地下水的生态环境效应及控制指标研究进展

徐庆勇，林 健，杨 庆，马 宏，张金玲

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京100195；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京100195）

地下水的生态环境效应及控制指标研究进展

徐庆勇1，林 健1，杨 庆1，马 宏1，张金玲2

（1.北京市水文地质工程地质大队，北京100195；2.北京市地质矿产勘查开发局，北京100195）

地下水具有重要的生态功能和环境属性。随着不合理的人类活动，改变地下水性状而引发的诸多生态环境问题的出现，国内外有关学者积极进行地下水生态环境效应及控制指标的研究，目前已取得了一些进展，但迄今为止鲜见对其研究成果的综述，及时总结该领域的研究成果可以为进一步深入全面开展研究提供基础。综述了国内外有关地下水引起的七个方面的生态环境效应及三个方面的控制指标的研究现状，最后指出了目前研究中存在的问题并对未来的研究进行了展望，以期为进一步深入全面开展该领域的研究提供基础，更好地促进地下水资源开发利用与生态环境保护协调发展。

地下水；生态环境效应；控制指标

0 前言

地下水作为水资源的重要组成部分，与地表水相比，具有空间分布范围广，调节性强，水质洁净和可利用性强等优点（王大纯等，1998）。在我国许多地区，尤其是北方广大干旱半干旱地区， 由于清洁淡水资源的匮乏，地下水在整个水资源中所占比例极高（万力等，2005），在北京地区已占供水总量的一半左右。地下水的资源属性、社会功用和经济价值众所周知。而同时地下水还具有重要的生态功能和环境属性，一方面其作为生态系统的基础物质之一，对保持生态平衡具有重要作用；另一方面作为一种环境要素，作为水循环过程中不可或缺重要环节，从时间和空间上直接或间接作用于地表生态环境，维持或加剧地表生态环境向稳定或失稳状态转变（张宗祜等，1999）。因此，生态环境问题的发生与发展大都与水尤其是地下水有关，地下水成为生态环境发生变化的最重要控制因素之一。

目前，由于不合理人类活动改变地下水性状而引发的诸多生态环境问题的出现，促使国内外有关学者积极进行地下水生态环境效应及控制指标的研究，目前已取得了一些进展，但迄今为止鲜见对其研究成果的综述。如何合理调控地下水的开发利用、如何避免地下水开发利用对生态环境造成不良影响，仍是地下水开发利用的核心问题之一。综述近年来国内外在该领域的研究成果，以期为进一步深入全面开展地下水的生态环境效应及控制指标研究提供基础，更好地促进地下水资源开发利用与生态环境保护协调发展。

1 地下水的生态环境效应

1.1 地面沉降

地面沉降产生的一个主要原因是地下水开采。据统计，80%的地面沉降由地下水开采引起（S hen. S.T. et al， 2004），地下水开采使大范围承压水位下降，当下降超过某一阈值就会导致地面沉降的产生。郑铣鑫等（2002）很多研究人员对由于地下水位下降导致地面沉降产生的机制进行了详尽分析，据李志敏等（2010）的研究，地面沉降速率与地下水位下降速率、地面沉降量与地下水位降幅有很好的相关性，沉降面积与承压水水位下降漏斗在时空分布上基本相符。

地面沉降作为一种具有较大危害的地质灾害，其生态环境效应早已引起有关人员重视。地面沉降在内陆导致内涝积水，使土地沼泽化，如河北省沧州市（李志敏等，2010）；在沿海可能发生海水倒灌，使土壤和地下水盐碱化，如印度（Babu Rao P. et al，2004）、芬兰（Viventsova E.A. et al， 2003）；地面沉降还可进一步导致地裂缝和风暴潮危害的加重（李志敏等，2010）。这些均可使生态环境恶化。

1.2 植被退化

天然状态下，植被生长状况与地下水位埋深息息相关。目前二者之间关系的研究成果较多，无灌溉条件下，当地下水位埋深与植物根系深度相同时，一般情况下植物生长良好；当大于植物根系深度但不超过根系深度与其生长土壤毛细上升高度之和时，植物仍能较好生长；而当地下水位埋深大于植物根系深度与其生长土壤毛细上升高度之和时，植物便出现凋萎直致死亡（袁国映等，1995）；美国学者Jonathan L.Horton等（2001）提出了植物进行光合作用等生理活动的地下水位埋深阈值；陈亚宁等（2003）通过研究分别得到了塔里木河下游、塔里木河干流区、新疆平原及黑河流域下游等不同地区特定植被生长状态与地下水位埋深的相关关系；田云云（2013）通过研究获得海河流域典型区域的地下水生态水位。由上述研究成果可知，天然状态下，不同地区有适合不同植物生长的最适地下水位埋深，超过这一阈值，则该地区主要植被发生退化。

植被生长状况除受地下水位埋深直接影响外，还受其间接影响，地下水位埋深通过影响土壤含水量进而影响植被生长。有关研究（罗家雄，1985；张惠昌，1992）得到新疆垦区和河西走廊石羊河流域下游民勤盆地土壤含水量与植物生长状态的定量关系。

此外，植被生长状况还受地下水矿化度的影响。不同植被类型对地下水矿化度的适应范围不同，超出此范围，植被就会枯衰（乔晓英等，2005）。

1.3 土地沙化

当地下水位埋深过大，植被很难利用时，便出现枯衰甚至死亡，这直接导致地表覆盖度降低，地面裸露，进而发生风蚀风积，最终沙化。杨泽元等（2006） 通过研究得出了塔里木河流域土地沙化的地下水水位阈值；崔亚莉等（2001）通过研究得到了西北地区地下水位与土地沙化的关系，并确定了西北干旱地区地下水最佳生态环境埋深，认为保持合理的地下水位是防止土地荒漠化的关键。

土地沙化作为重要的生态环境问题之一，无疑造成生态环境严重恶化。一方面，不毛之地的沙化土地由于绿色植被的缺失，生物多样性下降甚或丧失、空气干燥、水土流失；另一方面，黄沙可成为沙尘暴的物源，在大风条件下，可形成沙尘暴灾害天气。

1.4 土壤盐渍化

地下水位埋深浅是造成土壤盐渍化的直接原因。埋深较浅的地下水在强烈的蒸发作用下矿化度升高，毛细作用又将水中的盐分带到包气带上部在土壤表层积聚，从而发生盐渍化（宋长春，2000）。近20年来，印度Andhra Predesh州由于农业生产的需要大量灌溉，使得地下水位上升，农业产量虽增加了，但土壤盐渍化也随之出现；澳大利亚学者R.Ri（2000）进行了土壤盐渍化与地下水位埋深之间的模拟，发现地下水位埋深是土壤盐渍化的重要影响因素之一；宋长春等（2000）对吉林西部地下水与土壤盐渍化的关系进行了研究，认为地下水位埋深是影响土壤盐分积累的关键因素之一，并建立了潜水位埋深、矿化度与土壤含盐量之间的关系；张秒仙等（2001）通过对海河流域大同盆地土壤及浅层水文地质调查，得出了潜水埋深与土壤盐渍化的定量化关系。

在地下水位埋深一定的情况下，地下水矿化度又通过影响土壤含盐量间接影响土壤盐渍化水平。土壤盐分具有“盐随水来，又随水走”的特点，地下水中的可溶性盐是土壤盐分最主要的来源之一（R.Ri，2000）。吕云海等（2009）对新疆于田绿洲的研究表明，地下水矿化度上升，土壤含盐量随之增加，但垂向上不同深度土层的含盐量对地下水矿化度变化的敏感性不同，表层土壤最为敏感。

地下水位埋深、地下水矿化度均是影响土壤盐渍化与否及其程度的重要因素。土壤盐渍化可致使土地适宜性变差、肥力降低，从而造成土地生产能力下降、天然植被退化及生物资源减少等。因此，土壤盐渍化是一种重要的生态环境问题。

1.5 水质恶化

随着城市化进程的加快、工农业的发展和人口的增长，地下水中某些无机和有机物含量亦随之增加，有的严重超标，地下水不同程度地受到污染，水质恶化。硝态氮污染已成为近30年来国际上普遍关注的问题（Li，F.D.，et al.， 2008； Showers，et al.，2008），其已成为美国地下水的首要污染物（Nolan BT， et al.，1997）；丹麦11000眼水井中有8%的水井硝态氮含量超过10mg/L（Almasri，2005）；我国长江三角洲地区的苏州和南通地下水中硝酸盐超标率为18%，硝态氮超标倍数最高将近达2倍（汪珊等，2005）；黄淮海平原有约1/5的面积浅层地下水中硝酸盐含量超标（李保国等，2001）。

地下水作为一种环境要素，由水质污染导致的水质恶化本身即是一种严重的生态环境问题。乔晓英等（2005）指出，在西北干旱内陆盆地，水质污染导致的水质恶化是地下水变化引起的生态环境效应之一。

1.6 土壤污染

在环境系统中，地下水不是孤立存在的，它与其它环境要素相互影响、相互作用，不断地进行着物质交换、能量转移和信息传递。当受到污染的地下水直接或间接作用于土壤后，不仅会改变土壤结构，造成土地适宜性变差、肥力降低、生产能力下降，更为严重的是造成土壤污染。土壤对人类的生存发展太重要了，不仅仅关系到粮食安全，而且与整个生态环境密切相关（宗和，2015）。因而土壤污染也是一种不容忽视的生态环境问题。

1.7 地表水系退化

在水循环系统中，地表水与地下水是两个相互独立又相互依存、相互制约的水文循环子系统，二者之间存在着密切的水力联系，这使得地表水和地下水之间的水质和水量相互影响。从水量方面来看，地表水可能直接向地下水排泄同时又接受地下水补给，尤其在河流低水位时期，大多数河流流量来自地下水（杨泽元，2004），因此，如果地下水量减少，地表水补给就会受到影响，从而导致泉及河流流量衰减、湖泊萎缩、湿地退化等一系列与生态环境密切相关的地表水系退化问题。如在墨西哥高地，大面积开发lerma河流域上游Toluca含水层，就引起湿地退化、河流流量衰减（Maria Vieenta Esteller，et al.，2002）等诸多问题。

地表水系在维系良好生态环境方面的作用不言而喻，特别是湿地，是所有类型的生态系统中最具有价值、生产力和生物多样性最高的生态系统，它是人类及其它一切生物最重要的生存环境之一，因其众多而重要的生态功能被人们形象地称之为“自然之肾”。地表水系退化必然导致生态环境恶化。

2 地下水的生态环境控制指标

地下水生态环境控制指标指，与生态环境状况密切联系的地下水和与地下水有关的各种临界指标的总称（王嵩，2005）。主要包括地下水水位埋深、地下水水质和地下水水量。可以通过控制这些指标来维系良好的生态环境。

2.1 地下水水位埋深

由上面地下水的生态环境效应分析可知，地下水水位的不合理变化（过高或过低）均会引发生态环境问题，因此地下水水位须保持在一定合理的范围内，为此，有学者提出“地下水生态水位”的概念。“地下水生态水位”指既不引起土壤盐碱化和沼泽化又不引起河流流量衰减甚至断流、土地次生荒漠化和天然植被枯衰的合理的地下水位阈值（张长春等，2003），这一阈值随着气候条件、土壤质地、地形地貌和植被类型的不同而变化。地下水位埋深上限阈值可通过研究土壤积盐规律来确定，毛管水上升高度可作为防止土壤积盐的临界深度（张长春等，2003）；地下水位埋深下限阈值，可通过研究具体地区地下水位下降引起河流流量衰减甚至断流、土地次生荒漠化及当地主要植被类型发生退化的临界值来确定。

此外，有关研究人员（王嵩等，2005）提出生态环境控制指标还包括土壤含水量和土壤含盐量，但地下水位埋深作为土壤含水量和含盐量的影响因素之一，与二者存在密切关系。中国科学院新疆生态与地理研究所等（1999）通过对塔里木河干流天然植被区土壤含水量的调查研究，宋长春等（2000）通过对吉林西部地下水位埋深与土壤含盐量关系的研究，分别得到土壤含水量和含盐量与地下水位埋深之间的关系。因此，仅从地下水生态环境效应的角度分析，地下水位埋深实际已包含了土壤含水量和含盐量对生态环境的影响，可通过调节地下水位埋深来控制，故可不必单独列出。地下水位埋深是众多生态环境控制指标中最关键、最核心的指标。

2.2 地下水水质

在地下水位埋深一定的情况下，地下水水质开始对地表生态环境产生影响。具体可用地下水矿化度和地下水恶化两项指标来表示。

地下水矿化度是反映地下水质量的综合指标，除直接影响植物生长外，还通过影响土壤含盐量来间接影响土壤的盐渍化水平。不同地区同一矿化度水平引起土壤盐渍化程度不同，不同种类及不同年龄的植物对地下水矿化度的适应范围也不同。通过研究特定地区不造成土壤盐渍化及保证该地区主要植被类型正常生长的地下水矿化度范围，确定合理的地下水矿化度，防止地下水生态环境效应的出现。

如前所述，地下水作为一种环境要素，恶化本身即是一种生态环境问题，因此，可通过防止地下水污染导致的地下水恶化来保护生态环境。

2.3 地下水水量

自然界的水循环是一个复杂的过程，其同时包含了地表水和地下水两个环节，二者相互依存、相互制约，不可分割，地表水和地下水之间相互转化的水文现象在自然界普遍存在。当开发地下水使得地下水水量减少时，必然影响到地表水系的性状及存在状态，严重时可能导致地表水系退化，从而引起一系列生态环境效应，尤其在降水量稀少的干旱半干旱地区，地下水更成为地表水的重要补给水源。

地下水对于维系泉、河流、湖泊、湿地等地表水体生态系统的平衡至关重要（杨泽元，2004）。因此，可通过控制地下水水量来防止生态环境效应的出现，维系良好的环境状况。

3 问题与展望

从目前国内外地下水的生态环境效应研究现状可以看出，在研究内容方面，有关地下水生态环境效应的机理研究取得了一些成果，但这些成果多集中于地下水阈值的确定；在研究区域方面，多局限在降水量少的、水作为限制性生态因子的干旱半干旱地区，而对其他地区的研究还较少。从控制指标研究现状可以看出，在控制指标体系构建方面，主要以地下水位埋深为核心，衍生出其他指标，各指标间存在较大相关性；在水质控制指标研究方面，主要对地下水矿化度的生态环境效应进行了研究，而对由地下水污染导致的水质恶化的生态环境效应研究还不多；在水量控制指标研究方面，地下水水量的生态环境效应大都还处于定性研究阶段。

而目前实践中的问题是，在地下水水位控制指标方面，我国北方许多地区，地下水已严重超采，并已引发许多生态环境问题，如果再通过探讨地下水位埋深的生态环境效应来为其确定生态水位非常困难；在地下水水质的控制指标方面，随着城市化进程的加快、工农业的发展和人口的增长，水质污染导致的水质恶化问题日益突出，需要加强水质恶化的生态环境效应研究；在控制指标体系构建方面，由于环境系统的复杂庞大和地理区域的千差万别，要求不同地区设置不尽相同的生态环境控制指标体系。

地下水作为一种重要的环境要素和宝贵的自然资源，在构建生态安全体系中具有无可替代的重要作用。随着对关乎人类生存发展的生态安全的重视，地下水状态的理论体系必将健全；有关的概念必将进一步科学界定；生态环境效应的机理研究必将进一步深入；控制指标体系必将进一步完善；地下水系统与生态环境系统模型的耦合研究必将加强。可以预见在今后较长的一段时间内，地下水生态环境效应的理论和控制指标的应用研究仍将是相关学科关注的重点，特别是随着生态水文学科的发展，地下水生态环境效应研究的内容、范围和指标体系都将丰富、扩大、深入和完善。

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Study Advances on Eco-environmental Effect of Groundwater and Its Control-indexes

XU Qingyong1， LIN Jian1， YANG Qing1， MA Hong1， ZHANG Jingling2
（1. Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology， Beijing 100195；2. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau；Beijing 100195）

Groundwater is of great ecological and environmental signifcance. With eco-environmental problems resulting from the worsening quality of underground water that have been induced by inappropriate human activities appear， the concerned scholars at home and abroad have positively researched the groundwater eco-environmental effect and its control indexes. At current， a number of progresses have been obtained， but few comprehensive research results are obtained till now. Summarizing research results in the felds in time can provide foundations for further thorough and comprehensive research. In order to provide foundations for further research and preferably promote harmonious development of groundwater resources exploitation and utilization and eco-environmental protection， a comprehensive summary of the current research in the world in seven eco-environmental effects resulting from underground water and three control indexes have been presented， existing research problems have been discussed and a future research emphasis has been proposed.

Groundwater； Eco-environmental effect； Control-indexes

X171.1

A

1007-1903（2016）03-0016-06

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.003

基金课题：北京市平原区地下水环境监测网年运行（PXM2016_158305_000007）

徐庆勇（1975- ），女，硕士，主要研究方向：地下水环境与生态环境评价。