地表水-地下水的交错带及其生态功能

1、地表水-地下水的交错带及其生态功能2007年第35卷第1期Vo1.35.No.1,2007地球与环境EARTHANDENVIR0NMENT文章编号:16729250(2007)01000108地表水一地下水的交错带及其生态功能滕彦国,左锐,王金生(1.北京师范大学水科学研究院,北京100875;2.北京师范大学水沙科学教育部重点实验室,北京100875)摘要:地表水与地下水的相互作用在全球水循环中发挥着重要的作用,交错带是地表水一地下水相互作用的重要桥梁和纽带,并成为生态水文学这一新的研究领域的前沿课题.地表水一地下水的交错带是地表水与地下水的混合区域,该区域内生物地球化学活动强烈.地表水一地

2、下水的交错带主要受自然因素和人为因素的影响.交错带内常发生物理作用,化学作用和生物作用过程,并影响交错带中水分的运动过程,溶质迁移过程和生物活动过程.交错带在水生生态系统中具有重要的功能,主要体现在缓冲作用,提供生物栖息地,提供食物,提供残留物种的保护区.交错带过程的模拟,观测方法和交错带内的生物地球化学过程和示踪以及交错带的生态功能值得进一步关注和深入研究.关键词:交错带;地袁水和地下水的相互作用;生态功能;生态水文学中图分类号:P641;$271文献标识码:A地表水一地下水的相互作用在全球水循环中发挥着重要的作用.19742001年联合国教科文组织(UNESCO)实施了五个阶段的国际水文计

3、划(IHP),第六阶段(20022007)的研究目标是"水的相互作用:来自风险和社会挑战的体系",其中主要的研究方向是地下水与地表水的相互作用,表明地下水与地表水的相互作用已引起了国际组织与机构的高度重视.地表水与地下水的交错带已成为"生态水文学"这一新的研究领域的重要前沿课题1,也是联合国教科文组织人与生物圈计划中水一陆交错带研究中的重要组成部分.作为地下水一地表水交错带研究重要回应的"地下水一地表水交错带"国际会议于1993年召开,此后地下水一地表水交错带的研究受到更为广泛的关注4,1993年JournaloftheNorthAm

4、ericanBenthologicalSociety杂志12卷第1期以大量的篇幅介绍了地表水一地下水的交错带的研究状况;1994年美国地球物理学会在EOS上出版收稿日期:20060830基金项目:国家自然科学基金重点项目(50239Q10,40572139);国家重点基础研究规划项目(G1999043606)第一作者简介:滕彦国(1974一),男,博士,副教授,主要从事环境地球化学和水文地球化学的教学和研究工作.了地下水一地表水交错带研究的增刊(EOS,Transactions,AmericanGeophysicalUnion,1994,75,44,supp1.,P.261);2003年Adv

5、ancesinWaterResources出版了"交错带过程的模拟"专辑.1地表水一地下水交错带的定义最早的生态交错带(ecotone)的概念是由Clements于1905年提出5,用来定义两个群落之间的交汇部分(junction).虽然1935年Karaman就已开始研究地表水与地下水相互作用的交错带(HyporheicZone,HZ),但目前仍未有一个精确的定义6.在第一届陆一水交错带国际会议以前(FirstInternationalWorkshopofLand/WaterEcotone),交错带(Ecotone)被描述为土地转换带,如从灌木到森林的转换带.在地表水与地

6、下水相互作用研究领域内,交错带(Ecotone)包含地下水与地表水相互作用中的水流,生物与非生物组分.地下水与地表水相互作用的交错带(HyporheicZone)包含于生态交错带之内,它所包含的是上升流和下降流L8.从字面上看,Hyporheic可以分成两个希腊字根Hypo和rhe,分别意味着向下和流动.即便如此,上面讨论的也只是地表水一地下水交错带所表示的意义和内容,并不是一个明确的定义.2地球与环境很多学者从自身研究对象和目的出发,对交错带进行定义9:如将交错带定义为"地下水与地表水的混合区域"9","地表水与地下水之间多孔介质的转换带-D4-ts,

7、"地表水和地下水发生交换的动力学交错带"9,等等.无论如何定义交错带,均必须从生态学和水文(地质)学的角度出发,概括地表水与地下水相互作用的区域及所发生的水文(地质)过程,化学过程和生物生态过程,因此,地下水地表水的交错带被定义为"交错带是生物地球化学活动强烈的地表水与地下水的混合区域"2卜,而交错带的结构则可以用图1来表示.水位水位图1交错带的结构Fig.1.Discriptivemodelofdynamicsofhyporheiczoneandsurroundingsurfacewaterandgroundwater.2地下水一地表水交错带的作用尺度

8、研究地表水一地下水交错带的尺度包含时间尺度和空间尺度两个方面,交错带的各种作用过程均与时间尺度有关.目前讨论较多的是交错带的空间尺度.对于空间尺度,Bencala(2000)曾指出E273:无论什么尺度,交错带都是地表水与地下水相互作用的重要部分.在地下水一地表水交错带的研究中,三种离散空间尺度流域尺度,接触尺度和沉积物尺度受到了人们的关注.2.1沉积物尺度汇水盆地的地质过程形成了具有一定形状,粒径,组成的细粒沉积物,这些细粒沉积物决定了交错带中大部分的物理和化学过程2¨.孔隙流型是水力梯度和河床孔隙度的产物,并且产生了快速,缓慢和不流动的区域,当水流较快时不流动区域内常发生厌氧过程

9、(图2)3.一旦水进入交错带(HZ),氨化作用,硝化作用和反硝化作用就会发生【3,这些沉积物尺度溶解氮的转换过程受氧的有效性的控制,并进而影响伴随地表水过程氮的状态.同样,磷和有机物质也受孔隙水流中氧的有效性的影响.图2三种空间尺度交错带的纵切面轮Fig.2.Lateraldiagrammaticviewofthehyporheiczoneatthreespatialscales.沉积物颗粒中的孑L隙空间常被各种无脊椎动物所占据,这些生物包括很多甲壳类,蠕虫类,节肢类,扁形虫类,轮虫类,水生微生物,幼年的水鸟等,这些生物在地下水和地表水的相互作用中发挥着重要的生态功能.2.2接触尺度在接触尺度

10、上交错带内地表水和地下水最明显的水力联系是通过水文交换实现的,并受地形特征和河道形状及其水文特征的影响.通常,在水塘的末端减小河流深度可以迫使地表水向下流入沉积物并置换其中的孔隙水(图2)3,这已被示踪实验所证实.水平流进入或离开河岸砾石层对于穿过河床的上升或下降流具有同样重要的意义3.在任何接触尺度上,不同的长度,方向,速度上流动路径比较混乱,主要是因为河流与含水层的水交换是水平和垂直的,而在实质上水流动力学是三维的,因此如能建立三维水文模型,对于接触尺度上的水文交换作用将具有十分重要的意义.2.3流域尺度Stanford&Ward提出了"交错走廊"(Hy

11、porheic第1期滕彦国等:地表水一地下水的交错带及其生态功能3Corridor),并强调了交错带与流域之间的联系和相互作用.冲积平原水流动路径和滞留时间控制了交错带生物多样性和生态系统的新陈代谢."交错走廊"可以判别汇水盆地的几种水文过程:(1)主河道中生产者受富养分上升水流的严重影响;(2)滨河带的结构和水动力学特征反映了交错带的流场;(3)水文学交换和联系的空间和时间变化促进了景观内的生物多样性.在景观水平,流域内的变化可能与沉积物的地质条件控制和径流及排泄作用有关D蚓,与母岩相关,沉积物水力传导系数的差异指示了交错带的规模及地下水与地表水交换的速率.3地下水一地表

12、水交错带的作用过程交错带的物理,化学和生物条件使通过交错带的水具有一定的渗滤作用3,在大部分交错带中三种渗滤作用往往同时发生或先后发生.交错带的作用过程对地表水影响的格局取决于控制交错带分布的物理因子,通过交错带的流量和发生在内的生物地球化学过程之间的相互作用_4.交错带内的物理渗滤作用最为明显(图3a),当水进入或流过交错带时,沉积物颗粒阻止泥和颗粒物质的流动3.交错带的边界由于地表水和地下水交换的体积和深度的变化而处于波动状态,在丰水期,以地表水进入交错带为主,在枯水期,以地下水进入交错带为主.其次是生物渗滤作用(图3b),在某种意义上,生物渗滤作用类似于污水处理厂的过滤器L4¨

13、,溶解在地表水或地下水中的营养物质被附着在沉积物上的生物膜吸收或转化2.'孔,生物渗滤的效率与微生物活性有关,近地表的无脊椎动物主要依赖于生物膜营养物质才能进入食物链4引.由于交错带中以生物膜为介质的生物学吸收能够去除水中的污染物质,并影响着营养元素及污染物的生物地球化学循环.另外一种渗滤作用是化学渗滤作用(图3c),化学渗滤作用主要受交错带中化学条件的控制,而且由于化学条件的变化导致溶解的金属和矿物发生沉淀4引.由于进入交错带向上和向下水流的温度,pH,Eh,溶解氧和硝酸盐存在着一定的差异,因此不同的水流混合后会发生一定的化学作用4,可以通过混合模型分析溶质迁移的动力学过程.此外,由

14、于交错带内物理化学和生物学梯度的存在,交错带的生物地球化学过程影响着地表水的水质.影响交错带内化学作用过程主要有两个条件:(1)进入交错带的水量较多,停留时间足够长;(2)当水通过交错带时,化学反应(变化)的速率较高.a.物理渗滤b.生物渗滤C.化学渗滤_,=,.,-,图3交错带中的三种渗滤过程Fig.3.Threeinfiltrationprocessesoccuringinhyporheiczone.4地表水一地下水交错带的生态功能交错带被誉为河流的肝脏4,因此交错带对很多河流生态系统的意义重大6z.48,交错带生境包含多样化的,丰富度很高的动物区系,常常控制着河流的生物生产力4.地下水与

15、地表水交错带的作用主要体现在缓冲作用,提供生物栖息地,提供食物,提供残留物种的保护区等.4.1缓冲能力地下水与地表水交错带的缓冲作用主要有化学缓冲作用,热缓冲作用和时间缓冲作用.化学缓冲作用(或净化作用):当地表水补给地下水时,其中的有机污染物和碎屑物可以被沉积物捕获,这些物质被捕获后,沉积物中细菌的催化可以降低化学物质的毒性或将化学物质转化为可利用的养分.在污染的含水层中,很多贮留在地下水和沉4地球与环境积物空隙中的细菌和微生物可以发生分解作用和反硝化作用【7.时间缓冲能力:泛滥平原滨河带的河流含水层,通常也称"漫滩蓄水区",在水位快速上涨时,河水进入交错带因而提供了重要

16、的缓冲作用.水位提升通常是由暴雨,积雪快速融化或上游水库的放水所引起.热缓冲:由于地下水的温度相对恒定.在夏季,由于地下水温度较地表水温度略低,因此地下水排泄进入地表水时可以导致地表水温度的下降,而在冬季则相反.4.2提供生物栖息地交错带形成了微生物,无脊椎动物,鱼类和其他野生生物的重要栖息地.洪积平原沉积的砾石形成了重要的水力学连通的网络结构,交错带的这种特征形成了动物群落栖息的环境m.地表水常携带丰富的氧流人氧的生物可利用性差的地下水环境,这促使在地表水一地下水交错带形成了独特的生物多样性组合.未被污染的交错带,其中的无脊椎动物的多样性较高.4.3为生物提供食物地下水一地表水的交错带在水生

17、食物网中发挥着重要的作用.栖息在交错带(HZ)的大型无脊椎动物和周期性的底栖生物的生命循环为鱼类提供了全部或部分重要的食物来源.地表水流人交错带为地下水生态系统中的微生物活动提供了重要的食物(有机物),沉积物孔隙为颗粒有机物提供了滞留空间引,存储在沉积物上的有机物被地表水携带至交错带并进入到地下水.4.4成为残留物种的保护区由于生物栖息地不断被破坏,整个地表水系统只有少量分散健康的斑块适于生物栖息,由于这些健康的场所可以为危险的水生生物提供保护区,因而这些场所被称为残留物种的保护区.孔隙空间为物种提供了在高排泄区,干燥,高温,低温威胁期间的临时避难场所,同时也为昆虫及鱼类的不活动生命阶段如蛹,

18、卵等提供了保护.5地表水一地下水交错带的影响因素地表水一地下水的交错带主要受自然因素和人为因素的影响.5.1自然因素地下水与地表水的交错带主要受地形,水文地质,气候三方面的制约,直接影响地下水流的动态,水位的高低,两者的交换方向和强度.5.1.1地形影响自然情况下,在地形不规则的区域,地下水流形成了不同维度,不同幅度的复杂系统.一般情况,在以非溶岩为主的基岩山区,地形起伏,河床切割深,河流坡度大,有利于地表径流的形成和地下径流的水平排泄,含水层主要为风化裂隙和构造裂隙,调蓄能力差,通过泉水排泄于河道;岩溶山区,基岩以石灰岩,白云岩,大理岩等可溶性岩为主,广泛发育溶隙,溶孔,溶洞和地下河等,地下

19、水埋藏较深,水位变化大,调节能力强,河流人渗补给地下水;平原和丘陵区,地表分布第四纪松散沉积层,河水和地下水互有转化.对于较大尺度的地下水与地表水的相互作用,考虑地形特点,Larkin和Sharp将河流一含水层系统划分为地下水与河水平行流动为主(underflow),地下水与河水垂向流动为主(baseflow),混合流动(mixed)三种情况.一般情况,在河流坡降较大,扭曲度较小,河水较宽较深,切割含水层较少时,以水平流为主;相反,以垂向流为主;当流域坡度和河流坡降基本一致或河流坡降可忽略不计时,发生混合流【水文地质影响水文地质因素的影响主要有河水与地下水水位,含水层介质的均质和

20、非均质,各向同性,各向异性,河床沉积层透水性,河流对含水层的切隔程度等.由于地下水与河水的水位差,形成的地下水流并非按区域均匀分布,在接近河流处水流量最大,随后距河流越远,水流量呈指数式下降引.多孔介质的各向异性也会影响这种水流模式,随着各项异性的加大,水流流动的区域范围扩大,在远离河流处,流量呈非线性减少.河床的非均质性也影响着河流与含水层的渗漏模式,如河床底部高渗透性的介质能够提高河水与地下水的转化量.5.1.3气候影响Brunk和Gonser【2概括了降水对河水与地下水的影响,认为在降水较少时,基流是地下水与河水的主要排泄量;在降水较多时,地表和地下径流渐渐增加,提高了较低处河流的水位,

21、由河水排泄地下水转变为河水补给地下水.在洪水季节,河水向河岸渗漏,降低了河水水位并补给含水层,河水排泄量的第1期滕彦国等:地表水一地下水的交错带及其生态功能多少取决于洪水持续的时间,地形的高低,河床渗透性和河岸储水能力.在干旱季节,河岸储水补充河水水位的下降.河流季节性的变化同样影响着水质的变化特点.枯水季节,不仅河水流量减少或干涸,而且也降低了河水对污染物的稀释和净化功能,随着地下水开采量的增加,不断向纵深发展.Ryan等L3研究了傍河含水层蒸发对污染物运移的影响,观察到由于蒸发作用使地下水流补给湿地,同时地下水中的污染物也相应的在湿地中富集.5.2人为因素胁,并导致水力传导性的降,l5=-

22、,交换过程的变化以及有毒和有机物质的污染.人类活动对交错带的影响通常有两种方式s引:一是由于水的交换受到破坏而影响了系统问组分的迁移,二是由于无脊椎动物和细菌受到毒害而直接破坏了生物的活动性,而这两种影响方式常相互作用.地表水与交错带之间经常由于孑L隙的堵塞而中断,此时环境条件变为厌氧,因此抑制了动物群落和需氧微生物的活动L2.人类的矿业活动,工业活动,城市建设,水利工程,农业生产,林业开发等活动对交错带造成了严重的影响,并制约了交错带的生态功能的发挥口引,人类活动对交错带的直接和间接影响见表1.地表水一地下水的交错带常受人类活动的威表1人类活动对交错带的直接或间接影响"Table1

23、.Directorindirectimpactonhyporheiczonebyhumanactivities人类活动潜在的影响建坝形成上游非流动区域,下游沉积物缺水和动物群落迁移及河道的壁垒水库释放冷水或者温水交错带内物理化学条件的改变,通过涌进的大型植物交换的改变修渠和筑堤河流取直,流速降低及向下,河流于河漫滩的分离河流的调节和地表水的开采交错带及其周围栖息地之间自然水文交换的改变冲击平原上开采地下水地表水中污染物在交错带的滞留时间减少使其快速流人河漫滩地区的采沙和采矿降低了冲击层中地下水的水位,平行于河流的水流路径破坏来自农业,森林,道路,采矿区和城市地区泥的冲刷堵塞沉积物的空隙,产生厌

24、氧条件由于施肥,排水,燃烧及家畜等造成富营养化地表水中藻类的繁殖,导致表层沉积物沉积河流防护栏失败营养及颗粒物增加,泥的再悬浮,砾石的压实,破坏了滨河植物,杂草丛生渗透性的灌溉沟渠增加了污染物进入地下水的风险,使地下水和地表水的流人损失改变了交错带的物理化学条件,潜在地影响了生物膜并使形成不适合无脊椎动物生采矿和农业导致河水和地下水盐化活的条件外来物种改变了砾石的分布,改变了河流中营养物质的输入和输出滨河区地下水流量规则性的变动,河流阳光的增加导致藻类的大量繁殖及交错带中为了农业,林业及城市美化而清除岸边植被温度的升高除草剂和杀菌剂污染可能毒害空隙中的细菌,滨河植被,水生藻类及有助于交换的水生

25、植物杀虫剂污染交错带中微生物和无脊椎动物中毒来自于_T业,城市及采矿活动的重金属和化学污染交错带中微生物和无脊椎动物中毒酸雨及矿坑水使酸度增加改变了交错带的物理化学条件及降低了溶解金属的沉淀,可能不适合动物群落栖息6值得关注的几个问题地表水一地下水的交错带是研究地下水与地表水相互作用的桥梁和纽带,也是生态水文学的重要研究内容.目前人们已对交错带的结构,影响因素,交错带的作用过程,生态学功能和意义有了一定的认识,为进一步开展交错带研究提供了重要的基础.在以往人们重视对河流生态系统及河水与地下水的相互作用研究的同时,近年来人们对湖泊,湿地,港湾,水库等其他地表水与地下水的相互作用研究也十分重视2,

26、并在流域水资源规划,生物多样性和珍稀物种的保护,流域生态系统管理等多方面发挥着重要的作用.正如Stanley和Jones所指出的,20世纪90年代对地下水和地表水的交换过程的研究趋势不断增长,特别是对物理(水文)过程和生物地球化学地球与环境2007拄过程的关注.而地下水和地表水相互作用研究的前缘则是交错带中水,溶质,能量的交换过程以及深刻理解这些过程进行生态结构评价和生态系统管理.要实现上述目标,必须加强对交错带1234E56E7891O1112131415161718192O212223过程的模拟,交错带的野外观测方法和室内实验模拟方法,交错带内物理作用,化学作用和生物作用的机理及其对生态系

27、统的影响,交错带的生态功能的研究.参考文献JanauerGA.Ecohydrology:focusingconceptsandscalesJ.EcologicalEngineering,2000,16:916ZalewskiM.Ecohrodrology-thescientificbackgroundtouseecosystempropertiesasmanagementtoolstowardsustainabilityofwaterresourcesJ.EcologicalEngineering,2000,16:18MasakiH,DonaldOR.Effectsofgroundwatere

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