寒區(qū)地下水生態(tài)水位研究

秦紫東，郭 輝，孫博文

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

三江平原位于黑龍江省東部，是中國重要的商品糧基地和濕地生態(tài)功能區(qū)。夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，春秋兩季氣候多變。雖然緯度較高，年均氣溫1-4℃，最冷月(1月)平均氣溫-17.3-21.5℃，最熱月(7月)平均氣溫21.1-22.0℃,結(jié)冰期長達(dá)150-180d，平均最大凍土深1.6-2.0m。但夏季溫暖，雨熱同季，非常適宜農(nóng)作物尤其是優(yōu)質(zhì)水稻和高油大豆的生長。

由于三江平原井灌水稻發(fā)展過多，地下水承載能力不足，導(dǎo)致區(qū)域性地下水位下降，不僅影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，對濕地的涵養(yǎng)作用也逐步減弱，開展寒區(qū)地下水生態(tài)水位及調(diào)控研究，防止地下水位過高或過低而導(dǎo)致的環(huán)境水文地質(zhì)、生態(tài)退化等問題，對保護(hù)地下水資源，保障供水安全、生態(tài)與環(huán)境安全，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 地下水位動態(tài)規(guī)律

地下水位動態(tài)是多種因素綜合影響的結(jié)果。影響地下水位動態(tài)的因素，除地形地貌、巖性和水文地質(zhì)條件等靜態(tài)因素外，主要有氣象、水文及人為等因素。

三江平原第四系孔隙水水位主要受氣象因素及人為因素制約，地下水位隨氣象及人工開采變化周期而變化，具有明顯的季節(jié)性和周期性。

自然狀態(tài)下潛水位年內(nèi)變化多具一峰一谷特征，豐水期基本與雨季相對應(yīng)，枯水期與干旱少雨季節(jié)相吻合，弱承壓水區(qū)只是在時間上地下水位的變化較降水有所滯后。本區(qū)11月—翌年3月氣候寒冷，地表存在季節(jié)性凍土，凍土具有弱透水、儲水性和抑制蒸發(fā)作用，在此期間地下水垂向補給很弱，處于徑流及人工開采狀態(tài)，地下水位持續(xù)下降；4月份以后，隨著氣溫升高，凍結(jié)層融化，地下水逐漸得到凍結(jié)層融水及降水入滲補給，地下水位略有上升；5月、6月蒸發(fā)強度較大，而且又有一定強度的降水，因而本期水位常產(chǎn)生小幅降落和回升。本區(qū)降水集中在6-9月份，可占全年降水量的70%-80%，此段時期地下水獲得大量的降水入滲補給，地下水位隨之逐漸升高。10月份以后隨著降水的減少，11月份地表開始凍結(jié)，典型區(qū)地下水水位動態(tài)曲線，見圖1。地下水的補給來源迅速減少，地下水位開始持續(xù)下降(見圖1a)。

由于多年來三江平原井灌水田大力發(fā)展，集中大量開采地下水，使地下水位天然動態(tài)受到了嚴(yán)重破壞，井灌水田區(qū)從4月下旬開始大量開采地下水，使地下水位急劇下降，到8月以后，井灌水田區(qū)地下水開采量逐漸減少，地下水位逐漸回升(見圖1b)。

圖1 典型區(qū)地下水水位動態(tài)曲線

2 包氣帶巖性的分布規(guī)律

三江平原主要河谷漫灘區(qū)：地下水類型為潛水，除局部砂礫石直接出露地表外，亞砂土及亞粘土厚0-2m，地下水埋深一般1.5-5m，包氣帶巖性以砂為主，粘性土次之。

廣大階地區(qū)：松花江以北地區(qū)，地下水類型多為潛水，地表覆蓋1-3m亞砂土及亞粘土層，局部地區(qū)4-5m，地下水埋深一般3-6m，包氣帶巖性以粘性土為主，砂次之。松花江以南地區(qū)，富錦-集賢連線以西廣大地區(qū)，地下水類型多為潛水，地表一般覆蓋1-5m亞粘土層，局部亞砂土，地下水埋深3-6m，包氣帶巖性以粘性土為主，砂次之；富錦-集賢連線以東廣大地區(qū)，普遍上覆3-17m的亞粘土，地下水類型多為弱承壓水，地下水埋深多為2-10m，局部10-20m，包氣帶巖性以粘性土為主。

3 地下水生態(tài)水位閾值的確定

地下水是自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中最為活躍的因子之一，地下水位的變化會引發(fā)生態(tài)環(huán)境的一系列的響應(yīng)。地下水位過高可能導(dǎo)致農(nóng)作物漬害和土壤次生鹽漬化問題；地下水位過低則可能引起土壤沙化和天然植被退化，更有甚者引發(fā)地面沉降、地面塌陷、咸水入侵等環(huán)境地質(zhì)問題。因此，地下水資源開發(fā)利用過程中，應(yīng)盡量控制地下水位保持在生態(tài)環(huán)境所允許的閾值區(qū)間內(nèi)，以維系現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境或者使生態(tài)環(huán)境得以進(jìn)一步改善；否則將可能引起生態(tài)環(huán)境的惡化。

地下水生態(tài)水位埋深的含義是：在該水位埋深基礎(chǔ)上開發(fā)利用地下水，可以滿足生態(tài)環(huán)境需求，不產(chǎn)生環(huán)境水文地質(zhì)問題，并且可以使已經(jīng)遭到破壞的地下水環(huán)境逐漸地得到修復(fù)。

地下水生態(tài)水位埋深是一個閾值范圍，包括地下水生態(tài)水位埋深上限閾值與下限閾值。根據(jù)三江平原的氣候、包氣帶土壤類型、農(nóng)作物種類以及農(nóng)業(yè)用水階段，將防止土壤漬害和次生鹽漬化地下水位(也稱地下水臨界埋深)作為地下水生態(tài)水位上限閾值；將防止土壤沙化和天然植被退化的潛水蒸發(fā)極限埋深作為地下水生態(tài)水位下限閾值。地下水生態(tài)水位上限下限閾值示意圖，見圖2。

圖2 地下水生態(tài)水位上限下限閾值示意圖

3.1 地下水生態(tài)水位上限閾值的確定

土壤積鹽程度主要和土壤毛細(xì)水上升高度有關(guān)。如果潛水埋深低于毛細(xì)水上升高度，土壤積鹽強烈，反之，土壤積鹽微弱。因此，常將毛細(xì)水上升高度作為防止土壤積鹽的臨界深度。

地下水生態(tài)水位上限=土壤最大毛細(xì)水上升高度(hc)+耕作層厚度。耕作層厚度一般為0.15-0.20 m。王喜華(2015)對三江平原包氣帶取樣的實驗分析，18個包氣帶土壤樣品測得的毛細(xì)上升高度在23.99-217.71cm之間。結(jié)合三江平原包氣帶巖性分區(qū)以及毛細(xì)上升高度的經(jīng)驗值，綜合確定不同包氣帶巖性區(qū)地下水生態(tài)水位埋深上限閾值，地下水生態(tài)水位埋深上限閾值，見表1。

表1 地下水生態(tài)水位埋深上限閾值

于濕地保護(hù)區(qū)地表積水情況也十分常見，此處不存在土壤鹽漬化的風(fēng)險，因此，對濕地保護(hù)區(qū)不設(shè)生態(tài)水位埋深的上限閾值。

3.2 地下水生態(tài)水位下限閾值的確定

當(dāng)?shù)叵滤宦裆畲笥跐撍畼O限蒸發(fā)深度時，地下水對土壤蒸發(fā)損耗水份的供給不足或停止，則會導(dǎo)致地表土層濕度降低，地下水位長期低于潛水極限蒸發(fā)埋深可能導(dǎo)致地表生態(tài)退化。因此，通常以潛水極限蒸發(fā)深度作為生態(tài)地下水位埋深下限閾值。

確定極限蒸發(fā)深度的方法通常有實測法、經(jīng)驗公式法和動態(tài)資料相關(guān)法等(趙海卿，2012)。

利用動態(tài)資料法確定不同地區(qū)的潛水極限蒸發(fā)深度，其基本過程如下：

1)在監(jiān)測井動態(tài)數(shù)據(jù)中選擇若干時間段(≥3)，然后確定時段中的最大地下水埋深(hmax)，最小地下水埋深(hmin)，時段內(nèi)地下水位差值(△h)、平均地下水埋深(have)以及水位變幅與水面蒸發(fā)強度的比值(△h/ε)。

2)以平均水埋深(have)為橫坐標(biāo)，以水位變幅與水面蒸發(fā)強度的比值(△h/ε)為縱坐標(biāo)，繪制離散點及其線性趨勢線，該線與橫坐標(biāo)的交點所對應(yīng)的地下水埋深即為潛水蒸發(fā)的極限埋深。在計算過程中，要結(jié)合地下水動態(tài)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，選擇避開降水和開采的高峰時段。

根據(jù)三江平原地下水動態(tài)資料與水面蒸發(fā)強度，選用46眼監(jiān)測井資料，計算潛水極限蒸發(fā)深度。地下水生態(tài)水位埋深下限閾值確定結(jié)果，地下水生態(tài)水位埋深下限閾值，見表2。

表2 地下水生態(tài)水位埋深下限閾值

對于以地下水作為支撐的濕地保護(hù)區(qū)地下水生態(tài)水位下限應(yīng)高于土壤毛細(xì)水上升高度。

4 地下水生態(tài)水位調(diào)控原則

4.1 地下水生態(tài)水位上限調(diào)控

11月—次年3月期間，其中4月份之前為冰凍期，地下水蒸發(fā)極其微弱，在此階段內(nèi)不會產(chǎn)生土壤次生鹽漬化問題；4月份是1a當(dāng)中蒸降比最高的月份，典型氣象站逐月蒸發(fā)與降水分析，見表3，也是凍結(jié)層開始融化的階段，是春季返鹽土壤次生鹽漬化風(fēng)險最高的時間段，在此期間內(nèi)，尤其是每年11月初和4月初，要控制地下水位在地下水生態(tài)水位上限以下。

表3 典型氣象站逐月蒸發(fā)與降水分析

5-8月，是地下水開采、地表水灌溉以及大氣降水的高峰期，地下水位多以下降為主，或者地下水位雖有上升，但由于入滲水量遠(yuǎn)高于蒸發(fā)水量，包氣帶處于脫鹽狀態(tài)，加之植被覆蓋的影響，包氣帶土壤積鹽的風(fēng)險很低，此期間地下水位可適當(dāng)略高于地下水生態(tài)水位上限值。9-10月，雖然這一時期的蒸降比只是4月份的1/2-1/3，但這期間降水量減少，在地下水集中開采地區(qū)地下水位正處于水位回升的階段，表土裸露，土壤易于積鹽。在此期間要求地下水位應(yīng)控制在地下水生態(tài)水位上限以下。

4.2 地下水生態(tài)水位下限閾值調(diào)控

夏季降水集中，植物生長的用水需求可由降水或地表水灌溉進(jìn)行補充，此間地下水位可適當(dāng)?shù)陀诘叵滤鷳B(tài)水位下限，但在春秋季節(jié)，地下水位應(yīng)能夠恢復(fù)到地下水生態(tài)水位下限以上。

5 結(jié) 論

三江平原冬季漫長寒冷，存在季節(jié)凍土，地下水動態(tài)規(guī)律有其特殊性。

1)地下水生態(tài)水位埋深是一個閾值范圍，主要包括地下水生態(tài)水位埋深上限閾值與下限閾值，將防止土壤漬害和土壤次生鹽漬化地下水埋深(也稱地下水臨界埋深)作為地下水生態(tài)水位埋深上限。將防止土壤沙化和天然植被退化的潛水蒸發(fā)極限埋深作為地下水生態(tài)水位埋深下限閾值。經(jīng)分析研究包氣帶巖性為砂土?xí)r，地下水生態(tài)水位埋深閾值范圍為0.5-5.3m，為亞粘土?xí)r，其中亞粘土厚度1-3m的，地下水生態(tài)水位埋深閾值范圍為2.5-6m，亞粘土厚度>3m的閾值范圍為2.5-7.2m。

2)根據(jù)不同季節(jié)特點可對地下水位進(jìn)行調(diào)控。冬季，地下水蒸發(fā)極其微弱，在此期間內(nèi)不會產(chǎn)生土壤次生鹽漬化問題。夏季，蒸降比小，降水集中，包氣帶土壤積鹽的風(fēng)險很低，此期間最高地下水位可適當(dāng)略高于地下水生態(tài)水位上限值，最低地下水位可適當(dāng)?shù)陀诘叵滤鷳B(tài)水位下限值。春秋兩季地下水位應(yīng)控制在地下水生態(tài)水位上限與下限之間，防止地下水位過高或過低而導(dǎo)致的環(huán)境水文地質(zhì)、生態(tài)退化等問題。