与地下水相互依存的生态系统及其面临的威胁

2015-05-01美国阿辛顿

水利水电快报 2015年6期

［美国］A.H.阿辛顿

1 概述

所有在地球表面以下的水都可称之为“地下”水。降水、地表径流、冰、风和构造作用力这类因素均为地表水渗入到地下材料创造了机会。水透过土壤和植物根系层(称为“地下水补给”或“渗透”)一直要到粘土、页岩、岩石或其他不透水层或半透水阻隔物(如有机胶结砂)这些非渗透层。一旦遇到这种阻隔层，地下水便会聚集，并完全浸透地下材料。饱和层的顶板称为“地下水位”，地下水位以下饱和带的水称为“地下水”(图1)。地下水位以上地层中的水称为“渗水”(或浅水)，从地下水位一直到地面这一带称为不饱和带。季节过度期和在丰水期或枯水期周期性的变化对浅层地下水位高程的影响，都可能把这些水带到地面，而带到地面的地下水，又可能形成泉水、水塘、湖泊或湿地，促成岸栖植物生长，也可能形成河流的基流(图1)。这些生态系统对地下水的依赖性和地下水开采对淡水生态系统的影响是本文的主题。

图1 与地形和淡水系统有关的地下水系统、饱和带和非饱和带、地下水水位

储存有丰富地下水的透水层称为“含水层”，出现在能存储和产出有效水量、富有孔隙或裂隙的砂层、砾石、砂岩、白垩岩、石灰岩破碎岩石(例如花岗岩)的地质构造中。含水层中的水量随地质物料之间的孔隙空间(亦称孔隙、空隙或裂缝)特性而变化，由于孔隙空间是互相连通的，使得水在重力作用下能够流动和聚集，当水累积到足够量时便形成含水层。含水层的饱水厚度变化不定，小则1 m左右，最厚的可达100多米;其分布范围也是不定的，小则几米，大的分布范围可能达数百公里，甚至跨越村界、州界、省界或国界。在不透水岩层、粘土层或页岩层(即隔水层)覆盖含水层的地方，水位不能升降变化，则称为封闭含水层。隔水层(即地质屏障)以下隔断的地下水所产生的压力，足以使水透过裂缝和裂隙，无需抽取就会涌至地面，形成涌泉。在没有低渗透性岩层形成隔断的地方，含水层无限制，则称为开放含水层，这种含水层可从高处流到低处，涌至地面成为泉水，或流到湿地或江河中。在碳酸盐和泥沙沉积、形成沙丘或小山包的地方，或水渗到浅沼泽低洼的地方，当构造作用和断裂带富含钙和重碳酸盐的地下水逸出地面时，便形成堤泉。在南澳大利亚和昆士兰州，沿澳大利亚大盆地西南边缘，形成了数个大堤泉群。这些孤立的水体，支持着稀有的水生无脊椎动物(尤其是蜗牛)及鰕虎鱼、鲶鱼和银汉鱼等鱼类。流经石灰岩(一种由矿物方解石组成的沉积岩)这类地下岩层的水，因其微酸性而具有溶解作用，从而构建了裂隙、地下洞穴和称为“落水洞”的崩坍区。在喀斯特(石灰岩)地带，与流动的地下水持续接触的方解石被溶解，形成奇妙的地下洞穴体系和独特的岩石地貌。世界上最长的洞穴——肯塔基州的猛犸洞穴，地下通道长达240km。位于新西兰汉密尔顿南部怀托摩地区的怀托摩岩洞(Waitomo Caves)(怀托摩来自于毛利语 wai，意思是“水”和“洞”)，由现在已知的300个洞穴组成，这些洞穴因洞中生长着双翅类昆虫(一种本土生物荧光物种)而著名。洞穴系统支持着靠地下水生活的稀有物种及大型甲壳类动物，还有昆虫、蠕行动物、腹足动物、螨类和鱼类。这类由地下水支持的动物群落，就生活在喀斯特和淤积土的孔隙空间以及岩石含水层的裂缝中。

湿地、河流、岸区、冲积平原和河口与源自非饱和带和地面径流的水和地下水都有着密不可分的各种依存关系。与地下水密切相关的生态系统(GDEs)是由复杂多样、而且往往又是由世界生态系统中一个丰富的生物子集所构成。它们可通过对地下水的不同依赖程度进行区分，以维持其水化学性能、热学性能、生物体组成及生态功能。

2 河流作为与地下水密切依存的生态系统

河流流量可能源于直接降水、泉水、地面径流，也可能从地下流动的水直接注入河道。这部分地下水称为表层流(或中间流，壤中流)，也就是说，这是通过非饱和带未渗透到主地下水面的下渗部分。表层流也包括非饱和带中从任何滞水位流动的水。在地下水位(深饱和带顶板，参见图1)以下，地下水可能直接注入河中，形成基流。

由于这部分基流源自地下水的总流量，所以其反映了含水层的渗透能力、局部和区域的地质状况、岸区和漫滩的储水状况，以及地下水位所在的地形地势。在不透水岩区，降雨渗透较慢，因此总流量中的基流贡献率一般较小，而地面径流部分较大。在透水性地质构造流域，地面径流可能最小，河道流量大多源自基流。在既没有降水也没有地面径流入河槽期间，就只有靠地下水提供水源。许多向干旱和半干旱地区供水的河流，多半只是基流。在更多降水量偏多、气候温和和湿热气候带的河流，即使雨量减少，但表层流仍会持续，时常都是流入河中，因此，许多持续流入河流体系的水，都是通过表层流和地下水分配得到的。学者博尔顿和汉考克指出，除了一些只是雨后和仅靠地面径流的季节性小溪流之外，其他河流完全是或大部分是靠地下水。河道中的水基本上都与注满砂砾石和岩床间空隙的地下水直接接触，而地下水的深度可能在河床以下数米，地下水整个范围可能达数公里，形成隐藏在水下的水生生物栖息地，因此人们称这一地带为“地表水－地下水的交错带”和“河岸湿地带”。地表水－地下水交错带和河岸湿地带与地表水、地下水、冲积含水层和河岸带的关系见图2。地表水－地下水交错带可定义为河道以下及其旁侧的水饱和沙土沉积带，河水和地下水在此处进行水体交换。大多数基流源于从河道边缘地带及其漫滩通过河岸湿地带渗入的地下水，或者从河道下面的地表水－地下水交错带流入。这样，河岸带及其生态特性也就与经由河岸湿地带的大多数河流地下水密切相关了。

图2 与地表水－地下水交错带相关的水文区域示意

可按3个空间尺度审视河流基流体系在功能上对地下水的依赖性:①沉积物尺度，即微生物过程和化学过程会产生微小尺度的环境梯度;②延伸尺度，即地下水与地表水的水体交换，以及地表水－地下水交错带水滞留时间的不断变化，显然会沿浅滩、沙洲和河道分支产生坡降;③流域尺度，即从河流源头到其低地区域沿河的地表水－地下水交错带、沉积物和洪水滞留的相对尺度综合坡降。

3 依存于地下水的河段范围

在泉水与渗透河段范围内，河流的基流源自泉水和河源区渗出的水，然后经由河流中游(此带多为上升流区和下渗流区)的河岸湿地带和地表水－地下水的交错带(见图3)。

图3 典型流域中常见的河流基流体系

大多数永久性泉水，一般来说其流动性、水化学特性及水温都很稳定，尽管沼泽地区的出水量带有季节性。这些淡水系统完全依靠地下水，其生物群可能包括生活在专性和本土地下水中的无脊椎动物，这种动物缺眼缺色素。在离下游越来越远和生物栖息地更多样化的地方，物种的数量一般会增多，群落组成开始与附近常年河流中的相接近。河岸湿地带和地表水－地下水的交错带在多孔渗透性河床河流的中游(取决于地下水位的剖面)，基流是通过地下水而产生，而这种地下水是从河边的河岸湿地带和河床下面的地表水－地下水的交错带流入河道的(图2和图3)。在这些上升流区或出流区，各种生态过程都随流入的地下水而启动。如地下水中的溶解氮，开始为水底的藻类生长供养分，某些水生植物也对上升流或地下水的出流有所动作。水面下的微生物和无脊椎动物也随着空间形态的变化和地下水与河道间水文交换的程度表现出独特的分布形态。这些微生物和无脊椎动物的活性会对生态系统过程产生影响，如地面河流呈现枝叶状分离，因而导致有机物出现分解过程。

在地表水－地下水的交错带，地下水的上升流可能多方面对鱼类有益。有些鲑鱼喜欢在上升流区的沉积物地带产卵，因为在冬季地下水可防止卵被凝固。上升流区可为鱼类产卵的沉积物地带提供含氧水，这些富集带也可带来更多的食物供应。对于诸如龙利鱼(cobbler)这类淡水鱼 (Tandanuts bostockz)，有地下水侵入，就能在具有地中海气候特征带的长年枯水期，由地下水透过浅石滩维持栖息地的连通性和鱼类的迁移路线。地下水的补给和地表水－地下水交错带的地下水流，只能在常年河流的干旱期和缺水少雨时为鱼类和无脊椎动物的生存解难，而且对维持流量大小和枯水期不定的季节性河流中孤立的水生生物生存是绝对必须的。在进化时期范围内，含水层在外部环境条件发生变化时便成为水生生物的避难所。

4 在流域和区域范围对地下水的依存性

学者博尔顿和汉考克指出:在流域范围内，从来没有评估过地面河流生态系统对地下水分配(水源为泉水、渗流、地表水－地下水的交错带和河岸湿地带)的附加效应。地表水－地下水交错带的走廊概念(即HCC)，在某种程度上是从流域范围的角度来讲的，它是根据地下水渗入河道受限的地形构造和约束条件，沿河流走向虚拟的一条地下连续流动的水体。地表水－地下水交错带走廊形成的地下连续流动水体，在两侧范围还延向岸区、支流、河岔、埋藏河道和滩区的含水层(可能从主河道向两侧延伸3 km以上)。这就形成了一种宽范围侧向延伸，各自具有与河流表面流态相衔接的时空地貌特征。大多数河流沿纵向出现制约和非制约的交替状况，而且地形的约束支配着分布到河流基流、地表水－地下水交错带和河岸湿地带的地下水范围。结果是，河面下的地下水沿河流走廊扩展和收缩，像是“线上穿着的一串珠子”。

在整个流域范围内，地表水－地下水交错带走廊概念，有助于解释河流和河岸系统的几个特征。一是河岸带的结构和动态特征，能反映地表水－地下水交错带的流态、上升流区和下渗流区的状况。另一特征是，受生物地球化学交换和地表水－地下水交错带的富养水上升流作用影响的河流带，水域生产力呈片状分布。从更广的范围看，这种水文交换过程和地下水连通性在时空上的变化，有利于生物多样性在这种地域环境中发展。地下水渗入河道的水量和时间，也会随着空间形态的变化而变化。例如，在闷热的枯水期，地下冷水可为鱼类提供舒适的避难场所，即使在小流域，也可让鱼群耐受这种环境而生存。在干旱地带的河流，如澳大利亚的库珀(Cooper)河，洪水过后水底的藻类生长很萧条且有限;而一旦孤立水潭中的上层滞水位稳定后便立即恢复，沿岸的生产带也相应地恢复。这种随外界环境而生长的海藻形成了水塘中的食物链，直接影响着干冷月份在水塘中避难的鱼类存活率。当洪水月份再次到来时，作为鱼类避难的水塘，它通过大量的繁殖和恢复，维持着赋予旱地生态系统恢复力的鱼种。

5 其他与地下水密切相关的生态系统

任何河流都没有与地下水密切相关的唯一生态系统。学者汤姆林森和博尔顿提出了一个概念性框架，即地表水与地下水相互依存的生态系统(SGDEs)不仅能通过地下水流来联系，而且还通过地表水－地下水的交错带、渗流带、海洋上升流区、侵入带和沙岸带这些过渡区或带与地面水生、河岸、陆地、河口和海洋生态系统密切关联。SGDEs之间也可能有直接的联系，例如冲积含水层可能覆盖或与钙质结砾岩或破碎岩这类含水层交错分布。这些动态的生态过度区为岩石材料和能量的交换区，是动物群种疏散以及营养物和污染物传输的潜在途径。学者汤姆林森和博尔顿极力推荐“生态水文地质法”，以此来领会人类活动对SGDEs(主要认识地下水(例如，陆地、湿地和河口)生态系统含水层的渗透和连通途径)干预的意义。该方法作为一种评估生态需水量的总体模型，通过超常规的区化，深入到河流、湿地、河口和地下水系统，具有良好的发展前景。

6 水文变化及地下水生态系统受到的威胁

深层含水层是极缓慢储存起来的，世界上大约只有1%的这种淡水含水层可通过每年的雨量补给，但该含水层要存储大量的水，累计则需数十年到百万年的时间。据估计，距地球表面0.8 km的范围内，大约有420万km3的地下水，占地球全部淡水的25.6%，但依目前的技术，大约有90%的这种地下水仍属罕见。不过人类利用地下水作为生活和农业用水的历史已有8000多年，至今至少占世界总人口1/3的人取用过地下水。

在美国，用在农田灌溉上的水大约占用水总量的85%，而且1/3均取自地下水。在澳大利亚、北非、中东、南亚和中亚、欧洲和北美洲的大部分地区，由于地下水过度开采，减少了地面河流的流量，原由地下水涌出的泉水干枯，河流流态改变。在中东和北非的干旱地区，开掘地下水主要是用来灌溉。例如，沙特阿拉伯利用的是不能再生的地下水来满足几乎所有的灌溉需水量。利比亚的“大人工河”(Great Man－Made River Project)项目，每年通过1600km的管路将2 km3以上的地下水输送到沿海所建的巨大蓄水库，用以支持135000hm2的农田灌溉。该水量占到了该国总用水量的1/3。

水生生态系统和陆地生态系统对地下水的依赖程度有所不同，取决于其构造形态及功能，因此，它们在地表水和地下水水文状况发生变化时会表现出不同的弱点。由于可能受影响的上述系统变化不定，这就给量化地表水与地下水密切联系的生态系统对地下水变化的生态响应带来了困难。汤姆林森和博尔顿的概念性构想框架，有助于观察到不同类型的SGDEs及其相互之间潜在的连通性，以及与地面水生生态系统(泉水、河流和湿地)、陆地生态系统(河岸和陆地填被)、河口和海洋生态系统的密切联系。

人类活动对地下水位的下降有重要影响，包括抽取地下作为灌溉和生活用水以及洗矿用水(这些水又渗回到地下水位以下)，而地下水系统的回补特性又可能由于各种土地的利用(毁林、造林、种植农作物、城镇化用地)而发生改变。建坝、蓄水、河道流量调节、河道渠化、排水沟施工等进一步对地下水位造成影响。

在极端情况下，地下水位的降低，就完全切断了源自下伏含水层的河流基流。河床和河岸的物理变化，也可能导致下伏含水层与河流基流的水源联系。地表水－地下水交错带孔隙空间被泥沙或细菌生物膜阻隔，同样也会减少地下水和地表水的水体交换。因此，在河流基流系统中，维护河岸湿地带和地表水－地下水交错带的良好透水性，对维持正常水面和地下水交换及生态过程是至关重要的。

在降水量稀少的地区，许多河流有自然干涸的周期，一般在干燥雨少的生态系统中发生得更为频繁。由于气候干燥且变化剧烈，造成人类用水的需求量节节攀升，尤其是灌溉农业，许多旱地是通过大规模的调水方式直接将水输至农田来灌溉作物，或直接抽取地下水。以这种方式为灌溉取水，导致了世界范围内旱地河流的缺水和显著的水文变化发生，包括美国、澳大利亚、西班牙和南非的河流和湿地在内。

人类活动阻隔或抽取地下水，可能会延长具有旱地河流特征的零流量的自然周期，也可能会改变这一周期的起止时间。例如在新西兰的南部岛屿，由于越来越大量地从地下抽取灌溉用水，对坎特伯雷平原上的塞尔温(Waikirikiri)河下游造成了威胁。在过去的20a中，干涸河道的年平均长度每年增加0.6 km。这些干涸的河段成了埃尔斯米尔(Ellesmere)湖和塞尔温河源头之间鱼类洄游的明显障碍。虽然河流生物群具有适应和应对各自流域或地区天然流态变化能力，但在枯水期到来时，通过抽取地下水的方式调整过长枯水流量周期，就极有可能造成脆弱物种的消亡。这也可能意味着所有专性水生物种(鱼类、软体动物和许多无脊椎动物)都会灭绝，而只有那些处在休眠期的物种才能暂时幸存。

在北美洲，旱地河流不仅出现在沙漠地区，而且也出现在大平原上，并且横跨整个北美洲大陆中部，形成北美洲第三大生态区。大平原是世界上生产价值最高、经济上最重要的农业区之一，大约占全世界农业总收成的25%。地下水为大平原河流的流量作出了重大贡献，特别是在河源头，并为水生生物群赖以生存的重要栖息地维持着生态基流和生态连通性。但为农作物灌溉而大量开采地下水，造成地下水位明显下降，导致河流栖息地破碎，致使西部大平原蒙受损失。例如，在西部大平原中，原产自美国普拉特河、阿肯色河和科罗拉多东部的里帕布利克河流域的37种本土鱼种已大量减少，20种鱼类中有的灭绝、有的濒临危险或者受到威胁，或者被列为科罗拉多河重点保护的物种。

鲑科鱼(Salmonids)似乎对依赖于其产卵栖息地的地下水特别敏感。在丹麦的一条河流中，由于地下水开采，影响到鳟鱼栖息地的原有生活状况。虹鳟(斑鳟属，现称为大麻哈鱼)，其出生前胚胎的存活率与河床泥沙颗粒尺寸组成无关，但与河床产卵区地下水的流速和水溶解氧浓度有关。在苏格兰的一条河流中，索尔斯比等人查验了地表水－地下水交错带地下水与地表水的连通性，发现在地下水入流量增大的丰水期，当时实测到的氧含量较低，对大西洋鲑(斑鳟属)产卵的成活率有一定的影响。

当抽取地下水的钻孔太靠近河流时，往往会通过地表水－地下水的交错带加快地下水涌入地表水，这时可能引起河岸湿地带水温上升、溶解氧加大，透水率增强。富氧水的流入，也可能会使沉积的微生物群落从特别的厌氧变为好氧，而且由于脱氮过程实质上是一种厌氧过程，可能导致硝酸盐入河量增加，对河流水质和生产能力造成较大的影响。

其他与地下水过程有关的水质变化还包括水中含盐度的上升，因为储在土中的盐份会集结在灌溉水中。过度使用这种灌溉水，加上去除深根性植物，可能会造成土壤盐渍化，同时可能增大附近河流的含盐量。由于地表水－地下水交错带和地面水生生物群不能适应高含盐量的水，所以说高含盐量是有不良影响的。在农业区地下水养分含量也较高的地方(这种情况常见)，增大生态基流可能会导致富营养化及其他水质问题。

当地下水位下降时，人们最为关注的是与地下水密切相关的生态系统，如果这时抬高地下水位，就能改变调入河流的基流系统的流态，从而产生生态效应。一种可能的结果是，在能适应非永久性和不断变换环境中生活的物种，可能会被能适应固定利用水和栖息地的物种所取代。这些长期生存下来的物种，往往与流域或者生物区的环境不相容。

在一些沿海地区，通过地下水水井过量地抽取地下水，往往导致盐水侵入到宝贵的淡水含水层中，在大洛杉矶的沿海地区，1/3的供水是目前冒着风险从盐水入侵的局部地下水抽取而来。在湄公河三角洲，大约有200万hm2的沿海农田由于采用了深井进行地下水开采、导致盐水下渗而影响到含水层。