申治鑫，周金龍，，楊廣焱

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052;2.中國地質(zhì)大學(xué)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢430074)

生態(tài)環(huán)境與人類的活動和生存密切相關(guān)。在干旱地區(qū)，水資源量是有限的，脆弱的生態(tài)環(huán)境對地下水的依賴作用就顯得十分顯著。在干旱地區(qū)平原水庫建成后，隨著庫區(qū)蓄水量的增加和時間的推移，庫周及下游的地下水位逐漸上升，由此產(chǎn)生了諸多的環(huán)境問題，如土壤濕陷、沼澤化和鹽漬化等，使周邊的植被遭到嚴(yán)重的破壞，方圓2～3 km的土層表面積鹽量大大增加，造成大面積土地的撂荒。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動集中而又頻繁的綠洲地區(qū)，鹽漬化的狀況直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且在水庫附近鹽分的運移和變化也很迅速，因此有必要了解水庫附近土壤的水鹽動態(tài)變化情況，從而為小區(qū)域的土壤鹽漬化治理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。平原水庫滲漏引起周邊地區(qū)地下水位升高對小區(qū)域的生態(tài)環(huán)境具有很大的影響，同時很多的學(xué)者對于因地下水位引起的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)做了大量的研究工作［1-4］。

1 新疆平原水庫概況

新疆地處中溫帶極端干旱的荒漠地帶，四周高山環(huán)繞，遠(yuǎn)離海洋，地貌呈“三山夾兩盆”的格局。新疆的地表水主要是來自高山融雪和山區(qū)降水［5］，最后經(jīng)匯流進(jìn)入平原，由于融雪和降水受到氣溫的影響，所以季節(jié)分配極不平衡，為了充分利用水資源發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，修建平原水庫就顯得十分必要了。平原水庫是一種利用平原地區(qū)低洼地或廢棄河床，通過地下挖坑、地上修筑圍壩形成庫容，并從近地或遠(yuǎn)地引水充灌形成的蓄水調(diào)節(jié)水庫［6］。其主要特點是:面積大，水深小，壩線長，基礎(chǔ)處理差。

新疆解放后，為了充分利用地表水資源，擴(kuò)大灌溉面積，發(fā)展農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)生產(chǎn)，各地掀起了修建平原水庫的熱潮。從解放至今60多年來，全疆由解放初的兩座水庫(庫容2 000×104m3)［7］，增加到現(xiàn)在各類水庫564座，以小型水庫和平原水庫為主，總庫容134.7億 m3，其中地方所屬水庫450座，庫容103.05億 m3(包括:大型水庫13座，庫容70.19億 m3;中型86座，庫容 25.20億 m3;小型 351座，總庫容7.66億 m3)［8-9］。由于大部分是平原水庫，滲漏蒸發(fā)損失占入庫水量的20%～60%，且調(diào)節(jié)能力有限，無法滿足適時適量供水、合理配置、高效利用水資源的基本要求［10］。受當(dāng)時的生產(chǎn)條件所限制，建庫水平不高，施工簡單，而平原地區(qū)壩基的覆蓋層往往很深，它們大多座落于粉砂土、砂壤土、壤土或粘土地基上，并用這些土料筑壩。滲透系數(shù)在10-4～10-5cm/s，有的甚至在相當(dāng)疏松的砂壤土、礫質(zhì)土上，滲透系數(shù)在10-3～ 10-4cm/s［11］。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》［12］(SL274—2001)中“無限深透水地基”的闡述，新疆的很大一部分平原水庫的壩基都可以視為無限深透水地基，例如，塔里木河上的上游水庫、勝利水庫、多浪水庫、恰拉水庫等;呼圖壁河的大海子水庫、小海子水庫等等都是建立在可視為無限深的透水地基上的水庫。而且壩基多為第四紀(jì)松散土層，透水性較強(qiáng)，再加上很多平原水庫的壩身土料選擇不當(dāng)，施工質(zhì)量差，或壩基分布砂性土層等原因，平原水庫的滲透量是很大的［13］。根據(jù)已有研究成果估算［14］，新疆平原水庫的年蒸發(fā)量為26.1×108m3，年滲漏量為8×108m3，合計每年損失的水量約為34.1×108m3，若能采取有效措施，將這兩部分損失的水量節(jié)約下來用于對新疆干旱區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展，產(chǎn)生的效益將是不可估量的。

2 平原水庫滲漏與生態(tài)環(huán)境

平原水庫蓄水后，隨著庫水位的上升，回水面積增大，庫水充滿庫底和庫邊巖土體的空隙，庫周地下水位隨之壅高。當(dāng)庫水位上升到高于庫周地下水分水嶺高程時，庫水往往將通過松散巖土層的空隙，產(chǎn)生壩基滲漏，向鄰谷洼地或壩下游等低地排泄［15］。隨著滲漏量的增加，庫區(qū)周圍的地下水水位也隨著上升，導(dǎo)致水庫周圍及下游土壤浸沒、濕陷、沼澤化、鹽堿化和地下水咸化等生態(tài)環(huán)境問題，造成庫區(qū)周圍植被破壞或耕地的減產(chǎn)甚至荒漠化，產(chǎn)生嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)浪費。水庫附近地下水位上升引起的小區(qū)域土壤水鹽動態(tài)變化的研究，對于區(qū)域農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展不僅具有理論意義，而且具有重要的實踐意義。

2.1 地下水位與生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的關(guān)系

地下水位與生態(tài)環(huán)境存在著密切的關(guān)系。地下水位的變化會引起一系列生態(tài)環(huán)境問題，地下水位過高會引發(fā)土壤鹽漬化和沼澤化等，過低會引起土壤干化、沙化和天然植被衰敗，這也就是說在一定的區(qū)域存在一個合理的地下水位，如地下水保持在該水位就會使生態(tài)環(huán)境往良性方向發(fā)展，否則就會向惡性方向發(fā)展［16］。最早由張惠昌［17］通過干旱區(qū)地區(qū)指示性植物的生長狀況與地下水埋深的關(guān)系和植物根系與地下水埋深及土壤含水量的關(guān)系的研究，提出了“地下水生態(tài)平衡埋深”的新概念。美國學(xué)者Jonathan L.Horton等人針對植物在不同地下水位埋深的生理反映進(jìn)行了研究，提出了植物進(jìn)行光合等生理作用的地下水位埋深閾值［18］;澳大利亞學(xué)者R.Ri［19］通過LEACHC模型建立了土壤鹽漬化與地下水位深度之間的模擬，對于土壤含鹽量進(jìn)行研究，土壤鹽漬化的程度取決于土壤的物理特性、地下水位埋藏深度及其作用的根系的深度。崔亞莉［20］針對西北干旱區(qū)特定的生態(tài)環(huán)境條件，通過凝結(jié)水對沙生植物作用的分析以及地下水埋深對植物生長和土壤鹽漬化影響的分析，探討了地下水對生態(tài)環(huán)境的控制作用，認(rèn)為地下水埋深及包氣帶水分運動狀況，是主要生態(tài)環(huán)境指標(biāo)，保持合理的生態(tài)地下水位是防治植物死亡和土地荒漠化的關(guān)鍵;維持適度的地下水埋深，可以控制土壤水鹽運移和均衡，達(dá)到改良土壤和改善地質(zhì)生態(tài)環(huán)境的目的。張麗［21］以生態(tài)適宜性理論為基礎(chǔ)，根據(jù)塔里木河干流流域典型植物的隨機(jī)抽樣調(diào)查資料，建立了干旱區(qū)幾種典型植物生長與地下水位關(guān)系的對數(shù)正態(tài)分布模型，根據(jù)建立的模型得出干旱區(qū)典型植物的最適地下水位、適宜地下水位區(qū)間及其對環(huán)境因子的忍耐度。

2.2 地下水位與土壤含鹽量

隨著水庫蓄水量和滲漏量的增加，庫周及下游的地下水位也不斷地抬升，當(dāng)超過“臨界深度”時，水中的鹽分在毛細(xì)管的作用下向上運移。干旱地區(qū)蒸發(fā)強(qiáng)烈，隨著土壤水分的蒸發(fā)，鹽分不斷地向著土表積聚形成鹽土，即使地下水的礦化度不高，地表的積鹽速度仍是驚人的。羅家雄［22］通過干旱區(qū)氣候干熱程度與土壤鹽漬化的關(guān)系和棄耕地土壤含鹽變化的研究，認(rèn)為在干旱氣候條件下，土壤水鹽以向上運動占絕對優(yōu)勢。在地下水埋深淺的情況下，地下水蒸發(fā)十分強(qiáng)烈，導(dǎo)致土壤幾乎全年處于積鹽狀況。王吉智［23］研究了干旱條件下銀川平原地下水埋深與土壤含鹽量關(guān)系，得出了地下水埋深愈淺，土壤含鹽量愈高的結(jié)論。

因此，土壤含鹽量也是一項重要的地下水位生態(tài)環(huán)境指標(biāo)。土壤含鹽量主要以土壤根層0～40 cm厚度來計算，因為鹽漬土的鹽分多積累在耕作層，也是根系最為集中的土層。對于植物，可用其“生理干旱”閾值來表示，即土壤水中鹽的濃度超過了植物根細(xì)胞質(zhì)鹽濃度，造成植物無法吸收水分的土壤含鹽量，某一種植物必然生長在其適宜的鹽分范圍的土壤中［16］。據(jù)研究［24］:大部分植物在土壤含鹽量 5%以下是可以生長的。

由以上可以看出地下水位埋深與生態(tài)環(huán)境存在著密切的關(guān)系，因此最重要的地下水位生態(tài)環(huán)境指標(biāo)是地下水臨界埋深。地下水位臨界埋深的上值指控制土壤表層積鹽量在適宜作物生長范圍內(nèi)的最小地下水位埋;其下值指不引起天然植被衰敗的最大地下水位埋深，其值因植物種類不同、地理環(huán)境不同等有較大差異。因此，從地下水位臨界埋深的定義看，并不是絕對不允許土壤積鹽，只是積鹽不能危害作物生長。從土壤積鹽規(guī)律看，毛管水上升高度是土壤積鹽的轉(zhuǎn)折點，如果潛水埋深低于毛管水上升高度，土壤積鹽強(qiáng)烈，反之，土壤積鹽微弱;因此，可把毛管水上升高度作為防止土壤積鹽危害作物生長的臨界深度，在此深度，土壤積鹽一般不會危害作物生長;對于潛水礦化度高的地區(qū)，可按潛水礦化度＜5 g/L、5～15 g/L和15～30 g/L分為三級，然后在毛管水上升高度的基礎(chǔ)上，臨界埋深相應(yīng)地每級增大0.2～0.4 m［16］。在干旱地區(qū)，土壤的鹽漬化問題也受到了廣大科技工作者和社會的廣泛關(guān)注［25-29］。在地下水淺埋區(qū)，受地下水對地表作用的影響，土壤中發(fā)生的各種物理、化學(xué)和生物反應(yīng)過程尤為復(fù)雜，同時由此所產(chǎn)生的土壤鹽漬化、地下水污染等環(huán)境問題也尤為突出［30］。

2.3 庫邊土壤水鹽監(jiān)測與預(yù)測

庫邊土壤水鹽監(jiān)測數(shù)據(jù)是了解水庫建設(shè)對庫邊地區(qū)影響的最直接證據(jù)，也是進(jìn)行水庫運行期庫邊地區(qū)生態(tài)環(huán)境影響預(yù)測、預(yù)警的基礎(chǔ)。

水鹽監(jiān)測方法:監(jiān)測期內(nèi)水庫均有水且水位比較穩(wěn)定;水庫周邊存在不同的邊界條件;按與水庫的不同距離和不同邊界條件布設(shè)定位監(jiān)測點［31］。監(jiān)測內(nèi)容包括地下水位、地下水質(zhì)、排水水量、水質(zhì)監(jiān)測、土壤剖面鹽分和土壤水濃度。在監(jiān)測中除采用常規(guī)的電測水位計、量水堰等監(jiān)測手段外，還可利用先進(jìn)的監(jiān)測手段，如遙感技術(shù)、EM38土壤水鹽探測儀、中子水分儀、負(fù)壓計和土壤水提取器等［32］。

許學(xué)工［31］以黃河三角洲耿井水庫為例研究了平原水庫對周邊地下水及土壤的影響，結(jié)論表明:1)水庫在無截排滲設(shè)施的情況下，水庫的滲漏會加劇土壤的鹽漬化(如水庫的西面)，像耿井水庫這樣的中型地上湖泊式水庫，其滲漏的水至少可以影響到50 m以外，并使更遠(yuǎn)處地下水位抬高，致使濱海鹽化潮土疊加次生鹽漬化機(jī)制發(fā)展為鹽土;2)地下水礦化度和土壤全鹽在6～8月當(dāng)?shù)睾导竞陀昙窘惶鏁r變化最大。其土壤剖面數(shù)據(jù)顯示雨季表層含鹽量普遍降低。具有排水排鹽出路的土地(位于排水河道外側(cè))，表層土壤鹽分與地下水礦化度呈正相關(guān);而僅有垂直水鹽運動的地方，土壤鹽分與地下水呈負(fù)相關(guān)，改造起來非常困難。3)減輕平原水庫對環(huán)境不利影響的關(guān)鍵是防滲與截滲措施，目前從不浪費水資源出發(fā)對水庫的防滲措施都很重視，而對截排滲措施還不夠重視。平原水庫一定要在四周修筑截滲溝并與排水河道相通，將水庫的滲漏排出去，才能防止周圍的土地鹽漬化和沼澤化。張明［33］以農(nóng)六師兵團(tuán)222團(tuán)柳城子水庫為例通過平原水庫附近土壤水鹽動態(tài)變化研究，得出以下結(jié)論:1)水庫對于出水口方向的土壤水鹽變化影響明顯，對于側(cè)面的土壤水鹽變化影響較小;2)水庫對于周邊土壤水鹽的影響范圍與水庫水位和地下水位的差值呈正比，與地下水在土壤中運動的粘滯系數(shù)呈反比;3)在垂直方向上，土壤含水量自下向上呈下降趨勢;鹽分則隨著水分富集地表，所以土壤含鹽量自下而上呈上升趨勢;4)在水平方向上，水庫向外土壤含水量和土壤含鹽量都呈下降趨勢;5)水庫造成了周邊地區(qū)地下水位的抬升，并使得鹽漬化逐漸加強(qiáng)，但對形成濕地，改善水庫周圍的小氣候有積極的作用。

2.4 平原水庫滲漏引起的土壤鹽漬化治理措施

平原水庫滲漏造成最大的問題是土壤鹽漬化問題，這也是很多專家反對修建平原水庫的原因。平原水庫壩基防滲和滲漏治理的主要目的是:將地下水位控制在臨界深度以下。對于已經(jīng)建好的平原水庫，防滲體再重新修建是不太現(xiàn)實的，所以要利用其它治理措施來減小土壤的鹽堿化?？偨Y(jié)新疆多年防治土壤鹽堿化的經(jīng)驗，有以下幾個方面的措施［13］:

(1)庫外地下水受庫內(nèi)蓄水量變化的影響，潛水位反復(fù)升降，土壤中鹽分遭到不斷淋洗，淡化了地下水，土壤次生鹽漬化逐漸減輕，此種情況一般發(fā)生在進(jìn)行多次調(diào)節(jié)的水庫，如農(nóng)八師大泉溝水庫20世紀(jì)50年代庫周表土白堿遍布，70年代起，鹽漬化大大減輕，水庫周圍變成了耕地。

(2)水庫蓄水后鹽漬化范圍較廣，經(jīng)過豎井排灌治理，大幅度降低了地下水位，土中鹽分受淋濾作用因而消減，此為標(biāo)本兼治，可從根本上消除次生鹽漬化。如石河子瑪管處、安集海地區(qū)和柳溝灌區(qū)幾座水庫的影響，即通過此法逐漸解決。

(3)做好壩后排水系統(tǒng)，輔之以生物排水，來降低壩后壅高的地下水位，將其限制在允許范圍內(nèi)，以防止土壤次生鹽漬化。

(4)在水庫四周和下游打井抽水灌溉，對改良四周的生態(tài)環(huán)境，效果明顯。

在平原灌區(qū)，目前人們采用的排水方法有明溝排水、暗管排水、豎井排水、豎井排灌等方法，主要以明溝排水和豎井排灌最常見［34］。

3 結(jié)語

生態(tài)環(huán)境問題是制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素之一，平原水庫的滲漏引發(fā)了諸多的問題，如生態(tài)環(huán)境問題、地質(zhì)問題、土壤鹽漬化問題以及社會經(jīng)濟(jì)問題等。由于庫周水文地質(zhì)條件的改變，引起了一系列的生態(tài)環(huán)境破壞問題，但是，只要我們能夠正視現(xiàn)實，立足根本，提高社會對平原水庫的重視，加大投入和整治力度，由平原水庫引起的各種環(huán)境是可以得到緩解和解決的，平原水庫將繼續(xù)發(fā)揮其巨大的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益和社會效益。

［1］楊澤元，王文科，王雁林.干旱半干旱區(qū)地下水引起的表生生態(tài)效應(yīng)及其評價指標(biāo)體系研究［J］.干旱區(qū)資源與環(huán)境.2006，20(3):105-111.

［2］李俊峰，余書超，范文波.瑪納斯河流域濕地平原水庫群對流域生態(tài)環(huán)境作用的研究［J］.水土保持研究.2006，13(2):219-222.

［3］侯剛.烏魯木齊柴窩堡湖及周邊生態(tài)環(huán)境治理研究［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì).2011，17(8):9.

［4］周緒，劉志輝，戴維.干旱區(qū)地下水位降幅對天然植被衰退過程的影響分析—以新疆鄯善南部綠洲群為例［J］.水土保持研究.2006，13(3):143-145.

［5］顏承渠.芻議新疆的平原水庫［J］.新疆農(nóng)墾科技.2001，(5):32-33.

［6］鄭殿祥，周榮星，金瑞清.平原水庫波浪爬高計算方法探討［J］.人民黃河.2009，31(3):86-87.

［7］欒志剛，周金玲.淺析新疆平原水庫的環(huán)境地質(zhì)問題［J］.新疆環(huán)境保護(hù).1999，21(3):52-55.

［8］新疆水利廳.新疆水利統(tǒng)計資料匯編(2008)［R］.烏魯木齊:新疆水利廳.2009.

［9］新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán).新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水利統(tǒng)計資料匯編(2008)［R］.烏魯木齊:新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán).2009.

［10］鄧銘江，于海鳴，李湘權(quán).新疆大壩建設(shè)進(jìn)展［J］.水利水電技術(shù).2010，41(07):29-35.

［11］熊志強(qiáng).新疆平原水庫的病理及治理措施［J］.新疆水利.1999，(5):30-31.

［12］中華人民共和國水利部.SL274—2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國水利水電出版社.2002.

［13］田文旭，毛海濤，王曉菊.淺析新疆平原水庫的滲漏問題［J］.甘肅水利水電技術(shù).2010，46(2):14-18.

［14］嚴(yán)新軍，侍克斌，諸葛伍蓀.干旱區(qū)平原水庫防蒸發(fā)節(jié)水試驗初探［J］.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué).2004，41(4):228-232.

［15］何慶海，周榮星，金瑞清.山東省平原水庫的典型生態(tài)環(huán)境問題及對策研究［J］.中國農(nóng)村水利水電.2010，(10):53-54.

［16］張長春，邵景力，李慈君.地下水位生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及生態(tài)環(huán)境指標(biāo)［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2003，(3):6-10.

［17］張惠昌.干旱區(qū)地下水生態(tài)平衡埋深［J］.勘察科學(xué)技術(shù).1992，(6):9-13.

［18］Jonathan L.Horton.Physiological response to groundwater depth varies among species and with river flow regulation［J］.Ecological Applications，2001，11(4):1046-1059.

［19］R.Ri.Soil salinity modeling over shallow water tables.Application of LEACH［J］.Journal of irrigation and drainage engineering，2000，126(4):234-242.

［20］崔亞莉，邵景力，韓雙平.西北地區(qū)地下水的地質(zhì)生態(tài)環(huán)境調(diào)節(jié)作用研究［J］.地學(xué)前緣.2001，8(1):191-196.

［21］張麗，董增川，黃曉玲.干旱區(qū)典型植物生長與地下水位關(guān)系的模型研究［J］.中國沙漠.2004，24(1):110-113.

［22］羅家雄等編著.新疆墾區(qū)鹽堿地改良［M］.北京:水利電力出版社.1985.

［23］王吉智.銀川平原主要土壤形成、特征及其改良途徑［J］.土壤學(xué)報.1964，23-33.

［24］宋郁東，樊自立，雷志棟.中國塔里木河水資源與生態(tài)問題研究［M］.新疆:新疆人民出版社.2000.

［25］董新光，鄧銘江，周金龍.論新疆平原灌區(qū)土壤鹽堿化與水資源開發(fā)［J］.灌溉排水學(xué)報.2005，24(5):14-17.

［26］楊勁松.中國鹽漬土研究的發(fā)展歷程與展望［J］.土壤學(xué)報.2008，45(5):837-845.

［27］張浩，李志華，何蛟濤.干旱區(qū)鹽漬土形成和水鹽運移機(jī)理［J］.生物學(xué)通報.2011，46(4):10-12.

［28］趙其國.土地退化及其防治［J］.中國土地科學(xué).1991，(2)22-25.

［29］張立新，周和平，朱煥麗.新疆土壤次生鹽化主要成因及對策［J］.中國土壤與肥料.2007，(5):11-14.

［30］Andrew J.Guswa.Models of soil moisture dynamics in ecohydrology:A comparative study［J］.Water Resources Research，2002，38(9):1-15.

［31］許學(xué)工，郭洪海，彭慧芳.平原水庫對周邊地下水及土壤的影響—以黃河三角洲耿井水庫為例［J］.中國環(huán)境科學(xué).2004，24(1):115-119.

［32］董新光，周金龍，陳躍濱.干旱內(nèi)陸區(qū)水鹽監(jiān)測與模型研究及其應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社.2007，13-24.

［33］張明.干旱半干旱區(qū)平原水庫附近土壤水鹽動態(tài)變化研究—以阜康222團(tuán)柳城子水庫為例［D］.碩士學(xué)位論文.烏魯木齊:新疆大學(xué).2005，38-39.

［34］高長遠(yuǎn).明溝排水與豎井排灌［J］.地下水.2001，23(4):194.