长江对地下水位变化对土壤潜育化的影响

长江对地下水位变化对土壤潜育化的影响

三峡是世界上最大的节水电工程。这是充分考虑长江中下游防洪问题的一项重要措施。同时，它还具有巨大的经济和生态效应，如发电、运输、灌溉、水产养殖、旅游、环境保护、环境清洁等。开发移民和江南水城。但三峡水库调度方案运行后,坝下江段各月径流量也将发生显著变化,从而会影响到长江中下游地区地下水位的变化,进而影响到土壤潜育化沼泽化进程。在此针对长江水位变化对洪湖地区地下水位的影响、地下水位变化对土壤潜育化沼泽化的影响进行了系统的研究,为研究三峡工程对长江中下游地区生态环境影响提供了科学依据和有意义的借鉴。1自然旅游区域洪湖地区地处江汉平原东南,北临东荆河,南抵长江,西面的洪湖与荆北水系相连,东北与汉阳接壤。全境是古云梦泽的一部分,地势平坦低洼,受汉江洪水冲击影响,地形两边高、中间低。境内河流纵横交错,湖泊星罗棋布,为发展农业和水产养殖提供了有利条件。该区域为亚热带大陆性季风气候,雨量充沛,温暖湿润,四季分明。年均气温16.6℃,1月(最冷月)平均气温3.7℃,极端最低气温-12.8℃;7月(最热月)平均气温28.9℃,极端最高气温39.6℃。年平均降水量1321.3mm,无霜期266.5d。2水库监测孔的布设三峡建库后,根据正常蓄水位175m方案的水库调度方式,每年1～5月为枯水期,6～9月为汛期。枯水期为腾出防洪库容,下泄流量将增加1000m3/s～2000m3/s,坝前水位也将降至防洪限制水位145m。汛期在无大洪水时,坝前水位将维持在145m运行;当出现特大洪水时,水库为削减洪峰,坝前水位将有所抬高,洪峰过后,库水位仍降至145m运行。汛末10月起,水库将充水到正常蓄水位175m,在枯水年份这一充水工程将延续到11月份,在此充水过程中,水库的平均下泄流量为10000m3/s,较建库前减小约3000m3/s～6000m3/s,减少比例达40%。选择洪湖地区的石码头至小港一线作重点研究区域,在该区域布设了5组10个地下水长期监测孔。观测孔的布设路线垂直于长江,与长江的距离分别为1.5km、3km、5km、8.5km、13km,代号分别为A、B、C、D、E。监测孔深度分为两类,承压水监测孔一般深度在35m左右,潜水监测孔深约在5m～7m之间。各孔地理布局见图1。地下水位数据即为上述各监测孔监测的1999～2008年承压水位与潜水位数据;长江水位数据采用该区域江段的螺山水文站监测的1999～2008年水位流量数据。2.1b各观测孔间的地下水位月距平值变化量表以往研究表明,长江河道流量季节性的变化将显著影响到长江中下游地区地下水位的变化。为了分析长江和地下水位之间的定量关系,采用长江水位月距平值(各年月均水位与多年月均水位之差)及各地下孔水位月距平值来建立定量关系模型。以长江水位月距平值(x)为自变量,地下水位月距平值(y)为因变量的线性回归方程如下:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪y1y2y3y4y5⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪a1a2a3a4a5⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪x+⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪b1b2b3b4b5⎫⎭⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪{y1y2y3y4y5}={a1a2a3a4a5}x+{b1b2b3b4b5}其中:y1、y2、y3、y4、y5分别为各观测孔的地下水位月距平值;x为长江水位月距平值;a1、a2、a3、a4、a5为自变量系数;b1、b2、b3、b4、b5为系统误差值。利用1999～2008年的长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各孔的线性回归方程如下:A承压孔:y=0.0784x-0.0008A潜水孔:y=0.1250x-0.0012B承压孔:y=0.0602x-0.0006B潜水孔:y=0.0767x-0.0012C承压孔:y=0.0749x-0.0040C潜水孔:y=0.0624x-0.0005D承压孔:y=0.2223x-0.0011D潜水孔:y=0.0543x-0.0028E承压孔:y=0.0139x-0.0009E潜水孔:y=0.0081x+0.0010方程中,自变量系数(斜率)反映了长江月均水位距平值每改变一个单位而产生的地下水位月距平值变化量,常数项(截距)反映了系统误差。所有方程的截距值均小于0.02,小于斜率的1/10,表明方程系统误差较小,可以很好地反映二者的关系。应用上述定量关系模型计算长江水位月距平值改变量导致地下水位月距平值的改变,计算结果见表1。从表1可以分析得出,在距离长江1.5km～13km的范围内,长江月均水位每改变1m,地下水位相应增减0.01m～0.25m。而且,随着A、B、C、D、E各孔离长江的距离由近及远,其承压水位随长江水位的变化也逐渐减小。2.2由不同的流场分布影响为了进一步说明长江对地下水动态的影响范围和强度,引用了地下水相对变幅K,即地下水位变幅与河流同期水位变幅的比值(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—各承压孔月均水位年际变幅,ΔHij—长江月均水位年际变幅。计算结果A、B、C、D、E各孔K值分别为0.1364、0.1132、0.1355、0.1155、0.0823。各孔K值与S之间的线性关系可描述为:K=-0.0049S+0.1516,(R2=0.899)其中:S为观测点到长江的距离,km;据此方程可知,当K=0.05时,长江的影响距离S为21km;当K=0.02时,S达到27km。也就是说,按照何报寅等(1999)的评价标准,可以得出长江对承压水有明显影响的距离在21km以内,而长江对承压水有影响的最远距离可达27km。对长江水位与各孔承压水位和潜水位分别作相关性分析,相关系数见表2。从表2可以看出,除E孔外,其余各孔无论是承压水还是潜水与长江水位之间的关系非常密切,并且与潜水的相关性甚至大于承压水,其值随着远离长江逐渐减小,说明长江与承压水和潜水的联系随着距离的增大而逐渐变小。由于E孔远离长江,且距洪湖仅1km,因此其受洪湖的影响比较大。C孔与长江相关系数大于B孔,仅次于A孔,这是C孔距离内荆河比较近所导致。3基本理化性状对土壤水分的影响上述研究反映了长江与地下水之间的定量关系,为进一步研究地下水的变化对土壤潜育化的影响,做如下模拟实验:取洪湖市小港农场水稻土耕层土壤(0～20cm)作为实验样品,该土壤有机质含量较高、土壤呈中性、潜育化程度较高,采样时土壤中可见明显的青泥层。土壤样品的基本理化性状见表3。通过土柱模拟实验,研究地下水对洪湖地区土壤潜育化指标的影响。将60cm的土柱分4层,最上面0～20cm为第L1层,其下每10cm为一层(分别记为L2、L3、L4),分别对每层所取样品进行潜育化指标测定。实验结果(图2)表明,在温度、降水、土壤基本性质等培养条件一致的情况下,随着地下水位埋藏深度增加,土柱各土层Eh不断升高,还原物总量、活性还原物、亚铁、二价锰以及土壤含水率均不断降低。由此可见,土壤潜育化沼泽化的程度与地下水水位成正相关关系。由于表层土壤受外界影响较大,因此其土壤潜育化指标比深层土壤差异大。实验表明,地下水对各土层的潜育化指标均有显著影响,地下水位较浅时,土壤表层潜育化指标受影响较大;地下水较深时对深土层土壤影响更大,淹水土层的潜育化指标明显高于未淹水土层。4潜育化土壤指标土壤潜育化根据程度不同可将其划分为4个等级:沼泽型、重潜育型、中潜育型和轻潜育型。通过对洪湖市2000年TM遥感影像进行土地利用分类(图3),估算得水田面积约占洪湖市总面积的48.4%,其分布遍布全市。潜育化、沼泽化土壤主要分布在地势低洼的河湖浅滩和水田,根据第2次全国普查等资料可知,洪湖地区沼泽—潜育土壤面积占水稻土面积的百分比,即所谓潜沼率为43%。由此可计算出洪湖市土壤潜育化总面积为524.25km2,占洪湖市土地总面积的20.8%。近年来,人们意识到了大量围湖造田仅带来短期经济效益,从长期来看增加了洪涝灾害的威胁,也破坏了生态平衡,因此部分沼泽型、重潜育型水田被改挖成鱼塘或退田还湖。通过对遥感影像分析估算得,截至2005年湖泊面积由2000年的293km2增加到305km2,增加了4.1%,主要是由潜沼型水田及滨湖浅滩转换而来。但仍有部分潜育化沼泽化土壤,由于地下水位高,田间渍水严重,土壤内渍、冷浸、通气差、潜在养分难以挥发,土地生产力不高,需开沟排渍。然而,由前文可知,三峡水库蓄水后,1～5月下泄流量的增加,不同程度地抬高了长江中下游地下水位,从而进一步影响到潜育化土壤指标的变化。使得重潜育型土壤向沼泽型发展,中潜育型演变为重潜育型,从而阻碍了洪湖地区土壤脱潜脱沼过程。从对遥感影像分析知这些区域主要分布在距离长江比较近、地下水位又比较高的洪湖市中部低洼地区。5水利工程对潜育化沼泽化的影响三峡水库修建后,只有在10月份蓄水时下泄流量才较建坝前有所减少,这有利于地表水、地下水的排泄,将会导致地表水、地下水位下降,使土壤朝脱潜脱沼化方向发展;相反,在枯水期(1～5月)下泄流量增加,长江水位上升将会使天然情况下枯水季节承压水向长江的排泄受阻,同时由于江水的顶托作用该地区地表水也会一定程度地上涨,从而也使潜水位部分地上涨,加速了土壤的潜育化沼泽化