长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究.pdf

第30卷第3期2023年 5月Vo l.30 No.3Ma y 2023妥全与环境工程Sa f et y a nd Env iro nment a l Enginee ring引用格式：王旭明，黎清华，余绍文.长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究JI.安全与环境工程,2023,30(3):197-207.Wa ng X M,Li Q H,Yu S W.Ev a lua t io n index s ys t em o f gro undwa t er ec o lo gic a l f unc t io n in t h e middle rea c h es o f t h e Ya ngt ze Riv erJ*Safety and EnvironmentaI Engineering,2023,30(3)：197-207.长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究王旭明1,黎清华，余绍文2（1.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北武汉430078,2.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉430205）摘 要：长江中游地区地下水资源丰富，开发利用潜力巨大，同时生态环境极其脆弱。从生态需求角度着手，将依 存性和关联性结合，选取土地利用类型、降水量、距地表水系缓冲距离、地下水-地表水相互作用、地下水水位埋深和 包气带介质6项评价指标，构建了长江中游地区地下水生态功能评价指标体系，详尽阐述了各评价指标的等级划分机制，并利用层次分析法和GIS空间分析技术对长江中游地区地下水生态功能进行了评价。结果表明：长江中 游地区地下水生态功能强区和较强区面积占研究区总面积的55.48%,地下水生态功能弱区和较弱区仅占研究区 总面积的6.05%。由此可见，长江中游地区地下水生态功能较强，为确保生态环境的良性发展，应制定合理的发展 规划，避免过度利用地下水资源。关键词：地下水;生态功能;评价指标体系；长江中游地区中图分类号：X171；P641.8 文章编号：1671-1556（2023）03-0197-11 收稿日期；2023-02-03DOI：10.13578/ki.issn.1671-1556.20230060 开放科学（资源服务）标识码（OSID）:Evaluatio n Index System o f Gro undwater Eco lo gical Functio n in th e Middle Reach es o f th e Yangtze RiverWANG Xuming1,LI Qingh ua2*,YU Sh a o we n2(1.Sc h o o l o f Enviro nmental Stud ies,Ch ina University o f Geo sc ienc es(Wuh an 9Wuh an 430078?Ch ina；2.Wuh an Center,Ch ina Geo lo g ic al Survery,Wuh an 430205,Ch ina)Abst r ac t：Th e middle rea c h es o f t h e Ya ngt z e Riv er a re ric h in gro undwa t e r res o urc es wit h grea t po t ent ia l f o r gro undwa t e r dev elo pment a nd ut iliza t io n,wh ile t h e ec o lo gic a l env iro nment is ext reme ly f ra gile.Fro m t h e pers pec t iv e o f ec o lo gic a l dema nd,t h is s t udy c o mbined dependenc e a nd relev a nc e,s elec t e d s ix ev a lua t io n indic a t o rs,na mely la nd us e t ype,prec ipit a t io n,buf f er dis t a nc e f ro m s urf a c e wa t e r,gro undwa t er-s urf a c e wat e r int era c t io n,gro undwa t er dept h a nd v a do s e zo ne medium,c o ns t ruc t ed t h e ev a lua t io n index s ys t em o f gro undwa t er ec o lo gic a l f unc t io n in t h e middle rea c h es o f t h e Ya ngt ze Riv er,a nd ela bo ra t ed o n t h e gra ding mec h a nis m o ea c h index Th e ec o lo gic a l f unc t io n o f gro undwa t e r in t h e middle rea c h es o f t h e Ya ngt ze Riv er wa s ev a lua t ed by us ing a na lyt ic h iera rc h y pro c es s a nd GIS s pa t ia l a na lys is t ec h no lo gy.Th e res ult s s h o w t h a t t h e a rea wit h s t ro ng a nd rela t iv ely s t ro ng ec o lo gic a l f unc t io n o f gro undwa t er in t h e middle rea c h es o f t h e Ya ngt z e Riv er a c c o unt s f o r 55.48%o f t h e t o t a l s t udy a re a,a nd t h a t wit h wea k a nd rela t iv ely wea k ec o lo gic a l f unc t io n o nly a c c o unt f o r 6.05%It c a n be s een t h a t t h e ec o lo gic a l f unc t io n o f gro undwa t er in t h e middle rea c h e s o f t h e Ya ngt z e Riv er is s t ro ng In o rder t o ens ure t h e h ea lt h y dev elo pment o f t h e ec olo gic a l env iro nment,a rea s o na ble dev elo pment pla n s h o uld be f o rmula t ed t o a v o id exc es s iv e ut iliza t io n o f gro undwa t er res o uc e sKey wo r ds:gro undwa t er；ec o lo gic a l f unc t io n；ev a lua t io n index s ys t e m；middle rea c h o f t h e Ya ngt ze Riv er 基金项目：中国地质调查局地质调查项目(DD20221755)作者简介：王旭明(1997),男，硕士研究生，主要研究方向为地下水资源评价与区划。E-ma il：2535735001qq.c o m 通讯作者：黎清华(1978-),男，博士，教授级高级工程师，主要从事环境地质与水文地质方面的研究工作。E-ma il：t s ingh ua _ Li126.c o m198安金与琢燼工裡 ht t p：/水t aq.c bpt.c 第30卷地下水功能是指地下水的质与量及其在时间、空间上的变化，以及对人类社会和环境产生的作用 或效应，包括资源、生态和地质环境三大功能 其中，地下水生态功能指地下水系统对地表生态环 境的维持作用，主要表现在：维持天然植被、农作物 的正常生长;维持地表水（河流、湖泊、湿地、泉等）的 生态环境健康;维持土地质量状况口勺。随着不合理 地下水开采引发的生态环境问题日益突出，地下水 生态功能研究越来越受到人们的关注，如何构建适 用的地下水生态功能评价指标体系，以及确定评价 指标内涵和形成机制成为亟待解决的关键问题。目前对地下水生态功能以及功能评价的研究主 要集中在我国北方地区,尤其是西北干旱地区，并逐 步形成了一套完整的评价指标体系。如张光辉等E 提出了适宜我国北方平原地区的地下水生态功能评 价理论方法,其包含天然植被与地下水水位关系、人 工绿洲与地下水水位关系等4个评价指标；王金哲 等金门对以往的评价指标体系进行了补充完善，将生 态功能评价要素指标扩充到10个，但是该评价指标 体系往往基于小比例尺地下水环境问题的调查评 价，适用于区域性规划应用，难以满足高精度的地下 水生态功能评价，对此，她针对西北干旱区自然湖泊 湿地、天然植被绿洲和农田土壤质量对地下水水位 埋深强烈依赖的特点，构建了以地下水水位埋深为 核心要素的地下水生态功能评价指标体系，但是对 于南方地区特定水文气候条件和水资源开发利用形 式下的地下水生态功能评价，该评价指标体系中指 标的量化难度较大;范伟基于地下水生态效益的 概念，提出了包含表层土壤类型、潜水矿化度等地下 水生态环境指标的评价体系，对吉林省平原区地下 水生态环境功能进行了评价;孙才志等从地下水 功能供给与需求角度出发，构建了生态功能评价指 标体系。此外，Hua ng等口8和Ma jidipo ur等口口对 地下水生态功能评价指标体系的研究也为本文提供 了重要的参考。长江发源于青藏高原，由崇明岛以东汇流入海，全长6 300余公里，流域面积约180万k m?,流经11 个省、自治区、直辖市切，是我国生态系统最为丰富 的地区之一。承上启下的长江中游地处我国中南 部，是全流域河流湖泊最集中、生态最脆弱的地 区口旳，对维护长江流域的生态平衡具有重要意义。总体上看，长江中游流域地下水资源丰富，降水、地 表径流补给充足，地下水资源开发利用水平较低，但 受地质构造、气象水文条件的影响，地下水资源的时 空分布并不均匀。局部不合理的地下水资源开发利 用，加上人口增加、人类活动频繁、在经济建设中不 注重保护生态环境等，引发了一系列局部性的生态 环境问题,主要表现为河流水环境较差、生态环境恶 化、植被严重破坏、水土流失加剧、泥沙大量淤积，局 部地区出现湿地减少、湖泊退化等问题，问题虽不突 出，但对生态环境造成的破坏不容忽视4啦。本研究依托于中国地质调查局地质调查项目“长江中游水文地质与水资源调查监测”的有关数 据、资料和成果，从生态需求角度出发，构建了长江 中游地区地下水生态功能评价指标体系，并在此基 础上对长江中游地区地下水生态功能进行了综合评 价，以期为区域地下水合理管控、生态环境保护以及 制定相关的发展规划提供科学依据。1研究区概况长江中游西起湖北宜昌，东至江西湖口，全长为 955 k m：13 o本研究涉及长江中游主要省份湖北、湖 南、江西三省的大部分区域，总面积为52.6万k mS 区内地形以山地、丘陵、平原为主，四周山地环绕，向 中部过渡为孤山丘陵，中间为河流湖泊冲积而成的 江汉、洞庭湖、鄱阳湖三大平原，地势由边缘向中心 呈阶梯式下降、倾斜，并且整体由西向东缓倾。区域 地处亚热带湿润季风气候区，具有降水充沛、雨热同 期的特点，一般夏季酷热而多雨、冬季寒冷而干旱,年平均气温为1519 C，多年平均降水量为800 1 900 mm,且降雨量呈南多北少、山区多盆地少的 趋势。该地区四周高、中心低的地形特点，也有利于 水源的汇聚，区内河流、湖泊密布，长江、汉江、两湖、四水、五河共同构成错综复杂的地表水系网络。研究区内元古界、古生界、中生界、新生界各时 代地层均有出露，前第四纪地层主要分布在盆地周 缘的山地丘陵地区，平原地区广泛分布第四系河湖 相沉积物,位于研究区中西部的江汉-洞庭盆地是中 南地区规模最大的第四纪盆地。区内含水岩组按照 含水介质特征划分为松散岩类孔隙含水系统、碎屑 岩类孔隙裂隙含水系统、碳酸盐岩岩溶含水系统和 岩浆岩类、变质岩类裂隙含水系统，分布面积依次为 94 200 k m2、93 300 k m2、125 000 k m2、213 000 k m2，分别占全区总面积的17.9%、17.7%、23.8%、40.5%（图1）。其中，松散岩类孔隙含水系统为第 四系全新统、上中下更新统沉积物组成的潜水、承压 水多层结构,成因类型多样，岩性复杂，平原区广泛 发育的含水岩性为砂质黏土、黏土质粉砂及粉砂层，局部地段可见砂砾石，含水层厚度不一，平原腹地厚第3期王旭明等：长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究199碎屑岩类孔隙裂隙含水系统长江中游地区位置及水文地质图地表水系碳酸盐岩岩溶含水系统岩浆岩类、变质岩类裂隙含水系统图例松散岩类孔隙含水系统114图1Fig.1 Location and hydrog eolog ical map of the middle reaches of the Yang tze River阳a 九象山岭|25 2525甩山襄奂大刪W1天门*武汉黄区 荆州潜江仙桃.，朗州.血宁-当J*山神农衆林区111幕阜Lb:洲w宜春新余7唏乡山F武罗宵度较边缘大，最厚达200余米，相应的富水性也较 好;碎屑岩类孔隙裂隙含水系统以及岩浆岩类、变质 岩类裂隙含水系统以砂砾岩、泥页岩和风化基岩为 主，富水性较弱;碳酸盐岩岩溶含水系统则以强富水 的寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系沉积为主。长江中游平原区河湖广布，地下水埋藏较浅，地 表水与地下水之间有着密切的水力联系，孕育了极 其丰富的湿地资源和生物多样性。根据卫星遥感解 译结果，长江中游地区河流型和湖库型湿地面积共 计为15 837.80 km2E17,其中鄱阳湖和洞庭湖是我 国最重要的洪泛湿地湖群。长江中游地区通江湖泊 与洪泛湿地在不同季节呈现“干一湿一干”的交替过 程,形成了“洪水一大片，枯水几条线”“高水是湖，低 水似河”的独特自然湿地景观。伴随着湿地季节 性干湿交替，地下水与地表水的转化关系也呈季节 性变化:丰水期时，河流、湖泊水位快速上升，高于周 围地下水水位，地表水补给地下水；枯水期时，地表 水水位较低，周围地下水水位通常高于河流、湖泊水 位，此时地下水向地表水排泄口9如。对于水资源时 空分布不均的季节性湖泊而言，枯水期地下水向河 湖的排泄对于维持区域水量就显得尤为重要，影响 着地表水水位以及植被分布与湿地格局。当前，受 气候变化和人类活动的双重影响，长江中游地区通 江湖泊与洪泛湿地生态系统面临着一系列的生态环 境问题和严峻挑战。2地下水生态功能评价指标体系构建地下水生态功能评价主要是研究地下水系统变 化(如时间、空间、水质、水量等)对生态系统的影响，以及地下水支撑生态环境良性发展能力的强弱。地 下水生态功能受自然和人为两方面因素的影响，包 括气象水文条件、水文地质构造、地表植被覆盖、地 下水开采和水利工程建设等泅。长江中游地区生 态敏感脆弱，受人类活动和气候条件约束很强，降 水、地表水、地下水三者联系密切，水量与物质交换 频繁，各自对生态系统的贡献不容忽略，地下水与生 态系统之间的响应关系难以量化。此外，研究区地 下水水质普遍较好，绝大部分区域地下水为矿化度 小于1 g/L的淡水，适宜地表植被以及水生植物的 生长。因此,本文以水量为侧重点，从生态需求角度 出发，引入依存性嗣的概念，与关联性相结合构建 地下水生态功能评价指标体系。长江中游地区地下水生态功能评价指标体系由 上至下依次为功能准则层(A)、属性指标层(B)和要 素指标层(C),如图2所示。其中，A层仅包含地下 水生态功能(A)l个指标辺层是描述功能准则层的 属性指标，包括生态依存性评价指标(场)和生态关200安冬与琢境工裡 ht t p:/水t aq.c bpt.c 第30卷图2长江中游地区地下水生态功能评价指标体系 Fig.2 Evaluation index system of g roundwater ecolog ical function in the middle reaches of the Yang tze River地下水生态功能包气带介质q地下水水位埋深C5地下水，地表水(G WSW)相互作用C4距地表水系缓冲距离G土地利用类型G降水量G联性评价指标（民）。生态依存性是指地表生态环 境对地下水资源的依赖程度，长江中游地区地表水 资源相对丰富，农作物生长以及湖泊湿地对地下水 依赖程度整体较低，但由于地表水资源的时空分布 不均，在旱季以及地表水相对匮乏地区地下水的水 文补偿作用尤为关键;生态关联性是地表生态环境 与地下水系统关联性的简称，主要反映地下水对地 表水环境以及植被生长的作用状况，包括地下水与 河流、湖泊等地表水的相互作用以及地下水对天然 植被、农作物等的维持作用。对地下水资源的依赖 程度越高、与地下水关联性越强，说明地下水的生态 功能越强。本文结合研究区的自然条件和人类活动 状况，依据主导性、可度量、可操作性等原则，选取了 土地利用类型（G）、降水量（C2）、距地表水系缓冲距 离（C3）、地下水-地表水（GW-SW）相互作用（CQ、地 下水水位埋深（G）和包气带介质（Ce）6个评价指 标，分别从不同侧面反映地下水生态功能的属性状 况，组成整个长江中游地区地下水生态功能评价指 标体系的要素指标层。3要素评价指标评价等级划分机制3.1生态依存性评价指标生态依存性评价指标（BJ由土地利用类型（G）、降水量（C2）、距地表水系缓冲距离（C3）构成。3.1.1 土地利用类型我国多时期土地利用类型采用三级分类，其一 级分类主要根据土地资源及其利用属性，分为耕地、林地、草地、水域、建设用地和未利用土地6类。不 同土地利用类型对应着不同的生态系统，维持各自 生态环境功能所需的水量也不同，在此采用生态需 水量指标表达。生态需水量的确定按照需水空间分 为河道内生态需水量和河道外生态需水量。前者包 括维持水生生物基本生存以及防止河道断流、湖泊 萎缩等维护河湖各种平衡所需的最小径流量；后者 包括植被生态需水、农业生态需水、城市生态需水 等,其中植被是陆地生态系统研究的基础旳O目前生态需水量的计算方法有上百种，其中应 用最为广泛的河道内生态需水量计算方法是 Tenna nt法，该方法根据河宽、流速和水深等参数与 流量的关系计算得到水生态环境得以维持的基本流 量;河道外生态需水量常采用植被需水定额宜接计 算法，该方法主要受气候条件、土壤含水量以及植被 种类3大因素的影响。本文收集整理了前人有关长 江流域不同地区生态需水量研究的部分成果（表 1），从中不难发现:河道内往往是流域生态需水量大 的地区，并且其生态需水量与其他地区的生态需水量生态需水量/（亿n?）或需水定额/mm表1长江流域各区不同土地利用类型生态需水量(亿m，)/需水定额(mm)Table 1 Ecolog ical water demand(hundred million m3)/water demand quota(mm)of different land use typesin each district in the middle reaches of the Yang tze River河道内河道外林地草地水田旱地城镇长江流域3 313.80 亿 m313.20 亿 nP2.25 亿 m32.25 亿 m3-10.56 亿 m3长江中游1 552.00 亿 m3-0.09 亿 m30.09 亿 m3-3.95 亿 m3汉江流域12&50 亿 n?111.59 亿 n?330 mm200 mm308 mm308 mm500 mm湖南省28-601 mm-343 mm-鄱阳湖湿地皿62.78 亿 m323.87 亿 m3差异较大;河道外生态需水量主要从满足区内植被 进行评判,其按生态需水量由大到小排列依次为:城 正常生长并能够抑制土地生态退化所需水量的角度 镇林地耕地草地。第3期王旭明等：长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究201依据中国科学院地理科学与资源研究所提供的 湘鄂赣土地利用类型数据，经栅格数据重分类后将 研究区土地利用类型分为耕地、林草地、水域、建设 用地和未利用土地5大类，研究区不同土地利用类 型分布如图3所示。结合前人研究成果，在长江中 游地区地下水生态功能评价时，将土地利用类型指 标的评价等级划分为5级。研究区内各省天然植被 以林地为主，面积占比均在95%及以上，耕地中水 旱地所占比例较为接近,水田略占优势（图4）,因此 将研究区林草地评价等级划分为“一般”，耕地划分 为“较弱”;未利用土地主要包括沙地、戈壁、裸岩等，对地下水依赖程度十分有限，故将其评价等级划分 为“弱”;此外，水域和建设用地根据其生态需水量排 序分别将评价等级划分为“强”和“较强”。320 km山水域建设用地匚ZI未利用土地肋.：丁王地利 用类型：耕地林草地图3长江中游地区土地利用类型图Fig.3 Land use type of the study areaNA湖北湖北林地草地水田旱地研究区（a）林地和草地面积占比江西（b）水田和旱地面积占比图4长江中游地区林地与草地、水田与旱地面积占比统计Fig.4 Area proportion statistics of forest land and g rassland,paddy field and dry land in the middle reaches of the Yang tze River3.1.2 降水量大气降水是满足地表各系统生态需水量的主要 来源之一。降水到达地面后，部分通过入渗补充土 壤水量和补给地下水，以供植被等吸收利用，部分转 化为地表径流，最终汇入江河湖泊。因为大气降水 存在时空差异性，部分地区生态平衡的维持严重依 赖于地下水,且降水量越小，对地下水的依赖程度越 高。长江中游属亚热带湿润季风气候区，降水量丰 富,具有时间集中、区域不均衡的特点，鄂、湘、赣多 年平均降水量分别在1 200,1 400 J 600 mm左右。受纬度影响，降水量自北向南略有差异,整体上呈现 由南向北、由岗地向平原逐渐递减的特征，区内降水 量高值区主要位于湖北恩施、湖南常德以及江西景 德镇等地,年降水量均在2 000 mm以上，年降水量 低值区主要在湖北荆门一带，多年平均降水量小于 1 000 mmo本文在充分收集研究区降水量资料的基础上，运用Ma pGIS软件对其进行克里金插值，经过GIS 技术处理得到研究区2021年降水量分布图（图5）。并依据年降水量值构建了研究区降水量指标的评价 等级划分标准（表2）。3.1.3 距地表水系缓冲距离地表水资源是人们生产生活以及植被水分的又 一重要来源，它的空间分布与生态环境有着密切的 相关关系。有研究表明，随着距地表水系缓冲距离 的增加，天然植被覆盖度呈無函数形式下降:植被覆202安全与猱说工裡 ht t p:/kt aq.c bpt.c 第30卷160 320 km图5长江中游地区2021年降水量分布图Fig.5 Precipitation distribution of the middlereaches of the Yang tze River in 2021年降水量/mm2 3002 2002 1002 00019001 80017001 60015001400130012001 1001000900800700调蓄引水工程，以缓解其他流域、地区的用水矛盾，如南水北调中线工程、引江补汉工程、四湖总干渠工 程等。综合前人相关研究成果和研究区水系分布、水 资源利用状况，本文采用距地表水系缓冲距离来表 达地表生态环境对地下水的依赖程度，从现状矢量 图中提取主要河流湖泊水面进行缓冲区分析，距离 地表水系的缓冲距离不同，对地下水资源的依赖程 度就不同。根据地表水系的影响范围，结合研究区 地下水与地表水的交互特点，将距地表水系缓冲距 离划分为W3 k m38 k m、8 13 k m 1320 k m 和20 k m五个等级，评价等级依次为“弱”“较弱”“一般”“较强”和“强”。研究区距地表水系缓冲距离 分布图，见图6。N武十弩-当 山神农架林区襄樊随州荆门恩施孝感天门”武汉、黄冈 荆州潜江仙桃：.w张家界0160 320 k m表2长江中游地区降水量指标的评价等级划分标准Table 2 Precipitation classification standard of the middlereaches of the Yang tze River年降水量/mm评价等级年降水量/mm评价等级2 000弱(1 300,1 700一般陵 武湘西山山常德益阳雪娄底雪邵阳盖度大于30%的点主要集中在距地表水系05 k m的范围内，而距离地表水系10 k m以外的点植 被覆盖度都在10%以下。对于灌溉引水工程而 言，其主要通过围垸、筑坝、修渠等方式引用地表水 进行农业灌溉，由于人类活动的介入,其影响范围相 较天然略大。而对于跨流域调水等中远距离输水工 程，地表水的影响范围往往更大。长江中游地区地表水系发育，湖泊密布、江河纵 横，地表水资源丰富，区内有大小河流上万条，主要 河流有过境湖北的长江、汉江，湖南境内湘江、资水、沅江、澧水4大水系以及江西境内赣江、抚河、信江、饶河、修水5大河流；区内鄱阳湖和洞庭湖是我国最 大的两大淡水湖泊，形态各异、大小不等的湖泊星罗 棋布于广大平原地区，长江、汉江横穿江汉平原而 过,鄱阳湖汇集赣、抚、信、饶、修五河之水由湖口北 注长江，洞庭湖接纳湘、资、沅、澧四水在城陵矶与长 江汇流，形成了长江中游错综复杂的河湖水系格局。同时，长江流域是我国重要的粮棉产地，流域内农灌 区众多，且近一半集中于长江中游的湖北、湖南和江 西境内，有效灌溉面积达200万h n?以上0。在满 足流域内用水需求以外，区内也在建或运行有众多一山幕号亠 山长沙山罗 湘潭株洲W宜春新余唏乡山 功武罗霄山岳阳衡阳吉安景德镇南胃抚州怀永州阳明山赣州上饶距地表水系 夷山缓冲距离/kmW3 km3 8 km8 13 km 13 20 km 20 km 地表水系图6长江中游地区地表水系缓冲距离分布图Fig.6 Buffer distance of surface water systemin the middle reaches of the Yang tze River3.2生态关联性评价指标生态关联性评价指标（民）由GW-SW相互作 用（CQ、地下水水位埋深（C5）和包气带介质（C6）构 成。3.2.1 GW-SW相互作用GW-SW相互作用是指地下水与地表水在不同 时空尺度上进行的水量与物质交换。在自然界 中，地下水与地表水往往存在着密切的水力联系，是 一个难以分割的整体，两者之间频繁的交互直接影 响水体的水量和水质。近年来，受自然条件和人类 活动的共同影响，地下水与地表水之间的转化关系 趋于强化，使得局部水循环发生改变，诱发了一系列 生态环境负效应，如地下水的过度开发利用造成地 表河流水量衰减甚至断流，地下水中氮磷等元素的 排泄导致地表水体富营养化页。长江中游地处南第3期王旭明等：长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究203方湿润区，因其特有的气候、地貌条件孕育了丰富的 湿地资源，而湿地水体的组成和来源复杂，降水、地 表水以及地下水之间的交互作用直接影响水土理化 性质，进而干扰湿地生态环境。因此，本文将地 下水与地表水的相互作用作为长江中游地下水生态 功能的一个重要表征，其作用特征和强度的研究对 生态环境保护具有重要意义。然而，地下水与地表水之间的转化关系与作用 机制十分复杂，既与地形地貌、地层介质、含水层岩 性等诸多因素有关,又随着季节发生变化。本文 在此仅采用地下水资源与地表水资源重复计算量占 地下水资源量的比重来粗略表达其相互作用强度。该比值越大，表明地下水与地表水相互作用越强烈，联系越紧密，即地下水的生态功能越强。根据2021 年长江流域以及湖北、湖南、江西水资源公报，长江 中游地区地下水资源与地表水资源重复计算量为 1 197.66亿曲，占地下水资源总量的95.2%,可见 研究区地下水与地表水之间的关联性整体较强。其 中，洞庭湖平原区该重复计算量的占比为9&4%,评价等级划分为“较强”，汉江流域占比为90.3%,评价等级划分为“较弱”，长江中游干流区及鄱阳湖 平原区占比分别为93.6%、94.2%,评价等级介于 两者之间，划分为“一般”，其余流域占比均为 100%,评价等级划为“强”。3.2.2 地下水水位埋深地下水系统与生态环境系统之间关系密切，而 地下水水位埋深是影响其关联性的一个极为关键的 指标。区域地下水存在一个维持生态环境良性发展 的合理水位区间，即生态适宜水位。生态适宜水位 上限由地下水支持毛细水上升高度和植被根系深度 决定:包气带岩性结构不同，地下水支持毛细水上升 高度也不同，其中单一岩性结构包气带的地下水最 大支持毛细水上升高度在1.55.0 m之间；不 同植被类型根系分布存在差异，乔木、小乔灌木、草 本根系深度范围分别为1.42.0 m.l.11.9 m、0.61.0 mE36 o当地下水水位埋深小于生态适宜 水位上限时,土壤盐渍化发生的可能性显著增加，当 地下水水位埋深达到0.30.6 m时，土壤发生层 因长期遭受地下水浸渍而形成冷浸田，影响农业生 产。生态适宜水位下限由地表极限蒸发深度和毛细 水上升高度共同决定，参考长江中游地区地下水资 源评价报告，在地表岩性不同、植被覆盖度不同的 情况下，地表极限蒸发深度不同，其分布范围在 2.55.0 mo地下水水位埋深大于生态适宜水位 下限时，生态环境与地下水的关联性微弱，进而引发 地表植被退化、河湖湿地面积萎缩等生态环境问 题。此外，地下水水位埋深和包气带含水量分布 之间也具有一定的规律，根据江汉洞庭平原地下水 资源评价报告成果显示：地下水水位埋深小于3.0 m时,包气带上部含水量较高，为20.0%左右,剖面 含水量变化幅度相对较小;地下水水位埋深为3.0 5.0 m时，包气带上部含水量较低，剖面含水量变化 幅度较大;地下水水位埋深为5.010.0 m时，包 气带含水量呈现随深度的增加逐渐减小的趋势；地 下水水位埋深大于10.0 m时，包气带上部含水量 与地下水水位埋深之间相关性消失。根据研究区水文地质调查中2021年地下水水 位统测结果绘制研究区地下水水位埋深分布图（图7）,由于与生态环境系统直接联系的是浅层地下水,因此在绘制地下水水位埋深分区图时以研究区内第 四系潜水含水层水位点为主。综合考虑研究区地下 水水位分布以及相关研究成果，拟定地下水水位埋 深指标的评价等级划分标准，见表3。图7长江中游地区2021年地下水水位埋深分布图Fig.7 Distribution o g roundwater depth in themiddle reaches of the Yang tze River in 2021表3长江中游地区地下水水位埋深指标的评价等级划分标准Table 3 Classification standard of g roundwater depthindex地下水水位埋深/m评价等级较弱(1,3强(3,5较强(5,7一般(7,10较弱10弱204安金与琢燼工裡 ht t p：/水t aq.c bpt.c 第30卷3.2.3包气带介质包气带是联系地表生态系统与地下水系统的重 要纽带，地下水（潜水）直接或通过支持毛细作用与 包气带表层进行水量交换以维系天然植被、湖泊湿 地等生态环境。而包气带介质岩性结构的不同，直 接影响地下水向土壤输送水分的能力，因此其对地 下水生态功能具有重要的影响。常见的包气带介质 岩性结构类型大致可分为同一岩性单层结构和不同 岩性组合结构，一般认为，在同一岩性单层结构中，岩性颗粒的粒度是决定地下水支持毛细水上升高度 和土壤有效持水量的重要因子,并且岩性颗粒越细，其支持毛细水上升高度越大，土壤有效持水量也越 大;与单层结构相比，在不同岩性组合结构中，由于 水分穿过粗、细岩性界面时吸持力发生变化,延迟释 水效应显著，使得其有效持水量更大，生态效应更 强35,38在长江中游地区，自元古宇至新生界各时代地 层发育齐全，出露完整，以纪为单位可划分为沉积 岩、变质岩、岩浆岩三大岩类以及第四系松散沉积 物。其中，三大岩类主要出露于山地丘陵地区，如鄂 西北、鄂东北、湘西武陵山和雪峰山等地多出露元古 宇（Pt）、古生界寒武系（）变质岩类，鄂西南、湘中 东和中南大面积分布沉积岩类，而岩浆岩类主要形 成于震旦系（Z）、志留系（S）、三叠系（T）及侏罗系（J）,期次甚多、分布甚广、岩类复杂，以赣边缘山地 分布最为典型，且在三大岩类出露区,表层多覆盖基 岩风化而成的残坡积土，下伏岩层中多发育碳酸盐 岩岩溶水、基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水等含水 系统;第四系沉积物又可按时代细分为全新统（Qh）和更新统（Qp）,广泛分布于江汉平原、洞庭湖平原、鄱阳湖平原、长江沿岸以及四水、五河流域，沉积物 层序齐全、类型复杂，多为冲积相、湖积相，由各期流 水堆积而成，主要岩性为粉质黏土、亚砂土、粉砂，夹 淤泥质粉质黏土透镜体，在高级阶地和湖滨阶地区 偶见砂砾石黏土互层，主要发育松散岩类孔隙含水 系统。基于上述包气带对地下水生态效应的影响机制 以及长江中游地区的岩层分布特征，将包气带介质 指标的评价等级划分为4级。第四系黏土粉砂淤泥 沉积物分布区，包气带介质岩性结构复杂、颗粒较 细，评价等级划分为“强”;其他砂砾石层出现地区评 价等级划分为“较强”。前第四系地层出露区，包气 带介质岩性结构较单一，按岩石空隙大小和富水程 度划分为基岩、碎屑岩分布区,其空隙较碳酸盐岩更 细，赋存水量往往低于岩溶含水系统，因而其有限的 水量对地表植被至关重要,评价等级划分为“较弱”,碳酸盐岩分布区评价等级则划分为“弱”。4属性评价指标及地下水生态功能评 价等级划分地下水生态功能评价指标体系属性指标层和功 能准则层状况的评价采用如下综合指数评价模型：n nR=（1）i 1式中:R为综合评价指数;s为评价指标的权重；X 为评价指标参评指数;为评价指标的个数。评价指标权重计算采用层次分析法，构建评价 指标体系的判断矩阵，对同一层次多个评价指标进 行两两相互比较，按照相对重要性进行打分，在满足 一致性检验要求的情况下，计算各评价指标的权重 以及总排序权重，其计算结果见表4。地下水生态 功能属性指标的评价等级由要素指标决定，即根据 要素指标强、较强、一般、较弱、弱5个评价等级分别 赋予参评指数0.9,0.7,0.5、0.3,0.1,各评价指标 参评指数分布如图8所示。应用上述综合指数评价 模型，计算每个4 k mX 4 k m评价单元中指标的综 合评价指数。功能准则层评价等级由属性指标层决 定,评价过程与属性指标层类似，在此不再赘述。地 下水生态功能评价指标体系的属性指标层和功能准 则层评价等级划分标准，如表5所示。表4各评价指标权重Table 4 Weig hts of each evaluation index属性指标层要素指标层要素层指标 总排序权重指标权重指标权重Ci0.680.170.25c20.200.05c30.120.03Q0.140.11b20.75c50.620.46C60.240.18第3期王旭明等：长江中游地区地下水生态功能评价指标体系研究205N 0 160 320 k m0 160 320 k m0.