4. 4. 1 河流入渗规律
黑河干流河水入渗发生在中游的莺落峡—黑河大桥河段及下游的正义峡以下河段，各河段的河水入渗规律有较大的不同，现给予分别叙述。
4. 4. 1. 1 中游莺落峡—黑河大桥河段
黑河大桥位于莺落峡水文站之北 33. 3km 处的河道上，它是黑河河水由入渗补给地下水变为排泄地下水的补排关系转换地。依据 1967 年和 1985 年甘肃第二水文队在该段河道上的测流资料( 表 4. 10) ，河流单位长度入渗率 y ( % /km) 与河流 ( 来水) 量 x ( m3/ s) 呈 幂 函 数统计 关系( 图 4. 17) :
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
样本数 n=7，拟合相对误差 δ=13. 65%～36. 16%，平均 δ=25. 46%，复相关系数 R=0. 95，统计量 F=44?16. 3=F0. 01，属于在 α= 0. 01 水平上高度显著。
在该段河道莺落峡水文站之北 8. 3km 处于 20 世纪 90 年代初建有草滩庄水利枢纽工程，由于枢纽上游东、西总干等干渠引水及泄洪闸启闭的影响，使年内各月的草滩庄下泄水量变化很大。草滩庄之下 25km 河道可使 4. 86m3/ s 的下泄量全部渗失，所以将上式用于草滩庄到大桥段河水入渗量计算仅适用于草滩庄下泄量大于 4. 86m3/ s 的情况。
4. 4. 1. 2 下游正义峡—狼心山河段
( 1) 年径流损失率与径流量关系
正义峡到狼心山之间距离164km。根据水文站资料 ( 表4. 11) ，正义峡—狼心山间年径流损失率 y ( %) 与正义峡年径流量 x ( 108m3/ a) 呈线性函数统计关系 ( 图 4. 18) :
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
样本数 n=14，拟合相对误差 δ = 0. 07% ～23. 25%，平均 δ = 6. 44%，相关系数 R = 0. 84，F =28. 44?9. 33 = R0. 01，属于在 α= 0. 01 水平上高度显著。
表 4. 10 黑河中游莺落峡—大桥段河流单长入渗率数据表
注: 本表数据来源于甘肃省地矿局第二水文队 1967 年和 1985 年测流资料。
图 4. 17 莺落峡—大桥河水单长入渗率与河流量关系曲线
( 2) 月平均河流损失量与河流量关系
根据 1988～2002 年月平均河流量资料，正义峡—狼心山间河流月平均损失量 y ( m3/ s) 与正义峡月平均河流量 x ( m3/ s) 呈过坐标原点的线性函数统计关系 ( 图 4. 19) :
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
样本数 n=168，拟合相对误差平均 δ=58. 8%，相关系数 R=0. 71。
正义峡—狼心山间河流月平均损失量 y 与正义峡月平均河流量 x 数据点基本落在了两条直线y = x 和y = 0. 2x 之间，河流量大、入渗量大，散开度也大，河流量小、入渗量小，散开度也小，月平均河流损失率分别为 100%和 20%，平均为 48%。
表 4. 11 黑河下游正义峡—狼心山段年径流量数据表
( 3) 河流单长入渗率与河流量关系
根据 2001～2003 年集中调水时期水文监测资料 ( 表 4. 12) ，正义峡—狼心山河流单位长度入渗率 y ( %/km) 与河流 ( 来水) 量 x ( m3/ s) 呈线性函数统计关系 ( 图 4. 20) :
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
样本数 n=6，拟合相对误差平均 δ=28. 59%，相关系数 R=0. 87，F=12. 29>7. 71=F0. 05，属于在 α=0. 05 水平上显著。
图 4. 18 正义峡—狼心山间河水损失量与径流量关系曲线
图 4. 19 正义峡—狼心山间河水损失量与河流量关系曲线
4. 4. 1. 3 下游狼心山以下河段
狼心 山 以 下 分 为 东 河 与 西 河，分 别 流 入 东、西 居 延 海，河 道 长 度 分 别 为 169km 和175km。根据水文测 验 资 料，狼 心山 以 下河 段 月 渗漏率 与河流 量 关 系统计计算结果 列 入 表4. 13，河水入渗率受河流量与季节 ( 引用水) 影响，河水入渗率变化范围 0. 18% ～ 10. 52% ，多在 2% ～5%之间。
4. 4. 2 河流入渗的室内模拟试验
河流入渗机理涉及河流与含水层的关系、河水位与地下水位的关系、河水入渗方式及河水入渗量计算方法等多方面的内容，它一直是水资源研究的热点问题。自然界完全切穿整个含水层的“完整”河流是比较少的，大多数情况下河流为部分切割含水层或呈悬置于含水层之上的 “非完整”河流; “非完整”河流对地下水的补给达到极限入渗强度时，就会发生河水位与地下水位的脱节现象，此时河水将通过包气带以垂直运移方式补给潜水。“非完整”河流的极限入渗强度的计算方法较多，但通常情况是采用水文测流方法并按水均衡原理计算获取，即用脱节状态的河段入、出流量之差除以河段长度获得河流的极限入渗强度。
表 4. 12 集中调水时期正义峡—狼心山河水平均流量表
图 4. 20 正义峡—狼心山河流单长入渗率与河流量关系
河流极限入渗量与潜水得到的河水入渗补给量一般是不相等的，这是因为河水入渗后在没有到达潜水面之前，通过包气带而又返回地面的蒸发损失量是客观存在的。在干旱半干旱地区，蒸发作用非常强烈，河水入渗后通过包气带的蒸发损失量是不容忽视的。为此，人们多采用经验方法估算该量，通常按 “河水极限入渗量的 10%～30%作为包气带的蒸发损失量，即有 70%～90%的河水入渗量补给地下水”。
干旱半干旱地区的河流是地下水的重要补给源，能否准确地估计或把握河水入渗补给量，对地下水资源的评价精度将有很大的影响。为了研究河水入渗补给地下水量，先定义两个参数: 河水入渗的蒸发损失率 β'，为河水入渗的蒸发损失量 E 与河水损失量 ( 极限入渗量) Q 之比，即β' = E / Q; 河水补给地下水的折算系数 β，为河水入渗补给量 Qb与河水损失量 Q 之比，即 β=Qb/ Q;稳定状态两参数的关系为 β+β'=1。
4. 4. 2. 1 模拟装置与试验
为了研究河水入渗过程中的蒸发损失量 E，专门设计了室内模拟试验装置。模拟装置设计为一个高 1. 5m、长 1. 5m、宽 0. 5m 的渗流槽模型，采用有机玻璃制作; 河流宽度与模型宽度为1 ∶ 10，河流中间的深度与模型高度之比为 1 ∶ 40; 模型宽面的两侧分别对称设置含水量与负压量测装置安装的标定孔; 模型窄面的一侧在上部设置河流入渗水 ( 即河水损失量 Q) 的给水装置，另一侧在下部安装渗出水 ( 河水入渗补给量 Qb) 的量测装置; 模型顶部的河流一端加蒸发供热装置 ( 图 4. 21，照片) 。
试验时由供水装置给河流送水，由供热装置给试验表土加热，用水量量测装置测定渗出水量 ( 为河水入渗补给量 Qb) ，并在标定点上用量测仪器测量负压、含水量等物理量。试验分加蒸发温度和室内温度两种并连续进行，试验过程由非稳定到稳定。稳定状态的水量平衡方程为 Q=Qb+E。
表 4. 13 黑河下游狼心山以下河段月渗漏率与河流量表
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
图 4. 21 河流入渗模拟试验装置示意图
4. 4. 2. 2 试验土样参数与水分特征曲线
河水入渗室内模拟试验所用土样，采用筛分法测定颗粒粒径级配，据筛分数据判定试验土样为中砂 ( 表 4. 14) 。试验土样的饱和渗透系数采用达西渗透仪测定，渗透系数值为 16. 9m/d、17. 1m / d、17. 2m / d，平均为 17. 1m / d。
试验土样水分特征曲线，采用 van Genuchten ( van Genuchten，1980) 模型来描述:
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
式中
θ——— 含水率 ( cm3/ cm3) ;
θr——— 残留含水率 ( cm3/ cm3) ;
θs——— 饱和含水率 ( cm3/ cm3) ;
h——— 负压 ( kPa) ;
α，n，m———表示土样水分特征曲线形状的参数。
对试验数据用上述模型模拟的水分特征主脱湿曲线如图 4. 22 所示，计算的水分特征曲线参数θr= 0. 007，θs= 0. 392，α = 1. 8815，n = 1. 5711，m = 0. 3635 ( 表 4. 15) 。
4. 4. 2. 3 试验数据与成果分析
2002 年 8 月 6 日 11 时 00 分至 8 日 14 时 30 分进行了先室内温度、后加蒸发温度的河水入渗试验，蒸发加热器打开时间为 7 日 16 时 30 分，室温试验历时 29. 5h，加温试验历时 22h，试验总历时 51. 5h; 同年 8 月 19 日 13 时 30 分至 21 日 13 时 30 分又进行了先加蒸发温度、后室内温度的河水入渗试验，蒸发加热器关闭时间为 20 日 5 时 30 分，加温试验历时 16h，室温试验历时 32h，试验总历时 48h。河水入渗试验观测数据列入表 4. 16、表 4. 17。
表 4. 14 河水入渗室内模拟试验土样颗粒分析结果表
表 4. 15 试验土样含水率和负压实测与拟合值表
图 4. 22 河流入渗试验土样含水率与负压 ( θ－h) 曲线
先室内温度、后加蒸发温度的河水入渗试验: 室内温度 26～27℃，加热后试验土样表面温度45 ～ 47℃ ，温度差 19 ～ 20℃ ，平均温度差 19. 5℃ ; 室内温度试验的稳定渗出水流量 ( 代表河水损失量 Q) 为 2100mL/min，加蒸发温度试验的稳定渗出水流量 ( 代表蒸发状态下河流入渗补给量Qb) 平均值为 1932mL/min，河水入渗的蒸发损失量 E 为 168mL/min，则河水入渗的蒸发损失率β' = E / Q = 8. 0%，河水入渗补给量的折算系数 β = 1－β' = 92. 0%。
先加蒸发温度、后室内温度的河水入渗试验: 加热后试验土样表面温度 42～50℃，室内温度 26～27℃，温度差 16～23℃，平均温度差 19. 5℃; 加蒸发温度试验的稳定渗出水流量 ( Qb) 为 1710mL/min，室内温度试验的稳定渗出水流量 ( Q) 为1810mL/min，河水下渗的蒸发损失量E 为100mL/min，则河水入渗的蒸发损失率 β'=E/Q=5.5%，河水入渗补给量的折算系数 β=1－β'=94.5%。
河水入渗室内模拟试验结果表明，河水入渗的蒸发损失率 β'小于 10%，河水入渗补给量的折算系数 β 大于 90%，即有 90%以上的河水损失量入渗补给地下水。
表 4. 16 河流入渗室内模拟试验 ( 先室内温度后加蒸发温度) 数据表
表 4. 17 河流入渗室内模拟试验 ( 先加蒸发温度后室内温度) 数据表
需要说明的是该试验仅代表常年有水河流的入渗情况。对于间歇性河流，由于河床下包气带水分的急剧变化，使其蒸发耗散的水量显著增大，导致河水入渗补给量大为减少。间歇性河流入渗补给量占河水损失量的比例等问题，仍是需要今后深入研究的课题。
4. 4. 3 河流入渗量
4. 4. 3. 1 中游地区河段入渗量
河水入渗发生在莺落峡—黑河大桥河段，由于草滩庄水利枢纽及其上游引水的影响，使得枢纽上、下河段的径流量与河水入渗量相差很大，需分别计算。
( 1) 莺落峡—草滩庄河段入渗量
莺落峡到草滩庄之间距离 8. 3km，其间的引水干渠主要有西洞渠和龙洞渠以及东、西总干渠，多年平均总引水量 6. 96×108m3/ a。西洞渠和龙洞渠位于莺落峡，东、西总干渠在草滩庄水利枢纽处。
每年的 1、2、12 月的河水入渗量，因西洞渠、龙洞渠和东、西总干渠不引水且草滩庄水利枢纽开闸河水自由下泄，故可根据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( 河流量 x≤0. 98m3/ s 时，河水全部入渗) ，计算该时段的河水入渗量。每年 3 ～11 月的河水入渗量，受西洞渠、龙洞渠和东、西总干渠引水量以及草滩庄水利枢纽下泄量的影响很大，故宜根据 1992～1994 年、1996～1999 年的实测资料采用均衡法计算该时段的河水入渗量;因各年的入渗量变化不大，故其他年份 3～11 月的河水入渗量，可用已得到的同年 3～11 月与 12～2月入渗量的平均比值 ( 为 12. 32) 推算。据此计算的莺落峡—草滩庄间河水入渗量列入表 4. 18。
莺落峡近 20 年 ( 1981～2000 年) 平均径流量 16. 48×108m3/ a，莺落峡—草滩庄多年平均河水入渗量 2. 39×108m3/ a。每年 3 ～ 11 月份的河川径流量占全年径流量的 93%，12 ～ 2 月份的径流量占全年径流量的 7%; 每年 3～11 月份的河水入渗量占全年入渗量的 92%，12～2 月份的入渗量占全年入渗量的 8%。河川年径流量的 14%入渗量补给地下水，河川年径流量的 40%由干渠引水用于灌溉，河川年径流量的 46%于草滩庄泄洪闸下泄进入下游河道，仅有 0. 3%的年径流量消耗于水面蒸发 ( 图 4. 23) 。
( 2) 草滩庄—黑河大桥河段入渗量
草滩庄到大桥之间距离 25km，其间无干渠引水的影响，故河水入渗量可根据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( 河流量 x ≤4. 86m3/ s 时，河水全部入渗) 计算。
草滩庄—大桥间河水入渗的来水量为草滩庄水利枢纽的下泄水量。每年的 1、2、12 月份，由于水利枢纽开闸下泄河水且上游干渠不引水，故草滩庄下泄水量可用均衡法 ( 莺落峡径流量减去上游河道渗漏与纯蒸发量) 计算。每年的 3～11 月份，草滩庄下泄水量受到水利枢纽的控制和上游干渠引水的影响，因难以获得莺落峡—草滩庄间历年各月的河水入渗量，故无法用均衡法推算草滩庄下泄水量。草滩庄泄洪闸有四年 ( 1998～2001 年) 3～11 月的月下泄量资料，可建立草滩庄月下泄量与莺落峡月径流量的经验方程推算。
依据草滩庄下泄量与莺落峡径流量资料绘制的散点图，草滩庄月下泄量 y ( 108m3) 与莺落峡月径流量 x ( 108m3) 呈二次函数统计关系 ( 图 4. 24) 。
表 4. 18 莺落峡—草滩庄河水月入渗量计算成果表 单位: 108m3
注: 12～2 月入渗量———用经验方程计算。3～11 月入渗量———1992～1994、1996～1999 年用均衡法计算，其他年用 3～11月与 12～2 月入渗量的平均比值 ( 12. 32) 推算。
西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例
样本数 n=36，复相关系数 R=0. 94，统计量 F=278?7. 4=F0. 01，属于在 α = 0. 01 水平上高度显著。
根据上述方法计算的草滩庄下泄水量 ( 多年平均为 7. 52×108m3/ a) 列入表 4. 19，计算的草滩庄—大桥多年平均河水入渗量 2. 11×108m3/ a ( 表 4. 20) ; 依据草滩庄下泄量、草滩庄至大桥间河水入渗量与蒸发量，用均衡法计算的大桥河道下泄量多年平均为 5. 31×108m3/ a ( 表 4. 21) 。
莺落峡与草滩庄径流量及草滩庄—大桥间的河水入渗量多年平均月分配过程曲线见图 4. 25。径流量的丰、枯值相差较大，入渗量的丰、枯值相差相对较小; 径流量、入渗量的丰值均出现在 7月份，莺落峡径流量枯值出现在 12～3 月份，草滩庄径流量枯值出现在 3、4、11 月份，入渗量枯值出现在 3、11 月份，其丰枯比分别为 9 ∶ 1、33 ∶ 1、5 ∶ 1。
图 4. 23 莺落峡径流分配比例图
图 4. 24 草滩庄月下泄量与莺落峡月径流量关系曲线
( 3) 中游地区河段入渗量汇总
莺落峡到大桥之间距离 33. 3km，其间多年平均河水入渗量 4. 50×108m3/ a ( 莺落峡—草滩庄多年平均河水入渗量2. 39×108m3/ a，草滩庄—大桥多年平均河水入渗量 2. 11×108m3/ a) 。河水入渗补给地下水的折算系数取 92%，则莺落峡到大桥多年平均河水入渗补给地下水水量为 4. 14×108m3/ a。
4. 4. 3. 2 下游地区河段入渗量
河水入渗发生在正义峡—东、西居延海的整个河段，由于狼心山水文站的上、下游分别为单河道和多河道径流，使其径流入渗量有较大差异，需分别计算。正义峡以下主要有鼎新灌区、东风场区和额济纳旗引用河水 ( 表 4. 9) ，引水量占河道径流量比重较大，必须考虑引水对河水入渗的影响; 但各区段引水沿河道及不同季节均无可靠的引水比例等资料，故只能用水均衡法估算正义峡至狼心山及狼心山以下河段的年河水入渗量。
( 1) 正义峡—哨马营—狼心山河段入渗量
正义峡至狼心山之间距离164km，其中正义峡到哨马营98km，哨马营到狼心山66km。正义峡到哨马营之间的鼎新灌区多年平均引蓄河水 1. 45×108m3/ a，引水口在大墩门至鼎新河段; 哨马营到狼心山之间的东风场区工业用水多年平均引蓄河水 0. 21×108m3/ a，引水口在两河交汇处的上游河段。
鼎新多年平均年蒸发度 2317. 8mm，降水量 44mm，蒸发折算系数取 0. 58，纯蒸发量为1300mm; 正义峡至狼心山之间河道多年平均过水 10 个月 300 天，河水径流长度 164km，河道水面平均宽度 150m，河水多年平均蒸发量 0. 26×108m3/ a ( 其中正义峡到哨马营 0. 16×108m3/ a，哨马营到狼心山 0. 10×108m3/ a) 。
表 4. 19 草滩庄月下泄量计算成果表 单位: 108m3
注: 1、2、12 月数据用均衡法计算。3～11 月数据 1998～2000 年为实测值，其他年由经验公式推算。
1998 ～ 2000 年的正义峡、哨马营、狼心山下泄水量的平均值分别为 8. 34 × 108、5. 57×108、3. 81×108m3/ a，则正义峡—哨马营、哨马营—狼心山之间的河水损失量分别为 2. 77 × 108、1. 76×108m3/ a，减去灌溉引水量和蒸发量，则河水入渗量正义峡—哨马营之间为 1. 16×108m3/ a、哨马营到狼心山之间为 1. 45×108m3/ a，正义峡到狼心山之间为 2. 61×108m3/ a。
在正义峡下泄量为 8. 34×108m3/ a 时，正义峡—哨马营之间河水入渗率为 13. 91%，正义峡到狼心山之间河水入渗率为 31. 29%; 在哨马营下泄量为 5. 57×108m3/ a 时，哨马营到狼心山之间河水入渗率为 26. 03%。
( 2) 狼心山以下河段入渗量
狼心山到东、西居延海的距离分别为 169km 和 175km，其间主要是额济纳旗农业与生态用水，额济纳旗农业与生态等年引用河水 2. 44×108m3( 引用的河水主要为生态用水，大多在支汊河道中径流，其入渗量可归入灌溉入渗量，也可归入支汊河道入渗量) 。
额济纳旗多年平均年蒸发度 3767mm，降水量 40mm，蒸发折算系数取 0. 58，纯蒸发量为2145mm; 东、西两河河道多年平均过水 8 个月 240 天，因两河河水几乎流不到东、西居延海，其河水径流总长取河道总长度的 65%为 224km，河道水面平均宽度为 100m，两河河水多年平均蒸发量 0. 32×108m3/ a。
狼心山 1998～2002 年多年平均下泄水量 3. 81×108m3/ a，考虑到多年来河水下泄几乎到不了东、西居延海的实际情况，则主干河道 ( 东河与西河) 多年平均河水入渗量近似为狼心山下泄水量减去灌溉引水量和蒸发量，为 1. 05×108m3/ a。
在狼心山下泄量为 3. 81×108m3/ a 时，狼心山之下河水入渗率为 27. 56%。
表 4. 20 草滩庄—大桥河水月入渗量计算成果表 单位: 108m3
( 3) 下游地区河段入渗量汇总
正义峡到东、西居延海的距离分别为 333km 和 339km，其间哨马营之上河段多年平均河水入渗量 1. 16×108m3/ a，哨马营到狼心山之间河段多年平均河水入渗量 1. 45×108m3/ a，狼心山之下河段多年 平 均 河 水 入 渗 量 1. 05 × 108m3/ a， 正 义 峡 到 东、 西 居 延 海 的 多 年 平 均 河 水 入 渗 量为3. 66×108m3/ a。
下游河段因中游的下泄量不稳定以及干渠的大量引水而常发生断流，其河水入渗补给地下水的折算系数应小于中游河段。折算系数按经验取值为 90%，则正义峡到东、西居延海多年平均河水入渗补给地下水水量为 3. 29×108m3/ a。
表 4. 21 大桥月下泄量计算成果表 单位: 108m3
图 4. 25 草滩庄－大桥多年平均河水入渗量月分配过程线