❶ 黑河流域地质概况

（一）自然地理概况

黑河是我国西北地区较大的内陆河，地处河西走廊和祁连山中段，流经青海、甘肃、内蒙古三省（自治区）。地理位置位于东经97°37′～102°06′，北纬37°44′～42°40′，流域范围南以祁连山为界，北止居延海，与蒙古人民共和国接壤，东以大黄山与石羊河接壤，西与黑山、疏勒河为界。东西长400余千米，南北长800多千米，流域面积约13万平方千米。

黑河流域所处的战略位置十分重要，是古丝绸之路和今欧亚大陆桥的必经之地，在这里，有我国的卫星发射基地，有漫长的与蒙古国接壤的边界线。这里历史上曾繁华一时，沧桑巨变，黑水古国、楼兰古国消失了，变成了今天的戈壁沙滩，这一切都与水系相关。因此，建立黑河流域地下水三维地质结构模型，摸清其地质结构，对于流域内干旱区找水、流域内生态环境建设、经济和社会发展，都具有重要的意义。

1.气象

黑河流域地处欧亚大陆腹地，远离海洋，为典型的大陆性气候。在夏季，东南太平洋暖湿气流可途经我国大陆，翻越秦岭和黄土高原，影响本区；西南气流因受青藏高原影响，可把印度洋和孟加拉湾等南亚洋面的水汽带入区内的东部；西部大西洋和北部北冰洋气流，远途跋涉欧亚大陆，经中亚、黑海，翻越准格尔界山、天山，到本区西部已是尾翼，变得水汽缺少、空气干燥，影响较弱。在冬季，本区受蒙古、西伯利亚高压控制，显得格外寒冷和干燥。总体来说，本区南部山区降水量最大，中部与北部平原区降水量最少，东部比西部降水量大；蒸发量则相反，北、西部蒸发量大，东、南部蒸发量小。

据1957—1983年的气象资料统计，区内多年平均降水量为42mm，年内降水量60%～70%集中在7～9月，一次降水量在10mm以上者甚少；年平均蒸发度为3755mm，是降水量的89倍左右，蒸发最强烈的季节出现在5～8月，约占全年蒸发量的50%左右。降水和蒸发随地势的升降而变化，一般地势越高降水量越大，蒸发量越小，地面标高每增加1000m降水量增加3.5～4.8mm，蒸发量减少25～32mm；多年平均气温8.04℃，最高为41.8℃，最低为-36.4℃，日温差一般为14～17℃，最高达34.2℃；年日照时数3325.6～3432.4t；年均绝对湿度4.2mb，相对湿度32%～35%，湿润系数低于0.009%～0.012%，盛行西北风，年均风速4.2m/s，最大风速15.0m/s，8级和8级以上的大风日数年均54天，沙尘暴日数年均29天，大风多在春季和夏初。

2.水文

流域内的主要河流为黑河，又称弱水（或称额济纳河），发源于祁连山北麓，分东西两支，东支称黑河，为干流；西支称北大河，汇流于鼎新南，经双城子流入额济纳旗境内，至狼心山西麓的巴彦博古都分为东、西两河。东河向北分8个支流呈扇形汇入东居延海（索果淖尔），西河向北分4个支流汇入西居延海（嘎顺淖尔）。河流全长821km，流域面积1.28万km2。出山口莺落峡以上为上游，河长303km，流域面积1.0万km2；莺落峡至正义峡为中游；正义峡以下为下游。

流域内天然湖泊很少，只在黑河干流的尾闾有东居延海（索果淖尔）和西居延海（嘎顺淖尔），由地表水和地下水补给，系淡水湖。历史上西居延海湖水面积350km2；1961年干涸，东居延海1958年湖水面积35.5km2，现有水面20多平方千米，平均水深1m，蓄水量约2000万m3。

流域内的大小冰川428条，分布在河流源头，覆盖面积129.79km2，估计冰储量3.3km3左右，年补给河流的冰川融水量约3.65亿m3，占流域地表径流量的9.8%。

（二）区域地形地貌

黑河流域内地势南高北低，西高东低。南部祁连山脉海拔高，山峰高程大多在3000～5000m之间，最高峰为5564m；中部海拔多为1500～2500m，以青龙山海拔为最高，达3600m；北部海拔多在1000～1500m左右，高程变化相对平缓一些。

黑河流域南部为祁连山山脉，山势高耸陡峻，沟谷切割剧烈，峭壁横生，主要是水流刻蚀及冰川剥蚀景观。流域中部多为低山地形，有合黎山、龙首山等山脉，现代地貌景观虽与高山区大体相似，但受干燥气候影响，风化地形较为发育，部分区域半荒漠、荒漠化景观较为明显。北部平原处于黑河下游冲洪积平原，地势较低，相对高程较小，由于受近代强烈的风力及剥蚀作用，在平原上形成了广大的沙漠、风蚀洼地、堆积地形、丘陵及波状准平原地貌特征，同时，北部山体山势大多宽广低矮，山顶平缓，沟谷不发育。

区域内地貌形态比较丰富，依据地貌的基本成因及形态，可将本区地貌划分为山地、平原、戈壁、沙漠几种类型，对每种类型可分为若干亚类型。如山地有褶皱断块高山、褶皱断块中山、构造剥蚀低山丘陵、剥蚀堆积垄岗状丘陵。平原有陡倾斜的洪积扇形平原、洪积平原、冲积-洪积平原、冲积平原。归纳起来，主要有以下类型地貌单元：构造剥蚀地形、主要是一些褶皱状的高中低山及丘陵地带；剥蚀堆积地形，主要是一些山间平原、沟谷平原；堆积、冲洪积、湖积平原及风积地形；戈壁；沙漠。

（三）区域地质构造

1.构造概况

区域内构造复杂，包括了较多地质单元。各构造单元的边缘，基本都有大的断裂所控制，如在祁连山山麓，有一系列逆冲断层组成叠瓦式断裂，控制着盆地的水文地质条件。另外，还有许多隆起带和凹陷带的分布，与断裂一起，把流域平原切割为几个大的盆地。

构造运动表现为在南部山地上升，走廊盆地相对下降，为第四系沉积提供了良好的场所。如酒泉东盆地和张掖盆地。中部山地和北部山地相对稳定，上升幅度小，盆地的第四系松散层沉积物主要来自南盆地，因此厚度较薄，沉积颗粒较细。

在流域内第四纪地层出露较为齐全，而各盆地的基底可分为下古生界以前的变质岩和火成岩组，侏罗系至上古生界碎屑岩组，第三系、白垩系以泥岩为主的细粒岩组。还有部分的Q1岩组。

2.构造运动

区域内构造运动主要表现在以下方面：

升降运动：主要表现为山地一直处于上升状态，盆地则处于下沉过程中，如南北山体的处于上升运动，平原区则处于沉降运动过程。山地以祁连山、大黄山上升为剧，盆地以大马营、永昌盆地沉降幅度最大。

褶曲变动：在第三系下及第四系下、中更新统广泛形成褶曲构造，证实了第四系早期新构造运动是十分强烈的。

断裂运动：区域内断裂构造屡见不鲜，有的出露于地表，有的隐伏于地下，这些构造多见于山麓地带，丘陵区和平原区，断层线长度从几千米到数十千米的均有。性质上多属压性或压扭性逆断层、平推断层。出露地表的断层比较明显，一般有断层构造破碎带存在。隐伏断层多分布于山麓地带及平原区，如祁连山北麓大断层等。这些断层对盆地地下水的形成和运移起着不同程度的控制作用，可以作为盆地的分界线。

地震作用：据史料记载，区域内地震活动频繁，有的地震震级高，破坏性严重，这也是现代地壳运动活跃的反映，是新构造运动的又一佐证。

（四）区域地层

流域内的出露地层较为齐全，新老地层都有出现，在山区古生、中生界较多一些，如奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系都在建模剖面上有所展现。本次建模主要涉及平原区的盆地，在山区由于勘探资料少，在此不予考虑。

在地层中还有许多侵入岩存在，如花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩及超基性岩，它们岩枝或岩脉的形式侵入到不同时代的地层中。在盆地第四系中也时有出现。

区域内各个盆地广泛发育着第四系，这也是我们建模的主要对象。下面具体就各个时代不同成因类型的第四系进行说明。

全新统（Qh）：此地层广泛分布于区域内地表，但沉积厚度较薄，成因类型比较复杂，有洪积、冲积、淤积、湖积、风积类型。洪积代表岩性有砂碎石层，含泥质成分较高，碎石分选性差。冲积分布于冲积平原沟谷古河道地带，以砂、砂砾石居多，砂砾分选及磨圆性均好，砂以细砂和中细砂为主，水平层理发育，松散，局部夹薄层粘土。淤积分布于剥蚀洼地，为现代沟谷洪水携带物质最终沉积的场所，以粘土亚粘土为主，夹粉细砂。湖积主要分布于湖盆地带，岩性为粘土夹薄砂层。风积主要在沙丘形式出现，岩性以粉细砂为主。冲积、湖积和湖沼沉积分布于黑河流域中下游河床两侧与河流的古河道内，分布范围较为狭长。

上更新统（Q3）：分布广大平原上。上更新统一般以含砾砂和砂为主。洪积类型成因的地层分布于山前倾斜平原，以砂砾石层为主，成分因地而异。洪积扇岩性以砾卵石为主，细土平原由亚砂土、砂和亚粘土组成，厚度数十米至百余米。

中更新统（Q2）：岩性主要为砾卵石、亚粘土、亚砂土、粘土与砂互层，上层多被上更新统砂砾石层覆盖，由于强烈的剥蚀作用，在洼地的周边可见露头，以灰黄色粘土夹薄层粉细砂为主。中更新统的堆积物是在继承了下更新统的沉积环境上接受沉积的，故岩性及厚度在纵横方向的变化规律与下更新统是基本一致的。

下更新统（Q1）：在流域平原内分布较广，岩性主要由粘土夹砂土组成，沉积厚度与岩性变化较大。局部为厚层状砾岩、砂砾岩夹砂岩，泥钙质胶结，在南盆地的北部和北盆地中，形成以泥岩为主的第四系松散层的基底。

（五）区域水文地质条件

由于第四系沉积物岩相的差异和地下水补给和排泄条件的不同，并且受基底起伏形态的变化影响，区域内水文地质条件有明显的差别。

祁连山前的盆地第四系松散层厚度大，疏松多孔，是赋存地下水的有利场所，潜水水位埋深较大，一般为100～300m。由南向北，至中部地带，基底抬升，地下水水位埋深变浅，许多地方地下水甚至以泉的形式溢出地表。在北部盆地，主要为细土平原带，地下水类型为多层结构的潜水-承压水结构。

断层对地下水水位的影响很大，往往伴随着地下水的跌水和溢出现象的发生。断层两侧水位埋深相差很大。

❷ 黑河下游水环境

黑河下游地区包括金塔盆地、鼎新盆地及额济纳盆地，横跨甘肃省和内蒙古自治区，东邻巴丹吉林大沙漠，西靠天山东部余脉马鬃山，北与蒙古国接壤，南与合黎山相连，深居内陆，戈壁沙漠广布，降水稀少，海拔980～1200m，是我国降雨最少、极干旱地区之一。区内绿洲面积较小，仅分布在黑河沿岸、额济纳旗和古日乃，其余大部分地区均为戈壁荒漠，生态环境十分恶劣。近几十年来，由于黑河进入下游地区的水量减少，水环境恶化，使草场荒漠化面积增大，天然胡杨、红柳大片死亡，林地面积减少，严重威胁着绿洲农牧民的生存。

（一）气候

黑河下游地区深居内陆，属大陆性气候极干旱区，冬季干冷而漫长，夏、秋酷热而短暂，日温差大，蒸发强烈，降雨稀少，风大沙多，日照时间长。大部分地区年降水量不足60mm，年降水量自南向北逐渐递减，南部金塔、鼎新降水量为60～80mm，到北部的额济纳旗年降水量只有7～64mm。据额济纳旗气象站1957～1995年资料统计，多年平均降水量仅为40.76mm，年平均蒸发强度3755mm，干燥指数为82，多年平均气温为8.04℃，最高气温43.1℃，最低气温-37.6℃，12月至2月平均气温为-10.3℃，年日照为3325.6～3432.4h，相对湿度32%～35%，年平均风速4.2m/s，最大风速15.0m/s，8级以上大风日数平均54天，沙暴日数平均为29天。

（二）地表水

下游地区仅有北大河、黑河两条河流。北大河自佳山峡进入金塔盆地后，向东在鼎新汇入黑河，由于位于佳山峡口的鸳鸯池水库将水蓄积用于金塔地区的灌溉，现已基本无水流入黑河。黑河穿过正义峡，流入下游地区，向北经鼎新，进入内蒙境内额济纳旗后称为额济纳河，在狼心山北分为东西两支，分别称为东河及西河，东河在昂次河水闸以下分成8条支流汇入东居延海（索果淖尔）；西河最终汇入西居延海（嘎顺淖尔），自1961年以来，基本处于长期干涸状态，只有在特大洪水时才有短暂水流。境内黑河流长约375km。东居延海（索果淖尔）和西居延海（嘎顺淖尔）是现代黑河的尾闾湖。

图9-1 莺落峡、正义峡、狼心山水文站的多年年径流量统计曲线

表9-4 黑河下游各时段水文站径流量表（108 m3/a）

黑河自正义峡流出的水量是区内水资源的惟一来源，黑河流入下游地区水资源水量的多寡，取决于黑河向下游的泄水量。从水利部门资料绘制出的莺落峡、正义峡、狼心山水文站的多年年径流量统计曲线（图9-1）可以看出：自1955年至今，莺落峡年径流量具周期性波动特征，趋势线呈微有上翘的水平状直线，表明年径流量基本稳定；由于中游地区用水量逐年增加，正义峡的年径流量曲线则呈现明显的下降趋势；狼心山水文站自1988年建站以来，年径流量一直呈现下降趋势。从表9-4和表9-5可知，自1949年至2001年，50多年来，正义峡流入下游地区的年径流不断减少，从13.19×108m3/a降低到6.91×108m3/a，减少了48%；而狼心山的年径流量也从20世纪50～60年代的5.46×108m3/a下降到3.46×108m3/a，减少了2×108m3/a。总的来看，近50年来，黑河下游地区地表水的入境量逐年减少。

表9-5 黑河下游年径流量（108 m3/a）

（三）地下水

黑河下游地区地下水系统由盆地周边山区基岩裂隙含水系统和盆地内的第四系松散孔隙含水系统组成。周边山区基岩裂隙含水系统分为三部分：①盆地的东北低山丘陵裂隙含水系统，为花岗岩岩体和玄武岩裂隙含水系统，补给条件不好，富水性很差，单井涌水量小于10 m3/d；②西部马鬃山区裂隙含水系统，基岩主要是古生代的变质岩，地下水主要赋存在北东向和北西向构造裂隙网络中，富水性很差，单井涌水量小于10m3/d，而在震旦系结晶灰岩地层中，富水性要好一些，单井涌水量为10～100 m3/d；③南部合黎山等走廊北山基岩山区，含水系统由发育在侏罗系、白垩系砂泥岩、花岗岩中东西向和北东向构造裂隙组成的裂隙网络构成，其富水性很差，单井涌水量小于10 m3/d。总的来说，由于降水稀少，补给不足，盆地周边山区的裂隙含水系统富水性很差，矿化度较高，一般大于3g/L，而盆地内第四系松散孔隙含水系统是区内最重要的含水系统。

1.含水系统的形成

黑河下游地区包括鼎新和额济纳旗盆地。盆地中的含水系统主要由第四系松散沉积物组成，其形成具明显的阶段性，沉积厚度受基底构造控制。

下更新世（Q1）黑河业已形成，黑河自正义峡流出，经地湾东墚（马哨营）东，流向黑城和古日乃地区。主要的沉积区位于地湾东墚—青山头—木吉湖基底隆起以东，含水层厚度大于50m，沉积中心有两个：一个位于正义峡出口—芨芨墩庙一线，含水层厚度为80m左右，岩性为砾卵石层；另一个位于魏加杆—梭梭头一带，含水层厚度为80m左右，岩性为砂砾石层。在地湾东墚—青山头—木吉湖基底隆起以西，含水层厚度较薄，大部分地区厚度仅有20m左右，盆地边缘部分为洪积砾石层，中部和北部多为粘土和亚粘土。见图版1。

中更新世（Q2）时期，金塔盆地形成，与鼎新盆地连成一体，北大河自金塔盆地流出，在鼎新附近与黑河汇合后，分别从地湾东墚东西两侧向北径流。这一时期，气候湿润，水量充沛，盆地以沉降为主，沉积范围扩大，在地湾东墚—青山头—木吉湖基底隆起东西两侧形成三个沉积中心：第一个位于正义峡出口—鼎新一带，沉积厚度80m，岩性为砾卵石层；第二个位于魏加杆—三十八号一带，岩性为砂砾石层，沉积厚度为80m；第三个位于长征站—赛汗桃来镇（建国营）南一带，岩性为砂砾石和中粗砂层，沉积厚度为80m。见图版1。

晚更新世—全新世（Q3—Q4），气候变得干旱，黑河、北大河水量减少，盆地抬升，沉积范围明显萎缩，沉积主要集中在魏加杆—三十八号一带以及黑河下游的东、西两河沿岸，沉积中心沉积厚度为20m左右，以砂砾石和中粗砂沉积为主。见图版2。

2.含水系统的结构

受区域地质构造、地貌基本格架控制，下游地区由金塔、鼎新和额济纳三个盆地组成。金塔盆地形成于中更新世，为一断陷盆地，近东西走向，黑山（金塔南山）、马鬃山的山前断层分别控制盆地的南、北边界。盆地内沉积物为Q2—Q3冲洪积相砂砾石层，厚约50～120m，由南向北颗粒逐渐变细，南部为卵砾石，向北渐变为砂砾石层，亚沙土、亚粘土夹层增加，地下水类型由潜水变为承压水。东部与鼎新盆地含水系统相连。

鼎新盆地为一北东走向狭长形断陷盆地，含水层为Q1—Q3冲洪积相卵砾石层，厚101～163m。南部，合黎山将鼎新盆地与张掖盆地分隔开，两者间水力联系微弱；北部，白墩东墚隆起是鼎新盆地与额济纳盆地的分界，地湾东墚北缘-咸水井断裂为一活动断裂，挽近活动强烈，使地湾东墚隆起，Q1砂卵砾石出露，南侧鼎新盆地地下水埋深较浅为3～9m，而北侧额济纳盆地地下水埋藏较深为39m，鼎新盆地的地下径流以地下跌水的形式进入额济纳盆地。盆地东、西两侧分别为合黎山及马鬃山山前断裂控制，山前断裂为数条近于平行断裂构成的断裂带，呈断阶状，使得盆地边缘地带含水层厚度变化剧烈。

额济纳盆地为中新生代断陷盆地，北、西两侧，边界受山前断裂控制，含水层与山体基岩面接触；东侧，为巴丹吉林沙漠下部一近南北走向的隐伏断层所限；南部，以地湾东墚北—扎哈拉马嘎近东西向断裂为界，断裂南是巴丹吉林大沙漠的西南缘。盆地内部基底以侏罗系为主。盆地内沉积了数百米厚的第四系松散沉积物，盆地中部狼心山—木吉湖北东向隆起带控制了区内含水系统的分布和岩相特征，将盆地分成互相连通的两部分：北西侧为赛汗桃来—达来呼布沉降区，长征站—赛汗桃来—额济纳旗一带第四系厚度达200m，赛汗桃来沉降中心厚度为323m，含水层厚度为120m；南东侧为魏家杆-三十八号-古日乃沉降区，第四系沉积厚度大于150m，三十八号-苏厂图乌苏沉降中心厚度达320m，含水层厚度200～300m，以砂砾石为主，见图版2、图版3。

黑河下游地区的含水系统由潜水和承压含水系统组成，在图版3中，以长征站—木吉湖—梭梭头弧形线为分界，线南，潜水含水系统广为分布，含水层具单层结构，岩性以卵砾石层为主；线北，含水系统具双层结构，上部为潜水，含水层以砂砾石为主，下部为承压含水系统，顶板埋深20～50m，含水层以中粗砂为主，由南向北，亚粘土、亚沙土夹层增加，含水层厚度减小，到盆地北部边缘含水层厚度不足30m。

黑河下游地区在Q1—Q2时期，沉积了巨厚冲洪积相—冲湖积相砾卵石层及中细砂，形成芨芨墩庙—双城、魏家杆—梭梭头—三十八号、长征站—赛汗桃来三个面积很大的沉积中心，构成三个储量可观的地下水富集地段。初步估算，仅含水层厚度大于80m范围内的地下水储存量就十分可观，合计达到1546.31×108m3，其中以魏家杆—梭梭头—三十八号地区的地下水富集地段赋存水量最大，为1114.98×108m3。见表9-6。整个下游地区面积巨大，总的地下水储存量近3000×108m3，具有很强的调节功能，虽然自20世纪60年代以来黑河流入下游地区的水量不断减少，而额济纳旗绿洲地下水位仅下降了1～3m。

表9-6 地下水储存量计算表

3.地下水的补给、径流与排泄

黑河下游气候极度干旱区，年平均降水量为37～80mm，大气降水对地下水系统的补给作用十分微弱，地下水的补给几乎全部来自黑河河床的渗漏。自正义峡到居延海，河床结构由卵、砾石逐渐变为中细砂，河床渗漏量大，多年平均渗漏量为7.056×108m3。河床渗漏量与过水流量有关，1989年，正义峡年径流量为15.74×108m3，下游河床渗漏量为9.06×108m3；1992年，正义峡年径流量为5.470×108m3，下游河床渗漏量为4.915×108m3，只有很少的水能进入东居延海。

黑河现代河床基本是Q1—Q2时期黑河古河道的延续，古河道主流线附近导水性好，渗透性能好的古河道体系构成含水系统内部高透水网络，渗漏的水进入含水系统后，大体沿Q1—Q2时期形成的古河道主流线网络径流。各河段渗漏水进入地下系统后的径流、排泄路径见表9-7。

表9-7 黑河不同河段多年平均渗漏量及其径流、排泄路径

正义峡—长征站河段位于潜水分布区，河床渗漏水先转化为潜水，径流到长征站、木吉湖、梭梭头一线进入承压区后，一部分转化为承压水。长征站以下河段位于承压水分布区，渗漏水进入上部的潜水含水层，沿Q3—Q4时期的古河道径流，流经额济纳旗绿洲，最后在居延海蒸发排泄。区内地下水开采水平很低，仅在鼎新和湖西新村及额济纳旗有少量开采，年取水量约0.4×108m3，地下水流场基本处于天然状态。

总的来说，黑河河床的渗漏是地下水最主要的补给来源，渗漏水进入地下水系统后，流经三个地下水富集地段，分别排泄于古日乃及居延海洼地，维系着十分脆弱的绿洲草场生态。黑河下游地区地下水含水系统储存空间大，总地下水储存量近3000×108m3，其中的一半储存在芨芨墩庙—双城、魏家杆—梭梭头—三十八号、长征站—赛汗桃来三个地下水富集地段。由于径流条件较好，大部分地区矿化度小于1g/L，水质较好。只有位于排泄区的古日乃、居延海地区的小盐湖附近上部潜水矿化度较高，多为微咸水或咸水。如能合理调配利用地下水库中的储存资源，对改善极度干旱的黑河下游地区生态和经济发展将会起到积极作用。