一、自 然 环 境
黑河流域地处欧亚大陆腹地，受青藏高原的影响，印度洋水汽北进受阻，又远离海洋，太平洋水汽至此减弱，而大西洋气流受天山和蒙古高原的影响，对该区影响也很小，因此该区降水稀少，是我国最为严重的干旱区之一。
黑河流域所处的地理位置、气候条件、地貌条件、第四纪以来的气候变化和水系变迁及盆地生态地质环境演化，决定了该区地下水形成与循环演化过程和特征。
（一）构造与地貌格局控制
黑河流域的地质构造复杂，一系列NW和近EW向的中生代大断裂造成规模不等的南部和北部两列构造盆地。南部盆地紧邻祁连山，位于黑河流域的中游区，具有山前或山间断陷盆地的特征，在盆地南缘为大型冲断层组成的叠瓦式构造，这组压性断裂连同祁连山褶皱带一起形成阻水屏障，使山区大部分地段的地下水难以直接进入盆地；北部盆地属于边缘断陷盆地，其边缘为巨大的断裂。地质构造以及所形成的地貌形态，对地下水系统形成起着决定作用。
（二）全球变化下气候环境演变基础
全球变暖，总体上引起地球表面蒸发量和蒸腾量增加，因而引起降水量增加。GCMs等气候模型模拟结果表明，当地球温度上升1.5～4.5℃时，全球平均降水量增加3%～15%，但是在时间与空间分布上是极不均匀的，一些地区的降水量增加，而另一些地区的降水量可能减少。在全球变化中，不同下垫面的地区具有不同的变化过程和响应特征。
我国西北内陆黑河流域是全球变化中一个比较敏感的区域，冰芯、湖泊沉积、树木年轮、历史文献记录和地下水演化同位素信息以及现代气象记录等，都记载了西北干旱地区气候演变的历史过程。在西北内陆干旱区，一方面流域内自源头向尾闾，跨越了不同的气候带；另一方面内陆河流域具有鲜明的垂直景观结构特征，山区可以划分为高山冰雪冻土带、中山植被带和低山荒漠带，山前盆地则包括绿洲和荒漠。黑河流域是西北若干个内陆流域中一个比较典型的流域，在其流域尺度内的不同景观带，存在着不同气候变化过程（表3-1）。
黑河和讨赖河是黑河流域的两条重要河流，也是该流域平原区地下水的主要补给来源和陆地水循环的重要链条，其水文特征如表3-2所示。在黑河干流流域上游区，从山口的海拔1700 m到冰川区的海拔4700～4800 m，相对高差3000 m左右，平均海拔为3600 m。在讨赖河流域上游区，从山麓海拔2000 m到河源区海拔5000 m左右，平均海拔约为3800 m。由于黑河流域水循环系统补给源区地处内陆高寒山区，冰川、积雪和冻土的发育对地表径流和平原区地下水形成与更新变化都具有重要影响，并且通过源区上述特殊的水文要素与气候密切相关联，以至黑河流域的地表径流和平原区地下水循环对区域气候变化必然作出响应。
表3-1 黑河流域景观分带及其水文效应
表3-2 黑河流域主要河流水文特征
黑河干流是研究区内最大的河流，发源于祁连山区，出山后进入张掖盆地，经正义峡，穿越鼎新，向北注入额济纳盆地的居延海。居延海为黑河干流的尾闾湖泊。自山区降水、冰雪融水和基岩裂隙水补给汇流形成地表径流开始，至下游区，沿途地下水与地表水之间至少经历了3次相互转化过程，以至平原地下水的形成、循环和更新都与地表河流之间存在依存关系，构成“河流-地下水”系统，彼此密切相关，与源区气候变化紧密相连。
黑河流域的地理位置决定了湿润的夏季风难以到达和西风气流的水汽不足，高山与盆地相间分布，沙漠与绿洲并存，河流与湖泊共存的这种独特的气候和地貌特征，决定了该区水循环和地下水形成及其时空变化规律。
本次研究在黑河流域张掖盆地、酒泉盆地和额济纳盆地遴选了3个环境演化剖面，系统采样36组，通过孢粉、易溶盐、有机质、碳酸盐组分和颗粒分析，结果表明：1～21组样中（距今时间3400年以来）旱生草本植物占83%～91%，反映灌丛草原-荒漠草原植被类型，冷干气候；22～30组样中（距今时间约3400～8200年），湿生水生草本植物含量28%～47%，反映草甸草原-灌丛草原植被类型，冷湿气候；32～36组样中（距今时间约8200年前）旱生草本植物占75%～90%，反映灌丛草原-荒漠草原植被类型，冷干气候。
近3000年来，黑河流域的区域气候变化总趋势是向冷干发展，近500年来是干湿波动干旱化，近百年来是偏暖干，近50年来年降水量和地表径流量总体呈现增加过程。
二、下游区生态与地质环境演变
下游区是黑河流域水循环和物质输运的排泄与堆积区，其生态、地质环境变化和流域水文与水循环状况密切相关。该区生态与地质环境演变是黑河流域水循环条件演化的直接结果。
黑河流域下游的额济纳荒漠平原，系指阿拉善以北、阿尔泰山以南、巴丹吉林沙漠与走廊平原之间的荒漠平原，面积约3.0×104 km2，位于东经99°30′～102°00′，北纬40°20′～42°30′。额济纳盆地深居内陆腹地，为典型的大陆性气候，具有降水量小，蒸发强烈，温差大，风大沙多，日照时间长等特点。黑河干流是进入该区的唯一季节性河流，称弱水。
（一）生态与环境地质演变历史
在额济纳盆地，中生代以前是一片海洋，至中生代演变成陆地。该区白垩纪地层缺失，表明晚期经历了剥蚀过程。进入新生界，这里发生了幅度不大的沉降，沉积了上新统苦泉组，在盆地边缘有膏盐沉积，说明当时气候干热。
进入第四纪，额济纳盆地再次发生幅度不大的下降，沦为湖盆，气候寒冷湿润，沉积了数百米的冰水相和湖相松散物质。至晚更新世末期，气候又趋干旱，湖泊退缩，河流显现，平原遭受剥蚀，沙漠开始诞生。
至全新世，气候再度干旱，平原遭受风沙侵蚀出现沙漠化，巴丹吉林沙漠扩大。在早全新世出现增温多雨过程。中全新世出现大暖期，湖泊水面一度为西北最大的湖泊。晚全新世，气候旱化过程明显，湖泊水域急剧萎缩，旱区植被增多，但是据史料记载湖泊面积仍然保持数百平方公里。
有人类历史以来，人类对居延海地区环境的影响日趋强烈。据史记《匈奴传》记载，早在汉武帝时，在对匈奴的战争中占据了河西走廊，设置了河西四郡，居延地区归属张掖郡。公元前104年（太初元年），正式设置居延县，并派路博德驻守，他一面在居延城及额济纳河沿岸修筑工事以抵御匈奴，一面在居延海附近开渠屯田。从出土的文物和现今的城墙、井、渠等遗迹，反映出当时开发的盛况大约延续了两个世纪之久。
汉代以后，该地区军事重要性减弱，经济活动远不如汉代那样活跃，直至9世纪古居延地区才再度繁荣。历史资料表明，在9～14世纪，这里是少数民族西夏的重要居住地，在三角洲上部的黑城一带，西夏曾建威福军。西夏及元代的开发曾沿用了汉代垦区，但范围已偏于三角洲的中上部，远未达到汉代垦区的范围。
14世纪中叶（1359～1372年），黑城在元末明初战争中毁灭，居民内迁，垦区开始废弃。之后，古居延三角洲地区的生态环境开始明显的退化，使黑城及周围大片土地沦为荒漠。
（二）近50年生态地质环境变化
近50年以来，由于山区来水量减少和上游用水量增加，特别是20世纪50年代末大兴水利建设，截断了讨赖河进入额济纳地区的径流，致使面积达253 km2的西居延海于1961年全部干涸，24.5 km2的东居延海也变成了间歇性湖泊，进入90年代则完全干枯（张惠昌，1994），风沙进一步侵袭，使生态环境更趋恶化。
由于河水流入量的减少，依赖河水渗漏为主要补给来源的地下水亦呈减少趋势，并由此引发了一系列生态环境地质问题，例如地下水水位下降、土地旱化、盐渍化、沙漠化及植被退化等。
1.区域地下水水位下降
根据调查和动态监测资料分析，多年来区内地下水水位呈现程度不同的下降过程，特别是在中游南部盆地洪积扇群带，地下水水位下降幅度为0.2～0.9 m，东部民乐山前降幅较大，张掖盆地西部、酒泉盆地南部山前降幅较小。在中游区细土平原带，地下水水位呈基本稳定趋势。额济纳盆地的地下水水位呈缓慢下降过程，降幅为0.03～0.15 m，该盆地的南部降幅大，北部降幅小。
通过对00927部队完成的1979～1980年1∶20万区域水文地质普查报告中45个水文点实地调查表明，至1988年仅8年左右时间，除部分人工灌溉耕地和草场外，地下水水位普遍下降了0.3～1.5m，平均下降0.75m（图3-1），沿河约有800余眼水井干涸，约占全区总井数的20%。
图3-1 黑河流域下游区额济纳荒漠区观测点地下水水位埋深对比图
地下水水位下降，导致泉水不断衰减。黑河流域中游区在20世纪60年代的泉水量多年平均为22.6×108 m3/a，70年代为16.1×108 m3/a，至90年代末减为14.2×108 m3/a，泉水年衰减率达到2.75%。1999年实测泉水量只有4.5×108 m3。
2.土地盐渍化
区域性地下水水位下降，使沼泽退变为盐碱地，在湖盆洼地表现尤为明显。在这些地段，由于径流不畅，地下水水位埋藏浅，地下水矿化度较高（一般大于3 g/L），在强烈的蒸发浓缩作用下，致使地表聚集大量盐分，形成盐碱地、盐壳乃至结晶盐。
盐渍土在中、下游平原皆有分布，主要分布在地下水水位埋深小于3 m地带。自中游区到下游区，盐渍化程度及分布范围逐步扩大。中游区盐渍化土壤主要分布于张掖碱滩、临泽小屯、高台黑泉-盐池、肃南明花区北部和酒泉北部等地带。下游区的盐渍土分布于金塔北部、额济纳盆地的古日乃和东、西居延海等地带，局部地段为结晶盐壳。目前，黑河流域盐渍土面积约为4954 km2，其中额济纳盆地的盐渍土面积达3370 km2。
在古日乃湖区，据试坑土盐测试结果，表土层含盐量达0.27%～0.41%，最高达33.0%（表3-3），为中度盐渍化或重盐渍化土壤，分布面积2547.3 km2，其中轻、重盐渍土1353.8 km2，盐土439.7 km2，裸露矿质盐土464.5 km2。在西居延海（嘎顺诺尔），湖底干涸后形成了厚约0.5 m以硫酸盐和氯盐为主的结晶盐，面积约253 km2，而表土层含盐量高达20%以上，为盐土。在东居延海（索果诺尔），湖滨表土层含盐量为0.75%～2.92%，并呈现自湖滨至湖心渐增的趋势，为轻度盐渍化土壤。
表3-3 黑河流域古日乃湖土壤含盐量分析结果（wB/%）
在河流沿岸的地下水水位浅埋区，受强烈的蒸发作用，盐分也常聚集于地表。当河水不足时，因无淡水冲洗盐分而使土地盐渍化。据野外调查统计，河流沿岸轻盐渍土和重盐渍土分布面积约为543.1 km2。如建国营北4 km处，河流沿岸表土层含盐量可达1.16%～3.81%。远离河岸，含盐量则明显降低。沿河灌溉林地和耕地，由于地下水水位较高，大水漫灌引起土壤盐渍化，部分地带逐年加重，甚至土地板结，为轻盐渍化土壤或中盐渍化土壤，分布面积约29.3 km2。土地盐渍化不利于植被生长（表3-4）。
表3-4 黑河流域下游区东居延海土壤含盐量与植被生长状况（wB/%）
在垂向上，土壤含盐量分布多呈自上而下渐少的倒置式大陆盐化规律。
3.土地沙漠化
野外调查表明，虽然黑河流域的大部分沙漠主要是历史时期形成的，如哈拉浩特的沙漠覆盖，古居延垦区的荒废和黑城西南的风蚀沟壑等，但是现代沙漠的发生、发展也是相当严重的，大片的土地正在转变为沙丘或沙地。
区内现代土地发生沙化现象表现较为突出，有河床干涸形成的沙化、地下水水位降低形成的沙化、人为活动（土地弃耕、过度放牧、胡乱采樵）形成的沙化和多因素综合形成的沙化等几种情况，概括起来都是在植被稀疏、地面裸露、土壤质地为砂性土、土壤干旱等条件下，受强劲风的吹扬作用，使土地遭受风蚀而形成的沙漠化荒漠地貌景观。例如在额济纳河河床东侧形成的带状流动、半流动沙丘和沙地，额济纳平原北半部的土壤细颗粒大多已被吹扬，残存的砾石覆盖于地面而呈“假戈壁”，天鹅湖及八道桥以南洼地，风蚀留下的残丘高1～3 m或3～5 m等。据14C采样测定分析结果，天鹅湖湖岸阶地风蚀残丘顶底部亚砂土年龄分别为（4740±60）a和（7360±135）a，可见近4000年来下游平原至少已被风蚀4～5 m，风蚀以至沙化作用是相当强烈的。
4.植被退化
野外调查结果，沿河细土地带，随着地下水水位的下降，水分条件的恶化，适宜于水位浅埋区生长的芦苇、芨芨等草甸植物大部分已经枯干，胡杨、沙枣林因缺乏水分新老交替困难，大部分死亡或趋于死亡，呈现出一片老化景观，植被的盖度（植被所能覆盖的面积与植被区总面积之比）减小。目前仅存于建国营一带的沙枣林出现枯顶心腐、濒临绝迹；红柳灌丛景观被旱生、盐生的小灌木苏枸杞、白刺等荒漠化景观所代替，沿河乔灌木林严重退化。在湖区，随着地下水水位的下降，喜水植物逐渐向盐生、沙生和旱生植物演化。如古日乃湖区的芦苇草甸沼泽随着地下水水位的下降而逐渐向白刺、梭梭或梭梭、红柳荒漠化植被方向演化，从而使草场退化。戈壁荒漠植被也因水分条件的恶化而逐渐衰退。
植被退化主要出现在下游半荒漠的自然绿洲区，沿河地带和湖盆洼地内的部分胡杨、红柳和梭梭等植物已经枯萎或死亡。根据1944年和1978年两次调查结果的对比，额济纳天然乔灌林地由22.5×104 hm2减少至11.6×104 hm2。
植被的衰退过程在时间上是逐渐进行的，但是反映最明显的时期发生在20世纪60年代之后。根据额济纳旗有关记载，1944年额济纳旗东、西河林区有胡杨林5×104 hm2，红柳林45×104 hm2，古日乃一带梭梭林2.5×104 hm2，湖区尚有一定面积的胡杨和红柳。内蒙古森林调查大队调查统计结果，1960年天然林面积为11.5×104 hm2，1975年沿河胡杨2.2×104 hm2，红柳6.9×104 hm2，梭梭25.2×104 hm2。1978年草原普查时统计，红柳、胡杨天然林面积为9.1×104 hm2。1978年较1944年减少了10.9×104 hm2，较1960年减少了2.5×104 hm2，可见植物衰退的严重程度。
据1987～1988年的调查，结合1981年出版的1∶50000地形图统计（表3-5），植被分布面积与1975、1978年相比较，除红柳面积增大外，胡杨、梭梭等均有明显的减少，且生长状况由生长良好型变为生长衰退型（死亡型）。
表3-5 1987年黑河流域额济纳盆地植被分布面积及生长状况（104 hm2）
三、地质环境演变
（一）含水层系统形成
地下水的演化主要是气候变化和构造运动的结果。黑河流域的构造运动自中生代以来进入一个统一的、以强烈差异性断块运动为主的发展时期，其造成的地形差异影响着自然和水文地质环境的变化，在地下水演化中起着重要的作用，奠定了现代地下水系统的基本格局。第四纪以来，经历了末次冰期气候的巨变期和青藏高原加速隆升和海岸带的变迁，以及水系的发育和串通，地质环境发生了巨大的变化，地下水作为古地质环境的有机组成部分，其形成演化受上述各种因素的综合影响，古气候条件和地质环境的变化决定了地下水的形成、演化与更新特征。垂直升降运动使山区强烈上升，水文网密集而深切，在各盆地的山前地带形成巨厚、粗粒疏松的堆积物。
第四纪以来，由于祁连山处于上升之中，前第四纪地层遭受强烈的风化剥蚀，大量沉积物被搬运到山麓、山前及山区内部的低洼地区，形成卵砾、砂砾层和砂层。下更新统胶结程度较高，中更新统含泥质较多，较密实，胶结程度较低，晚更新世以来的堆积物呈松散状态。北部金塔-额济纳盆地在更新世早期和中期基本上是湖盆，沉积物以河湖相、湖相为主，岩性为亚砂土、亚粘土和砂砾石与砂互层。晚更新世湖面缩小，部分干涸，沉积了冲洪积相的砂砾石。全新世时，由风力搬运作用形成了大片沙漠和砂丘，洪积物以砂碎石为主，在河流两侧形成宽度不等、由亚砂土和砂组成的冲积平原。在现代湖盆区堆积有湖相亚砂土、粉细砂等。中上更新统构成山前或山间盆地，地表多为上更新统。全新统主要构成平原区的河谷冲积平原及现代湖积平原。
（二）地下水循环系统形成
中生代以来由于山区强烈的上升，不但使水文网密集深切，而且在南部盆地的山前地带形成巨厚、疏松的山麓相、河湖相堆积，成为地下水汇集的良好场所。山区降水量大，分布着冰雪堆积，是黑河流域地表水和地下水的源区和径流形成区。山区的降水、冰雪融水和基岩裂隙水在河流出山前大部分排入河水中，河水出山后又在山前巨厚的冲洪积扇群带进入含水层。在南部盆地中部和北部的细土平原地带，由于地下水水位高于河水位，致使地下水沿冲洪积扇前缘以泉的形式溢出，沿沟谷排向河流。由于北山的阻隔，南部盆地的地下水只有很少一部分通过河床或古河道冲积层以地下径流的方式直接进入北部盆地，绝大部分则以泉水溢出转化为河水或蒸发消耗，进入北部盆地的河水补给地下水，从而形成每个盆地具有完整的地下水补给、径流和排泄过程，构成相对独立的水文地质单元。由于地下水与河流的相互作用，使南、北部盆地联结成一个水循环系统。
在末次冰期盛冰期向全新世过渡时期，气候波动频繁，河流发育，现在的承压含水层为潜水或浅层承压水，有利于降水和河流入渗，与大气降水和地表水联系密切，形成水交替积极的水循环系统。由于构造运动，地下水的排泄基准面较低，地下水动力场发生变化，冰川退缩过程中的融水通过山前入渗带进入含水层。
随着全新世大暖期的到来，降水量增加，湖泊发育，地下水排泄基准面抬升，深层地下水流动减缓，更新速度减缓，导致年龄较老的地下水得以滞留在承压含水层中。晚全新世以来，气候明显干旱，湖泊收缩和消失，地下水系统的补给主要是河流的渗漏，以现代补给为主要特征。