寒区地下水生态水位研究

秦紫东，郭 辉，孙博文

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

三江平原位于黑龙江省东部，是中国重要的商品粮基地和湿地生态功能区。夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春秋两季气候多变。虽然纬度较高，年均气温1-4℃，最冷月(1月)平均气温-17.3-21.5℃，最热月(7月)平均气温21.1-22.0℃,结冰期长达150-180d，平均最大冻土深1.6-2.0m。但夏季温暖，雨热同季，非常适宜农作物尤其是优质水稻和高油大豆的生长。

由于三江平原井灌水稻发展过多，地下水承载能力不足，导致区域性地下水位下降，不仅影响农业可持续发展，对湿地的涵养作用也逐步减弱，开展寒区地下水生态水位及调控研究，防止地下水位过高或过低而导致的环境水文地质、生态退化等问题，对保护地下水资源，保障供水安全、生态与环境安全，具有重要的现实意义。

1 地下水位动态规律

地下水位动态是多种因素综合影响的结果。影响地下水位动态的因素，除地形地貌、岩性和水文地质条件等静态因素外，主要有气象、水文及人为等因素。

三江平原第四系孔隙水水位主要受气象因素及人为因素制约，地下水位随气象及人工开采变化周期而变化，具有明显的季节性和周期性。

自然状态下潜水位年内变化多具一峰一谷特征，丰水期基本与雨季相对应，枯水期与干旱少雨季节相吻合，弱承压水区只是在时间上地下水位的变化较降水有所滞后。本区11月—翌年3月气候寒冷，地表存在季节性冻土，冻土具有弱透水、储水性和抑制蒸发作用，在此期间地下水垂向补给很弱，处于径流及人工开采状态，地下水位持续下降；4月份以后，随着气温升高，冻结层融化，地下水逐渐得到冻结层融水及降水入渗补给，地下水位略有上升；5月、6月蒸发强度较大，而且又有一定强度的降水，因而本期水位常产生小幅降落和回升。本区降水集中在6-9月份，可占全年降水量的70%-80%，此段时期地下水获得大量的降水入渗补给，地下水位随之逐渐升高。10月份以后随着降水的减少，11月份地表开始冻结，典型区地下水水位动态曲线，见图1。地下水的补给来源迅速减少，地下水位开始持续下降(见图1a)。

由于多年来三江平原井灌水田大力发展，集中大量开采地下水，使地下水位天然动态受到了严重破坏，井灌水田区从4月下旬开始大量开采地下水，使地下水位急剧下降，到8月以后，井灌水田区地下水开采量逐渐减少，地下水位逐渐回升(见图1b)。

图1 典型区地下水水位动态曲线

2 包气带岩性的分布规律

三江平原主要河谷漫滩区：地下水类型为潜水，除局部砂砾石直接出露地表外，亚砂土及亚粘土厚0-2m，地下水埋深一般1.5-5m，包气带岩性以砂为主，粘性土次之。

广大阶地区：松花江以北地区，地下水类型多为潜水，地表覆盖1-3m亚砂土及亚粘土层，局部地区4-5m，地下水埋深一般3-6m，包气带岩性以粘性土为主，砂次之。松花江以南地区，富锦-集贤连线以西广大地区，地下水类型多为潜水，地表一般覆盖1-5m亚粘土层，局部亚砂土，地下水埋深3-6m，包气带岩性以粘性土为主，砂次之；富锦-集贤连线以东广大地区，普遍上覆3-17m的亚粘土，地下水类型多为弱承压水，地下水埋深多为2-10m，局部10-20m，包气带岩性以粘性土为主。

3 地下水生态水位阈值的确定

地下水是自然生态环境系统中最为活跃的因子之一，地下水位的变化会引发生态环境的一系列的响应。地下水位过高可能导致农作物渍害和土壤次生盐渍化问题；地下水位过低则可能引起土壤沙化和天然植被退化，更有甚者引发地面沉降、地面塌陷、咸水入侵等环境地质问题。因此，地下水资源开发利用过程中，应尽量控制地下水位保持在生态环境所允许的阈值区间内，以维系现有生态环境或者使生态环境得以进一步改善；否则将可能引起生态环境的恶化。

地下水生态水位埋深的含义是：在该水位埋深基础上开发利用地下水，可以满足生态环境需求，不产生环境水文地质问题，并且可以使已经遭到破坏的地下水环境逐渐地得到修复。

地下水生态水位埋深是一个阈值范围，包括地下水生态水位埋深上限阈值与下限阈值。根据三江平原的气候、包气带土壤类型、农作物种类以及农业用水阶段，将防止土壤渍害和次生盐渍化地下水位(也称地下水临界埋深)作为地下水生态水位上限阈值；将防止土壤沙化和天然植被退化的潜水蒸发极限埋深作为地下水生态水位下限阈值。地下水生态水位上限下限阈值示意图，见图2。

图2 地下水生态水位上限下限阈值示意图

3.1 地下水生态水位上限阈值的确定

土壤积盐程度主要和土壤毛细水上升高度有关。如果潜水埋深低于毛细水上升高度，土壤积盐强烈，反之，土壤积盐微弱。因此，常将毛细水上升高度作为防止土壤积盐的临界深度。

地下水生态水位上限=土壤最大毛细水上升高度(hc)+耕作层厚度。耕作层厚度一般为0.15-0.20 m。王喜华(2015)对三江平原包气带取样的实验分析，18个包气带土壤样品测得的毛细上升高度在23.99-217.71cm之间。结合三江平原包气带岩性分区以及毛细上升高度的经验值，综合确定不同包气带岩性区地下水生态水位埋深上限阈值，地下水生态水位埋深上限阈值，见表1。

表1 地下水生态水位埋深上限阈值

于湿地保护区地表积水情况也十分常见，此处不存在土壤盐渍化的风险，因此，对湿地保护区不设生态水位埋深的上限阈值。

3.2 地下水生态水位下限阈值的确定

当地下水位埋深大于潜水极限蒸发深度时，地下水对土壤蒸发损耗水份的供给不足或停止，则会导致地表土层湿度降低，地下水位长期低于潜水极限蒸发埋深可能导致地表生态退化。因此，通常以潜水极限蒸发深度作为生态地下水位埋深下限阈值。

确定极限蒸发深度的方法通常有实测法、经验公式法和动态资料相关法等(赵海卿，2012)。

利用动态资料法确定不同地区的潜水极限蒸发深度，其基本过程如下：

1)在监测井动态数据中选择若干时间段(≥3)，然后确定时段中的最大地下水埋深(hmax)，最小地下水埋深(hmin)，时段内地下水位差值(△h)、平均地下水埋深(have)以及水位变幅与水面蒸发强度的比值(△h/ε)。

2)以平均水埋深(have)为横坐标，以水位变幅与水面蒸发强度的比值(△h/ε)为纵坐标，绘制离散点及其线性趋势线，该线与横坐标的交点所对应的地下水埋深即为潜水蒸发的极限埋深。在计算过程中，要结合地下水动态数据的变化规律，选择避开降水和开采的高峰时段。

根据三江平原地下水动态资料与水面蒸发强度，选用46眼监测井资料，计算潜水极限蒸发深度。地下水生态水位埋深下限阈值确定结果，地下水生态水位埋深下限阈值，见表2。

表2 地下水生态水位埋深下限阈值

对于以地下水作为支撑的湿地保护区地下水生态水位下限应高于土壤毛细水上升高度。

4 地下水生态水位调控原则

4.1 地下水生态水位上限调控

11月—次年3月期间，其中4月份之前为冰冻期，地下水蒸发极其微弱，在此阶段内不会产生土壤次生盐渍化问题；4月份是1a当中蒸降比最高的月份，典型气象站逐月蒸发与降水分析，见表3，也是冻结层开始融化的阶段，是春季返盐土壤次生盐渍化风险最高的时间段，在此期间内，尤其是每年11月初和4月初，要控制地下水位在地下水生态水位上限以下。

表3 典型气象站逐月蒸发与降水分析

5-8月，是地下水开采、地表水灌溉以及大气降水的高峰期，地下水位多以下降为主，或者地下水位虽有上升，但由于入渗水量远高于蒸发水量，包气带处于脱盐状态，加之植被覆盖的影响，包气带土壤积盐的风险很低，此期间地下水位可适当略高于地下水生态水位上限值。9-10月，虽然这一时期的蒸降比只是4月份的1/2-1/3，但这期间降水量减少，在地下水集中开采地区地下水位正处于水位回升的阶段，表土裸露，土壤易于积盐。在此期间要求地下水位应控制在地下水生态水位上限以下。

4.2 地下水生态水位下限阈值调控

夏季降水集中，植物生长的用水需求可由降水或地表水灌溉进行补充，此间地下水位可适当低于地下水生态水位下限，但在春秋季节，地下水位应能够恢复到地下水生态水位下限以上。

5 结 论

三江平原冬季漫长寒冷，存在季节冻土，地下水动态规律有其特殊性。

1)地下水生态水位埋深是一个阈值范围，主要包括地下水生态水位埋深上限阈值与下限阈值，将防止土壤渍害和土壤次生盐渍化地下水埋深(也称地下水临界埋深)作为地下水生态水位埋深上限。将防止土壤沙化和天然植被退化的潜水蒸发极限埋深作为地下水生态水位埋深下限阈值。经分析研究包气带岩性为砂土时，地下水生态水位埋深阈值范围为0.5-5.3m，为亚粘土时，其中亚粘土厚度1-3m的，地下水生态水位埋深阈值范围为2.5-6m，亚粘土厚度>3m的阈值范围为2.5-7.2m。

2)根据不同季节特点可对地下水位进行调控。冬季，地下水蒸发极其微弱，在此期间内不会产生土壤次生盐渍化问题。夏季，蒸降比小，降水集中，包气带土壤积盐的风险很低，此期间最高地下水位可适当略高于地下水生态水位上限值，最低地下水位可适当低于地下水生态水位下限值。春秋两季地下水位应控制在地下水生态水位上限与下限之间，防止地下水位过高或过低而导致的环境水文地质、生态退化等问题。