長江對地下水位變化對土壤潛育化的影響

長江對地下水位變化對土壤潛育化的影響

三峽是世界上最大的節(jié)水電工程。這是充分考慮長江中下游防洪問題的一項重要措施。同時，它還具有巨大的經(jīng)濟和生態(tài)效應(yīng)，如發(fā)電、運輸、灌溉、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游、環(huán)境保護、環(huán)境清潔等。開發(fā)移民和江南水城。但三峽水庫調(diào)度方案運行后,壩下江段各月徑流量也將發(fā)生顯著變化,從而會影響到長江中下游地區(qū)地下水位的變化,進而影響到土壤潛育化沼澤化進程。在此針對長江水位變化對洪湖地區(qū)地下水位的影響、地下水位變化對土壤潛育化沼澤化的影響進行了系統(tǒng)的研究,為研究三峽工程對長江中下游地區(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,南抵長江,西面的洪湖與荊北水系相連,東北與漢陽接壤。全境是古云夢澤的一部分,地勢平坦低洼,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,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)域為亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,雨量充沛,溫暖濕潤,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,無霜期266.5d。2水庫監(jiān)測孔的布設(shè)三峽建庫后,根據(jù)正常蓄水位175m方案的水庫調(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。汛期在無大洪水時,壩前水位將維持在145m運行;當(dāng)出現(xiàn)特大洪水時,水庫為削減洪峰,壩前水位將有所抬高,洪峰過后,庫水位仍降至145m運行。汛末10月起,水庫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,在此充水過程中,水庫的平均下泄流量為10000m3/s,較建庫前減小約3000m3/s～6000m3/s,減少比例達40%。選擇洪湖地區(qū)的石碼頭至小港一線作重點研究區(qū)域,在該區(qū)域布設(shè)了5組10個地下水長期監(jiān)測孔。觀測孔的布設(shè)路線垂直于長江,與長江的距離分別為1.5km、3km、5km、8.5km、13km,代號分別為A、B、C、D、E。監(jiān)測孔深度分為兩類,承壓水監(jiān)測孔一般深度在35m左右,潛水監(jiān)測孔深約在5m～7m之間。各孔地理布局見圖1。地下水位數(shù)據(jù)即為上述各監(jiān)測孔監(jiān)測的1999～2008年承壓水位與潛水位數(shù)據(jù);長江水位數(shù)據(jù)采用該區(qū)域江段的螺山水文站監(jiān)測的1999～2008年水位流量數(shù)據(jù)。2.1b各觀測孔間的地下水位月距平值變化量表以往研究表明,長江河道流量季節(jié)性的變化將顯著影響到長江中下游地區(qū)地下水位的變化。為了分析長江和地下水位之間的定量關(guān)系,采用長江水位月距平值(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建立定量關(guān)系模型。以長江水位月距平值(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分別為各觀測孔的地下水位月距平值;x為長江水位月距平值;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)反映了長江月均水位距平值每改變一個單位而產(chǎn)生的地下水位月距平值變化量,常數(shù)項(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)系模型計算長江水位月距平值改變量導(dǎo)致地下水位月距平值的改變,計算結(jié)果見表1。從表1可以分析得出,在距離長江1.5km～13km的范圍內(nèi),長江月均水位每改變1m,地下水位相應(yīng)增減0.01m～0.25m。而且,隨著A、B、C、D、E各孔離長江的距離由近及遠,其承壓水位隨長江水位的變化也逐漸減小。2.2由不同的流場分布影響為了進一步說明長江對地下水動態(tài)的影響范圍和強度,引用了地下水相對變幅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—長江月均水位年際變幅。計算結(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之間的線性關(guān)系可描述為:K=-0.0049S+0.1516,(R2=0.899)其中:S為觀測點到長江的距離,km;據(jù)此方程可知,當(dāng)K=0.05時,長江的影響距離S為21km;當(dāng)K=0.02時,S達到27km。也就是說,按照何報寅等(1999)的評價標準,可以得出長江對承壓水有明顯影響的距離在21km以內(nèi),而長江對承壓水有影響的最遠距離可達27km。對長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)見表2。從表2可以看出,除E孔外,其余各孔無論是承壓水還是潛水與長江水位之間的關(guān)系非常密切,并且與潛水的相關(guān)性甚至大于承壓水,其值隨著遠離長江逐漸減小,說明長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孔遠離長江,且距洪湖僅1km,因此其受洪湖的影響比較大。C孔與長江相關(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基本理化性狀對土壤水分的影響上述研究反映了長江與地下水之間的定量關(guān)系,為進一步研究地下水的變化對土壤潛育化的影響,做如下模擬實驗:取洪湖市小港農(nóng)場水稻土耕層土壤(0～20cm)作為實驗樣品,該土壤有機質(zhì)含量較高、土壤呈中性、潛育化程度較高,采樣時土壤中可見明顯的青泥層。土壤樣品的基本理化性狀見表3。通過土柱模擬實驗,研究地下水對洪湖地區(qū)土壤潛育化指標的影響。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L2、L3、L4),分別對每層所取樣品進行潛育化指標測定。實驗結(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、二價錳以及土壤含水率均不斷降低。由此可見,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比深層土壤差異大。實驗表明,地下水對各土層的潛育化指標均有顯著影響,地下水位較淺時,土壤表層潛育化指標受影響較大;地下水較深時對深土層土壤影響更大,淹水土層的潛育化指標明顯高于未淹水土層。4潛育化土壤指標土壤潛育化根據(jù)程度不同可將其劃分為4個等級:沼澤型、重潛育型、中潛育型和輕潛育型。通過對洪湖市2000年TM遙感影像進行土地利用分類(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低洼的河湖淺灘和水田,根據(jù)第2次全國普查等資料可知,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,人們意識到了大量圍湖造田僅帶來短期經(jīng)濟效益,從長期來看增加了洪澇災(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塘或退田還湖。通過對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。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,需開溝排漬。然而,由前文可知,三峽水庫蓄水后,1～5月下泄流量的增加,不同程度地抬高了長江中下游地下水位,從而進一步影響到潛育化土壤指標的變化。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)土壤脫潛脫沼過程。從對遙感影像分析知這些區(qū)域主要分布在距離長江比較近、地下水位又比較高的洪湖市中部低洼地區(qū)。5水利工程對潛育化沼澤化的影響三峽水庫修建后,只有在10月份蓄水時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,長江水位上升將會使天然情況下枯水季節(jié)承壓水向長江的排泄受阻,同時由于江水的頂托作用該地區(qū)地表水也會一定程度地上漲,從而也使?jié)撍徊糠值厣蠞q,加速了土壤的潛育化沼澤化