謝先明,徐 標(biāo),周志華,王 松,王 淵

(廣東省工程勘察院,廣東廣州 510510)

1 概述

地下水徑流模數(shù),也稱為“地下徑流率”,指的是一平方公里含水層分布面積上的地下水徑流量,表示一個地區(qū)以地下徑流形式存在的地下水量的多少。地下水徑流模數(shù)是一個動態(tài)值,與地層巖性、降雨量變化、水文地質(zhì)條件的改變等因素有關(guān)。

研究區(qū)位于華南中低山地區(qū),屬中亞熱帶季風(fēng)氣候,冬春冷,夏秋熱,年平均氣溫 19.6℃;年平均降雨量 1 648.3 mm。森林覆蓋率達(dá) 78%,以經(jīng)濟(jì)樹種松、杉及其它雜木混生的次生林為主,局部邊遠(yuǎn)山區(qū)還存在較小面積、已被設(shè)立為保護(hù)區(qū)的原始森林。其中,該地區(qū)人工速生林——桉樹的種植面積已超過 2 000公頃,毛竹面積有 2萬多公頃。

2 地層巖性及水文地質(zhì)條件

主要為燕山期花崗巖,屬南嶺花崗巖帶諸廣山巖體的一部分,區(qū)內(nèi)分布面積約 500 km2。巖性以花崗閃長巖、黑云母二長花崗巖為主,巖石深灰色,主要特征是多具中細(xì)粒均粒狀或似斑狀結(jié)構(gòu),白云母含量較高,局部地區(qū)巖性具中粗粒斑狀結(jié)構(gòu),粒徑 2～3 mm,斑晶含量 10%左右,以鉀長石居多,基質(zhì)主要是斜長石、石英和暗色礦物,黑云母含量高達(dá) 11～15%,含少許鉀長石及普通角閃石。

副礦物組合較為復(fù)雜,常見有磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯石、磷灰石、獨(dú)居石等副礦物,中生代巖體還普遍見有硫化物如毒砂、輝鉬礦以及螢石、白鎢礦、晶質(zhì)鈾礦等。

當(dāng)?shù)鼗◢弾r風(fēng)化程度不一,中粗粒斑狀黑云母花崗巖風(fēng)化帶一般厚 30.0～50.0m,植被條件良好,巖體裂隙較為發(fā)育,有利于地下水的富集,地下水徑流模數(shù)一般 ＞8.0 L/s?km2。而大面積分布的細(xì)粒花崗巖或細(xì)粒斑狀花崗巖,風(fēng)化程度稍低,風(fēng)化層厚度較薄,普遍厚度為 10.0～25.0m,裂隙發(fā)育較少,多被泥沙質(zhì)充填,富水性較差,地下水徑流模數(shù)一般為 2.0～8.0 L/s? km2。

區(qū)內(nèi)地下水直接受大氣降雨入滲補(bǔ)給,沿表層風(fēng)化層及基巖裂隙徑流,主要賦存于基巖裂隙中,以潛流形式分散排泄或沿節(jié)理裂隙以泉的形式集中排泄兩種方式排泄補(bǔ)給地表水。區(qū)內(nèi)泉點(diǎn)較為發(fā)育,但流量普遍較小,泉流量一般為0.01～0.7 L/s。據(jù)鉆孔及礦區(qū)泉點(diǎn)長觀結(jié)果顯示,花崗巖中地下水位及泉流量的季節(jié)性變化較為明顯,地下水位年變幅一般為 2.0～7.0m。

3 地下水徑流模數(shù)對比

3.1 1980年前后地下水徑流模數(shù)

上世紀(jì) 70年代末到 80年代初,該區(qū)進(jìn)行了 1∶20萬水文地質(zhì)普查,為采用地下水徑流模數(shù)法(采用加權(quán)平均值,各點(diǎn)權(quán)值取控制面積占總測流面積的比例)進(jìn)行地下水資源量的計算及評價,曾在該區(qū)域選取部分河流進(jìn)行枯季流量觀測。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)普查成果,本地區(qū)花崗巖裂隙水富水性普遍較差,個別受斷裂帶影響或者是局部巖性較粗、風(fēng)化程度較高且植被條件良好的區(qū)域富水性中等,地下水徑流模數(shù) ＞8.0 l/s?km2。大部分的區(qū)域則地下水徑流模數(shù) ＜8.0 L/s?km2,富水性較差、水量貧乏。見表 1。

表1 20萬水文地質(zhì)普查地下水徑流模數(shù)統(tǒng)計表

3.2 新近調(diào)查地下水徑流模數(shù)

因客觀條件的變化,直接采用 1∶20萬的水文地質(zhì)普查成果已不能滿足當(dāng)前工作的要求。出于工作需要,2010年在該區(qū)部署了新的水文地質(zhì)調(diào)查工作。

前人的觀測點(diǎn)大多控制面積較大,本次調(diào)查工作在初步設(shè)計時,仍選取當(dāng)年測流位置或附近作為新的流量觀測點(diǎn),目的為方便進(jìn)行對比及評價。然而,在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),山區(qū)小型水電站發(fā)展較快且無序,枯水期流量在 60 l/s以上(甚至更小流量),有一定落差且有條件蓄水的河流,幾乎都已經(jīng)建設(shè)成為水電站并蓄水,在河系較為復(fù)雜的地區(qū),部分河流甚至因多級電站的建設(shè),河流已經(jīng)完全溝渠化,這些都直接影響了河流的客觀流量,失去了觀測的意義。本次調(diào)查所選取的測流點(diǎn),已無法與前人的測流點(diǎn)相重合。

因此,項目進(jìn)行過程中,及時調(diào)整了工作部署,盡可能避開深大斷裂帶及蓄水工程的影響,分別控制原觀測河流的上游區(qū)域。并于 2010年 1月 ～2月,在該區(qū)選取 18條河流進(jìn)行了枯季流量觀測。測流結(jié)果如表2 所示。

表2 2010年新測流點(diǎn)地下水徑流模數(shù)統(tǒng)計表

3.3 變化情況分析

從表 1及表2 可見,上世紀(jì) 80年代地下水徑流模數(shù)范圍值為 2.845～11.520 L/s?km2,加權(quán)平均值為 6.272 L/s?km2;新近測流點(diǎn)地下水徑流模數(shù)范圍值則為 1.879～10.739 L/s?km2,加權(quán)平均值為 4.931 L/s? km2。 對比兩次觀測成果,新近測流點(diǎn)加權(quán)平均地下水徑流模數(shù)比普查時減小了 21.38%。

花崗巖地區(qū)的地下水主要來自于降雨直接入滲補(bǔ)給,而河流的補(bǔ)給來源于地下水的排泄及降雨形成的地面徑流補(bǔ)給?？菁緯r降雨量大幅減少,河水主要依賴于地下水的排泄補(bǔ)給。地下水在基巖裂隙中徑流時,部分地下水通過泉點(diǎn)或散流進(jìn)入地表河流中,在局部地區(qū),還有一部分地下水會沿深大斷裂或延伸較深的基巖裂隙進(jìn)行深部循環(huán),因此各測流點(diǎn)枯季所測得的河流量,并不能完全代表該區(qū)域的地下水徑流量,特別是當(dāng)所測河流流量較小時,深部潛流流量占所在區(qū)域地下水流量的比例會相應(yīng)提高,河流流量與地下水量的不一致性會表現(xiàn)得更加明顯。因此,偶測的流量值并不具備普遍意義,不能僅憑一次測流而對區(qū)域地下水狀況下定論。

但是,在野外調(diào)查過程中,當(dāng)?shù)孛癖娖毡榉从辰陙矶竞恿魉繙p少、泉點(diǎn)流量變小甚至干涸、井水位下降等較為明顯(即使非干旱年份也如此),村民普遍認(rèn)可桉樹種植對當(dāng)?shù)氐牡叵滤嬖谪?fù)面影響。說明該區(qū)地下水狀況的確發(fā)生了一定程度的改變。基于此,筆者認(rèn)為,本次偶測的地下水徑流模數(shù)較 30年前有所下降并非偶然,而是在一定客觀因素影響的情況下發(fā)生的自然變化趨勢。

4 地下水徑流模數(shù)變化原因分析

綜合分析認(rèn)為,導(dǎo)致該區(qū)地下水徑流模數(shù)比三十年前有明顯降低的原因有：

4.1 降雨量的變化

上世紀(jì)進(jìn)行 1：20萬水文地質(zhì)調(diào)查時,當(dāng)年降雨量為1 592.3 mm,接近當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅?僅偏少 3.4%。2010年調(diào)查時,其地下水補(bǔ)給主要來自于當(dāng)?shù)?2009年的降雨量,該區(qū) 2009年總降雨量為 1 231.6mm,明顯低于當(dāng)?shù)囟嗄昶骄涤炅?偏少 25.3%,與此相應(yīng)的地下水徑流模數(shù)則減小了 21.38%。可見,降雨量明顯偏少,是導(dǎo)致 2010年地下水徑流模數(shù)調(diào)查成果明顯偏小的一個重要影響因素。

4.2 植被引起水文地質(zhì)條件的改變

4.2.1 林木物種的轉(zhuǎn)變

當(dāng)?shù)卣疄樘岣叽迕袷杖?促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,曾鼓勵當(dāng)?shù)卮迕翊竺娣e種植人工豐產(chǎn)林——桉樹。部分次生林則轉(zhuǎn)變成了毛竹林。種植桉樹大多是通過火墾的方式(火燒后種植)進(jìn)行,原有物種完全被桉樹所取代。

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究,桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響主要有：①大量消耗水分的同時不能通過蒸散發(fā)補(bǔ)給大氣水分,水分循環(huán)受到影響,而間接影響到其他水文要素;②桉樹強(qiáng)烈的壓制作用使林下植被稀少,森林應(yīng)有的攔蓄洪水、削弱洪峰的作用被減弱,林內(nèi)降雨后地表徑流較大,易造成水土流失,且對土壤水和地下水補(bǔ)給也會相應(yīng)減少,影響枯水期徑流;③火墾方式種植桉樹,導(dǎo)致林區(qū)土地裸露,種植初期水土流失嚴(yán)重,大幅度降低涵養(yǎng)水源的能力。

也有學(xué)者研究成果表明,初生桉樹生長速率最快,吸水量也最大,短時段內(nèi)可能會出現(xiàn)降低地下水、減少地表徑流等不利情況。但隨著桉樹樹齡的增加,形成濃密的森林,從而減少地表徑流,更多的地表徑流得以攔截并下滲補(bǔ)給地下水,對地下水的影響會由消極影響慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極影響。

當(dāng)?shù)卮竺娣e的桉樹林,均為最近幾年種植,還未成材,正處于吸水量大的初生階段,與村民描述的地下水變化現(xiàn)象相吻合。

大面積的次生林被毛竹林取代也會導(dǎo)致地下水徑流模數(shù)的減少。因人為干擾,竹林的單位面積植物量大幅度減少,降雨時林冠截留率降低,且竹林涵養(yǎng)水源的能力遠(yuǎn)低于次生雜木林,比次生雜木林更易形成明顯的地表徑流快速排泄,有效攔蓄的水量減少,降低了林地降雨入滲補(bǔ)給地下水的有效量,并可能引起水土流失。

4.2.2 植被結(jié)構(gòu)的變化

多年的亂砍濫伐,整體的森林覆蓋率雖沒有減少,但成材林木大幅度減少,矮小灌木或茅草增加,導(dǎo)致植被層次結(jié)構(gòu)的改變。這同樣會在一定程度上降低林區(qū)攔蓄降雨及地表徑流、調(diào)蓄地下水資源量的能力。

4.2.3 耕作方式的變化

上世紀(jì)中期,隨著人口的大量增加,對耕地的需求也就顯得更為迫切。為了增加耕地,村民毀林開荒嚴(yán)重,大面積的林地被開墾作為旱地耕種。隨著計劃生育工作成效的顯現(xiàn)以及改革開放農(nóng)民工的大規(guī)模進(jìn)城,當(dāng)年大面積分布于半山的耕地現(xiàn)在已棄耕,棄耕后處于自然荒廢的狀態(tài),主要被茅草或小灌木所覆蓋,植被恢復(fù)較差,局部甚至出現(xiàn)沙化裸露現(xiàn)象,水土流失嚴(yán)重,造成有效攔蓄地表徑流入滲補(bǔ)給地下水及涵養(yǎng)水源的能力降低。

歸根結(jié)底,不管是林木物種的轉(zhuǎn)變,還是植被結(jié)構(gòu)的變化、耕作方式的變化,都在一定程度上直接或間接的改變了該區(qū)域原始的水文地質(zhì)條件,導(dǎo)致地下水初始狀態(tài)的改變,直接表現(xiàn)為地下水徑流模數(shù)的變化。

5 小結(jié)

根據(jù)新近調(diào)查的成果,與 30年前所測數(shù)據(jù)相比,該區(qū)地下水徑流模數(shù)有一定程度的下降,地下水資源量有所減少,與調(diào)查訪問的情況相一致。

綜合分析該地區(qū)地下水徑流模數(shù)的減小,是受降雨量減少、林木物種、植被結(jié)構(gòu)、耕作方式等多方面因素的共同作用所造成。

本次測流因受上游蓄水及河流溝渠化的影響,所選擇的河流較為短小,控制流域面積十分有限,受局部地層巖性及巖體裂隙發(fā)育的影響,所得河流流量可能大多為表層的地下水排泄量。花崗巖地區(qū)較小的河流,其深部潛流水量所占比例偏大,導(dǎo)致測流計算所得的地下水徑流模數(shù)誤差可能偏大。

值得一提的是,眾多的專家學(xué)者或相關(guān)部門認(rèn)為桉樹的種植不但不會造成地下水減少,還會有明顯的補(bǔ)給地下水,具有積極的水源涵養(yǎng)作用。本文主要對引起該區(qū)域地下水徑流模數(shù)變化的可能因素進(jìn)行初步的探討,而對于桉樹的種植對地下水的影響程度還有待開展進(jìn)一步的研究工作,在此不作評述。

[1]廣東省地質(zhì)局.區(qū)域水文地質(zhì)普查報告(1：20萬)韶關(guān)幅[R].1980.9.

[2]王增銀.供水水文地質(zhì)學(xué)[M].中國地質(zhì)大學(xué)出版社,1995.10第 1版.

[3]朱學(xué)愚,錢孝星,劉新仁.地下水資源評價[M].南京大學(xué)出版社,1987.11第 1版.

[4]廣東省地質(zhì)礦產(chǎn)局.廣東省區(qū)域地質(zhì)志[M].地質(zhì)出版社,北京.1988.12.

[5]莫柱蓀.葉伯丹.潘維祖.南嶺花崗巖地質(zhì)學(xué)[M].地質(zhì)出版社,北京.1980.11.

[6]陳毓川,等.南嶺地區(qū)與中生代花崗巖類有關(guān)的有色及稀有金屬礦床地質(zhì)[M].地質(zhì)出版社,北京.1989.3.

[7]張雷,胡吉敏,鄒進(jìn).淺析桉樹種植對林區(qū)水文特性的影響[J].中國科技論文在線,http：//www.paper.edu.cn.

[8]周衛(wèi)衛(wèi),余雪標(biāo),王旭.海南瓊中 3種森林枯落物的現(xiàn)存量及持水特性研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(13)：6236-6239.

[9]楊民勝,吳志華,陳少雄.桉樹的生態(tài)效益及其生態(tài)林經(jīng)營[J].桉樹科技,2006.6,23(1)：32-39.

[10]王禮先,張志強(qiáng).干旱地區(qū)森林對流域徑流的影響[J].自然資源學(xué)報,2001,5.

[11]石培禮,李文化.森林植被變化對水文過程和徑流的影響效應(yīng)[J].自然資源學(xué)報,2001.9,16(5)：481-487.

[12]森林水文作用[Z].百度百科.http：//baike.baidu.com/view/4205341.htm.

[13]孔維健,周本智,徐升華.水源涵養(yǎng)林水文生態(tài)效應(yīng)研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2009,6：235-23.