天山北麓前山带对地表水影响分析

天山北麓前山带对地表水影响分析

1前山带对平原区水文过程的影响利用遥感和计算机科学技术研究山地和平原之间的相互作用取得了许多成果。山地是平原区的水塔,它为平原区提供了大量赖以生存的物质,包括水、土壤有机质等。BurnsSF等研究了阿尔卑斯山与美国科罗拉多州山前带对周围生态环境的影响。MerzbacherG研究了中段天山前山带的大致情况,冯起和海米提等研究了干旱区河流地貌与水资源利用对径流的影响,中国科学院新疆综合考察队在60～70年代从地质构造角度论述了前山带的规模和分布,伍光和等研究了干旱区地域系统之间(特别是前山带与周围环境)的相互关系,汤奇成等人认为前山带阻隔了山区地下水流程,增大了河川径流流量,至于前山带对平原区水文过程的影响并未进行定量和系统的研究。山前带(或山麓带,英文为Piedmonts或Frontrange)通常是泛指主体山脉之前的山麓地带,包括低山区与山前冲洪积扇。与主体山脉(习惯上称为后山)相比,把垂直带谱中位于主体山脉之前的低山区称为前山带(或低山带,英文为Foothillbelts)。一般由一排或几排褶皱构造带和相间的山间洼地组成,是高山与平原之间的过渡带。天山北麓前山带由三排褶皱构造带和相间洼地组成,海拔高度介于1700m～800m之间,形成于新构造运动时期褶皱运动,一般由新生代第三纪地层E、N2组成,呈东西向展布于天山主体山脉之前。图1为天山北麓前山带与河流分布图,可以看出,天山北麓的河流(如四棵树河、奎屯河、玛纳斯河、呼图壁河等)均发源于天山高山冰川,这些河流沿着山脉的坡向分割,并切穿低矮的前山带。本文在总结前人研究前山带的基础上,结合2000年8～9月对天山北麓各景观带谱进行的详细野外实地考察,以及对前山带地质、地貌、土壤、植被等特征的测量数据,并利用遥感影像、地形图和地质图、土地利用图以及1947～1989年水文资料,用地理信息系统与遥感技术,系统地分析了天山北麓前山带对平原区水文过程的影响。这些研究可为山地与平原、高地与低地之间相互作用提供重要依据,对于土地利用、土地覆被变化研究以及水资源可持续利用具有重要意义。2地下水补径排与水资源供给侧关系前山带由第三纪地层组成,质地坚硬致密,持水性与渗透性能都比较差,河流被前山带阻隔后,沿当地分水岭向两边的低洼地带流去,并截穿前山带流向山前倾斜平原,同样,浅层地下水也受到前山带阻隔后向低洼地带汇集,并以泉水的形式出露于地表补给河流。河流从中高山区带来的大量物质都堆积在山间盆地内,山间盆地中有很多放射状的冲沟分布,它们展示了地表水特别是季节性河流在前山带背斜构造的阻隔下的流动方式(图2),分析表明,前山带对平原区水文过程的影响主要表现在以下四个方面:(1)河流流量增加:前山带阻隔了浅层地下水的流动使它在临近前山带缺口处转化为地表水。以玛纳斯河为例(图2),宽阔的山间盆地为水质优良且动储量丰富的地下水汇集地,流经这些盆地的河流的上游山区部分,地表水大量渗入地下成为地下径流,在中游临近前山带的缺口处,地下水重新排入河床补给河流。玛纳斯河从大山口上游肯斯瓦特站至前山带出口红山嘴站河段地下水补给河水平均达5m3/s,河流径流量增加1×108m3。利用玛纳斯河(流量大,有前山带分布)、头屯河(流量小,有前山带分布)与四棵树河(流量小,无前山带分布)多年水文数据,根据流量过程退水曲线法分析得出,有前山带分布的玛纳斯河、头屯河地下水补给所占比例大,而无前山带分布的四棵树河地下水补给所占比例要小10%左右(表1)。表1说明,地下水在河川径流流量中所占比例,是枯水年>平水年>丰水年,说明有前山带分布的区域,河流年际变化不是很大,这有利于水资源的可持续利用与绿洲的稳定发展。地下水在前山带的阻隔作用下转化为地表水,其数量的多少受前山带带宽、坡度、土壤或岩石的透水性等因素的影响。由于该区地形比较复杂,土壤和岩石透水性性能暂无法得到准确的数据,坡度对于地下水转化为地表水的影响有待进一步研究。因此,在只考虑前山带带宽的情况下,借鉴草原和森林草原区域河流径流状况分析,根据表1,得出前山带带宽与地下水占径流量百分比的关系如下:y=log2(x+0.031)+42(1)式中:y为地下水占径流量百分比(%),x为测站上游前山带带宽(km)。可以看出,前山带越宽,地下水占河流径流量的百分比越大,前山带的存在相当于扩大了河流的集水面积,对地下水的阻隔作用是相当明显的。(2)由于地下水所占比重大,河流流量比较稳定,年内、年际变化比较均匀,有利于绿洲的稳定发展。这种现象在河流的平、枯水期尤为显著,由于动储量丰富,排泄的地下水量也大,就使河流保持一定的基流量,这是有前山带分布区域河流在平枯水期仍保持相当水量的原因,也为绿洲开发所需水量提供了可靠的保证(如玛纳斯河)。相反,缺乏这种地下水盆地调节的河流,其径流天然调节能力较低(如四棵树河、固尔图河、精河等),在温暖季节过后,冰雪融水和雨水很快消逝,河水流量锐减。水是干旱区绿洲发展的命脉,水资源的多少、分布状况等直接关系到绿洲的可持续发展,同时水对生态环境具有极其重要的作用。从以上分析可知,前山带通过对河川径流的补给和调控作用,间接影响了绿洲的发展。野外考察和影像分析结果表明,有前山带分布的区域(如玛纳斯、呼图壁、阜康等地),河流年内、年际流量变化比较稳定,有利于绿洲的可持续发展,绿洲面积相对要大一些。相反,无前山带分布的区域(如奎屯以西),主体山脉之前分布着大片戈壁,由于地下水只有少量在山前转化为地表水,故河流年内、年际变化比较大,河流的年调节能力比较差,用水的保证程度较低,阻碍了绿洲的发展;同时由于山前大片的戈壁很难被开发利用,所以绿洲规模要小得多,这不利于绿洲的可持续发展。根据1999年TM影像,得出前山带分布最宽的玛纳斯河流域的绿洲面积约为7539km2,前山带规模相对较小的奎屯河流域,绿洲面积约为3761km2,无前山带分布的四棵树河流域,绿洲面积仅为134km2。(3)前山带的存在可以阻挡因暴雨而产生的来自山区的大量洪水或泥石流的侵袭。哈萨克斯坦原首都阿拉木图经常遭受洪水和泥石流的袭击,故当地人们在无前山带的山前或河流出山口用钢筋筑起一道屏障,阻挡来自山区的洪水或泥石流。比较玛纳斯河红山嘴站与四棵树河吉勒德站1957～1980年径流量与输沙量(表2),可以看出,玛纳斯河年径流量是四棵树河的4.3倍,但年平均输沙量只有2.5倍,分析表明,玛纳斯河山区洪水在前山带的阻隔作用下,部分泥沙沉积在山间盆地中;而无前山带分布的四棵树河,河流中大量泥沙都被输送到河流中下游,对绿洲构成很大的威胁。(4)前山带对山前倾斜平原区潜水溢出带分布与溢出量大小有直接的影响。冲积洪积扇尾端潜水溢出带形成的基本条件,一是岩性结构在冲积扇外缘显著地由粗粒变为细粒,岩石透水性能减弱,致使潜水位增高,另一个是冲积扇表面坡度在冲积扇外缘部分由陡到缓的突然转折,造成地下水面与地面相交,形成潜水流溢出地表,或者在地下水面与地面接近的情况下,有河谷和冲沟切割,汇集含水层中地下水,致使潜水流溢出。前山带阻隔了山区的浅层地下水和地表水,使河流在出山口处流量大增,形成了宽广的冲洪积扇,一般由第四纪沉积物组成。山前冲洪积扇是潜水最丰富的地带,含水层岩性为砾石、卵石和砂子。山前扇形上部含水层多为颗粒较粗的砾石、卵石,其间充填砂粒,其持水性和透水性都比较好,越往盆地内部颗粒越细,一般由细砂和粘土组成,透水性也越来越差,大量地下水水流在该带受阻后,以泉水形式出露于地表,以玛纳斯河冲积扇为例,泉水溢出总量达4×108m3/a,占玛纳斯河年经流量的1/4。1950年代以来,大量平原水库就是利用溢出带上的潜水修建的(图3)。前山带分布规模不同,导致山前倾斜平原区潜水埋藏深度在纵向上有明显不同,靠近前山带地段的扇形上部,埋藏深度大于30m;中部为30～5m;下部小于5m。同时也造成潜水埋藏深度在横向上的变化,图3表明,从东到西,无前山带分布的乌鲁木齐地区,由于天山山体本身相对平缓,山前倾斜平原带很宽,河流出山口后,可以自由地渗入地下,故潜水埋深较浅,埋深等值线凹向山区,同样潜水溢出带也凹向山区,带宽约20km左右,此处潜水溢出量比较小;从乌鲁木齐向西到沙湾之间,前山带越来越宽,山前冲洪积扇坡度相对变陡,同时由于玛纳斯河、呼图壁河等流量较大,大量河水出山口后转为地下水,故潜水溢出带凸向盆地内部,潜水溢出量较大;沙湾附近冲洪积扇外缘,尽管前山带很宽,但由于该地带分布着较致密的地层,河流流量都较小,故潜水埋深等值线凹向山区,潜水溢出带也凹向山区,溢出量也比较小;沙湾以西,前山带变窄,但由于奎屯河河水的补给,潜水埋深等值线与溢出带都凸向盆地内部,潜水溢出量相对变大。3前山带的保护作用由上面分析可知,前山带通过影响河川径流来影响土地利用方式,图2中斑块状地块就是人类开发山地草原使之变为绿洲的过程。同时,前山带对周围生态环境具有重要的保护作用,它可以减缓盆地内部的干热气流直接进入山地,同时也可阻止山区的寒冷空气直接进入平原。冬季森林带出现的逆温层现象可能也是前山带的保护作用。比较天山8个典型剖面得出,有前山带分布区域的各景观带谱都明显比无前山带分布的区域平均低100～200m,表明前山带对周围生态环境具有重要的保护作用。4前山带河流径流的影响前山带是位于主体山脉与平原区之间过渡地带,它的存在对平原区水文过程具有重要的影响。它使山区浅层地下水转变为地表水从而增大了河川径流流量;增大了河流的年调节能力,使绿洲稳定地发展;可以阻止山区洪水和泥石流对平原区的侵袭;对平原区潜水埋藏深度、潜水溢出带分布具有重要影响,从而影响到土地利用变化和水资源的可持续利用,对周