西南岩溶槽谷区隧道建设的水文生态环境效应研究进展

吕玉香,蒋勇军,王正雄,胡 伟

1 重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队(重庆市地质灾害防治工程勘查设计院),重庆 400700 2 西南大学地理科学学院岩溶环境重庆市重点实验室,重庆 400715

随着社会经济的快速发展及高速公路、铁路网的不断完善,我国隧道工程建设得到了前所未有的迅速发展。我国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家[1]。据交通运输部政府信息公开网：截至2017年底,全国运营铁路隧道14547座,总长15326 km,比2016年底增加465座,1206 km；全国大陆运营公路隧道16229座,总长15285 km,比2016年底增加1048座,1245 km。在过去的十年里,我国每年平均新修建的隧道多达900 km[2]。

近年来,随着西部大开发的加速发展及一带一路战略的提出,公路、铁路建设向地形地质条件复杂的西南岩溶地区发展趋势明显。据统计,我国已建成隧道中有约30%穿越了岩溶地层,这些隧道一般埋深较大,岩溶发育,施工过程中常发生岩爆、塌方、突水等大型地质灾害,其中以岩溶突水最为常见,发生率为80%,因突水引起的施工地质灾害造成停工的时间约占施工总工期的30%[3-4]。

西南岩溶槽谷区具有紧密式箱型背斜/向斜构造发育、岩层倾角大、碳酸盐岩与非碳酸盐岩互层、高位蓄水构造频繁出露等特点[5],致使其斜坡区石漠化问题突出、水资源时空分布不均、旱涝灾害频发、生态环境脆弱、人地矛盾突出,严重影响了当地社会经济发展及生态文明建设。该区隧道分布密集,岩溶隧道突水导致地表地下水疏干及地面塌陷,对生态环境造成了极大影响。近年来,水文地质工程地质科学工作者通过开展大量的科学观测、资料分析和数值模拟,对隧道建设引发的水文效应形成了一定的认识,如降低地下水水位,改变水资源分布格局,改变地下水流场,加速水循环过程。但由于岩溶槽谷区地质条件的复杂性,隧道群的相互干扰,观测资料的局限性,关于隧道影响土壤、植被的特征、规律、机制等方面缺乏系统的研究。因此,有必要梳理国内外已有研究成果,归纳隧道建设对水文、生态、环境的影响特征,总结规律,剖析机制机理,并指出今后有待深化研究的问题和方向。本文将为深化隧道建设引发的水文生态环境效应这一科学问题的认识、提升隧道设计施工水平及科学应对隧道建设对生态环境造成的不利影响提供参考。

1 西南岩溶槽谷区地质背景及隧道建设概况

西南岩溶槽谷区分布在黔东北、湘西、鄂西以及渝中、渝东南、渝东北等地的130个县,面积43.608×104km2。构造上主要位于杨子准地台的川黔褶皱带和大巴山褶皱带,地层从震旦系-三叠系均有出露,碳酸盐岩与碎屑岩整体相间分布,局部集中出露,碳酸盐岩分布面积14.76×104km2,总厚度数千米(图1)。宏观地貌上位于第二级阶梯和第三级阶梯的过渡地带,为褶皱构造形成的槽谷相隔的侵蚀条状的中低山山地,侵蚀-溶蚀地貌形态主要包括槽谷、峡谷、台地、洼地等,平均海拔500—2500 m。属于中亚热带东亚季风气候,植被类型为中亚热带湿润常绿阔叶林[6-7]。

图1 西南岩溶槽谷区交通及碳酸盐岩分布Fig.1 Traffic and carbonate distribution in karst valley area of Southwest China

复杂的地形地质条件及经济、交通压力致使该区的隧道建设迅速发展,据不完全统计,截至2017年底,区内高速铁路4000 km,穿越岩溶含水层的运营铁路隧道975座,总长1271.792 km(表1)；截止到2015年底,区内高速公路6800 km,穿越岩溶含水层的运营公路长隧道及特长隧道421座,长度1060.024 km(表2)。在人口、城镇分布密集的隔挡式槽谷区,隧道分布密度最高。

2 隧道建设引起的水文生态环境效应

目前,西南岩溶槽谷区隧道的防排水设计,仍然是“防排结合,以排为主”。因此,突、涌水是岩溶区隧道施工最常见的工程地质问题。据不完全统计,国内外隧道涌水量超过1.0×104m3/d的大型涌突水事件中,70%都发生在岩溶隧道中[8]。而在西南岩溶槽谷区,最大涌水量>1.0×104m3/h者达十余条(表3),宜万铁路齐岳山隧道最大涌水量高达1800×104m3/h。

隧道涌水致使地表井、泉、地下河被疏干,引发了一系列严重的生态环境和社会问题。如西班牙南部一条高速铁路隧道在掘进过程中发生突水,水量800 L/s,致使当地泉水被疏干,引发了公众抗议[9]。在重庆中梁山、明月山、铜锣山和缙云山“四山”地区,因修建隧道致使井、泉减少或消失共计363处,导致水田旱化面积超过3300 hm2,对当地居民生产生活造成了严重影响[10]。

表1 西南岩溶槽谷区铁路隧道统计表

0.5 km以下为短隧道,0.5—3 km为中隧道,3—10 km为长隧道,10 km以上为特长隧道

表2 西南岩溶槽谷区高速公路隧道统计

0.5 km以下为短隧道,0.5—1 km为中隧道,1—3 km为长隧道,3 km以上为特长隧道

表3 西南岩溶槽谷区涌水量大于1×104 m3/h的岩溶隧道统计

隧道施工贯穿了裂隙、断裂、揭穿了溶洞,并产生了新的裂隙,致使大量地表水地下水通过裂隙、断裂排入隧道,隧道成为新的集中排水点。宜万铁路野三关隧道在施工期间曾发生严重突水、涌泥、涌砂、涌砾及洞内塌方事故,其主要原因即是地表水通过洼地、落水洞进入地下河后,向下运移至孙家垭断裂、叶朝湾断裂及望碑断裂之间破碎岩体处,经由岩体中的构造裂隙导入断裂,地下水再顺断裂面而下,至隧道顶部产生突水引起的[11-12]。

动态监测、示踪试验及数值模拟是定量评估隧道的影响程度的有效手段。王勐等通过现场观测证实,渝怀铁路圆梁山隧道对相距12.4 km的毛家院子暗河产生了影响[13]。Vincenzi 等利用示踪试验确定了断裂带是补给源与排水隧道之间的主要水力通道[14]。Jin等利用三维有限元模型预测了南温泉背斜槽谷区一处隧道的涌水量及影响范围,利用监测手段证明隧道涌水主要来自地表涂山湖,并通过控制隧道周围岩石的渗透系数,减少了隧道排水量,有效控制了对地下水系统的影响[15-16]。

隧道排水不仅疏干了大量地表水、地下水,引发了地面塌陷,降低了地下水位,而且改变了含水层的结构,加速了水循环及水文地球化学过程,从而改变了隧址区的水动力场及水化学场,产生了一系列生态环境效应。

2.1 改变水资源分布格局及水文过程

2.1.1疏干地表地下水,改变水资源分布格局

隧道大量排水打破了隧址区原有的水资源平衡状态,降低了地下水位,疏干了地表水与天然泉点,形成了降落漏斗,且降落漏斗会随着排水时间的延续而扩展,直至隧道排水量完全靠来自边界的补给保证为止(图2),这些过程加剧了岩溶水资源分布的不均一性,从而改变了水资源空间分布格局。

图2 隧道排水影响水资源及水文过程纵剖面示意图Fig.2 Schematic diagram of longitudinal profile of water resources and hydrological processes affected by tunnel drainage

由于岩溶发育的不均一性,隧道地下水的疏干导致水资源的流失也会表现出各向异性,如建于1972年重庆中梁山隧道形成了南北向的不对称漏斗[17],疏干区面积约11 km2,北侧疏干面积远大于南部,这种不对称降落漏斗的形成是地下水自北向南流的缘故；修建于重庆铜锣峡背斜岩溶槽谷区的玉峰山隧道,其轴线附近泉点疏干程度差异极大,隧道轴线两侧影响范围较不对称,东翼疏干程度明显大于西翼[18]；在温塘峡背斜、观音峡背斜、明月峡背斜的岩溶槽谷区也有类似的情况,岩层倾角较陡的一翼疏干程度也较大[19]。

关于隧道疏干地表地下水、降低地下水位已积累了丰富的实测数据,并形成了改变水资源分布格局的统一认识,但在不同类型的岩溶槽谷区,水文地质结构不同,隧道对水资源分布格局的影响程度存在差异,因此,有必要加强梳理总结,建立不同类型槽谷区隧道影响水资源分布格局与水文过程的水文地质模式。另外,已有研究注重隧道对水资源资源空间分布的影响,对地表、地下水量年内分配及多年变化的影响缺乏研究。

2.1.2改变地下水流场

隧道排水改变了隧址区水动力条件,并以其为中心构成新的势汇,局部水力梯度的显著提高,显著改变了地下水径流模式。在岩溶槽谷区,地下水径流模式多数为轴部汇流型、翼部分流型及径向径流型。隧道开挖后,由于其集水和汇水作用,岩溶地下水不断排入隧道中,地下流速、流向水随之改变(图2)。曹锐等通过示踪试验及动态监测发现,黄泥垭隧道工程改变了地下水流场,隧址区地下水接收隧道顶部大气降水垂直入渗补给,由背斜两翼分流型转变为近源垂直补给、径流型[20]。

同时,隧道施工排水可能会动用地下水静储量,增大补给量,扩展地下水补给边界,从而改变区域地下水流场。若采取封堵措施,若干年后,区域地下水流场可能会恢复到之前的状态；若隧道贯通后持续稳定排水,则地下水流场会达到一种新的平衡状态。Vincenzi等通过示踪试验证实了隧道与地表多个出水点之间的水力联系,最大线性距离为1.4 km,流速可达135 m/d,几条水流通道均通过了隧道修建之前的地下水分水岭(山脊),证明隧道已经完全改变了区域水流系统[21]。

由于隧址区钻孔及天然泉点出露有限,多通过地下水模拟软件来研究区域地下水流场的变化,可在一定程度上定性呈现流场的变化过程。龚睿运用三维数值模拟软件Visual Modflow模拟排水、堵水工况下成渝客运专线歌乐山隧道开挖引起的降落漏斗范围及水力坡度的变化[22]。由于岩溶含水介质的非均质性及模型本身的不确定性,使其在模拟岩溶含水层的适用性有限,模拟结果往往并不理想。加强对现有模型的改进及监测手段的研发,是需要长期努力的方向。

另外,在隔挡式岩溶槽谷区,人口、工矿企业分布密集,交通压力较大,同一水文地质单元往往有多条平行隧道,形成隧道群,隧道群对地下水流场的影响过程更为复杂,也是将来研究的重点与难点。

2.1.3加速水循环过程

隧址区水循环过程加快主要有两个方面的原因：一是区内水动力条件的改变致使地下水运动速度加快；二是隧道施工贯通了裂隙、断裂,揭穿了溶洞,改变了含水层结构(图3),增加了地下水径流、排泄通道[23]。另外,部分隧道长期排水也会加速碳酸岩的溶蚀,致使岩体渗透性增强[24],反过来又加速了水循环。

岩溶含水层特殊的裂隙、管道网状结构致使隧道涌水对降雨的响应更为及时[9],径流过程更为迅速[25],影响范围更大。在意大利北部7条高速铁路隧道的系统观测和示踪试验表明,在碎屑岩地层中,隧道涌水影响半径为200 m,地下水平均流速为3.6 m/d,而在岩溶地层中的影响半径达到2.3—4.0km,地下水平均流速为39 m/d[14]。

水循环过程加快表现在：隧道疏干地下水,部分天然状态下相对隔水 (或弱透水)的地层在重力作用下变为透水层,由此造成相邻含水层间的水量交换,如渝怀铁路圆梁山隧道施工使 3 个具相对独立性的含水层发生了水力联系[26],穿越二叠系的隧道造成地表三叠系中的泉点干枯,暗河流量大幅减少；隧道排水形成了降落漏斗,使补给含水层腾出了接受外界补给水量的空间,加强了地表流水向地下水的入渗转化,这些过程也将加剧地表水土的流失,从而产生一系列负效应[27]。

隧道排水加速水循环过程,现有研究多是定性的描述,缺乏对降水、地表径流、壤中流、地下径流“四水”转化的定量及过程研究。岩溶地区对降雨有很强的吸收能力,只有在大雨或暴雨的情况下才有坡面流的产生,而其余形式的降雨都被表层带吸收[28],隧道排水是否对隧址区的产流机制有影响,目前未见相关研究。

2.1.4加速水文地球化学作用及改变水质

隧道排水导致含水层水压力降低,地球化学平衡条件发生变化[23]。同时,地下水循环过程加速促进了水岩相互作用,从而改变地下水化学成分[29],隧道促使不同含水层间地下水混合,也会改变地下水化学特征。日本学者Li等在研究日本松本市隧道工程施工时,对地下水位和化学成分的变化规律进行研究,发现井水化学成分的变化较之于地下水位变化更为明显[30]。

隧道建设极易造成水质污染,一方面,隧道大量涌水,疏干了充水围岩,加速了水循环交替,促进了氧化作用,使地下水中某些金属元素含量增加或 pH 值发生显著变化；另一方面,施工环境中被污染的其他水体极易进入地下水。同时,被污染的地下水直接排入周围环境,也会引起地表水和地下水二次污染。Chae等对韩国首尔地铁隧道渗出地下水的水化学研究表明,隧道可使城市地下水质量显著下降[31]。渝怀铁路歌乐山隧道施工期间的五个水质监测点中,有四个水质处于劣V类[32]。隧道施工产生的粉尘,施工机械产生的漏油,注浆止水材料和喷锚支护材料,也可污染周边地表水[33]。尤其是含有有害成分的加固剂,其泄漏液对水环境的影响最为显著。有研究表明,使用含有丙烯酞胺的加固剂,隧道排水中的丙烯酞胺含量可达95500 μg/L,可能会给鱼类或其他水生生物带来急性致死作用[34]。隧道穿越不良地质时,如煤系地层,将使该层中带有的硫化物氧化,生成硫酸根和氢离子,引起地下水化学异常,后者使含钙矿物水解或溶解生成钙离子,从而导致水化学类型的改变和矿化度的升高[35-36]。

以上研究表明,隧道建设加速了水岩相互作用,是否会进一步引起区域水文地球化学场时空演化特征变化,尚需要观测资料证实。另外,隧道排水能否进一步促进岩溶作用进行,尚有待深入系统研究。

2.2 诱发地质灾害

2.2.1隧道突水

隧道突水、突泥问题在西南岩溶槽谷区极为普遍[37-38]。在统计的48座长度大于3 km的穿越岩溶地层的铁路隧道中,90%以上岩溶长隧道都不同程度的发生过岩溶突水、突泥灾害[39]。如成昆铁路线427座隧道中,93.5%的隧道在施工期间发生过不同程度的涌突水灾害,13座隧道发生严重涌水,其中8座隧道涌水量超过10000 m3/d[40]。

岩溶隧道突水实质就是裂隙岩体含水结构、水动力系统和围岩力学平衡状态因隧道开挖而发生急剧变化,存贮在地下水体的能量瞬间释放,并以流体的形式高速向隧道内运移的一种动力破坏现象。岩溶突水的力学机制主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用[41]。从物质成分来看,西南地区岩溶隧道已发生的岩溶突涌水灾害包括涌水(或突水)、突水突泥、突水突石等,突水灾害总是与突泥、突石等相伴而生。隧道涌水过程中,水流携带大量的泥砂使涌水流速快速下降,沉积物淤塞涌水口、隧道或涌水通道,致使涌水暂时中断,当涌水通道中的水位上升至一定高度时,水压力作用又将堵塞物破坏,造成多期次涌水[42]。

隧道突水受到多种因素影响。基于隧道工程与岩溶管道(溶洞)的空间位置关系,根据隧道受水压、岩溶充填物与隧道围岩塑性区范围等影响的渐进破坏过程不同,刘招伟[43]提出了隧道岩溶突水的 6 类地质模式：横向断面交错模式(顶位交错、底位交错、上侧位交错、下侧位交错)、纵向断面交叉模式(上侧位交叉、下侧位交叉)。降雨是诱发突水、突泥的重要因素,降雨一方面提供了突水、突泥水源及动力条件,另一方面,提高了地下水位,增加了溶洞中的静水压力,加速了溶洞中的黄色粘土的软化、液化,增大了围岩及支护体的载荷,降低了围岩的稳定性,促使隧址区发生突涌。重庆省道202线通渝隧道在2002至2004年施工期间先后发生7次特大涌水[44],一般都是在连续降雨或暴雨后发生。对于深埋型的岩溶隧道,极易发生高压突水、突泥问题,其主要特点是压力高、水量大、持续时间长,因此,对隧道的危险性极大,往往会造成巨大的、无法估计的损失[39]。宜万线齐岳山在施工过程中曾多次遇到高压突水、突泥问题,水压达3.5 MPa[45-46]。渝怀铁路圆梁山隧道5个溶洞均出现了涌水突泥现象,由钻孔中射出的水流数十米,2 #溶洞水压力为2.73 MPa[47]。

总之,隧址区岩溶发育程度及富水性是发生岩溶突水的关键因素,隧道的相对位置、埋深及施工季节是岩溶突水也是影响岩溶突水的重要条件。岩溶突水具有突发性、高压性,且水量大,不仅会造成经济损失和人员伤亡,而且带来了一系列生态环境负效应。

2.2.2地面塌陷

图3 隧道排水引发地面塌陷示意图 Fig.3 Schematic diagram of ground collapse caused by tunnel drainage

隧道排水引起上覆松散土层内有效应力的改变和动水压力的增加是地面塌陷的最根本原因。地下水位急剧变化带和强径流带往往是塌陷产生的敏感区,而水动力条件的改变是产生岩溶塌陷的主要诱导因素(图3),这已为不少实际资料所证实。隧道排水引发的地面塌陷发育过程可分为三个阶段。第一阶段：天然状态下,地下水保持自然水位并相对稳定,基岩在溶蚀作用下形成落水洞或漏斗,此时土体还受到岩溶水的浮力和土体自身抗滑力的作用,使得上覆土体处于基本稳定状态；第二阶段:隧道大量排水,地下水位迅速下降,水流过程对地表覆盖土层及岩溶管道中土体的产生潜蚀和运移,逐渐形成土洞,地表土体在重力作用下出现拉裂缝、下沉迹象。施工中炮震产生的震动气压和液压破坏性大,加强了深、浅部岩溶管道的连通性[48]；第三阶段：随着土洞进一步发育,顶板土层逐渐变薄,当真空负压、土体自重等致塌力大于抗塌力时,塌陷发生。

据不完全统计,建于西南岩溶区的铁路长隧道中,几乎均不同程度地遇到了岩溶塌陷,给隧道的施工造成了一定影响,其中,发生过较大岩溶塌陷的隧道有10座之多,占总数的40%[49]。地面塌陷受降雨影响明显,降雨使得地下水位升高,水力坡度增大,涌水携带大量泥沙,加快了地面塌陷的发展[50]。大量研究表明,地面塌陷发生或者塌陷扩大的主要时间都是在雨季[51-52]。对于双线或多线隧道,隧道间距和建设顺序对地面塌陷量、形态和范围有较大影响。平行排列的隧道地面大塌陷规模比单线隧道大,范围广。随着隧道间距的减小,将产生群洞效应,塌陷量呈现增大的趋势[53-55]。

2.2.3地质灾害风险评价及超前地质预报

目前,对岩溶隧道工程诱发地质灾害风险评价及超前地质预报已经取得很大进展。模糊数学法、层次分析法、神经网络模型、小波分析方法及其组合被广泛应用于岩溶隧道的风险评估[56-62]。各种方法均有利弊,在实际研究中,往往采用几种方法的组合以求得评价或预测结果的合理性和科学性。超前地质预报方法主要有TSP、地质雷达、瞬变电磁、陆地声纳、红外探测仪及综合超前预报技术[63-68],鉴于已有方法的局限性,李术才等提出基于风险分级的综合超前地质预报技术[69]。葛颜慧等优化了综合超前地质预报的预报方案和流程,提高了岩溶水位置探查的准确性,并成功预报了沪蓉西高速公路乌池坝隧道掌子面前方的岩溶水[70]。Liu等提出了一种改进的时移电阻率反演方法,用于监测地下水运移特征,并在广西岑西隧道中进行了成功应用[71]。

综上,对岩溶隧道诱发地质灾害的规模、成因机制、风险评价及超前地质预报已有广泛而深入的研究,但隧道施工过程中地质灾害仍时有发生,不少岩溶隧道运营期每到雨季就会发生突涌水,因此,改善隧道设计理念,提高超前地质预报的准确性,加强岩溶隧道(群)的区域稳定性及隧道长期运行的风险性的评估与研究,均是需要长期努力的方向。

2.3 降低土壤质量和引起土壤污染

隧道排水加速水土流失,采用“以排为主”的衡广复线南岭隧道泥砂流失严重,隧道建成后,隧址区内水土流失速度比自然风化时的速度快了将近6000倍；大瑶山隧道建成后,地面水土以每年约5.4 cm的速度流失,近似于自然风化时速度的5.4万倍[72]。水土流失致使土壤层变薄,养分及水分损失,肥力下降[73],土壤质量下降。隧道排水疏干地表水、降低地下水位,土壤含水率也随之降低；地下水位下降及降雨淋溶作用增强都促使土壤养分转移至土壤深层或者地下水中；土壤有机质含量降低,导致土壤酸化[33]。

地铁隧道对土壤温度场的影响是近年来的研究热点,研究方法主要为现场实测,实验台缩尺模型模拟,理论分析和数值模拟等[75-81]。地铁运行致使土壤温度上升,土壤含水率减小,蓄热性能降低,并随时间和空间变化呈现一定的规律性。通过实验与数值模拟发现,上海某地铁温度场的变化主要发生在运营后1—10年,在此期间,随年限的增加,土壤热库峰值不断升高,峰值位置和热库厚度不断加深,10年以后温度场趋于稳定。土壤容积含水率的变化主要发生在隧道壁面3.5 m的范围之内,随着年限的推移,容积含水率逐年减少,直到趋于稳定；新建地铁区间隧道的年蓄热量为远期年蓄热量的11.6倍[82]。

综上,隧道排水对土壤的影响主要体现在加速土壤流失、降低土壤养分与含水率、引起土壤污染等方面,未见对土壤CO2、土壤水地球化学特征的长期系统观测与研究,隧道排水对土壤质量的影响机制尚不明确。

2.4 影响植被生长与分布

岩溶地区因其富钙的岩、水、气循环系统,以及“土在楼上、水在楼下”的双层结构,造成其土壤贫瘠,保水能力差[83],植被覆盖率低,生态系统抗干扰能力低。由于岩溶槽谷区缺乏系统的地表水文网,天然植被生态系统主要依靠消耗地下水资源来维持,因此,植被对地下水变化响应极为敏感。

地下水是植物分布和生长最重要的限制资源,影响天然植被生长的土壤水分和盐分与地下水位高低密切相关[84-85],地下水位的降低可能导致植物枯萎、死亡。因此,有学者提出了“地下水生态水位”、“地下水生态平衡埋深”等概念[86-87],确定植物进行光合等生理作用的地下水位埋深阈值[88],并基于植被生态需水,确定了的隧道所允许排放的最大水量[89-90]。

遥感技术是监测隧道建设和运营过程中的环境问题的重要手段之一。通过对成渝高速公路中梁山隧道修建前、修建中和运营三年后同一季节的遥感影像数据进行解译,发现修建后自然植被覆盖率降低了21.529%,运营三年后自然植被覆盖率上升了1.311%[91]。

由隧道开挖引起地下水位下降,进而导致植物产量下降、化学组分变化[92-94],以及生长速率下降[95]已被不少研究证实。地下水位的下降致使植物根系吸收水分策略和效率发生改变,使其根系逐步向深部发育,吸收深部土壤水和地下水。通过对比研究发现,隧道影响区植物吸收表层岩溶水的比例在雨季和旱季分别为33%、76%,而隧道未影响区植物吸收表层岩溶水的比例在雨季和旱季分别为24%、59%。结果也表明,隧道开挖降低了岩溶地区土壤含水量,改变了岩溶地区植物的吸水规律[96]。甚至有研究尝试利用树轮作为指示隧道开挖引起地下水位下降的指标[97],这将为评估岩溶地区隧道开挖对树木生长及生态环境的影响起到重要作用。

另外,隧道通车可作为植物种子迁徙的途径和载体,增加了物种入侵的可能性,导致生物多样性发生改变[98-99]。有研究发现,某高速公路隧道内的植物种子种类约有32.3%并不生活在隧道入口附近[98]。

综上,隧道建设对岩溶槽谷区植被的影响主要体现在4个方面：一是隧道排水降低地下水位,减少了土壤含水量,影响植物吸收水分、养分；二是隧道建设改变了地下水水化学成分,影响植物吸收养分；三是隧道排水引起了地面塌陷,加速了地表水土流失与石漠化,改变了植被生长环境,影响了植被生长与空间分布；四是隧道通车为物种入侵提供了可能,可能会影响植物种类。已有研究主要关注隧道影响植物生长速率、产量、植被覆盖度的变化,隧道建设对植被利用水的策略与效率影响、隧道长期排水是否会导致植被演替研究缺乏。已有研究仅发现隧道内植物种子种类增多,是否会造成物种入侵和植物多样性的变化,仍然需要观测资料证实。

2.5 生态环境影响评价

隧道对生态环境的影响是多方面的,已有大量研究集中在隧道修筑导致地下水运移所产生的生态环境效应的具体表现形式以及影响范围上,其主要方法有现场调查、综合评述、动态监测、示踪试验及数值模拟(表4)。定量化综合评价隧道施工引起的生态环境效应研究仍然比较薄弱,目前主要采用的方法有综合指数法、模糊综合评判法、层次分析法、简单关联函数及有限元分析法等(表4)。生态环境影响评价为优化隧道工程选址、确保隧道施工和运营安全以及保护隧址区生态环境提供了一定的科学依据,但目前缺乏普适性的岩溶隧道生态环境影响评价体系,且评价指标需经隧道修建后连续观测进行修正。对于如何定量评价隧道排水的生态环境效应及优化评价指标,仍然有待深入研究。

表4 隧道建设的生态环境影响评价方法

3 结论与展望

近年来,随着我国西南地区社会经济的快速发展,岩溶槽谷区隧道建设持续加速。由于隧道工程建设之初生态环保理念欠缺,加之岩溶槽谷区特殊的生态脆弱性,使得隧道建设对西南岩溶槽谷区带来的生态环境负效应更为显著,为区域水资源与生态安全带来了挑战。为了分析隧道建设对水文、生态、环境的影响,国内外学者开展了一系列的研究,并取得了一定的成果。然而已有研究多数停留在隧道建设产生的生态环境效应的具体表现形式以及影响程度上,在隧道建设对土壤物理化学特征、植被生理过程改变、物种入侵、植被演替方面的影响,以及相关研究方法与手段方面还存在不足,隧道建设的生态环境效应相关研究整体上还比较薄弱。在今后的研究中需要加强以下几方面的工作：

(1)隧道影响水资源分布格局与水文过程的水文地质模式及隧道群的排水效应

基于西南岩溶槽谷区不同的地质结构,结合典型案例,分析岩溶隧道施工建设与运营期内水资源分布、水动力和水化学过程与岩溶隧道、地质背景、区域气候之间的关系,揭示不同类型的槽谷区隧道建设的生态水文环境效应,探索岩溶隧道对水资源分布与水文过程作用机制,建立西南岩溶槽谷区隧道影响水资源分布格局与水文过程的概念模式。

岩溶发育易导致隧道突涌水,而隧道排水引起的土壤水分与土壤CO2变化,有可能影响大气-水-土壤-岩石界面的物理化学作用强度,从而影响岩溶作用。运用既有国内外岩溶隧道研究案例,分析岩溶发育诱发的隧道突涌水的模式。通过现场监测与试验,探索隧道排水影响岩溶作用的途径与方式,揭示隧道排水与岩溶作用的互馈作用机制。

另外,已有研究主要关注单个隧道排水产生的水文生态影响,以及新建隧道对既有隧道的影响,隧道群排水引起的水文、生态、环境问题以及隧道群间的相互干扰及叠加效应研究将是未来研究的难点及热点。

(2)“五水”转换过程与地下水流场演化机制

隧道排水加速水循环过程、改变地下水流场目前多是定性的描述,缺乏系统的定量及过程研究。建议通过长期水文地质现场监测、试验、数值模拟,分析究隧道改变区域水循环特征和地下水动力条件的途径和方式,揭示降水、地表水、土壤水、地下水及隧道水之间的转换过程及转化机制；综合研究不同时间尺度上,地表水、土壤水、地下水及隧道水的动态过程及对降雨的响应机制；探索岩溶隧道区地下水流场的演化过程与机制；通过资料分析、现场监测、物理模拟试验、数值模拟等手段,分析水动力条件改变、水文地球化学环境改变、施工材料成分对岩溶水化学特征的影响,研究岩溶隧道区水文地球化学场时空演化机制。

(3)土壤质量及土壤水文地球化学特性对隧道建设的响应过程与机制

隧道排水导致水土流失加剧,土壤水分减少,土壤质量下降,已有研究已证实了这一影响形式,但其影响机理与过程怎样？隧道排水是否导致土壤微生物群落与功能变化,从而引起土壤质量变化？未见相关研究。建议加强对土壤及土壤水物理、化学、生物、微生物特征的系统监测,探索不同时间、空间尺度上土壤质量及土壤水文地球化学特性对隧道建设的响应过程与机制。

(4)岩溶隧道区植被生理过程与多样性变化

利用水化学、同位素及遥感技术等手段,探索隧道干扰条件下植被利用水的策略与效率变化过程与机理,植被覆盖度变化,求证隧址区物种入侵的可能性,揭示隧址区植被可能由水生或乔木植被演替为陆生、旱生或灌木、草本植被的过程。

(5)调查、评价、预测与模拟

提升岩溶隧道区水文生态环境现场监测技术,研发系统调查方法；研究隧道区水文生态环境效应的影响因子,建立定量化评价指标体系,研究分级分类的评价方法,提出评价标准,对于拟建和在建工程,进行评估预测和现状预测,对已建工程进行反分析、验证和后评估,修正并验证评价方法的科学性与可靠性。针对不同概念模式下的岩溶槽谷区隧道工程,提出预警指标体系方法,并进行工程验证,为西南槽谷区隧道的水文生态环境效应评估提供参考依据。基于现场监测资料、室内模拟实验等,建立并优化模拟模型,合理评估与预测隧道建设引起的水文生态环境效应演变趋势,并评估该趋势对岩溶隧道稳定性的影响。