某花崗巖地區(qū)地下水徑流模數(shù)變化原因初探

謝先明,徐 標,周志華,王 松,王 淵

(廣東省工程勘察院,廣東廣州 510510)

1 概述

地下水徑流模數(shù),也稱為“地下徑流率”,指的是一平方公里含水層分布面積上的地下水徑流量,表示一個地區(qū)以地下徑流形式存在的地下水量的多少。地下水徑流模數(shù)是一個動態(tài)值,與地層巖性、降雨量變化、水文地質(zhì)條件的改變等因素有關(guān)。

研究區(qū)位于華南中低山地區(qū),屬中亞熱帶季風氣候,冬春冷,夏秋熱,年平均氣溫 19.6℃;年平均降雨量 1 648.3 mm。森林覆蓋率達 78%,以經(jīng)濟樹種松、杉及其它雜木混生的次生林為主,局部邊遠山區(qū)還存在較小面積、已被設(shè)立為保護區(qū)的原始森林。其中,該地區(qū)人工速生林——桉樹的種植面積已超過 2 000公頃,毛竹面積有 2萬多公頃。

2 地層巖性及水文地質(zhì)條件

主要為燕山期花崗巖,屬南嶺花崗巖帶諸廣山巖體的一部分,區(qū)內(nèi)分布面積約 500 km2。巖性以花崗閃長巖、黑云母二長花崗巖為主,巖石深灰色,主要特征是多具中細粒均粒狀或似斑狀結(jié)構(gòu),白云母含量較高,局部地區(qū)巖性具中粗粒斑狀結(jié)構(gòu),粒徑 2～3 mm,斑晶含量 10%左右,以鉀長石居多,基質(zhì)主要是斜長石、石英和暗色礦物,黑云母含量高達 11～15%,含少許鉀長石及普通角閃石。

副礦物組合較為復(fù)雜,常見有磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、磷灰石、獨居石等副礦物,中生代巖體還普遍見有硫化物如毒砂、輝鉬礦以及螢石、白鎢礦、晶質(zhì)鈾礦等。

當?shù)鼗◢弾r風化程度不一,中粗粒斑狀黑云母花崗巖風化帶一般厚 30.0～50.0m,植被條件良好,巖體裂隙較為發(fā)育,有利于地下水的富集,地下水徑流模數(shù)一般 ＞8.0 L/s?km2。而大面積分布的細?；◢弾r或細粒斑狀花崗巖,風化程度稍低,風化層厚度較薄,普遍厚度為 10.0～25.0m,裂隙發(fā)育較少,多被泥沙質(zhì)充填,富水性較差,地下水徑流模數(shù)一般為 2.0～8.0 L/s? km2。

區(qū)內(nèi)地下水直接受大氣降雨入滲補給,沿表層風化層及基巖裂隙徑流,主要賦存于基巖裂隙中,以潛流形式分散排泄或沿節(jié)理裂隙以泉的形式集中排泄兩種方式排泄補給地表水。區(qū)內(nèi)泉點較為發(fā)育,但流量普遍較小,泉流量一般為0.01～0.7 L/s。據(jù)鉆孔及礦區(qū)泉點長觀結(jié)果顯示,花崗巖中地下水位及泉流量的季節(jié)性變化較為明顯,地下水位年變幅一般為 2.0～7.0m。

3 地下水徑流模數(shù)對比

3.1 1980年前后地下水徑流模數(shù)

上世紀 70年代末到 80年代初,該區(qū)進行了 1∶20萬水文地質(zhì)普查,為采用地下水徑流模數(shù)法(采用加權(quán)平均值,各點權(quán)值取控制面積占總測流面積的比例)進行地下水資源量的計算及評價,曾在該區(qū)域選取部分河流進行枯季流量觀測。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查成果,本地區(qū)花崗巖裂隙水富水性普遍較差,個別受斷裂帶影響或者是局部巖性較粗、風化程度較高且植被條件良好的區(qū)域富水性中等,地下水徑流模數(shù) ＞8.0 l/s?km2。大部分的區(qū)域則地下水徑流模數(shù) ＜8.0 L/s?km2,富水性較差、水量貧乏。見表 1。

表1 20萬水文地質(zhì)普查地下水徑流模數(shù)統(tǒng)計表

3.2 新近調(diào)查地下水徑流模數(shù)

因客觀條件的變化,直接采用 1∶20萬的水文地質(zhì)普查成果已不能滿足當前工作的要求。出于工作需要,2010年在該區(qū)部署了新的水文地質(zhì)調(diào)查工作。

前人的觀測點大多控制面積較大,本次調(diào)查工作在初步設(shè)計時,仍選取當年測流位置或附近作為新的流量觀測點,目的為方便進行對比及評價。然而,在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),山區(qū)小型水電站發(fā)展較快且無序,枯水期流量在 60 l/s以上(甚至更小流量),有一定落差且有條件蓄水的河流,幾乎都已經(jīng)建設(shè)成為水電站并蓄水,在河系較為復(fù)雜的地區(qū),部分河流甚至因多級電站的建設(shè),河流已經(jīng)完全溝渠化,這些都直接影響了河流的客觀流量,失去了觀測的意義。本次調(diào)查所選取的測流點,已無法與前人的測流點相重合。

因此,項目進行過程中,及時調(diào)整了工作部署,盡可能避開深大斷裂帶及蓄水工程的影響,分別控制原觀測河流的上游區(qū)域。并于 2010年 1月 ～2月,在該區(qū)選取 18條河流進行了枯季流量觀測。測流結(jié)果如表2 所示。

表2 2010年新測流點地下水徑流模數(shù)統(tǒng)計表

3.3 變化情況分析

從表 1及表2 可見,上世紀 80年代地下水徑流模數(shù)范圍值為 2.845～11.520 L/s?km2,加權(quán)平均值為 6.272 L/s?km2;新近測流點地下水徑流模數(shù)范圍值則為 1.879～10.739 L/s?km2,加權(quán)平均值為 4.931 L/s? km2。 對比兩次觀測成果,新近測流點加權(quán)平均地下水徑流模數(shù)比普查時減小了 21.38%。

花崗巖地區(qū)的地下水主要來自于降雨直接入滲補給,而河流的補給來源于地下水的排泄及降雨形成的地面徑流補給。枯季時降雨量大幅減少,河水主要依賴于地下水的排泄補給。地下水在基巖裂隙中徑流時,部分地下水通過泉點或散流進入地表河流中,在局部地區(qū),還有一部分地下水會沿深大斷裂或延伸較深的基巖裂隙進行深部循環(huán),因此各測流點枯季所測得的河流量,并不能完全代表該區(qū)域的地下水徑流量,特別是當所測河流流量較小時,深部潛流流量占所在區(qū)域地下水流量的比例會相應(yīng)提高,河流流量與地下水量的不一致性會表現(xiàn)得更加明顯。因此,偶測的流量值并不具備普遍意義,不能僅憑一次測流而對區(qū)域地下水狀況下定論。

但是,在野外調(diào)查過程中,當?shù)孛癖娖毡榉从辰陙矶竞恿魉繙p少、泉點流量變小甚至干涸、井水位下降等較為明顯(即使非干旱年份也如此),村民普遍認可桉樹種植對當?shù)氐牡叵滤嬖谪撁嬗绊憽Ｕf明該區(qū)地下水狀況的確發(fā)生了一定程度的改變?；诖?筆者認為,本次偶測的地下水徑流模數(shù)較 30年前有所下降并非偶然,而是在一定客觀因素影響的情況下發(fā)生的自然變化趨勢。

4 地下水徑流模數(shù)變化原因分析

綜合分析認為,導(dǎo)致該區(qū)地下水徑流模數(shù)比三十年前有明顯降低的原因有：

4.1 降雨量的變化

上世紀進行 1：20萬水文地質(zhì)調(diào)查時,當年降雨量為1 592.3 mm,接近當?shù)囟嗄昶骄涤炅?僅偏少 3.4%。2010年調(diào)查時,其地下水補給主要來自于當?shù)?2009年的降雨量,該區(qū) 2009年總降雨量為 1 231.6mm,明顯低于當?shù)囟嗄昶骄涤炅?偏少 25.3%,與此相應(yīng)的地下水徑流模數(shù)則減小了 21.38%?？梢?降雨量明顯偏少,是導(dǎo)致 2010年地下水徑流模數(shù)調(diào)查成果明顯偏小的一個重要影響因素。

4.2 植被引起水文地質(zhì)條件的改變

4.2.1 林木物種的轉(zhuǎn)變

當?shù)卣疄樘岣叽迕袷杖?促進經(jīng)濟的發(fā)展,曾鼓勵當?shù)卮迕翊竺娣e種植人工豐產(chǎn)林——桉樹。部分次生林則轉(zhuǎn)變成了毛竹林。種植桉樹大多是通過火墾的方式(火燒后種植)進行,原有物種完全被桉樹所取代。

根據(jù)相關(guān)學者的研究,桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響主要有：①大量消耗水分的同時不能通過蒸散發(fā)補給大氣水分,水分循環(huán)受到影響,而間接影響到其他水文要素;②桉樹強烈的壓制作用使林下植被稀少,森林應(yīng)有的攔蓄洪水、削弱洪峰的作用被減弱,林內(nèi)降雨后地表徑流較大,易造成水土流失,且對土壤水和地下水補給也會相應(yīng)減少,影響枯水期徑流;③火墾方式種植桉樹,導(dǎo)致林區(qū)土地裸露,種植初期水土流失嚴重,大幅度降低涵養(yǎng)水源的能力。

也有學者研究成果表明,初生桉樹生長速率最快,吸水量也最大,短時段內(nèi)可能會出現(xiàn)降低地下水、減少地表徑流等不利情況。但隨著桉樹樹齡的增加,形成濃密的森林,從而減少地表徑流,更多的地表徑流得以攔截并下滲補給地下水,對地下水的影響會由消極影響慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極影響。

當?shù)卮竺娣e的桉樹林,均為最近幾年種植,還未成材,正處于吸水量大的初生階段,與村民描述的地下水變化現(xiàn)象相吻合。

大面積的次生林被毛竹林取代也會導(dǎo)致地下水徑流模數(shù)的減少。因人為干擾,竹林的單位面積植物量大幅度減少,降雨時林冠截留率降低,且竹林涵養(yǎng)水源的能力遠低于次生雜木林,比次生雜木林更易形成明顯的地表徑流快速排泄,有效攔蓄的水量減少,降低了林地降雨入滲補給地下水的有效量,并可能引起水土流失。

4.2.2 植被結(jié)構(gòu)的變化

多年的亂砍濫伐,整體的森林覆蓋率雖沒有減少,但成材林木大幅度減少,矮小灌木或茅草增加,導(dǎo)致植被層次結(jié)構(gòu)的改變。這同樣會在一定程度上降低林區(qū)攔蓄降雨及地表徑流、調(diào)蓄地下水資源量的能力。

4.2.3 耕作方式的變化

上世紀中期,隨著人口的大量增加,對耕地的需求也就顯得更為迫切。為了增加耕地,村民毀林開荒嚴重,大面積的林地被開墾作為旱地耕種。隨著計劃生育工作成效的顯現(xiàn)以及改革開放農(nóng)民工的大規(guī)模進城,當年大面積分布于半山的耕地現(xiàn)在已棄耕,棄耕后處于自然荒廢的狀態(tài),主要被茅草或小灌木所覆蓋,植被恢復(fù)較差,局部甚至出現(xiàn)沙化裸露現(xiàn)象,水土流失嚴重,造成有效攔蓄地表徑流入滲補給地下水及涵養(yǎng)水源的能力降低。

歸根結(jié)底,不管是林木物種的轉(zhuǎn)變,還是植被結(jié)構(gòu)的變化、耕作方式的變化,都在一定程度上直接或間接的改變了該區(qū)域原始的水文地質(zhì)條件,導(dǎo)致地下水初始狀態(tài)的改變,直接表現(xiàn)為地下水徑流模數(shù)的變化。

5 小結(jié)

根據(jù)新近調(diào)查的成果,與 30年前所測數(shù)據(jù)相比,該區(qū)地下水徑流模數(shù)有一定程度的下降,地下水資源量有所減少,與調(diào)查訪問的情況相一致。

綜合分析該地區(qū)地下水徑流模數(shù)的減小,是受降雨量減少、林木物種、植被結(jié)構(gòu)、耕作方式等多方面因素的共同作用所造成。

本次測流因受上游蓄水及河流溝渠化的影響,所選擇的河流較為短小,控制流域面積十分有限,受局部地層巖性及巖體裂隙發(fā)育的影響,所得河流流量可能大多為表層的地下水排泄量?；◢弾r地區(qū)較小的河流,其深部潛流水量所占比例偏大,導(dǎo)致測流計算所得的地下水徑流模數(shù)誤差可能偏大。

值得一提的是,眾多的專家學者或相關(guān)部門認為桉樹的種植不但不會造成地下水減少,還會有明顯的補給地下水,具有積極的水源涵養(yǎng)作用。本文主要對引起該區(qū)域地下水徑流模數(shù)變化的可能因素進行初步的探討,而對于桉樹的種植對地下水的影響程度還有待開展進一步的研究工作,在此不作評述。

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