面向生态的干旱半干旱地区地下水资源评价

面向生态的干旱半干旱地区 地下水资源评价王文科段磊杨泽元长安大学

●问题的提出 ●地下水引起的表生生态效应提纲 ●地下水的生态功能 ●基于生态的地下水资源概念的拓宽 ●面向生态的区域地下水资源评价

一、问题的提出 国内外许多专家研究表明：干旱半干旱地区生态环境对地下水具有很强的依赖性；当人类活动超过了地下水系统的承载力时，将引起地下水水位和水质、包气带水分和盐分等状态发生变异，进而引发生态环境问题。随着人类活动对地下水系统影响的加剧，环境生态问题日益突出，现有地下水资源评价方法的局限性越来越明显，迫切需要对已有的评价方法进行拓宽和深化。已有的研究成果大多以某一方面为主，尚未形成系统的面向生态的干旱半干旱地区区域地下水资源评价的方法体系。

二、地下水引起的表生生态效应 研究方法野外调查定点观测与原位试验物理模拟室内模拟数值仿真模拟

野外调查与试验

野外原位试验 野外原位试验场鄂尔多斯盆地风沙滩地区地表—包气带—地下水系统水分转化与表生生态环境研究原位试验基地。

鄂尔多斯盆地风沙滩地区地表—包气带—地下水系统水分转化与表生生态环境研究原位试验基地鄂尔多斯盆地风沙滩地区地表—包气带—地下水系统水分转化与表生生态环境研究原位试验基地

长安大学渭水校区水与环境原位试验场

室内物理模拟 蒸发条件下包气带水汽热耦合模型的土柱试验温度传感器气压传感器

室内物理模拟 研制的河流—地下水关系演化实验装置渭河岸边模拟河流与地下水脱节条件下包气带水分运移试验降雨条件下包气带水气二相砂槽模拟试验河流—地下水模拟系统

室内数值模拟

（一）维护地表植被生存与演化 以承担的国家和省部级重点项目为依托，以鄂尔多斯盆地、银川平原和准葛尔盆地等为研究区，通过野外调查，室内测试、原位试验场观测等手段，开展了地下水位埋深、地下水矿化度、包气带含水量、包气带岩性与结构等对表生生态环境的影响，揭示了干旱半干旱地区了地下水---表生生态相互作用机制，初步形成了地下水生态效应的评价指标体系、方法和理论，为干旱半干旱地区地下水资源合理开发与生态环境保护与修复提供科学依据。主要成果体现在以下几个方面：

（一）维护地表植被生存与演化 1、揭示了地下水的状态与表生生态之间的关系以及演化趋势植被种属与地下水位埋深、含盐量关系

埋深<1.5m 盐渍化地下水位埋深1.5~3m 植被适生地下水位埋深3~5m 乔灌木承受地下水位埋深5~8m 警戒地下水位埋深8~15m 乔木衰败地下水位埋深>15m 生态系统退化地下水位鄂尔多斯盆地地下水位与植被生态关系图

潜水埋深<6m 潜水埋深>10m 潜水埋深>50m 潜水埋深<1m 潜水埋深<2m 准噶尔盆地地下水位与植被生态关系

2、建立了地下水的状态与表生生态之间阈值体系2、建立了地下水的状态与表生生态之间阈值体系准噶尔盆地地下水位埋深与表生生态对应关系

鄂尔多斯风沙滩地区地下水位埋深与表生生态对应关系鄂尔多斯风沙滩地区地下水位埋深与表生生态对应关系

地下水矿化度与植被生态对应关系 包气带含水量阈值与植被生态对应关系包气带含盐量阈值与植被生态对应关系

准噶尔盆地不同地下水位埋深区间包气带剖面水盐分布特征准噶尔盆地不同地下水位埋深区间包气带剖面水盐分布特征半干旱地区植物根系层的适生含水量为大于10%；包气带的含盐量一般在地下水位埋深小于1.5m的深度内有变化，变化幅度为0.3-0.9%，对表生生态的影响不大，可以不作为重要的因素。

地下水开采量阈值 地下水开采阈值既涉及地下水的补给、径流和排泄条件，还涉及到地下水的储存条件、调蓄能力、以及地下水与生态环境的关系和经济技术条件等。其核心问题是控制地下水位在一个最佳区间。通过对准噶尔盆地和鄂尔多斯风沙滩地区区域地下水数值模拟分析，得出在确定合理的地下水开采量时，应遵循如下原则： ①地下水的开采量不能超过天然补给量（对存在激化补给量的地区除外）； ②地下水资源开采量的阈限以补给资源的25%~50%为宜。建议在地下水对表生生态环境比较敏感的地区流域地下水的开采量应控制在补给总量的25%-35%之间；在地下水对表生生态环境不太敏感的地区可控制在35%-50%之间。需要指出的是：关于开采阈值仅仅是一个宏观指标，在地下水调蓄能力强、补给源丰富或者存在激化补给量的地区，地下水的开采量可以大于上述阈值。

阈值体系

90 80 70 60 50 盖度（％） 40 30 20 盖度（%） 10 0 20 40 60 80 100 0 0 地下水位埋深（m） 2 4 10 25 0 5 15 20 30 6 8 含水率（％） 10 12 3、建立了地下水的状态与植被生长的半定量关系准噶尔盆地地下水的状态与植被生长的半定量关系：地下水埋深与草本植物盖度之间呈对数关系： C= -3.9185Ln(H) + 18.447 ( R2=0.7813) （1）包气带的含水量与草本植物盖度之间呈线性相关关系： C=2.43W+17.53 (R2=0.8258) （2）包气带0-40cm深度土壤平均含盐量与草本植物盖度之间呈对数关系： C = - 16.457Ln (S) + 54.068 ( R2 = 0.7785) （3）式中C：草本植物盖度（%）；H、W和S分别为地下水位埋深（m）、包气带剖面0.20m深度土壤含水量（%）和包气带0-40cm深度土壤含盐量（%）；R为相关系数。包气带0-40cm土壤含盐量与草本植物盖度之间的关系包气带剖面0.20m深度土壤含水量与草本植物盖度之间的关系地下水位埋深与草本植物盖度之间的关系

鄂尔多斯盆地地下水位与植被长势之间的半定量关系鄂尔多斯盆地地下水位与植被长势之间的半定量关系地下水位埋深与沙柳冠幅、冠高回归曲线地下水位埋深与旱柳树高、胸径回归曲线地下水位埋深与沙蒿冠幅、冠高回归曲线地下水位埋深与小叶杨树高、胸径回归曲线

4、对植被根系的吸水规律有了一个初步的认识4、对植被根系的吸水规律有了一个初步的认识

建立了根系吸水模型

5、形成了若干需要进一步深入研究的科学命题5、形成了若干需要进一步深入研究的科学命题 1）植被如何影响地表-地下水系统水循环规律？ 2）干旱沙漠植被对水资源有无涵养？ 3）干旱地区植被根系影响带干层形成机理？ 4）地下水对地表温度的影响机制与程度？ 5）地下水对全球气候变化的响应机制？ 6）地下水影响下的各界面动力学机制与建模。 ……

（二）维持河流基流量

黄河花园口以上多年平均（1950—2000年）河川基流量为248×108m3，多年平均河川径流量为567×108m3，黄河的河川基流约占黄河河川径流的44%。其中黄河源头区（玛多水文断面以上）地下水对黄河水的补给占到河川径流量的67%，其余断面以上流域地下水补给占到河川径流量的40%—50%。由此可见要维持健康的黄河。黄河花园口以上多年平均（1950—2000年）河川基流量为248×108m3，多年平均河川径流量为567×108m3，黄河的河川基流约占黄河河川径流的44%。其中黄河源头区（玛多水文断面以上）地下水对黄河水的补给占到河川径流量的67%，其余断面以上流域地下水补给占到河川径流量的40%—50%。由此可见要维持健康的黄河。

1）地下水对河川径流具有较大的贡献，对某些河流贡献可达30-60%，甚至大于60%，对维持健康的河流生态起到了重要的作用。 2)必须加强保护河流中上游地区地下水的保护和水源的涵养问题。 3）在流域范围内，必须实行地下水和地表水的联合开发，统筹兼顾流域上中下游；工农业各用水部门之间的矛盾。由以上几个流域的分析可以看出：

（三）调节土壤包气带含水量与含盐量

含盐量（μg/g） 含水量（%） 200 2000 3800 5600 7400 4 6 8 10 12 14 0.0 0.0 f f 0.2 0.2 x x 0.4 0.4 包气带深度（m）包气带深度（m） 0.6 0.6 0.8 0.8 f x x f x x 包气带水盐分布包气带含水量分布

（四）维持湿地、湖淖的水域面积 地下水形成的水淖

红碱淖湖面变化情况 1.湖水位下降上世纪80年代，湖水位平均下降20cm; 1990-1995年，湖水位下降40cm； 1995-2000年，湖水位平均下降1.8m。 2.湖面面积降低通过20世纪70年代、90年代和2000年湖区遥感影像的解译，利用GIS判读的该湖面积，2002年为实际调查面积。

红碱淖湖的演化情况表 红碱淖周围地下水位埋深变化注：资料来源于陕西省水工程勘察规划研究院(2002) （据唐克旺、王浩等，2003）

（五）调节地表温度 野外不同地下水位埋深下，地表—地下水系统温度的观测

不同地下水位埋深下地表温度变化表 野外实际调查表明：地下水对地表温度的影响深度的阈值为0.7m左右。

试验的水位埋深从上向下依次为4cm、15cm、30cm、50cm、60cm、70cm。试验过程中记录剖面上温度、含水率、负压值和水汽压值以及相应水位埋深条件下的潜水蒸发量。试验的水位埋深从上向下依次为4cm、15cm、30cm、50cm、60cm、70cm。试验过程中记录剖面上温度、含水率、负压值和水汽压值以及相应水位埋深条件下的潜水蒸发量。

包气带水汽热变化特征—剖面温度变化规律 1）随着地表温度升高，包气带剖面温度增长； 2）地下水位不同其影响范围也不同； 3）在包气带深度70cm范围内，同一时刻地下水埋深越大，地面温度越高，即存在地表热岛效应。（在t＝20h时，地下水位埋深15cm、 30cm、 50cm和60cm时，地面温度依次为48.5℃、50.5℃、52.5℃和57.5℃）

三、地下水的生态功能 1、旱区水资源的形成与演化控制了表生生态环境的基本格局山地生态系统人工绿洲生态系统天然绿洲生态系统荒漠生态系统干旱半干旱地区大部分表生生态环境依赖于地下水的水位埋深、矿化度和包气带的含水量与含盐量等状态，这些状态决定着生态环境类型、结构与功能。

2、地下水维护植被生存与演化 地表植被通过根系水力提升作用吸取土壤—包气带或者地下水，维持着自身的生存。有两种情况：第一、地下水位埋深大于植物根系深度，植物将引起地表—包气带—地下水系统水分循环和再分配（在干旱地区甚至在植物根系影响范围形成干层），间接引起地下水位变化；第二、地下水位埋深小于植物根系深度，植物像一个抽水机直接地下水，直接引起地下水位下降。

3、地下水对生态环境影响具有区域性 干旱内陆地区水资源具有同源性和多次转化的特点，水资源与生态系统是以河流—含水层为纽带的上下游统一体。河流中下游地区降水量无法维持生态植被的正常生理需水，而是靠出山口河川径流和地下水来维系，流域上游耗水量增加，必然引起下游水资源减少，而生态环境也随着上游来水量波动而变化，当中下游来水量减少导致胁迫生态环境水状态（地下水位、矿化度、包气带含水量等）偏离稳定区间后，将引起生态环境变异，这种变异波及范围广、速度快、很难恢复和逆转，影响具有区域性，特别是与地下水有关的生态和环境更为突出。例如：河西走廊目前出现的水资源与生态环境问题，主要发生在中下游地区，其原因是中上游过度开发利用水资源，大量引水，改变水资源循环条件，导致下游入境水量逐年减少，引起生态退化，天然胡杨林和灌木林衰败甚至死亡，湖泊萎缩或干涸等。

4、地下水对生态环境影响具有跳跃性和累进性4、地下水对生态环境影响具有跳跃性和累进性干旱半干旱地区表生生态指标与地下水的水位等状态符合对数关系或直线关系。这种关系有个显著的特点，就是存在着转折点和向两侧无限延伸，说明地下水对表生生态环境的影响具有跳跃性和累进性，在一定条件下可以突变，地下水对表生生态影响的稳定域仅局限在有限的范围内，即稳定域存在上下阈限，在上下阈限之间表生生态环境是稳定的，只不过半干旱地区比干旱地区稳定区间稍微大一些而已，但总体而言稳定范围非常狭窄，过大的偏离稳定范围都将会使生态环境发生突变-----生态环境脆弱性。

5、地下水对表生生态具有调节作用 地下水通过与地表水的相互转化、包气带的毛细作用、地下水位的变化和植被的水力提升等作用对表生生态中的水分和盐分起到调节作用，这种调节作用是可以控制的，人类通过水资源开发利用活动可以调控地下水的状态使与生态环境协调发展，达到维持或者延缓某种表生生态环境的稳定或变化。地下水的水盐运动是一个重要的链接，把地下水、包气带和表生生态环境联系在一起，是表生生态环境和地质环境稳定性的一个重要的指标。人类在干旱半干旱地区进行的以水资源开发利用为中心的地表水和地下水的联合调度和高效利用水资源的行为，最终体现在地表水-地下水-包气带水和盐的运动及其地下水位、水质与土壤-包气带水盐状态的改变上，从而引起表生生态环境效应。

四、基于生态的地下水资源概念的拓宽 在资源观点上，传统认为存在于地下可供人类利用的地下水量称为地下水资源。生态问题的提出，不仅要把作为工农业生产和人民生活的地下水源作为资源，而且对生态环境具有效用的地下水也是资源。地下水资源概念的拓展，极大丰富了水文地质的内涵。在系统观上，生态问题的提出，地下水资源开发利用不仅考虑社会经济系统的相互作用，而且还要考虑生态环境系统，从而使地下水系统拓展为地下水资源、社会经济和生态环境系统构成的复合系统，从而引起了社会经济发展、生态环境变化和水资源开发利用方式的相互关系问题。

在价值观上，过去人们多注重地下水的资源属性与经济价值，而对地下水的生态价值考虑不够，从而导致了一系列生态环境负效应的发生，使一些地方出现了“水质矿化、植被退化、土壤荒化、生态恶化”的“四化”现象,造成了巨大的损失。因此.不仅要考虑地下水的经济价值，而且还要考虑其生态价值，从而引出了地下水经济与生态价值的概念。在价值观上，过去人们多注重地下水的资源属性与经济价值，而对地下水的生态价值考虑不够，从而导致了一系列生态环境负效应的发生，使一些地方出现了“水质矿化、植被退化、土壤荒化、生态恶化”的“四化”现象,造成了巨大的损失。因此.不仅要考虑地下水的经济价值，而且还要考虑其生态价值，从而引出了地下水经济与生态价值的概念。从研究内容上看，21世纪水文地质学不仅要研究饱水带中水，还要研究大气降水—地表水—包气带水—地下水相互关系与转化；从研究尺度上，要在全球变化、人类活动背景下研究地下水—环境的演化机理以及上下游用水协调等；不仅要研究水动力场变化，而且还要研究水化学场、温度场变化以及它们的相互关系。

从供水对象上看，不仅要考虑工农业用水，同时还要考虑生态用水，在生态环境脆弱区，对生态用水需要赋予更高的优先级。从供水对象上看，不仅要考虑工农业用水，同时还要考虑生态用水，在生态环境脆弱区，对生态用水需要赋予更高的优先级。综上，面向生态问题的提出，拓展了水文地质学研究的内涵，丰富了水文地质学的研究内容，从而使水文地质学在基础理论、应用基础和应用等各个层面形成了一系列前沿问题和热点问题，需要深入研究。

五、面向生态的区域地下水资源评价 • 基本思路地下水价值=经济价值+生态价值地下水的生态价值为：地下水在参与自然界水循环，并与其周围的环境进行物质与能量交换过程中，对维持生态系统生命周期和地质生态环境良性发展所起的作用。围绕可持续利用的地下水资源量与生态环境良性循环的目标；突出系统的观点和地表水与地下水统一评价、水质水量并重、地下水资源与其相关生态环境统一评价的3个原则；通过建立水文地质概念模型、集中参数型模型、分布参数型模型和基于地下水变化的生态环境综合评价4个模型与引进水量、地下水水位与水质3个约束条件以及开发基于GIS的地下水资源评价信息系统对地下水资源、调蓄能力与生态环境效益进行整体评价与预警，实现地下水资源与其相关生态环境实时动态评价。

面向生态的干旱半干旱地区 地下水资源评价