长江中游四湖地区地下水动态观测与潜在威胁分析

长江中游四湖地区地下水动态观测与潜在威胁分析

通过大坝建设对水库和长江中心、下游甚至河口周围生态环境的影响非常复杂。长江中游平原地区,包括江汉平原、洞庭湖和鄱阳湖区,自然资源丰富,开发历史悠久,是我国粮棉油和多种经济作物的重要生产基地。但该地区地势低洼,湖泊众多,河流纵横,洼地相间,大小湖泊星罗棋布。致使该地区土壤潜育化沼泽化十分普遍,成为限制该地区农业生产发展的一个重要因素。中国科学院受国家科委委托,组织有关单位科技人员,从“六五”至“八五”期间,针对长江对中游沿岸平原地下水动态影响、土壤潜育化沼泽化的形成、发展趋势以及综合改良措施等进行了系统的研究,为今后三峡工程开发和治理提供科学依据和途径。1影响土壤潜育化—长江对中游平原湖区地下水动态影响定位观测三峡水库建成动行后,由于1～4月水库下泄流量增加,坝下长江中游水位将调高1～1.5m,这就有可能抬高沿江平原的地下水位,进而加重沿江平原地区土壤潜育化—沼泽化。但究竟能使地下水位抬高多少?影响范围有多大呢?在影响土壤潜育化沼泽化的众多因素中,长江的影响占多大比重呢?我们选择了长江中游四湖地区作重点研究区域。通过地质勘察和长期地下水动态观测,查肖了长江与承压水有着密切的水力联系,承压水与潜水亦有密切联系。我们进一步选择了不同的分析方法,对龙口地区长长江水位、承压水位、潜水位、降水量和蒸发量长达5～6年的观测资料进行了分析。并对不同方法得出的结果进行了对比研究。1.1承压水与开压水间的联系经线性相关分析得出的结果为:其中:S为观测点到长江的距离,单位:km;△H为长江水位的变化,单位:m;△Y为相应的承压水位的变化。根据此式,可由长江水位的变化和距离估算出相应的承压水位的变化。1～4月长江水位抬高1m,则可使承压水位在0～0.3km处抬高1～0.22m;在0.30～2.25km处,抬高0.22～0.05m;在2.25～5.25km处,抬高0.05～0.06m;在5.25～7.4km处,抬高0.06m。长江对四湖地区承压水的影响范围和强度也可用地下水相对水位变幅K描述。K即是地下水水位变幅与河流同期的水位变幅的比值,0<K<1。在龙口地区,K值为由此可推知,沿长江0～2km一带,即当0<S<2km时,K≥0.1,可以认为长江对承压水的动态有强烈的影响;当2<S≤7.8km时,0.05<K≤0.1,可认为有明显的影响;当7.8<S≤21km时,0.02<K≤0.05,仍然有影响;S>21km时,可认为基本上没有影响。承压水与长江水位的相关系数(判定系数)亦随着远离长江逐渐减小,从0.906逐渐减小到0.159,说明长江与承压水的联系程度随着距离的增大而逐渐变小。相关分析还表明,在四湖地区大部分地段,潜水与承压水的联系是相当密切的,它们之间有很强的补排关系。潜水位Y与承压水位X有简单线性相关关系:Y=ax+b.如在龙口L12孔组有:Y=0.84x+3.85,L17孔组有:Y=0.75x+6.01;在石码头Ⅱ-1孔组有:Y=0.7x+6.92,在Ⅱ-2孔组有Y=0.70x+6.42。1.2峡水库运行影响承压水的主要因素为了研究影响地下水动态变化的众多因素中那一个是主要的,那一个是次要的,我们分别对月平均承压水位、月平均长江水位、月降水量、月蒸发量以及月平均潜水位、月平均承压水位、月降水量、月蒸发量作了两组四变量自回归分析,建立了相应MVAR模型。结果表明:(1)承压水对于模型的最佳阶数均不高于3,即三个月,表明模型为季节性模型;同时,在不同地段,影响承压水位动态变化的主导因素是不同的。在龙口地区,距长江宽约8km的范围内,承压水动态主要受长江的补给和水力传递;在长江与内荆河之间的中间地带L6,L7,L8及L12孔一带,由于地势低洼,地下水位长期过高,且离长江和内荆河相对远些,地下潜水位动态主要受人为影响(如排灌等)的控制,降水、蒸发和长江都是较次要的因素;在靠近内荆河一带,内荆河的影响是主要的,其次是降水和蒸发。(2)对于潜水,除L4-1孔组最佳阶数等于3外,其余各孔组最佳阶数均为1。6个孔组的计算结果均显示出潜水与承压水有极强的相关关系。综上所述,用不同方法的分析得出结论是:(1)长江对沿岸平原地下水影响程度随着距离的增大而逐渐减弱。(2)在不同地段,影响承压水动态的主导因素是不同的。在沿长江0～3km一带,长江是控制承压水位的主要因素,降水的影响次之;在3km以远的洼地中央地带,长江的影响逐渐减弱,降水与蒸发的直接影响较明显,主要受人工排灌的控制;而在紧靠内荆河一带,内荆河的影响是主导因素。(3)在大部地段,承压水与潜水的联系十分密切。(4)因此,三峡水库运行后,1～4月长江水位抬高对地下水的影响,0～3km一带影响强烈,3～8km一带有明显影响,8～12km一带影响微弱,21km以远无影响。一般影响范围10～15km。(5)对承压水的影响必然涉及到潜水,从而将加重部分地区的土壤潜育化—沼泽化。2“四水”对土壤潜育、沼气影响的评价及其发展趋势2.1沼公土水土流失源地洞庭湖和四湖地区地势低平,有许多大小湖泊及其周围地区的碟型洼地组成的泛滥平原,由于长江及其支流每年夹带大量泥沙在此沉积,加上人类耕垦,促使地面与湖底逐渐淤高,湖泊逐渐封淤,水面缩小,湖泊沼泽化趋势明显,大大减弱了调蓄能力,涝渍灾害频繁,土壤潜育化普遍发生,对农业生产带来不利的影响。由于受泛滥的影响,地形由沿江河地区向湖洼地区逐渐倾斜变低,土壤类型呈有规律分布,由灰潮土到水稻土,水稻土中有渗育水稻土演化为潴育水稻土,地形低洼、排水不良地段为潜育水稻土,滨湖滩地为沼泽土。由于地形高低而土壤水分状况不同,“四水”对土壤的影响也不一样,故其土壤类型和特性也都不同,直接影响了土壤肥力与耕作复种指数的高低,适种作物有旱作、有水旱轮作、只能种植水稻,而沼泽土只能生长湿生性植物或挺水植物。随着水利条件的改善,土壤排除积水,沼泽—潜育水稻土逐步脱潜育,在人为培肥措施下,最终形成肥沃的潴育水稻土,地下水位也将由低于30cm降至80cm以下,土体构型由Ag-G型向A-Pg-G,A-P-Wg-G,A-P-W-Bg型演化;旱季氧化还原电位由小于200mV逐渐提高到300mV,甚至500～600mV。四湖与洞庭湖地区土壤沼泽、潜育化的演变是在自然因素和人为耕垦综合影响下发生不断的变化。我们根据1991年1月份卫星磁带,经计算机转绘合成彩色图象(比例尺为1/250000),然后在典型地段进行土壤调查核对,并参考当地土壤普查成果图件,编绘到相同比例尺的地形图上,形成土壤现状分布图二幅(四湖、洞庭湖地区),经量算与典型地段相核实,计算出潜育水稻土15.9万hm2,沼泽土8.4万hm2。2.2地下水位受影响的程度三峡建坝后,“四水”对该地区土壤的影响将发生较大的变化。枯水期长江增泄量的提高影响1～4月份四湖地区潜水位或多或少都有所抬升,潜水位起落幅度变小,改变了地下水动态的长期性态,对土壤潜育化程度本来就十分严重的四湖地区来说,总体上是不利的。至于其对土壤潜育化沼泽化的影响程度,不同地段有所差异。一方面取决于1～4月份潜水位抬高的幅度,另一方面取决于该地段原来的潜水位埋深。其中,以沿长江0～10km原来潜水位埋深又小于0.5m的地带受影响的程度最深,如江陵县沿江2～5km一带,石首市的江北部分,监利县大垸农场和朱河周围区域,洪湖市龙口至新滩口沿江2～8km一带。其他潜水位埋深大于1m的近岸地带,虽然潜水位抬高的幅度亦较大,但二者叠加达不到0.5m,对土壤潜育化基本上无影响。在江陵县资市、熊河一带,监利西北至洪湖小港农场沿内荆河以南5～10km宽的广大区域,虽然离长江稍远,约7～20km,建坝后潜水位抬高幅度不大,约0.06～0.02km,但由于其原来的潜水位埋深就已小于0.5m。由于土壤演化对地下水位的升落极为敏感,故其影响不容忽视。枯水期长江增泄量的提高也将影响洞庭湖地区的低洼圩垸田,尤以东部与“三口”地区最为明显,影响土壤脱潜育进程,对旱作物引起渍害,根据建坝后枯水期流量的变化,计算出洞庭湖地区主要水文站水位的变化,并依据“四水”对土壤的影响特点,在编制土壤图的基础上编制了土壤潜育化、沼泽化潜在威胁图,据量算沼泽化潜在威胁面积为9.8万hm2,潜育化潜在威胁面积61.5万hm2。3潜育化、沼泽化模式下土壤改良措施洞庭湖和四湖地区低洼圩垸田的低产土壤主要是潜育水稻土,分布广,面积大,是阻碍该地区农业生产持续发展的重要因素,因此,改良这些低产土壤,成为该地区提高生产力的一项极其重要的任务。为此,我们在该地区进行了有关的改土培肥试验示范工作,为不同类型潜育化和沼泽化土壤的改良利用提供和积累了经验和数据。试验结果表明,对不同类型潜育化、沼泽化土壤应因地制宜,改良利用。首先要采取水利工程改良措施,搞好流域性骨干工程的同时搞好农田水利配套工程,包括加固围堤,联圩并圩,田、林、路、桥、沟、渠、闸、涵、站等配套,达到既能抗御洪涝灾害,又能灌能排,控制地下水位,这将为建成高产稳产农田打下基础,特别是原来的一熟沤田的产量将成倍增加。在采取生物改良措施中,对重潜育土壤应退田还湖(塘),种植水生经济植物,或者采取垄稻沟鱼和稻鱼鸭优化种养模式;对中等潜育土壤主要