江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)進展

李俊琦， 馬騰， 鄧婭敏， 杜堯， 王志強， 姜月華

(1.中國地質(zhì)大學(武漢)環(huán)境學院，武漢 430074； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，南京 210016)

0 引言

2001年美國國家科學研究委員會提出地球關(guān)鍵帶概念伊始，地球關(guān)鍵帶即被視為地球科學研究基礎(chǔ)六大機遇之首[1]。地球關(guān)鍵帶是指“靠近地球表面的、有滲透性的、介于大氣圈和巖石圈之間的地帶，垂直方向的范圍從樹的頂端往下直到地下水深層，由地表巖石-土壤-水-生物-大氣相互作用形成的不可分割、有機聯(lián)系、不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)”。地球關(guān)鍵帶是大氣圈、水圈和巖石圈的交匯帶[2]，是各個圈層進行物質(zhì)遷移、能量交換的主要區(qū)域[3]，具有調(diào)節(jié)自然生境、供應(yīng)維系生命各種資源的功能，同時也是人類生存和活動作用的直接對象，對人類的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[2]。在過去十幾年間，美國國家科學基金會和美國地質(zhì)調(diào)查局分別在環(huán)境梯度較大的地球關(guān)鍵帶建站觀測[4]，在地球關(guān)鍵帶地質(zhì)、地理和微生物填圖等領(lǐng)域開展了大量探索性工作。2006年歐盟發(fā)布土壤保護主題戰(zhàn)略(soil transformations in European catchments，SoilTrEC)，開展以土壤結(jié)構(gòu)為核心的地球關(guān)鍵帶調(diào)查和觀測[5-6]。法國、德國和澳大利亞也分別推出了地球關(guān)鍵帶提升計劃(critical zone programme of excellence，CRITEX)、陸地環(huán)境觀測計劃(terrestrial environmental observatories，TERENO)和超級觀測站點計劃(supersite network)[7-8]。2014年美國國家科學基金會公布其新的地球關(guān)鍵帶研究計劃，地球關(guān)鍵帶觀測站達到10個，并形成首個地表過程系統(tǒng)觀測網(wǎng)絡(luò)[9]。在上述工作基礎(chǔ)上，建立了覆蓋全球的關(guān)鍵帶研究網(wǎng)絡(luò)(critical zone exploration network，CZEN)，目前該網(wǎng)絡(luò)已包括100余個地球關(guān)鍵帶觀測站點。

我國開展地球關(guān)鍵帶研究相對較晚[10-11]，地球關(guān)鍵帶的概念最早是由土壤科學與水文土壤學領(lǐng)域引入我國[11-12]。目前，中國科學院已經(jīng)初步形成了由貴州普定—荔波喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站、江西鷹潭紅壤生態(tài)實驗站、陜西黃土高原觀測站和浙江寧波城市城郊地球關(guān)鍵帶觀測點等多個站點組成的地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，主要側(cè)重于不同自然地理(巖溶地區(qū)、黃土高原、紅壤地區(qū)和城鎮(zhèn)城郊)背景下小流域尺度物質(zhì)循環(huán)的地球化學過程觀測。近年來，我國地質(zhì)調(diào)查單位對地球關(guān)鍵帶的調(diào)查研究也逐漸重視并不斷深入，已經(jīng)成為地質(zhì)科學工作的主戰(zhàn)場[13]。針對地球關(guān)鍵帶的調(diào)查研究，Lin[14]提出了以填圖(Mapping)、監(jiān)測(Monitoring)和建模(Modeling)為基礎(chǔ)的“3M”體系作為解決復雜地球關(guān)鍵帶過程的方法體系，而如何將“3M”體系進一步整合從而形成符合我國實情的統(tǒng)一地球關(guān)鍵帶調(diào)查、研究范式，尚需進一步探索[15]。

江漢平原位于長江流域核心區(qū)，處于第一、三階梯過渡帶，是長江流過三峽后的首個大型沉積盆地。江漢平原堆積了200多m厚、以河湖相為主的第四紀沉積物[16]，構(gòu)成了該區(qū)重要的孔隙含水系統(tǒng)，同時連接了地球上最大的高原和海洋。在亞洲季風氣候控制下，河流攜帶大量的水沙，對流域地球關(guān)鍵帶的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成與循環(huán)產(chǎn)生重要影響。江漢平原作為長江經(jīng)濟帶的重要組成部分，是國家層面重點的生態(tài)功能區(qū)，也是國家重要的商品棉、糧、油生產(chǎn)基地，在我國，尤其是在長江中游地區(qū)的經(jīng)濟社會發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。但是，隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，特別是三峽工程、南水北調(diào)中線工程和引江濟漢工程等人類重大水利工程的影響下，江漢平原水資源供需矛盾愈加突出，地下水位下降、濕地退化和地下水污染等環(huán)境地質(zhì)問題日益嚴重和復雜[17]。因此，建設(shè)江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)，能從資源開發(fā)、環(huán)境保護、生態(tài)改善和災(zāi)害防治等4個方面服務(wù)社會需求，在為水資源開發(fā)和農(nóng)業(yè)活動提供建議、保障區(qū)域農(nóng)產(chǎn)品和水產(chǎn)品安全、評價重大水利工程的生態(tài)影響、防治區(qū)域冷浸田和洪澇災(zāi)害等方面，顯得十分迫切和必要。

為此，中國地質(zhì)調(diào)查局于2014年和2016年在長江經(jīng)濟帶地質(zhì)環(huán)境綜合調(diào)查工程下分別啟動了子項目“江漢平原重點地區(qū)1∶5萬水文地質(zhì)調(diào)查”和二級項目“漢江下游舊口—沔陽段地球關(guān)鍵帶1∶5萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查”，旨在為我國地球關(guān)鍵帶環(huán)境地質(zhì)調(diào)查體系的建立探索方法并積累經(jīng)驗。項目執(zhí)行5 a來，在建立江漢平原地球關(guān)鍵帶研究體系的基礎(chǔ)上，查明了江漢平原地球關(guān)鍵帶地下水-地表水演變、循環(huán)及其相互作用，建立了江漢平原地球關(guān)鍵帶地下水-地表水耦合模型，形成了地球關(guān)鍵帶微生物結(jié)構(gòu)及填圖技術(shù)方法，提出了長江流域地球關(guān)鍵帶綜合地質(zhì)調(diào)查和研究的初步規(guī)劃與設(shè)想，建成了江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。本文重點介紹江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計體系與建設(shè)進展。

1 江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)

1.1 建設(shè)目標

江漢平原水利工程密集分布。調(diào)水(如引江濟漢、南水北調(diào)工程)、攔水(如興隆水利樞紐、三峽工程等)、排水(如廣泛分布的垸田內(nèi)溝渠、泵站等排水工程)、引水(如天南長渠、興隆河等)等人類活動，顯著影響了區(qū)域內(nèi)原有的水資源分配過程。尤其是調(diào)水、攔水等大型水利工程，使江漢平原原有的水資源分布格局被打破，這將使江漢平原地球關(guān)鍵帶的水循環(huán)發(fā)生巨大改變，進而影響地球關(guān)鍵帶的物質(zhì)循環(huán)過程和服務(wù)功能。

本監(jiān)測網(wǎng)以流域為單位對地球關(guān)鍵帶要素進行觀測，重點關(guān)注大型水利工程等人類活動影響下的地貌、水文及生物地球化學過程，開展表層土壤碳氮埋藏調(diào)查，構(gòu)建地球關(guān)鍵帶耦合模型進行水利工程影響預(yù)測。主要科學目標是從不同尺度的流域中捕獲水利工程影響下地球關(guān)鍵帶要素的變化。

1.2 具體部署

針對不同規(guī)模的水利工程，在研究區(qū)內(nèi)進行場地遴選。根據(jù)不同水利工程對江漢平原的影響程度，將江漢平原監(jiān)測網(wǎng)分為3個級別： 盆地尺度、漢江下游流域尺度和小流域尺度。其中，大型水利工程(如三峽工程、南水北調(diào)工程)影響研究主要選擇長江—漢江干流斷面； 中型水利工程(如引江濟漢工程、興隆水利樞紐)影響研究主要選擇漢江干流斷面； 小型閘口、泵站主要選擇通順河(漢江支流)流域。目前監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)共有監(jiān)測斷面10處，分別為馬良斷面、鮑咀斷面、新灘斷面、澤口斷面、深江斷面、李灘斷面、仙桃斷面和3個長江—漢江大剖面，從北西至南東控制著長江與漢江主要支流匯入口和區(qū)內(nèi)大型水利工程，具體見圖1。

圖1 江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)部署

Fig.1MonitoringnetworkdeploymentofEarth′sCriticalZoneinJianghanPlain

1.2.1 盆地尺度

盆地尺度監(jiān)測網(wǎng)主要由3個跨長江和漢江的大斷面(圖1紫線1-1′，2-2′，3-3′)構(gòu)成，包括17個綜合監(jiān)測孔，具體分布見圖1。其主要功能是監(jiān)測大型水利工程(三峽工程、南水北調(diào)工程)運行下對江漢平原地球關(guān)鍵帶水文-生態(tài)地球化學過程的影響。

1.2.2 漢江下游流域尺度

漢江下游流域尺度監(jiān)測網(wǎng)主要考慮興隆水利樞紐和引江濟漢工程的影響。監(jiān)測斷面主要分為邊界斷面(馬良和仙桃)(圖2)和功能斷面(鮑咀、新灘和澤口)2種類型。由圖1可以看出馬良和仙桃監(jiān)測斷面分別位于監(jiān)測區(qū)域的上游和下游邊界，作為以反映區(qū)域背景為目的的監(jiān)測斷面，這2個監(jiān)測斷面所在區(qū)域距離興隆水利樞紐和引江濟漢工程都超過60 km，幾乎未受到興隆水利樞紐的影響。

(a) 馬良監(jiān)測斷面 (b) 仙桃監(jiān)測斷面

圖2 邊界斷面部署

Fig.2Deploymentofboundarytransects

馬良監(jiān)測斷面(圖2(a))位于沙洋縣馬良山附近、引江濟漢工程上游，監(jiān)測場內(nèi)基巖出露，主要為中奧陶統(tǒng)灰?guī)r和泥巖，此監(jiān)測場主要作為江漢平原各要素背景值監(jiān)測點，由于處在丘陵崗地與低平原區(qū)的過渡帶，可對比同一氣候條件下不同地貌與巖性組合影響下地球關(guān)鍵帶功能與演化的差異。該監(jiān)測斷面擁有多水平監(jiān)測井2處(CZ022和CZ023)、地表水監(jiān)測點1處、土壤氣體監(jiān)測點1處、土壤監(jiān)測點1處、微生物采樣點1處。仙桃監(jiān)測斷面(圖2(b))位于仙桃市區(qū)附近，擁有多水平監(jiān)測井3處(CZ024，CZ025和CZ026)、地表水監(jiān)測點1處、土壤氣體監(jiān)測點1處、土壤監(jiān)測點1處、微生物采樣點1處。

鮑咀、新灘和澤口監(jiān)測斷面位于興隆水利樞紐附近(圖3)，分別位于興隆水利樞紐上游1 km、下游1 km和下游10 km處。該地段位于大中型水利工程生態(tài)環(huán)境影響最敏感的河段，且竣工運行時間較短，可精細監(jiān)測大型水利工程修建后地球關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)、水循環(huán)與物質(zhì)循環(huán)的演化。這3個斷面共有14個監(jiān)測點(CZ001—CZ0014)，每個監(jiān)測斷面上各個監(jiān)測點按離漢江20 m、50 m、500 m、1 km、2 km的距離布置，每個監(jiān)測點都分別擁有1處多水平監(jiān)測井、1處土壤監(jiān)測點和1處土壤氣體監(jiān)測點。

(a) 鮑咀和新灘監(jiān)測斷面 (b) 澤口監(jiān)測斷面

圖3 功能斷面部署

Fig.3Deploymentoffunctiontransects

1.2.3 小流域尺度

江漢平原作為一個典型的農(nóng)業(yè)區(qū)，區(qū)內(nèi)有超過1 000個為農(nóng)業(yè)灌溉服務(wù)的小規(guī)模閘口、泵站。在小區(qū)域范圍內(nèi)，小型水利工程可能會比三峽工程等對該區(qū)域的水-物質(zhì)循環(huán)影響程度更大。

由圖1可知，通順河是漢江的重要支流之一，從上游至下游分布著深江閘、毛咀閘和徐鴛泵等6個水利工程，深江閘和毛咀閘覆蓋其下游仙桃市毛咀鎮(zhèn)等6個村鎮(zhèn)的作物灌溉。其中，深江閘上游與毛咀閘下游水位差為0.8～2 m(受小型水利工程影響)； 通順河同一位置季節(jié)性水位波動為3～5 m(受季節(jié)影響)。通順河具有階梯狀結(jié)構(gòu)的低滲透性河岸帶，不同于漢江的砂質(zhì)結(jié)構(gòu)河岸，因此，設(shè)置毛咀監(jiān)測場來監(jiān)測小型水利工程對小區(qū)域范圍的影響。如圖4(a)所示，毛咀監(jiān)測場設(shè)有2個監(jiān)測斷面(李灘和深江監(jiān)測斷面)，分別在李灘(圖4(b))和深江監(jiān)測斷面(圖4(c))的不同位置(岸邊1 m和3 m、河岸低地8 m、河岸高地15 m)各建設(shè)4個監(jiān)測點，每個點設(shè)立多水平監(jiān)測井4處(李灘監(jiān)測斷面CZ019—CZ022，深江監(jiān)測斷面CZ015—CZ018，井深分別為4.5 m、10 m、15 m、30 m)、土壤監(jiān)測點1處、土壤氣體監(jiān)測點1處，并設(shè)置通量塔監(jiān)測氣象水文信息。此外，通過與當?shù)貐f(xié)調(diào)獲取通順河水位、流量、降水以及毛咀閘、深江閘等水利工程運行信息。

(a) 李灘監(jiān)測斷面和深江監(jiān)測斷面位置

圖4-1 小流域尺度監(jiān)測斷面位置及部署Fig.4-1 Location and deployment of small watershed monitoring transects

(b) 李灘監(jiān)測斷面 (c) 深江監(jiān)測斷面

圖4-2 小流域尺度監(jiān)測斷面位置及部署Fig.4-2 Location and deployment of small watershed monitoring transects

1.3 監(jiān)測指標與技術(shù)

地球關(guān)鍵帶位于地球表層，即大陸地殼的最外層，最上層包括陸地表層以及地表的湖泊、河流、植被，也包括海岸帶和淺海區(qū)，最下邊界對應(yīng)最深地下水含水層的底板[1]。按自然物質(zhì)類別分布情況，地球關(guān)鍵帶在垂向上可進一步劃分出大氣、植被、包氣帶、飽水帶、弱透水層和基巖層帶，每2個層帶之間存在通量界面。漢江下游地球關(guān)鍵帶可劃分出大氣-植被、植被-土壤、包氣帶-飽水帶、弱透水層-含水層和含水層-基巖這5個界面，本區(qū)布置的監(jiān)測網(wǎng)針對這5個界面，開展地球關(guān)鍵帶結(jié)構(gòu)與通量研究。根據(jù)該地區(qū)地球關(guān)鍵帶垂向?qū)訋卣?，設(shè)計監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對水、土、氣、生物進行多樣化、系統(tǒng)性監(jiān)測。

(1)大氣-植被界面。地球關(guān)鍵帶最上層界面，主要監(jiān)測對象為大氣與地表植被； 主要監(jiān)測設(shè)備為通量塔、傳感器以及冰層、云層和地表高程監(jiān)測衛(wèi)星(ice, cloud and land elevation satellite，ICESAT)，監(jiān)測指標有降水量、風速、光照強度、氣溫和植被豐度等。

(2)植被-土壤界面。主要監(jiān)測對象為植被根系與耕植土； 時域反射計(time domain reflectometry, TDR)探頭和根系觀察儀等安裝于監(jiān)測場內(nèi)種植不同植被(樹林、大豆、棉花、玉米)不同深度的土壤中，監(jiān)測指標有微生物類型、土壤酶含量、根系和土壤濕度等。

(3)包氣帶-飽水帶界面。主要監(jiān)測對象為包氣帶與飽水帶； 主要監(jiān)測手段為多水平監(jiān)測井、鉆探和X射線衍射(X-ray diffraction，XRD)等，監(jiān)測指標有毛細水化學性質(zhì)、地下水水位、水溫和流速等。

(4)含水層-弱透水層界面。主要監(jiān)測對象為含水層與弱透水層； 主要監(jiān)測手段為多水平監(jiān)測井、鉆探和XRD等，監(jiān)測指標有弱透水層巖性與化學組成、地下水位和水溫等。

(5)含水層-基巖界面。主要監(jiān)測對象為含水層與基巖； 主要監(jiān)測手段為多水平監(jiān)測井、鉆探和XRD等，監(jiān)測指標有含水層巖性與化學組成、基巖巖性與化學組成等。

(6)其他。針對不同監(jiān)測場地的實際情況，適當增加不同的監(jiān)測指標(并非界面監(jiān)測指標)； 通過多普勒超聲技術(shù)查明鮑咀和新灘監(jiān)測場附近漢江河道結(jié)構(gòu)及其演變趨勢； 利用流量計監(jiān)測地表徑流與水位； 借助ICESAT衛(wèi)星遙感、無人機航空攝影測量和野外調(diào)查，獲取地表三維空間信息和地表覆蓋物信息，并通過高精度實時動態(tài)衛(wèi)星定位系統(tǒng)(real-time kinematic global positioning system, RTK GPS)對影像信息進行校正，再結(jié)合物探技術(shù)查明地下結(jié)構(gòu)。

漢江下游地球關(guān)鍵帶網(wǎng)絡(luò)各監(jiān)測技術(shù)如表1所示。

表1 江漢平原監(jiān)測網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)一覽表Tab.1 Monitoring techniques of monitoring network in Jianghan Plain

1.4 監(jiān)測網(wǎng)運行

監(jiān)測網(wǎng)按樣品采集及信息收集頻率分為3類：

(1)一次性監(jiān)測。在監(jiān)測設(shè)備安裝過程中所產(chǎn)生的鉆孔、淺鉆等土壤和基巖樣品，按照不同深度進行采集和室內(nèi)試驗分析，測試項目包括礦物學指標、地球化學指標和微生物組成等，或者基于雷達、多普勒和物探等技術(shù)查明監(jiān)測場地表、地下三維結(jié)構(gòu)特征等。

(2)日尺度監(jiān)測。在監(jiān)測場內(nèi)半永久性的監(jiān)測點開展定期觀測，監(jiān)測對象包括包氣帶、飽水帶、地表水、大氣、微生物及植被，所關(guān)注的參數(shù)指標包括降水量、蒸發(fā)量、氣溫、地下水水位與常規(guī)參數(shù)、土壤含水率等，利用傳感器或通量塔進行場地實時動態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)自動記錄并按時下載。毛咀監(jiān)測場設(shè)有地球關(guān)鍵帶試驗基地一處，常駐若干名研究人員負責實時收集、保存動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)并實時分類上傳至江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)數(shù)據(jù)庫。

(3)月度/季度監(jiān)測。獨立的樣品采集活動包括在土壤剖面礦物組成、化學組成、粒度、重金屬、有機碳，地下水水化學組分、土壤水負壓、土壤水水化學、地下水流速流向，微生物類型和土壤酶含量等方面，按照豐、平、枯3個時段采樣，每月或每季度進行集中性采樣，盡量做到原位在線監(jiān)測。

受技術(shù)條件及經(jīng)費的限制，目前只有部分監(jiān)測內(nèi)容達到了實時在線監(jiān)測要求。對于暫時無法做到在線監(jiān)測的項目，盡量在野外現(xiàn)場進行分析測試，譬如，對于水化學和營養(yǎng)鹽，利用美國哈希公司的便攜式多參數(shù)水質(zhì)儀和便攜式分光光度計在現(xiàn)場進行快速測定，避免因樣品運輸、保存對測試結(jié)果造成的影響。對于無法現(xiàn)場測試的其他參數(shù)指標，盡量縮短樣品運輸和儲存時間，回到實驗室后，盡快進行樣品分析測試，盡量減少因樣品運輸、保存過程造成的影響。

2 階段性研究成果

到目前為止，該研究已獲取了大量的第一手資料，主要包括興隆水利樞紐附近的河道結(jié)構(gòu)特征、漢江下游地區(qū)的地下水及河流化學特征、CO2與CH4氣體通量、地下水-地表水水位特征、降水量、河岸帶土壤水文特征及營養(yǎng)鹽等。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理和分析，初步得到了研究區(qū)地球關(guān)鍵帶要素的變化特征，構(gòu)建了江漢平原地球關(guān)鍵帶耦合模型，并建立了平原區(qū)地球關(guān)鍵帶研究思路框架和方法體系。取得的主要進展包括：

(1)查明并證實了部分水化學指標受水利樞紐影響的情況。興隆大壩下游地下水中Fe2+含量普遍具有距離漢江越遠離子濃度越低的現(xiàn)象； 興隆水利樞紐和南水北調(diào)工程導致地球關(guān)鍵帶(靠近河岸帶部分)的CH4氣體濃度空間展布呈“源”“匯”格局。由于興隆水利樞紐的蓄水作用，地下水水位上升，靠近河岸帶的監(jiān)測點出現(xiàn)CH4“源”效應(yīng)(即釋放效應(yīng)，該點CH4濃度較高，CH4向周圍逸散)，在CZ002點，CH4出現(xiàn)了較大排放速率(平均為1.73 mgC/(m2·h))，該點因為興隆水庫長期蓄水作用(水庫蓄水水位為36.2 m)，地下水水位升高至0.6 m左右，導致了厭氧和強還原條件的產(chǎn)生，因此地表出現(xiàn)了較高的CH4排放； 而其余大部分監(jiān)測點則呈現(xiàn)“匯”效應(yīng)(即匯聚效應(yīng)，該點CH4濃度較低，周圍CH4向該點匯聚)，尤其是興隆水利樞紐下游澤口監(jiān)測斷面，地下水水位相對興隆水利樞紐上游斷面監(jiān)測點較深，在CZ010點，CH4出現(xiàn)了較大匯聚速率(平均為-0.85 mgC/(m2·h))，CH4在地下水水位以下20 cm處產(chǎn)生率最高，在向地表逸散過程中不斷氧化，導致了該點地表排放呈現(xiàn)“匯”效應(yīng)。因此，水利工程建設(shè)所導致的大壩上下游地下水水位的變化，造成了上下游CH4“源”“匯”效應(yīng)的差異。

(2)建立了江漢平原地表水與地下水相互作用耦合模型，揭示了重大水利工程(主要為三峽工程與引江濟漢工程)建設(shè)對地表水-地下水相互作用模式及生態(tài)環(huán)境的影響。研究表明： 江漢平原地表水和地下水相互作用明顯，每年3—8月長江補給地下水，其他月份地下水補給長江； 每年6—9月漢江補給地下水，其他月份地下水補給漢江。長江補給地下水總量為6.78×108m3/a (引江濟漢調(diào)水線以上河段占12.35%，下游占87.65%)，地下水補給長江總量為6.43×108m3/a(上游占17.43%，下游占82.57%)，凈交換量為3.48×107m3/a(長江補給地下水)。漢江補給地下水總量為1.27×108m3/a(引江濟漢調(diào)水線以上河段占14.27%，下游占85.73%)，地下水補給漢江的總量為2.44×108m3/a(上游占34.07%，下游占65.93%)，凈交換量為-1.17×108m3/a(地下水補給漢江)。

通過江漢平原地表水與地下水相互作用耦合模型推演結(jié)果表明： 實施水利工程10 a后，每年長江補給地下水的總量為6.04×108m3/a，減少了7.4×107m3/a (10.88%)，地下水向長江排泄量為6.66×108m3/a，增加了2.35×107m3/a (3.66%)，凈交換量為-6.24×107m3/a，由長江補給地下水變?yōu)榈叵滤a給長江； 每年漢江補給地下水的總量為1.86×108m3/a，增加了5.98×107m3/a (47.22%)，地下水向漢江排泄量為2.59×108m3/a，增加1.47×107(6.03%)，凈交換量為-7.27×107m3/a(地下水補給漢江)，總體地下水仍補給漢江，但強度降低，補給量減少4.43×107m3/a (37.86%)。

(3)江漢平原監(jiān)測網(wǎng)的建立，完善了平原區(qū)地球關(guān)鍵帶“3M”的方法體系，構(gòu)建了六維矩陣，即地球關(guān)鍵帶是由地表巖石圈-大氣圈-水圈-生物圈-人類活動-時間(r-a-w-b-h-t)相互作用形成的不可分割、有機聯(lián)系、不斷變化的動態(tài)系統(tǒng)，環(huán)境地質(zhì)問題實質(zhì)上是地表巖石圈-大氣圈-水圈-生物圈-人類活動在不同時間尺度上相互作用的結(jié)果。對于不同的環(huán)境地質(zhì)問題，其在地表巖石圈、大氣圈、水圈、生物圈、人類活動和時間尺度上的主控變量(或指標)不同。因此，首先針對調(diào)查區(qū)內(nèi)主要的環(huán)境地質(zhì)問題，基于r-a-w-b-h-t關(guān)系對其解構(gòu)，篩選出關(guān)鍵環(huán)境梯度變量，并構(gòu)建六維矩陣，表達式為

Y=F(r，w，a，b∪h，t)，

(1)

式中：Y表示環(huán)境地質(zhì)問題；r表示巖石圈；w表示水圈；a表示大氣圈；b表示生物圈；h表示人類活動；t表示時間。然后，針對性地篩選出6個變量中影響具體地區(qū)、具體環(huán)境地質(zhì)問題的關(guān)鍵變量，并以關(guān)鍵環(huán)境變量為依據(jù)進行圖幅部署，總結(jié)出了平原區(qū)地球關(guān)鍵帶監(jiān)測研究方法指南。最后，基于以上方法體系，建立了江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)，并已于2018年12月正式納入全球CZEN。

3 結(jié)論與展望

從2014年所依托的地質(zhì)調(diào)查項目啟動至今，已經(jīng)在漢江下游地區(qū)初步建立了較為系統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，獲取了大量的第一手數(shù)據(jù)，但監(jiān)測工作還有很大的提升空間。在今后5～10 a間，我們將努力在監(jiān)測設(shè)施建設(shè)和監(jiān)測技術(shù)方面做較大的提升。

(1)在監(jiān)測設(shè)施建設(shè)上，首先要盡快建立一套規(guī)?；脑O(shè)施，盡快落實在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠程傳輸以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫建設(shè)，建立一個集科研、教學一體的可容納數(shù)十人同時開展科研工作的工作站。

(2)引入新的監(jiān)測技術(shù)，例如地下水原位監(jiān)測、大氣-植被界面氣體通量監(jiān)測等。迫切需要加強水文學、生態(tài)學和土壤物理化學方面的監(jiān)測與研究，同時減少工作人員的工作量。

(3)需要加強江漢平原地球關(guān)鍵帶生態(tài)-水文模型的研究工作，對于關(guān)鍵帶模型的研究還很薄弱，目前基于已有數(shù)據(jù)建立的生態(tài)-水文模型仍有待完善，無法定量評價大型水利工程對漢江下游生態(tài)環(huán)境的影響。

在堅實的前期研究基礎(chǔ)之上，近些年已在漢江下游地區(qū)部署了較為系統(tǒng)的監(jiān)測體系，涵蓋了地球關(guān)鍵帶的各種要素，特別是生物、水體及溫室氣體等。在監(jiān)測場的設(shè)置上，既考慮了不同級次水利工程的影響，也考慮了區(qū)域營養(yǎng)元素/重金屬的富集特征。在監(jiān)測技術(shù)上，部分實現(xiàn)了在線高頻監(jiān)測，大部分達到了野外現(xiàn)場測試的要求。今后應(yīng)讓更多的監(jiān)測內(nèi)容實現(xiàn)在線監(jiān)測并做到數(shù)據(jù)遠程傳輸，在初步建成的江漢平原地球關(guān)鍵帶監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，將地球關(guān)鍵帶調(diào)查與監(jiān)測工作拓展到整個長江流域，面向長江上游生態(tài)脆弱區(qū)、長江中游濕地敏感區(qū)和長江下游城市密集區(qū)，有針對性地建設(shè)大規(guī)模、不同功能的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。另外，將開展鄱陽湖—洞庭湖地區(qū)濕地地球關(guān)鍵帶探索，借鑒已有的、較為成熟的地球關(guān)鍵帶監(jiān)測體系，避免以往濕地研究只重“地上”環(huán)境地質(zhì)調(diào)查、忽視“地下”有關(guān)因素的情況，為合理開發(fā)利用兩湖濕地資源、合理保護濕地生態(tài)環(huán)境提供建立在地球關(guān)鍵帶監(jiān)測研究基礎(chǔ)上的科學解決方案。