祝瑋, 溫平, 顧海軍, 孫治宇, 趙杰, 戴強(qiáng)
1.若爾蓋濕地國家級自然保護(hù)區(qū)管理局,四川 阿壩 624500;
2.中國科學(xué)院成都生物研究所,四川 成都 610041;
3.西華師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002;
4.四川省野生動物資源調(diào)查保護(hù)站,四川 成都 610082;
5.四川省林業(yè)科學(xué)研究院,四川 成都 610066
地下水(Ground water),是指賦存于地面以下巖石空隙中的水,狹義上是指地下水面以下飽和含水層中的水。在國家標(biāo)準(zhǔn)《水文地質(zhì)術(shù)語》中[1],地下水是指埋藏在地表以下各種形式的重力水。其中潛水指保水帶中第一個具有自由表面的含水層中的水,潛水面上一般無穩(wěn)定的隔水層,具有自由表面。潛水在重力作用下,有從水位高處流向水位地處的趨勢。潛水可以通過地表接受大氣降水、凝結(jié)水、地表水的直接補(bǔ)給,因而水位、流量和化學(xué)成分會隨時間變化而變化。潛水的埋藏深度指潛水面至地表面的距離,即潛水位埋深一般也叫做地下水位埋深。地下水埋深變化是地下水資源量變化的最直接的表現(xiàn),是地下水變化研究中最重要的控制性指標(biāo)[2]。
濕地是一種獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng),它是陸地和水的相互作用中形成的一種自然復(fù)合體,分布在世界各地與森林和海洋并稱為全球三大生態(tài)系[3,4]。地下水是濕地的重要組成部分,影響到整個濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5,6]。濕地地下水位的變化通常會側(cè)面體現(xiàn)人為活動的影響或氣候的變化[7-9],另一方面地下水埋深影響著土壤含水量、含鹽量和植被的生長發(fā)育[10-12]。若爾蓋濕地是世界上面積最大、保存最完好的高原泥炭沼澤濕地[13],近些年來隨著全球氣候變化和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,若爾蓋濕地面臨濕地萎縮、草場退化和沙化等問題[14]。開展對濕地地下水位埋深的研究有利于為保護(hù)區(qū)制定相關(guān)保護(hù)政策提供重要的數(shù)據(jù)支撐,本文以若爾蓋濕地花湖區(qū)域五個地下水位監(jiān)測點(diǎn)2015-2016 的數(shù)據(jù)來分析地下水位的季節(jié)性和年度變化。
若爾蓋濕地位于青藏高原東緣,四川省、青海省、甘肅省交界處,是中國面積最大、泥炭資源最為豐富的高原泥炭沼澤。在四川省境內(nèi)若爾蓋濕地的濕地面積為59.39 萬hm2,其中沼澤濕地面積為56.84 萬hm2,湖泊濕地面積0.21 萬hm2。該區(qū)域年平均降水量:656.8 mm,變化范圍為493.6 mm~836.7 mm,年蒸發(fā)量1 233.2 mm。變化范圍:1 200~1 352 mm;年均氣溫0.7 ℃,變化范圍:0.1~9.2 ℃;≥0 ℃年均積溫1803 ℃,≥10 ℃年均積溫 311.8 ℃。該保護(hù)區(qū)濕地水源補(bǔ)給為綜合補(bǔ)給,間歇性流出,積水狀況為季節(jié)性積水。若爾蓋濕地是黃河上游重要的水源補(bǔ)給地,對下游水量均衡起著重要的調(diào)節(jié)作用(中國濕地資源四川卷)[15]。本文研究點(diǎn)位于若爾蓋濕地國家級自然保護(hù)區(qū)范圍內(nèi),保護(hù)區(qū)位于若爾蓋濕地的核心位置,在四川省阿壩藏族羌族自治州若爾蓋縣境內(nèi),總面積16.6 萬hm2。保護(hù)區(qū)生物多樣性豐富,有黑頸鶴等眾多特有物種和瀕危稀有物種[16,17]。
監(jiān)測點(diǎn)位于四川省若爾蓋濕地國家級自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的花湖東北側(cè)陸地,從花湖岸邊起,在季節(jié)性沼澤和草地區(qū)域,大致沿直線每隔1 km 左右設(shè)置1 個地下水位監(jiān)測點(diǎn),共設(shè)置5 個(花湖-1 號~5 號),另在花湖大壩側(cè)設(shè)置1 個地下水位監(jiān)測點(diǎn)(花湖-6 號)(見圖1)。所有監(jiān)測井均位于花湖的集水區(qū)內(nèi),其中2 號監(jiān)測井位于公路旁的草地上,1 號監(jiān)測井位于極緩坡草地中,3~6 號監(jiān)測井位于季節(jié)性沼澤中。
圖1 地下水位監(jiān)測點(diǎn)Fig.1 Distribution map of monitoring points for groundwater depth
地下水位監(jiān)測井以高密度聚乙烯管(PE 管)為井道,PE 管強(qiáng)度高,具有較強(qiáng)的抗腐蝕、防老化作用,可以提高監(jiān)測井壽命,井口內(nèi)徑90 mm。監(jiān)測井中段開孔,以60 目尼龍濾網(wǎng)的包裹以防止泥沙滲入堵塞井道。測量井外周以黏土、沙土、黏土的順序分段填充。監(jiān)測井最大測量深度205 cm。為固定監(jiān)測井,便于測量,井口以50×50×15 cm(長×寬×厚)的水泥基座固定。為減少監(jiān)測井對草場的影響,也防止監(jiān)測井被破壞,監(jiān)測井完成后,將原址草皮回填。
潛水位埋深使用帶感應(yīng)器的地下水位測量儀測量,單位為厘米,精度記至厘米位。埋深值越小,地下水水位越高。2015 年和2016 年,每年3、6、9、12 月份各測量一次潛水位埋深,2017 年僅采集了3,6,9 月份的數(shù)據(jù),12 月份數(shù)據(jù)缺失。
數(shù)據(jù)使用Excel 整理統(tǒng)計(jì),Pearson 相關(guān)性分析使用R 語言的cor.test 函數(shù)分析[18]。
由于2017 年缺少12 月的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù),故只分析2015 年和2016 年各監(jiān)測點(diǎn)地下水潛水埋深年均值(見圖2)??梢钥闯觯ê浇鞅O(jiān)測之間的地下水埋深差異較大,地下水埋深最淺的監(jiān)測點(diǎn)為花湖-3 號,潛水位平均埋深14.9 cm,年際變化在2~34 cm;地下水埋深最深的監(jiān)測點(diǎn)為花湖-5 號,潛水位平均埋深128.3 cm,年際變化在67-197 cm。年均潛水位埋深最大差異達(dá)到113.4 cm,這也說明在花湖東側(cè)小范圍內(nèi)地下水潛水位的空間變化就已經(jīng)很大,提示該區(qū)域地下水潛水位異質(zhì)性高。
圖2 各監(jiān)測點(diǎn)平均地下水潛水位埋深兩年平均值(2015—2016)Fig.2 Average groundwater depth at each monitoring point from 2015—2016
對比分析2015、2016、2017(缺12 月數(shù)據(jù))年地下水潛水埋深隨季節(jié)變化情況,可看出地下水潛水位埋深最淺的季節(jié)夏秋季(6 月、9 月),其中2016年和2017 年是9 月最淺,2015 年是6 月最淺。冬季(3 月、12 月)地下水潛水位埋深最淺(見圖3)。
圖3 地下水監(jiān)測點(diǎn)月均潛水位埋深變化Fig.3 Changes of monthly average groundwater depth at each monitoring point
比較各個監(jiān)測點(diǎn)的潛水埋深的2015 年和2016年年度極差的平均值發(fā)現(xiàn),花湖-3 號監(jiān)測點(diǎn)的潛水埋深年度極差最小,僅僅23.1 cm,而花湖-4 號潛水埋深極差最大,達(dá)到100.5 cm。這說明各個監(jiān)測點(diǎn)之間不僅潛水位差異大,潛水位的季節(jié)變化差異也很大(見圖4)。
相關(guān)分析表明潛水位年度極差與潛水位年均埋深有顯著的相關(guān)性(Pearson 相關(guān)性分析,r= 0.8577,t4= 3.3358,P= 0.0289)。這說明年均潛水埋深越淺的區(qū)域潛水位季節(jié)性變化越小,而潛水埋深越深的區(qū)域潛水位季節(jié)性變化越大(見圖5)。
圖4 地下水位監(jiān)測點(diǎn)潛水位年度極差平均值(2015—2016)Fig.4 Average annual range of groundwater depth at each monitoring points (2015—2016)
圖5 潛水位埋深與潛水位年度極差相關(guān)性Fig.5 Correlation between groundwater depth and annual range of groundwater depth
濕地與地下水含水層,尤其是淺水層關(guān)系密切,當(dāng)周圍陸地潛水水位高于濕地水位時,地下水就會流入濕地,為濕地補(bǔ)水;當(dāng)周圍陸地潛水水位低于濕地水位時,地下水就會從濕地流向周圍陸地[19,20]。地下水作為水循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化中的重要因素之一,對保障河流流量和湖泊水位以及維持生態(tài)系統(tǒng)起重要作用[21,22]。3 號監(jiān)測井常年潛水層水位較高,水位變化不大,這是因?yàn)樵摫O(jiān)測井位于季節(jié)性沼澤中,且該監(jiān)測井距離花湖較遠(yuǎn),潛水層受花湖影響較小。4~6 號監(jiān)測井雖然也位于季節(jié)性沼澤中,但是距離花湖較近,其潛水層向花湖補(bǔ)水強(qiáng)烈,因此在夏季降雨多時潛水位很高,冬季潛水位卻很低?;ê鏊谛拗髩魏?,冬季也能保持相對較高的水位,對周邊潛水層的抽吸作用相對減少。如果沒有修筑大壩,該區(qū)域的潛水位可能還會進(jìn)一步降低。花湖出水口大壩的修筑可以起到一定的穩(wěn)定周邊濕地地下水位的作用?;ê?、2 號監(jiān)測井位于草地上,2 年平均潛水位卻比季節(jié)性沼澤中的4~6號井還高,這主要是因?yàn)閮蓚€監(jiān)測井遠(yuǎn)離花湖,潛水層受花湖的抽吸作用較弱。
影響潛水層水位變化的因素很多,既有降雨、蒸發(fā)等氣候因素,也受地下隔水面的地質(zhì)條件影響,但是通過長期定點(diǎn)監(jiān)測,可以指示該區(qū)域濕地的水文變化。從2015—2017 年的監(jiān)測結(jié)果看,雖然年度間存在一定變化,但是尚無明確的趨勢,還需要繼續(xù)開展監(jiān)測工作。
另一方面,若爾蓋濕地被譽(yù)為地球之腎,既是長江黃河上游最重要的水源涵養(yǎng)地之一同時也承擔(dān)無比重要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[23,24]。近幾十年來由于人為原因和自然因素的綜合影響,若爾蓋濕地發(fā)生了一定程度的退化,沼澤質(zhì)心發(fā)生了一定程度的偏移[25,26]。由于地下水位變化通常作為反映濕地生態(tài)環(huán)境變化的一個重要指標(biāo),因此開展?jié)竦氐叵滤坏难芯坑兄谙嚓P(guān)管理部門政策制定,另一方面地下水作為濕地生態(tài)系統(tǒng)中的重要一環(huán),對濕地地下水位的監(jiān)測也有助于對整個濕地生態(tài)系統(tǒng)變化的研究。