、洪水入渗补给量增加了1.1627亿m3，渠系田间灌溉入渗补给量减少了0.7296亿m3，其余各量基本未变（图2）。

3.2.2地下水排泄量

　　黑节工程实施后的2005年地下水排泄量为9.7117亿m3/a，其中蒸发蒸腾量0.7167亿m3/a，占总排泄量的7.38%，泉水溢出量6.4060亿m3/a，占65.60%；机井开采量2.2112亿m3/a，占22.77%亿m3/a，侧向流出量0.3779亿m3/a，占3.89%。黑节工程”实施前的1999年地下水总排泄量为8.8023亿m3/a，其中蒸发蒸腾量0.7316亿m3/a，占总排泄量的8.31%；泉水溢出量6.8770亿m3/a，占78.13%；机井开采量0.8840亿m3/a，占10.04%；侧向流出量0.3097亿m3/a，占3.52%。对比黑节工程实施前后张掖盆地东段地下水排泄量变化，总的地下水排泄量增加了0.9094亿m3/a，其中泉水溢出量减少了0.471亿m3/a，机井开采量增加了1.3272亿m3/a，其余各量其本未变。

　　因此，尽管黑节工程实施以后张掖盆地东段地下水总补给量较节水工程实施前有一定的增加，但同时地下水排泄量也呈大幅度增加趋势，况且不论是节水工程实施前还是实施后，地下水均衡计算结果均呈总补给量小于总排泄量的负均衡。因此，黑河流域节水工程实施所引起的盆地内地下水资源的重新分配所导致的河、洪水入渗量的增加不能支撑区内大面积水位上升所需的水量。

3.3气象水文条件及地下水流场分析

　　据张掖市气象局提供的资料，甘州城1951—2005年平均降水量128.2mm，年最高205.5mm，年最低76.6mm。2000—2005年平均降水量127mm，与多年平均降水量基本持平，其中2005年165.4mm，高于多年平均值37.2mm。但是，降水对地下水的影响仅表现在次降水量大于10mm（有效降水量）和地下水位埋深小于5m的地段，对地处西北内陆干旱区的张掖盆地东段而言，年有效降水量一般小于50mm，而蒸发量高达2020.2mm，绝大部分降水量消耗于蒸发蒸腾，由此形成的大气降水入渗补给量（包括凝结水入渗补给量）只有1000—1200万m3/a，仅占盆地地下水总补给量的1.5%左右，影响甚微，不可能引起区内地下水位大面积上升。

　　发源于南部祁连山区流入（流经）张掖盆地东段的主要河流为黑河，其次为童子坝河、洪水河、大堵麻河、小堵麻河、海潮坝河、酥油口河、大野口河、大磁窑河8条小河流，多年平均出山径流量合计为19.28亿m3/。2005年出山径流量合计为21.92亿m3/a，高于多年平均值12.04%。由此形成的河洪水（包括渠道、田间灌溉水）入渗量较多年平均值增加0.5797亿m3。但是，甘州城位于黑河东北部，距黑河河床直线距离6～8km，不是黑河河床入渗影响带的范围。黑河在312国道大桥以上形成的入渗补给地下水量，流向了西北部的明永、乌江、平原堡一带，并未流向甘州城区及以北地带（图4）。再如1989年，黑河出山径流量达到了创记录的23.07亿m3/a，河水仅通过天然河道对盆地地下水的直接补给量达到了7.36亿m3/a，但并未引起区内地下水位的大面积上升。因此，由于黑河流域节水工程的实施引起的黑河天然河道入渗补给地下水量的增加只是引起沿河地段地下位上升的原因，不是引起甘州城区及外围地下水位大面积上升的主要原因。

3.4张掖盆地水体环境同位素分析

3.4.1张掖盆地水体环境同位素分析

　　根据本次在祁连山冰雪融水、河水、基岩裂隙水、大气降水和盆地内大气降水、地表水、地下水、泉水共计83组水样氚（3H）、氘（δD）、氧（δ18O）环境同位素测试结果，在δD-δ18O图上（图5），张掖盆地水位上升区潜水、浅层承压水及出山河水的同位素样点落在大气降水线的同一区域且靠近大气降水线，这表示戈壁带潜水、浅层承压水与黑河水的补给来源基本是相同的，主要补给源为大气降水。而水位上升区深层承压水与祁连山区基岩裂隙水存在一定联系，深层承压水δD、δ18O同位素值落在山区基岩

裂隙水的分布区域，位于降水线最下端。统计发现，水位上升区深层承压水δD、δ18O同位素值均比山前戈壁带潜水和出山河水低，而与祁连山区基岩裂隙水同位素值一致，二者属同一补给来源，表明深层承压水存在基底深部地下水的越流补给[4]。 

　　甘州城区32个3H同位素测试结果表明，位于甘州城区的浅层承压水（Y8、Y9点）与位于甘州城区北部流泉村泉水（Y21、Y22）3H值含量基本一致为0.5～1.55TU，地下水为1951年以前补给的老水。研究发现， Y9、Y8、Y21、Y22个取样点基本沿城区及北部出城泉沟呈线状分布。表明自南向北通过城中心存在一条深层承压水补给潜水的强劲补给带。城区及外围大部分地段潜水3H含量为23.44～62.15TU之间，10个样品的均值为41.10TU，低于同期的黑河出山河水氚值(58.3TU)，也反映出出山河水不是潜水唯一的补给水源，有低3H值水（老水）补给的特征（表2）。

                     　 表2                  甘州城区及郊区地下水环境同位素测试成果

3.4.3水位上升区与祁连山区地下水质比较

　　本次水质分析测试结果证实，地下水位上升区位于张掖盆地地下水的径流排泄区，其深层承压水、浅层承压水及部分潜水（泉水）水质均为水化学类型以HCO3-Ca-Mg或HCO3-Mg-Ca为主、矿化度小于0.5g/L的淡水，上升区水质明显好于盆地地下水补给区的祁连山前（表3），而与祁连山基岩裂隙水及出山河水水质类型接近。

　　根据热力学第二定律，当物质由固体变为液体、或由液体变为气体，总是伴随着吸热，存在S气＞S液＞S固的递变规律，此式表明液体中的商值大于固体中的商值，如果液体中的离子通过化合反应成为固体而不发生其他变化，则必须满足S固≥S液，这违反了热力学第二定律，因为导致商值减少的反应是不可能发生的。所以地下水随着径流路径的增加其商是朝着增加的方向发展。水中只可能溶解地层中的固体使液体中离子的溶度增加，不可能出现离子结合形成固体使液体中离子的浓度降低而不发生其他变化的化合反应[5]。如果说水位上升区承压水是由地表径流入渗补给的，那么承压水矿化度必然大于地表径流和入渗带潜水中的值。所以可以断定，水位上升区承压水主要的补给源并非来自于地表径流的入渗补给，而是来自祁连山基岩裂隙水通过盆地基底深部的越流补给。

                             表3            祁连山区及张掖盆地地下水水质特征统计

3.5祁连山基岩裂隙水与盆地水位上升区第四系孔隙水的水力联系

3.5.1地震及对盆地地下水位的影响分析

　　据张掖市地震局资料，进入本世纪以来，祁连山地震亚区河西走廊地震带活动异常，地震发生频繁，自2000年1月至2006年4月，张掖市境内共发生3级以上地震多达117次，且地震点多沿祁连山断裂带分布，如2003年10月25日年发生于山丹、民乐县交汇处的6.1级、6.0级地震、2004年7月16日发生于临泽倪家营4.3级地震、2006年4月6日发生于张掖上秦3.2级地震等。频繁的地震活动，使盆地基地和山体与盆地接触带的地质构造及水文地质条件发生了重大改变，对地下水的赋存与运移条件产生了深刻的影响。

　　地震对地下水位的影响首先表现为对地下水位或水压力的急速变动。在很多情况下，地震还使当地的地下水动态形成条件（如地下水的补给或排泄条件、含水层的水文地质参数等）发生根本性的变化。2006年4月6日，张掖市甘州区上秦发生了3.2级地震，距震中北部约6.4km的地下水位动态监点1-1、1-2其水位在地震前处于持续下降的状态，地震发生后出现了短期内回升的现象（图6）。

3.5.2祁连山基岩裂隙水与盆地水位上升区第四系孔隙水的水力联系

　　据本次物探资料及研究成果，张掖盆地基底分布有一系列与祁连山区域构造相连、走向相近、相互连接、性质相同、规模不等的次级构造断裂，这此基底断裂原本是阻水和弱透水的，基岩裂隙水能过这些断裂构造补给盆地第四系孔隙水的数量很有限[6]。自2000年以来频繁的地震活动，特别是民乐山前2003年10月25日发生大地震以来及盆地中心的地震活动，有可能引起盆地基地和山体与盆地接触带的地质构造发生重大改变，使原本相对稳定的构造断裂重新激活，由封闭的高度磨棱岩化的压性或压扭性阻水或弱透水断裂变为张性破碎的导水断裂。理论上存在山区基岩裂隙水通过与祁连山山前大断裂相联系的断层通道直接越流补给盆地地下水的可能，使盆地第四系地下水失去了已有的动态平衡，补排量失衡，从而造成盆地内水位上升（图7）。

4.地质灾害防治方案研究

4.1局部垂直管井排水方案

    该方案以急需解决城区地下室进水的建筑物为对象，采用降水井工程措施。按降水规范要求，使水位降至地下室以下0.5～1.0m，在此基础上补做地下室防水工程措施。降水井技术参数见表4。

                        　 表4                  优化后降水井技术参数统计表

4.2明渠暗管水平排水方案

　　考虑城区现状道路布局，结合历史上八大明渠的分布及走势，研究拟定城区采用“二横”、“三纵”工程布局，“二横”指东西方向的饮马河清淤深挖工程，青年街暗渠排水工程；“三纵”指南北方向上的马神庙—长寿街暗渠排水工程，北大池暗渠排水工程，解放路暗渠排水工程。城郊采用“两纵”工程，即城区东侧芦苇塘清淤深挖工程，以使地下水位降低，恢复湿地排泄、调蓄功能；城北近南北向的新河清淤深挖工程，以增强其排泄地下水功能，降低地下水位，减轻对周边农田的危害。有关明渠暗管水平排水方案实施具体地点见表5。

                      　 表5                 明渠暗管水平排水方案实施地点统计表

4.3城区东北部重灾区垂直管井排水方案

　　马神庙街以东，东街以北以及城区北部的王母宫社区，地下水位埋深小于1.0m的重灾区拟实施垂直管井排水方案。该区上部粉质粘土厚度5～8m，下覆卵石层埋深5m以下，地质结构为地下水的汇水滞流提供了良好的自然条件，从而形成了城区的重灾区。鉴于水平排水方案对其不能有效控制，拟在该地段设计垂直管井排水方案，综合东湖小区及新世纪大厦后楼排水工程实践，初步设计布井技术参数见表6。

　　　　　　　　　表6               城区东北部重灾区垂直管井排水方案技术参数表

5.结语

（1）张掖盆地中心地带基底存在与祁连山区相连的北西向深大断裂带，自2000年以来频繁的地震活动特别是自2003年10月山丹、民乐发生6.1级、6.0级地震以后，引起了祁连山前及盆地内基底断裂活动加剧，同时断裂活动也错断了上部第四系松散层内的隔水层，基底断裂带变为透水或导水通道，加快了祁连山区基岩裂隙水沿着这个通道向上越流补给盆地第四系孔隙水的速度，增大了越流补给量，使盆地地下水补给量大于排泄量，造成地下水位大面积上升。初步估算，祁连山基岩裂隙水通过深大断裂越流补给张掖盆地东段第四系松散层孔隙水的量约为2.27亿m3。但是，这个额外的地下水补给量其持续性、稳定性如何尚须进行进一步的勘探工作。

（2）张掖市甘州城区地质结构为地下水的汇水滞流提供了良好的自然条件，导致了城区的地下水排泄不畅，从而诱发了地质灾害。

（3）地质灾害防治方案宜充分考虑甘州城区人文地理，结合现状城区布局，充分利用已有排水渠道，排（水）降（水）结合，以排为主的原则进行布置。拟实施水平排水方案、局部垂直排水方案及城区东北部重灾区垂直管井排水方案；另外，地方政府应充分运用行政手段，以科学发展观为指导，采取非工程措施杜绝灾害隐患。

参考文献

[1]甘肃省张掖市志编修委员会.张掖县志[M].兰州:甘肃人民出版社.1999.

[2]丁宏伟,张  举.干旱区内陆平原区地下水持续下降及引起的环境问题—以河西走廊黑河中游地区为例[J].水文地质工程地质,2002,29（3）:71—79.

[3]尹  政,崔振卿,丁宏伟,等.甘肃省张掖市甘州城区及外围地下水位上升原因紧急调查及地质灾害防治方案研究报告[R].甘肃省地矿局水文地质工程地质勘察院.2006.

[4]中国地质科学院水文地质环境地质研究所.西北内陆黑河流域水循环与地下水形成演化模式[R]，地质出版社，2005年.

[5]陈建生，赵霞等.青藏高原北东向断裂带补给河西走廊张掖盆地泉水同位素证据[J]。水科学进展，2005，31（4）：28～33.

[6]丁宏伟,姚兴荣,闫成云,等.河西走廊祁连山山前缺水区找水方向[J].水文地质工程地质,2002,29(6):12—16.