長(zhǎng)江對(duì)地下水位變化對(duì)土壤潛育化的影響

長(zhǎng)江對(duì)地下水位變化對(duì)土壤潛育化的影響

三峽是世界上最大的節(jié)水電工程。這是充分考慮長(zhǎng)江中下游防洪問(wèn)題的一項(xiàng)重要措施。同時(shí)，它還具有巨大的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效應(yīng)，如發(fā)電、運(yùn)輸、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游、環(huán)境保護(hù)、環(huán)境清潔等。開(kāi)發(fā)移民和江南水城。但三峽水庫(kù)調(diào)度方案運(yùn)行后,壩下江段各月徑流量也將發(fā)生顯著變化,從而會(huì)影響到長(zhǎng)江中下游地區(qū)地下水位的變化,進(jìn)而影響到土壤潛育化沼澤化進(jìn)程。在此針對(duì)長(zhǎng)江水位變化對(duì)洪湖地區(qū)地下水位的影響、地下水位變化對(duì)土壤潛育化沼澤化的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,為研究三峽工程對(duì)長(zhǎng)江中下游地區(qū)生態(tài)環(huán)境影響提供了科學(xué)依據(jù)和有意義的借鑒。1自然旅游區(qū)域洪湖地區(qū)地處江漢平原東南,北臨東荊河,南抵長(zhǎng)江,西面的洪湖與荊北水系相連,東北與漢陽(yáng)接壤。全境是古云夢(mèng)澤的一部分,地勢(shì)平坦低洼,受漢江洪水沖擊影響,地形兩邊高、中間低。境內(nèi)河流縱橫交錯(cuò),湖泊星羅棋布,為發(fā)展農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了有利條件。該區(qū)域?yàn)閬啛釒Т箨懶约撅L(fēng)氣候,雨量充沛,溫暖濕潤(rùn),四季分明。年均氣溫16.6℃,1月(最冷月)平均氣溫3.7℃,極端最低氣溫-12.8℃;7月(最熱月)平均氣溫28.9℃,極端最高氣溫39.6℃。年平均降水量1321.3mm,無(wú)霜期266.5d。2水庫(kù)監(jiān)測(cè)孔的布設(shè)三峽建庫(kù)后,根據(jù)正常蓄水位175m方案的水庫(kù)調(diào)度方式,每年1～5月為枯水期,6～9月為汛期?？菟跒轵v出防洪庫(kù)容,下泄流量將增加1000m3/s～2000m3/s,壩前水位也將降至防洪限制水位145m。汛期在無(wú)大洪水時(shí),壩前水位將維持在145m運(yùn)行;當(dāng)出現(xiàn)特大洪水時(shí),水庫(kù)為削減洪峰,壩前水位將有所抬高,洪峰過(guò)后,庫(kù)水位仍降至145m運(yùn)行。汛末10月起,水庫(kù)將充水到正常蓄水位175m,在枯水年份這一充水工程將延續(xù)到11月份,在此充水過(guò)程中,水庫(kù)的平均下泄流量為10000m3/s,較建庫(kù)前減小約3000m3/s～6000m3/s,減少比例達(dá)40%。選擇洪湖地區(qū)的石碼頭至小港一線(xiàn)作重點(diǎn)研究區(qū)域,在該區(qū)域布設(shè)了5組10個(gè)地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)孔。觀(guān)測(cè)孔的布設(shè)路線(xiàn)垂直于長(zhǎng)江,與長(zhǎng)江的距離分別為1.5km、3km、5km、8.5km、13km,代號(hào)分別為A、B、C、D、E。監(jiān)測(cè)孔深度分為兩類(lèi),承壓水監(jiān)測(cè)孔一般深度在35m左右,潛水監(jiān)測(cè)孔深約在5m～7m之間。各孔地理布局見(jiàn)圖1。地下水位數(shù)據(jù)即為上述各監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)的1999～2008年承壓水位與潛水位數(shù)據(jù);長(zhǎng)江水位數(shù)據(jù)采用該區(qū)域江段的螺山水文站監(jiān)測(cè)的1999～2008年水位流量數(shù)據(jù)。2.1b各觀(guān)測(cè)孔間的地下水位月距平值變化量表以往研究表明,長(zhǎng)江河道流量季節(jié)性的變化將顯著影響到長(zhǎng)江中下游地區(qū)地下水位的變化。為了分析長(zhǎng)江和地下水位之間的定量關(guān)系,采用長(zhǎng)江水位月距平值(各年月均水位與多年月均水位之差)及各地下孔水位月距平值來(lái)建立定量關(guān)系模型。以長(zhǎng)江水位月距平值(x)為自變量,地下水位月距平值(y)為因變量的線(xiàn)性回歸方程如下:???????????????y1y2y3y4y5???????????????=???????????????a1a2a3a4a5???????????????x+???????????????b1b2b3b4b5???????????????{y1y2y3y4y5}={a1a2a3a4a5}x+{b1b2b3b4b5}其中:y1、y2、y3、y4、y5分別為各觀(guān)測(cè)孔的地下水位月距平值;x為長(zhǎng)江水位月距平值;a1、a2、a3、a4、a5為自變量系數(shù);b1、b2、b3、b4、b5為系統(tǒng)誤差值。利用1999～2008年的長(zhǎng)江水位月距平值和各孔地下水位月距平值可以得出A、B、C、D、E各孔的線(xiàn)性回歸方程如下:A承壓孔:y=0.0784x-0.0008A潛水孔:y=0.1250x-0.0012B承壓孔:y=0.0602x-0.0006B潛水孔:y=0.0767x-0.0012C承壓孔:y=0.0749x-0.0040C潛水孔:y=0.0624x-0.0005D承壓孔:y=0.2223x-0.0011D潛水孔:y=0.0543x-0.0028E承壓孔:y=0.0139x-0.0009E潛水孔:y=0.0081x+0.0010方程中,自變量系數(shù)(斜率)反映了長(zhǎng)江月均水位距平值每改變一個(gè)單位而產(chǎn)生的地下水位月距平值變化量,常數(shù)項(xiàng)(截距)反映了系統(tǒng)誤差。所有方程的截距值均小于0.02,小于斜率的1/10,表明方程系統(tǒng)誤差較小,可以很好地反映二者的關(guān)系。應(yīng)用上述定量關(guān)系模型計(jì)算長(zhǎng)江水位月距平值改變量導(dǎo)致地下水位月距平值的改變,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以分析得出,在距離長(zhǎng)江1.5km～13km的范圍內(nèi),長(zhǎng)江月均水位每改變1m,地下水位相應(yīng)增減0.01m～0.25m。而且,隨著A、B、C、D、E各孔離長(zhǎng)江的距離由近及遠(yuǎn),其承壓水位隨長(zhǎng)江水位的變化也逐漸減小。2.2由不同的流場(chǎng)分布影響為了進(jìn)一步說(shuō)明長(zhǎng)江對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響范圍和強(qiáng)度,引用了地下水相對(duì)變幅K,即地下水位變幅與河流同期水位變幅的比值(0≤K≤1)。K=∑j=19992007∑i=112|Δhij|∑j=19992007∑i=112|ΔHij|Κ=∑j=19992007∑i=112|Δhij|∑j=19992007∑i=112|ΔΗij|其中:i—月份,j—年份,Δhij—各承壓孔月均水位年際變幅,ΔHij—長(zhǎng)江月均水位年際變幅。計(jì)算結(jié)果A、B、C、D、E各孔K值分別為0.1364、0.1132、0.1355、0.1155、0.0823。各孔K值與S之間的線(xiàn)性關(guān)系可描述為:K=-0.0049S+0.1516,(R2=0.899)其中:S為觀(guān)測(cè)點(diǎn)到長(zhǎng)江的距離,km;據(jù)此方程可知,當(dāng)K=0.05時(shí),長(zhǎng)江的影響距離S為21km;當(dāng)K=0.02時(shí),S達(dá)到27km。也就是說(shuō),按照何報(bào)寅等(1999)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可以得出長(zhǎng)江對(duì)承壓水有明顯影響的距離在21km以?xún)?nèi),而長(zhǎng)江對(duì)承壓水有影響的最遠(yuǎn)距離可達(dá)27km。對(duì)長(zhǎng)江水位與各孔承壓水位和潛水位分別作相關(guān)性分析,相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出,除E孔外,其余各孔無(wú)論是承壓水還是潛水與長(zhǎng)江水位之間的關(guān)系非常密切,并且與潛水的相關(guān)性甚至大于承壓水,其值隨著遠(yuǎn)離長(zhǎng)江逐漸減小,說(shuō)明長(zhǎng)江與承壓水和潛水的聯(lián)系隨著距離的增大而逐漸變小。由于E孔遠(yuǎn)離長(zhǎng)江,且距洪湖僅1km,因此其受洪湖的影響比較大。C孔與長(zhǎng)江相關(guān)系數(shù)大于B孔,僅次于A孔,這是C孔距離內(nèi)荊河比較近所導(dǎo)致。3基本理化性狀對(duì)土壤水分的影響上述研究反映了長(zhǎng)江與地下水之間的定量關(guān)系,為進(jìn)一步研究地下水的變化對(duì)土壤潛育化的影響,做如下模擬實(shí)驗(yàn):取洪湖市小港農(nóng)場(chǎng)水稻土耕層土壤(0～20cm)作為實(shí)驗(yàn)樣品,該土壤有機(jī)質(zhì)含量較高、土壤呈中性、潛育化程度較高,采樣時(shí)土壤中可見(jiàn)明顯的青泥層。土壤樣品的基本理化性狀見(jiàn)表3。通過(guò)土柱模擬實(shí)驗(yàn),研究地下水對(duì)洪湖地區(qū)土壤潛育化指標(biāo)的影響。將60cm的土柱分4層,最上面0～20cm為第L1層,其下每10cm為一層(分別記為L(zhǎng)2、L3、L4),分別對(duì)每層所取樣品進(jìn)行潛育化指標(biāo)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖2)表明,在溫度、降水、土壤基本性質(zhì)等培養(yǎng)條件一致的情況下,隨著地下水位埋藏深度增加,土柱各土層Eh不斷升高,還原物總量、活性還原物、亞鐵、二價(jià)錳以及土壤含水率均不斷降低。由此可見(jiàn),土壤潛育化沼澤化的程度與地下水水位成正相關(guān)關(guān)系。由于表層土壤受外界影響較大,因此其土壤潛育化指標(biāo)比深層土壤差異大。實(shí)驗(yàn)表明,地下水對(duì)各土層的潛育化指標(biāo)均有顯著影響,地下水位較淺時(shí),土壤表層潛育化指標(biāo)受影響較大;地下水較深時(shí)對(duì)深土層土壤影響更大,淹水土層的潛育化指標(biāo)明顯高于未淹水土層。4潛育化土壤指標(biāo)土壤潛育化根據(jù)程度不同可將其劃分為4個(gè)等級(jí):沼澤型、重潛育型、中潛育型和輕潛育型。通過(guò)對(duì)洪湖市2000年TM遙感影像進(jìn)行土地利用分類(lèi)(圖3),估算得水田面積約占洪湖市總面積的48.4%,其分布遍布全市。潛育化、沼澤化土壤主要分布在地勢(shì)低洼的河湖淺灘和水田,根據(jù)第2次全國(guó)普查等資料可知,洪湖地區(qū)沼澤—潛育土壤面積占水稻土面積的百分比,即所謂潛沼率為43%。由此可計(jì)算出洪湖市土壤潛育化總面積為524.25km2,占洪湖市土地總面積的20.8%。近年來(lái),人們意識(shí)到了大量圍湖造田僅帶來(lái)短期經(jīng)濟(jì)效益,從長(zhǎng)期來(lái)看增加了洪澇災(zāi)害的威脅,也破壞了生態(tài)平衡,因此部分沼澤型、重潛育型水田被改挖成魚(yú)塘或退田還湖。通過(guò)對(duì)遙感影像分析估算得,截至2005年湖泊面積由2000年的293km2增加到305km2,增加了4.1%,主要是由潛沼型水田及濱湖淺灘轉(zhuǎn)換而來(lái)。但仍有部分潛育化沼澤化土壤,由于地下水位高,田間漬水嚴(yán)重,土壤內(nèi)漬、冷浸、通氣差、潛在養(yǎng)分難以揮發(fā),土地生產(chǎn)力不高,需開(kāi)溝排漬。然而,由前文可知,三峽水庫(kù)蓄水后,1～5月下泄流量的增加,不同程度地抬高了長(zhǎng)江中下游地下水位,從而進(jìn)一步影響到潛育化土壤指標(biāo)的變化。使得重潛育型土壤向沼澤型發(fā)展,中潛育型演變?yōu)橹貪撚?從而阻礙了洪湖地區(qū)土壤脫潛脫沼過(guò)程。從對(duì)遙感影像分析知這些區(qū)域主要分布在距離長(zhǎng)江比較近、地下水位又比較高的洪湖市中部低洼地區(qū)。5水利工程對(duì)潛育化沼澤化的影響三峽水庫(kù)修建后,只有在10月份蓄水時(shí)下泄流量才較建壩前有所減少,這有利于地表水、地下水的排泄,將會(huì)導(dǎo)致地表水、地下水位下降,使土壤朝脫潛脫沼化方向發(fā)展;相反,在枯水期(1～5月)下泄流量增加,長(zhǎng)江水位上升將會(huì)使天然情況下枯水季節(jié)承壓水向長(zhǎng)江的排泄受阻,同時(shí)由于江水的頂托作用該地區(qū)地表水也會(huì)一定程度地上漲,從而也使?jié)撍徊糠值厣蠞q,加速了土壤的潛育化沼澤化