内陆干旱区平原水库周边生态环境研究综述

2013-03-24申治鑫周金龙杨广焱

地下水 2013年1期

申治鑫，周金龙，，杨广焱

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052;2.中国地质大学环境学院，湖北武汉430074)

生态环境与人类的活动和生存密切相关。在干旱地区，水资源量是有限的，脆弱的生态环境对地下水的依赖作用就显得十分显著。在干旱地区平原水库建成后，随着库区蓄水量的增加和时间的推移，库周及下游的地下水位逐渐上升，由此产生了诸多的环境问题，如土壤湿陷、沼泽化和盐渍化等，使周边的植被遭到严重的破坏，方圆2～3 km的土层表面积盐量大大增加，造成大面积土地的撂荒。在农业生产活动集中而又频繁的绿洲地区，盐渍化的状况直接影响农业生产，而且在水库附近盐分的运移和变化也很迅速，因此有必要了解水库附近土壤的水盐动态变化情况，从而为小区域的土壤盐渍化治理提供基础资料和科学依据。平原水库渗漏引起周边地区地下水位升高对小区域的生态环境具有很大的影响，同时很多的学者对于因地下水位引起的生态环境效应做了大量的研究工作［1-4］。

1 新疆平原水库概况

新疆地处中温带极端干旱的荒漠地带，四周高山环绕，远离海洋，地貌呈“三山夹两盆”的格局。新疆的地表水主要是来自高山融雪和山区降水［5］，最后经汇流进入平原，由于融雪和降水受到气温的影响，所以季节分配极不平衡，为了充分利用水资源发展农业生产，修建平原水库就显得十分必要了。平原水库是一种利用平原地区低洼地或废弃河床，通过地下挖坑、地上修筑围坝形成库容，并从近地或远地引水充灌形成的蓄水调节水库［6］。其主要特点是:面积大，水深小，坝线长，基础处理差。

新疆解放后，为了充分利用地表水资源，扩大灌溉面积，发展农业、畜牧业生产，各地掀起了修建平原水库的热潮。从解放至今60多年来，全疆由解放初的两座水库(库容2 000×104m3)［7］，增加到现在各类水库564座，以小型水库和平原水库为主，总库容134.7亿 m3，其中地方所属水库450座，库容103.05亿 m3(包括:大型水库13座，库容70.19亿 m3;中型86座，库容 25.20亿 m3;小型 351座，总库容7.66亿 m3)［8-9］。由于大部分是平原水库，渗漏蒸发损失占入库水量的20%～60%，且调节能力有限，无法满足适时适量供水、合理配置、高效利用水资源的基本要求［10］。受当时的生产条件所限制，建库水平不高，施工简单，而平原地区坝基的覆盖层往往很深，它们大多座落于粉砂土、砂壤土、壤土或粘土地基上，并用这些土料筑坝。渗透系数在10-4～10-5cm/s，有的甚至在相当疏松的砂壤土、砾质土上，渗透系数在10-3～ 10-4cm/s［11］。根据《碾压式土石坝设计规范》［12］(SL274—2001)中“无限深透水地基”的阐述，新疆的很大一部分平原水库的坝基都可以视为无限深透水地基，例如，塔里木河上的上游水库、胜利水库、多浪水库、恰拉水库等;呼图壁河的大海子水库、小海子水库等等都是建立在可视为无限深的透水地基上的水库。而且坝基多为第四纪松散土层，透水性较强，再加上很多平原水库的坝身土料选择不当，施工质量差，或坝基分布砂性土层等原因，平原水库的渗透量是很大的［13］。根据已有研究成果估算［14］，新疆平原水库的年蒸发量为26.1×108m3，年渗漏量为8×108m3，合计每年损失的水量约为34.1×108m3，若能采取有效措施，将这两部分损失的水量节约下来用于对新疆干旱区的农业发展，产生的效益将是不可估量的。

2 平原水库渗漏与生态环境

平原水库蓄水后，随着库水位的上升，回水面积增大，库水充满库底和库边岩土体的空隙，库周地下水位随之壅高。当库水位上升到高于库周地下水分水岭高程时，库水往往将通过松散岩土层的空隙，产生坝基渗漏，向邻谷洼地或坝下游等低地排泄［15］。随着渗漏量的增加，库区周围的地下水水位也随着上升，导致水库周围及下游土壤浸没、湿陷、沼泽化、盐碱化和地下水咸化等生态环境问题，造成库区周围植被破坏或耕地的减产甚至荒漠化，产生严重的经济浪费。水库附近地下水位上升引起的小区域土壤水盐动态变化的研究，对于区域农业的可持续发展不仅具有理论意义，而且具有重要的实践意义。

2.1 地下水位与生态环境效应的关系

地下水位与生态环境存在着密切的关系。地下水位的变化会引起一系列生态环境问题，地下水位过高会引发土壤盐渍化和沼泽化等，过低会引起土壤干化、沙化和天然植被衰败，这也就是说在一定的区域存在一个合理的地下水位，如地下水保持在该水位就会使生态环境往良性方向发展，否则就会向恶性方向发展［16］。最早由张惠昌［17］通过干旱区地区指示性植物的生长状况与地下水埋深的关系和植物根系与地下水埋深及土壤含水量的关系的研究，提出了“地下水生态平衡埋深”的新概念。美国学者Jonathan L.Horton等人针对植物在不同地下水位埋深的生理反映进行了研究，提出了植物进行光合等生理作用的地下水位埋深阈值［18］;澳大利亚学者R.Ri［19］通过LEACHC模型建立了土壤盐渍化与地下水位深度之间的模拟，对于土壤含盐量进行研究，土壤盐渍化的程度取决于土壤的物理特性、地下水位埋藏深度及其作用的根系的深度。崔亚莉［20］针对西北干旱区特定的生态环境条件，通过凝结水对沙生植物作用的分析以及地下水埋深对植物生长和土壤盐渍化影响的分析，探讨了地下水对生态环境的控制作用，认为地下水埋深及包气带水分运动状况，是主要生态环境指标，保持合理的生态地下水位是防治植物死亡和土地荒漠化的关键;维持适度的地下水埋深，可以控制土壤水盐运移和均衡，达到改良土壤和改善地质生态环境的目的。张丽［21］以生态适宜性理论为基础，根据塔里木河干流流域典型植物的随机抽样调查资料，建立了干旱区几种典型植物生长与地下水位关系的对数正态分布模型，根据建立的模型得出干旱区典型植物的最适地下水位、适宜地下水位区间及其对环境因子的忍耐度。

2.2 地下水位与土壤含盐量

随着水库蓄水量和渗漏量的增加，库周及下游的地下水位也不断地抬升，当超过“临界深度”时，水中的盐分在毛细管的作用下向上运移。干旱地区蒸发强烈，随着土壤水分的蒸发，盐分不断地向着土表积聚形成盐土，即使地下水的矿化度不高，地表的积盐速度仍是惊人的。罗家雄［22］通过干旱区气候干热程度与土壤盐渍化的关系和弃耕地土壤含盐变化的研究，认为在干旱气候条件下，土壤水盐以向上运动占绝对优势。在地下水埋深浅的情况下，地下水蒸发十分强烈，导致土壤几乎全年处于积盐状况。王吉智［23］研究了干旱条件下银川平原地下水埋深与土壤含盐量关系，得出了地下水埋深愈浅，土壤含盐量愈高的结论。

因此，土壤含盐量也是一项重要的地下水位生态环境指标。土壤含盐量主要以土壤根层0～40 cm厚度来计算，因为盐渍土的盐分多积累在耕作层，也是根系最为集中的土层。对于植物，可用其“生理干旱”阈值来表示，即土壤水中盐的浓度超过了植物根细胞质盐浓度，造成植物无法吸收水分的土壤含盐量，某一种植物必然生长在其适宜的盐分范围的土壤中［16］。据研究［24］:大部分植物在土壤含盐量 5%以下是可以生长的。

由以上可以看出地下水位埋深与生态环境存在着密切的关系，因此最重要的地下水位生态环境指标是地下水临界埋深。地下水位临界埋深的上值指控制土壤表层积盐量在适宜作物生长范围内的最小地下水位埋;其下值指不引起天然植被衰败的最大地下水位埋深，其值因植物种类不同、地理环境不同等有较大差异。因此，从地下水位临界埋深的定义看，并不是绝对不允许土壤积盐，只是积盐不能危害作物生长。从土壤积盐规律看，毛管水上升高度是土壤积盐的转折点，如果潜水埋深低于毛管水上升高度，土壤积盐强烈，反之，土壤积盐微弱;因此，可把毛管水上升高度作为防止土壤积盐危害作物生长的临界深度，在此深度，土壤积盐一般不会危害作物生长;对于潜水矿化度高的地区，可按潜水矿化度＜5 g/L、5～15 g/L和15～30 g/L分为三级，然后在毛管水上升高度的基础上，临界埋深相应地每级增大0.2～0.4 m［16］。在干旱地区，土壤的盐渍化问题也受到了广大科技工作者和社会的广泛关注［25-29］。在地下水浅埋区，受地下水对地表作用的影响，土壤中发生的各种物理、化学和生物反应过程尤为复杂，同时由此所产生的土壤盐渍化、地下水污染等环境问题也尤为突出［30］。

2.3 库边土壤水盐监测与预测

库边土壤水盐监测数据是了解水库建设对库边地区影响的最直接证据，也是进行水库运行期库边地区生态环境影响预测、预警的基础。

水盐监测方法:监测期内水库均有水且水位比较稳定;水库周边存在不同的边界条件;按与水库的不同距离和不同边界条件布设定位监测点［31］。监测内容包括地下水位、地下水质、排水水量、水质监测、土壤剖面盐分和土壤水浓度。在监测中除采用常规的电测水位计、量水堰等监测手段外，还可利用先进的监测手段，如遥感技术、EM38土壤水盐探测仪、中子水分仪、负压计和土壤水提取器等［32］。

许学工［31］以黄河三角洲耿井水库为例研究了平原水库对周边地下水及土壤的影响，结论表明:1)水库在无截排渗设施的情况下，水库的渗漏会加剧土壤的盐渍化(如水库的西面)，像耿井水库这样的中型地上湖泊式水库，其渗漏的水至少可以影响到50 m以外，并使更远处地下水位抬高，致使滨海盐化潮土叠加次生盐渍化机制发展为盐土;2)地下水矿化度和土壤全盐在6～8月当地旱季和雨季交替时变化最大。其土壤剖面数据显示雨季表层含盐量普遍降低。具有排水排盐出路的土地(位于排水河道外侧)，表层土壤盐分与地下水矿化度呈正相关;而仅有垂直水盐运动的地方，土壤盐分与地下水呈负相关，改造起来非常困难。3)减轻平原水库对环境不利影响的关键是防渗与截渗措施，目前从不浪费水资源出发对水库的防渗措施都很重视，而对截排渗措施还不够重视。平原水库一定要在四周修筑截渗沟并与排水河道相通，将水库的渗漏排出去，才能防止周围的土地盐渍化和沼泽化。张明［33］以农六师兵团222团柳城子水库为例通过平原水库附近土壤水盐动态变化研究，得出以下结论:1)水库对于出水口方向的土壤水盐变化影响明显，对于侧面的土壤水盐变化影响较小;2)水库对于周边土壤水盐的影响范围与水库水位和地下水位的差值呈正比，与地下水在土壤中运动的粘滞系数呈反比;3)在垂直方向上，土壤含水量自下向上呈下降趋势;盐分则随着水分富集地表，所以土壤含盐量自下而上呈上升趋势;4)在水平方向上，水库向外土壤含水量和土壤含盐量都呈下降趋势;5)水库造成了周边地区地下水位的抬升，并使得盐渍化逐渐加强，但对形成湿地，改善水库周围的小气候有积极的作用。

2.4 平原水库渗漏引起的土壤盐渍化治理措施

平原水库渗漏造成最大的问题是土壤盐渍化问题，这也是很多专家反对修建平原水库的原因。平原水库坝基防渗和渗漏治理的主要目的是:将地下水位控制在临界深度以下。对于已经建好的平原水库，防渗体再重新修建是不太现实的，所以要利用其它治理措施来减小土壤的盐碱化。总结新疆多年防治土壤盐碱化的经验，有以下几个方面的措施［13］:

(1)库外地下水受库内蓄水量变化的影响，潜水位反复升降，土壤中盐分遭到不断淋洗，淡化了地下水，土壤次生盐渍化逐渐减轻，此种情况一般发生在进行多次调节的水库，如农八师大泉沟水库20世纪50年代库周表土白碱遍布，70年代起，盐渍化大大减轻，水库周围变成了耕地。

(2)水库蓄水后盐渍化范围较广，经过竖井排灌治理，大幅度降低了地下水位，土中盐分受淋滤作用因而消减，此为标本兼治，可从根本上消除次生盐渍化。如石河子玛管处、安集海地区和柳沟灌区几座水库的影响，即通过此法逐渐解决。

(3)做好坝后排水系统，辅之以生物排水，来降低坝后壅高的地下水位，将其限制在允许范围内，以防止土壤次生盐渍化。

(4)在水库四周和下游打井抽水灌溉，对改良四周的生态环境，效果明显。

在平原灌区，目前人们采用的排水方法有明沟排水、暗管排水、竖井排水、竖井排灌等方法，主要以明沟排水和竖井排灌最常见［34］。

3 结语

生态环境问题是制约社会经济发展的因素之一，平原水库的渗漏引发了诸多的问题，如生态环境问题、地质问题、土壤盐渍化问题以及社会经济问题等。由于库周水文地质条件的改变，引起了一系列的生态环境破坏问题，但是，只要我们能够正视现实，立足根本，提高社会对平原水库的重视，加大投入和整治力度，由平原水库引起的各种环境是可以得到缓解和解决的，平原水库将继续发挥其巨大的经济效益、生态效益和社会效益。

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