干旱、半干旱地区水文地质研究现状
摘 要 世界上近一半的国家都不同程度地受到干旱问题的影响，因而干旱、半干旱区的水文地质研究多年来一直是世界水文地质学界的研究热点。本文根据几年来所阅读的关于该方面的近百篇国内外文献资料，对干旱和半干旱地区地下水开发利用概况、地下水形成机理研究进展、干旱区大型盆地地下水运移所采用的两种模型、环境同位素技术在干旱区地下水研究中的应用、地下水流系统研究进展、地下水数值模拟及管理模型现状、干旱区包气带水文地质研究、沙漠区凝结水及其水文地质意义等方面的研究现状作了较为详细的论述。并对我国西北干旱区地下水开发利用中存在的主要问题进行了初步分析。 关键词 干旱半干旱 水文地质
全球干旱半干旱与极度干旱土地的面积约5700万km2，世界上近一半的国家都不同程度地受到干旱问题的影响。因此，干旱半干旱区的水文地质研究多年来一直是世界水文地质学界的研究热点。在国际范围则有干旱、半干旱国际研究中心。联合国的教科文组织于1951年开始组织世界各国研究地壳的干旱带的水资源，1952年4月在土耳其的安卡拉召开了干旱带的水文学讨论会，1975年12月，在德黑兰召开了题为“干旱土地的水”的国际讨论会。多年来联合国教科文组织在国际水文计划(IHP)和国际水文十年(IHD)中将干旱地区地下水资源的开发利用作为一项重要的研究内容。国际水文地质学家协会(IAH)也多次活动，探讨了干旱地区地下水研究的理论和方法，如1988年12月在BurKina Faso召开了非洲干旱、半干旱水文学和水文地质学研究现状讨论会，1990年IHA出版了干旱、半干旱“地下水补给”评价指南等。近年来，随着一些干旱、半干旱国家和地区社会经济的不断发展，对地下水资源需求量日益增长，从而促使他们加快了地下水资源勘查评价及相关水文地质研究的步伐，并由此取得了许多重大突破和进展。如哈萨克斯坦、澳大利亚中部、墨西哥北部及沙特、以色列、伊朗、印度和巴基斯坦等，都相应地开展了区域性甚或全国性的地下水资源勘查评价与研究工作。
我国西北地区(包括陕、甘、宁、青、新疆和内蒙古西部)是世界上较为典型的干旱、半干旱地区之一。为缓解西北干旱半干旱地区居民生活、国民经济发展和水要求，从50年代就开始了西北地区地下水资源的研究工作。1956~1966年开展以城市供水和区域水文地质普查为主要内容的工作，1966~1974年进行了人畜供水、农田供水和盐碱化治理勘查工作；1974~1983年完成了全区的区域水文地质普查工作；1983~1990年组织了以省区为单元的水文地质远景规划，1986~1990年组织了《西北地区地下水资源评价及合理开发利用》项目攻关研究，1995年开始组织实施了“西北地区地下水资源勘查特别计划”，并取得了一系列重大突破。现根据近几年来本人所阅读的近百篇该方面的文献资料，对干旱、半干旱地区地下水在以下方面的研究现状作以论述。本文在撰写过程中，参阅了原地矿部地质环境管理司1997年编制的《国外干旱区地下水资源评价方法现状与进展》一书。
1 干旱、半干旱地区地下水开发利用概况
干旱、半干旱地区地下水开发利用已有悠久的历史，可以追溯到世世代代生活在这些地区的劳动人民，如干旱程度不亚于我国西北地区的伊朗，几个世纪来利用大量的坎儿井灌溉着约250万公顷土地，灌溉土地抽出的地下水不少于1600~1700m/s以上，最长的坎儿井可达60km，出水量最大可达4m3/s。我国新疆地区在很早以前利用坎儿井开采地下水灌溉农田和绿洲。
近年来，在一些干旱、半干旱国家或地区，地下水的开采已成为大部分、甚至是全部所
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需用水量的供水水源。如利比亚、阿曼、巴林、卡塔尔等国是100%的依靠地下水作为供水水源，在阿拉伯联合酋长国是77%，在沙特阿拉伯是75%以上，在阿尔及利亚和以色列是67%，突尼斯是65%，美国亚利桑那州(在流入科罗拉多河河水之前)是62%。在亚利桑那州60a中从该区各含水层中开采出2250亿m3的水，其中90%的水是利用解压抽取出来的；在澳大利亚大自流盆地中在近一个世纪内已开采出350亿m3的水；在利比亚的库夫莱开采区，50a内将从努比亚砂岩层中提取110亿m古地下水用于灌溉，在昔兰尼加地区的南部，塞里尔和塔尔博两个地区将每天开采出的200万m3的水，通过在建设的渠道输往海边，并希望在水位不至下降到无法开采的程度之前，开采60~70a即计划采出400~500亿m的水。一些阿拉伯海湾国家对地下水资源大规模的开采和利用不仅支撑了这些国家的石油及有关工业的急剧发展和人口的快速增长，而且还在很大程度上保证和满足了其农业、园林等灌溉用水需要。我国西北干旱区对地下水的开发利用规模越来越大，在“七五”期间为90亿m3/a，据1992年统计西北五省区(陕西、甘肃、宁夏、青海、新疆)年开采地下水量达146亿m。
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2 干旱、半干旱地区地下水成因的研究进展
人们对干旱、半干旱地区地下水补给的认识，从理论思维上走出了所谓地下水蓄积的凝结论和地下水成因的原生说这一误区。这方面的研究成果在哈萨克斯坦最为突出。本世纪以来的很长一段时期，凝结论和原生论是人们解释干旱沙漠区地下水成因的主要观点。凝结说基于干旱区降水量不多(80~250mm/a)，而蒸发量则达到1000m/a以上，从而认为全部大气水份都蒸发了，降水不可能参与补充地下水，在水份大量缺乏的干旱沙漠区不可能形成具有一定规模的地下水储量，只能形成小透镜体状的极其有限的地下水储量。某些学者用原生假说解释自流水的成因，在很长时期认为干旱沙漠区缺乏地下水淡水或仅有地下水盐水。如在A.A科济列夫和E.K捷尔列茨基的哈萨克斯坦的水文地质图，反映出哈萨克斯坦的大部分区域被评估为无水区或含盐水区，所查明的淡水储量每秒不过是数十升，很少数百升。近40a来，哈萨克斯坦水文地质工作者通过在沙漠区的深入研究查明干旱区半干旱区地下水的主要补给区和补给源大部分位于潮湿的山区，并揭示出自流水型和潜水型地下水迳流和水资源是由大气降水渗透而形成的。地下水形成及其资源聚集的主要条件是岩石圈中有渗透聚集层和储存层，在后两者存储聚集着从极其不同来源渗透的水份。地下水在数千年过程中聚集在有利的地质构造、建筑和广泛分布的中生—新生代含水层中，形成了山前、山间盆地和地台区的大、中、小型自流水盆地。哈萨克斯坦的研究工作从根本上改变了干旱、半干旱带地下水形成途径和规模的观点，并在哈萨克斯坦和境外的沙漠和半沙漠区发现了近70个自流水盆地，总面积达150万km，高质量地下水含量达8万亿m，每年的恢复量达450亿m。英国伯明翰大学著名的水文地质学家J.W.Lloyd教授，在对干旱地区地下水补给的各种要素进行大量研究分析的基础上，给出了干旱沙漠区地下水补给4种可能的方式：①来自降雨通过土壤剖面的直接补给；②来自迳流通过接和面间接补给；③通过迳流蓄水作用的间接补给；④在河流迳流和水淹期间通过水输送损耗的间接补给(即河床上水流总的消失量)。
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3 干旱区大型盆地的地下水研究所采用的两种模型
世界上大多数干旱地区下面，普遍分布着巨型的哈拉大沙漠盆地、澳大利亚盆地、塞纳—内盖夫盆地，我国的西北干旱区也存在着大型沉积盆地如鄂尔多斯盆地中的深部白垩系自流盆地、柴达木盆地、塔里木盆地和准噶尔盆地。干旱带沉积盆地中所蕴藏的地下水往往是这些贫水地区唯一可靠的水资源，因此近年来关于区域沉积盆地地下水问题是干旱带水文地
质研究热点问题之一。从近年来的研究结果看：水文地质学家对区域沉积盆地地下水(尤其是深部地下水)的认识主要有两种观点：一是认为存在着水力连续性，另一种则认为不存在水力连续性。两种认识的根本区别是前者以水力连续性为理论基础采用迳流模式；后者以水力不连续为基础，采用滞流模型(Stag-nant)。
加拿大艾伯塔研究委员会的J.Tóth教授是一位从事沉积盆地流体(包括古地下水)研究的一位资深而且很有影响的学者。在60年代他便发表了有关大型沉积盆地流体运移机制方面的文章，他关于水力连续性的观点被众多的学者所接受。他认为，区域水力连续性是岩体结构的表象特征，在特定的时间尺度，可测的时段里，如果盆地内任意一点的压力变化，能引起另一点的变化，那么可以认为地下岩体在这一时间尺度上具有水力连续性。他的主要研究结论可概括为以下几个方面：(1)可持续采水量最终取决于岩石的渗透系数和降水量，而与含水层的导水系数(T)和储水量系数(S)无关。(2)人类和自然对含水层施加的影响(如污染等)可以达到很深、很远的地方。(3)水力连续性不仅在局部含水层中存在，同样在大规模含水层中也存在。(4)水力连续性的概念是一个相对概念，主要取决于观测点与源点之间的距离和观测时间的长短。由于盆地距离大，盆地和孔隙压力随边界条件的变化而发生相应的调整，在时间上出现滞后现象，往往远远超出了人类相对较短的观测期，在此期间，有些岩石可被认为是不透水的，而从较长的观测尺度来看没有不透水的岩石。法国著名的水文地质学家P.J.Margat教授1992年11月在开罗提交的《萨哈拉和萨赫勒大型盆地含水层开发与研究计划考察报告》中，对大型盆地中的深层地下水的研究采用了水力连续性的迳流模型。他认为，尽管现时含水层恢复很微弱，但不是没有恢复。这些含水层不是静止的，只不过是水的运移速度极其缓慢，且不受气候波动的影响。尽管地下水取自不可恢复的储量，但与像石油那样的静止储量还是不一样。英国伯明翰大学资深的J.W.Lloyd教授在中东和北非的大型沉积盆地地下水研究中采用了水力连续性作为理论基础，通过对地质资料分析、含水层水力试验、勘探资料分析、同位素分析及水化学分析等各种综合信息的研究说明，砂岩含水层在其整个厚度上具有水力联系，现代补给很少，地下水运移速度极其缓慢，含水层目前属于疏干性开采。
C.B德米特罗夫斯基在对阿拉木图凹地中上新世沉积层地下水资源的研究中也是以水力连续性为基础的。研究表明，位于该断块凹地中的上新世含水层系统，与上覆第四纪含水层系统存在密切的水力联系，并根据水力试验，深钻地球物理资料，使用达西定律计算了渗透系数(1.4m/d)，导水系数(90~1400m2/d)和可采资源(9m3/s)。
1995年水文界最有权威的杂志Journal of Hy-drology连续刊载了以色列水文地质学家E.Mazor，V.Fridman，D.Gilad及合作者的研究成果。他们通过对澳大利亚自流盆地中的深部地下水、以色列内盖夫沙漠中的地下水以及以色列阿拉伯干裂谷中地下水的研究，提出了滞流(Stagnant)含水层模型，即地下水圈闭体的概念。有关滞流地下水圈闭体的普遍存在及其水文意义的讨论引起了水文地质界的广泛关注。E.Mazor认为，或许它可开辟一个新的经济领域，其潜在的经济价值可能比传统的承压含水层大。这是因为滞流含水层中的地下水是一种非再生资源，它与污染源隔绝开，可作为紧急时期的供水水源。另外解压的滞流含水系统可作为废料处置场所，以及回灌水、油或气体的地下储存空间，免遭无可控制的水力断裂的危险。滞流地下水圈闭体的特征可概括为：(1)地下水圈闭体是与任何积极补给隔绝，没有排泄通道的独立的地下水系。(2)地下水圈闭体可以产于地层的不同层位，其中的水处于承压状态，他们不存在水力梯度。对这类含水层研究应采用现象学方法，而不能采用迳流模型。(3)最适宜于形成滞流地下水的地质条件是沉积盆地和裂谷，其中由陆相沉积物所填充，岩相变化大，含水透镜体与不透水体交互出现。(4)在两个相邻井之间观测到的水特征存在显著差异(温度、测压水位、溶解离子或气体浓度、水年龄)，一般意味着可能存在彼此水力连系隔绝的不同滞流含水层。(5)同位素测定的地下水年龄大(一般为107~108a)，但在浅部
也有较年轻的地下水，如死海裂谷地区地下水同位素年龄为104a，在加利福尼亚圣华金谷地区具有5×105a的水。哈采瓦地区在50~250m浅部位置上遇见了年龄为1000~25000a的地下水，且是Cl-浓度很低的大气起源古地下水，而在拉蒙地区井深仅18~27m的地方观测到了年龄为1万多年的古地下水。(6)现代补给极其有限的干旱地区，常常分布有滞流含水层。含水层中的地下水形成于过去的潮湿气候。(7)滞流地下水圈闭体不仅存在于区域大型沉积盆地深层层序之中，形成于古老的地质时沉积盆地或裂谷地区的浅部层序中也存在，形成于较现代的地质时期。
4 环境同位素技术的应用
关于了解水分子同位素的研究首次是1953年报告的。真正把同位素方法用于水文学是1961年在维也那国际原子能署的一次专家小组讨论会上提出来的。
近年来，这一领域发展很快，利用同位素方法能够解决的水文地质课题愈来愈多。目前，欧美各国处于领先地位，前苏联和东欧国家也已达到一定水平，一些发展中国家如印度、埃及、泰国也开展了大量的研究工作。我国这方面的研究工作，始于1980年的太原西山裂隙岩溶地下水系统研究和山西娘子关泉储量估算，目前的研究工作也达到了一定水平。由于同位素方法能够解决的水文地质课题日益广泛，因此这一技术也被国内外水文地质学家广泛地应用于干旱、半干旱地区的水文地质研究之中。主要研究领域包括以下几方面：(1)利用环境同位素确定地下水的起源与形成条件；(2)测定地下水年龄；(3)利用放射性同位素示踪技术研究地下水运动以及水文地质作用的机理；(4)利用人工放射性同位素及人工放射源测定水文地质参数。
近年来国内外水文地质学家用同位素技术解决干旱、半干旱地区地下水，尤其是深部古地下水的成因和形成机制，识别古地下水的补给来源，描述地下水流动路径及其可能发生的入渗、混合以及水-岩相互作用等问题。利用D、T、14C、18O、36Cl等同位素来研究干旱区地下水成因及其运移机制的成果颇多。如M.Magar-tiz，R.Aravena等人根据同位素、化学分析等资料，对智利北部沙漠区塔马鲁加尔草原盆地中与区域地下水系统不相一致的地下淡水的来源作了研究，结果查明该淡水来自于安第斯山脉深部水流系统。该系统的水是沿分布在安第斯山脚和中央谷地沙漠带中的断层排泄出来的。其研究成果对智利在该区未来地下水的开发提供了依据。
近十年来，我国的王瑞久、李文鹏等人，以环境同位素方法与其它方法相配合，在西北地区对柴达木盆地、格尔木河流域、石羊河流域、吐鲁番盆地东部及塔克拉玛干沙漠地下水的形成作了研究，在出版的《中国西北典型干旱区地下水流系统》一书中依据环境同位素分析资料对不同地区、不同埋藏深度地下水的补给来源和形成条件作了详细论述。地下水年龄的测定有助于确定地下水的起源与形成。目前比较成熟的是14C、氚法和36Cl。用氚可以确定数年至50a的地下水年龄。根据地下水14C年龄等值线，可以确定区域地下水流向及补给区位置。如对著名的撒哈拉沙漠地区14C年龄研究表明，原来认为有来自遥远的中多雨山前的强大迳流补给，但14C测定的地下水年龄一般为几千年到3万a，且年龄未沿设想的地下迳流方向变化，证明除局部地区外，是没有现代补给的。用36Cl同位素测定地下水年龄在澳大利亚颇具特色。澳大利亚水文地质学家利用同位素36Cl测定了大自流盆地地下水可达1.6百万年，并确定了地下水运动方向和三大地下水系统。在墨索盆地西北运用稳定Cl及36Cl法研究了墨索组灰岩含水层的补给主要来自大气水入渗，揭示了不同区段地下水运动的差异，并修正了原先认为该区地下水主要受到东部河流补给的看法。
国外现正试图用85Kr、39Ar、32Si和10Be等方法来测定地下水年龄。印度地球物理所B.S.Sukhija，P.Nagabhushanam等人在1996年发表的《用示踪剂研究印度半干旱地下水
补给量——研究成果综述》一文中，报告了用氚注入法、环境氚法和钴注入法测量了印度干旱、半干旱地区的地下水天然直接补给量的研究成果，主要结论是：松散沉积物(包括拉贾斯坦邦的沙漠砂层和古吉拉特邦冲洪区)的补给量，是当地年平均降水量的3%~10%；而印度河—恒河平原冲积物的补给量是15%~20%。半固结沉积物，包括本地治里和内韦利邦的沿海含水层的补给量，是当地年平均降水量的15%~25%。邦内尼盆地、诺伊尔盆地、韦达沃蒂河盆地和奥罗伯莱流域的固接沉积岩和花岗岩、片麻岩杂岩的补给量是3%~9%，马哈拉斯特拉邦玄武岩地区的补给量为年平均降雨量的8%~15%。E.M.Adar等人1992年发表的《用环境示踪剂混合单元模型定量评价阿拉伯干河谷(以色列)南部的水流模式》一文报告了一种新颖的数学模型，该模型以环境示踪剂的空间分布为基础，定量计算各种水资源对以色列和约旦之间的阿拉伯干谷南部干旱冲积盆地的补给量。补给到阿拉伯干谷南部盆地的总量约为12.52×106m3/d，补给于洪积物含水层的主要来源是努比亚砂岩含水层，约占总补给量的65%~75%。最主要的淡水资源，只占补给量的19%~24%，它源自约旦山脉东部和冲积扇中。
5 干旱、半干旱地区地下水流系统的研究进展
自地下水流系统理论用于地下水问题研究以来，国内外水文地质学家在干旱、半干旱地区开展了大量的研究工作。如美国从1978年开始开展了称之为高平源区域含水层系统分析。Castany.G于1981年在Episodes第三卷报告了北撒哈拉(包括南阿尔及利亚夹层含水层地下水流系统的研究成果。在面积0.6×106km2范围内区分出两个地下水流系统。即西部大沙漠—塔德迈特地下水系统和东部大沙漠—廷格特—盐沼地下水系统。指出西部大沙漠—塔德迈特地下水系统由两个进水带组成，一是位于西北来自撒哈拉阿特拉斯山麓地区的迳流入渗(12m3/s)，另一个在中部来自西北大沙漠砂层潜水含水层的向下越流(3.55m3/s)。中部过渡带的北北东—南南西向以及南北向流动，表明向塔井迈特高原含水层露头区的西侧边界(1.8m3/s)和南侧边界(1.94m3/s)的出水带排泄。东部大沙漠—廷格特—盐沼地下水系统，主要出水带为阿尔及利亚和突尼斯大盐沼(浅层和微咸水带或咸水湖或沼泽)组成的大型蒸发蒸腾盆地(越流或泉0.3m3/s)和整个含水层的地下水潜流排入加贝斯湾(3.6m3/s)。进水带有南部的廷格特露头区(0.43m3/s)，东北部的达哈尔露头区以及来自东邻利比亚含水层的侧向补给(0.5m3/s)。过渡带的主要流向，在北部盐沼盆地为东西向，南部为南北向。在中心地带，埃及阿比奥隐伏断层使地层顶面产生越流，估计流量大约为0.55m3/s。
我国在干旱、半干旱地区地下水流系统的研究水平不亚于其它国家。自1985年以来，在柴达木盆地格尔木河流域、塔里木盆地、吐鲁番盆地及河西走廊等地，开展了大量的研究工作，并于1995年出版了《中国西北典型干旱区地下水系统》专著。
6 地下水数值模拟及管理模型研究
随着计算机工具和数学模拟方法广泛引入地下水资源计算与评价问题，国内外水文地质学者在干旱、半干旱地带地下水数值模拟和管理方面取得了很多进展。70年代初，联合国教科文组织在阿尔及利亚和突尼斯境内对撒哈拉沙漠北部大型含水层，应用数学模型模拟水动力条件的基础上，建立了地下水管理模型，当属干旱、半干旱地区在该方面的首批实验之一。
Abermebl建立的澳大利亚大自流盆地的数学模型——GABHYD，被澳大利亚官方政府所承认并加以引用，同时也被广大学者所引用。1978年美国地调局开展的称之为“高平原