江漢平原地區人工濕地系統水文地質概況

楊 帆，付 艷，梁和國

（長江大學地球環境與水資源學院，湖北 武漢430100）

江漢平原位于位于湖北省中南部，地處長江中游和漢江下游，介于北緯29°26′～30°23′和東經111°30′～114°32′之間。西起宜昌枝江，東迄武漢，北自荊門鐘祥，南與洞庭湖平原相連，面積約4.6萬km2。人工濕地處理系統是指由人工建造和控制運行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動的過程中，主要利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用，對污水、污泥進行處理的一種技術。研究區域隸屬湖北仙桃市，是基于上游地區三峽大壩截流后，下游地區排洪道普遍閑置的基礎上，建設成的具有日處理生活污水6萬t人工濕地污水處理系統。濕地長度為7km，寬度約為1km，總體面積大約為7km2，從2003試運行至今，已有十年時間。

1 研究區域自然地理概況及地勢地貌背景

仙桃市位于湖北省中部，東南臨長江，北臨漢江，幅員面積2538km2，地跨東經112°55′～113°49′、北緯30°04′～30°32′，隸屬江漢平原地區，故以江漢平原地區水文地質特征用以分析該研究區域相關特點。江漢平原和江漢盆地結構是在大致相同的區域內，大量泥沙沉積在這里，是長江過三峽后的第一個大型的卸載式盆地。長江從宜昌流入，從西到東（通過南部平原）穿過整個江漢平原。江漢平原受新構造運動的影響，結構模式是由交叉控制的斷層薄片形成的，從第三紀初開始，一直處于沉降中，進入第四紀以來，仍然是沉降為主要的方面，受黃陵隆起影響，使沉降中心不斷南移，現代沉降中心分布在枝城到監利之間，巖相主要以湖泊相為主［1］。

從圖1可以看到，江漢平原大多數是松散的沉積巖分布區，在長江沒有完全貫通之前，江漢平原沉積物主要來自附近的材料和漢江帶來的泥沙沉積物，漢江流域分布的主要是松散的沉積巖和變質巖。在三峽以西長江上游沙江流域分布大量的大型火山巖及超基性變質巖，在金沙江流經峨眉山玄武巖地區和攀枝花釩鈦磁鐵礦區和嘉陵江流域還分布有大面積的變質巖。

圖1 長江流域巖性分析

江漢平原主要屬于揚子準地臺江漢斷坳，地勢低平，除了邊緣海拔分布約50m的平緩帶和超過100m的低丘外，的海拔都在35m以下。大體從西北向東南傾斜，西北海拔平均為35m，東南降至5m以下，漢口只有3m。江漢平原地表物質主要以河流沖積物和湖泊淤積物為主，屬細砂、粉砂和黏土，第三紀紅土層只暴露于平原區邊緣的表面。長江、漢江和涇河岸地勢較高的地區，一般在8～38m。地貌可分為兩部分：第一部分是河床和人工堤防中間的外灘，現代沖積作用旺盛，地勢較高，大多在30m以上，土壤為砂壤土。第二部分是大堤以內的平原，一般比外灘地勢低3～6m，向內側微傾斜，土壤基本為厚層粉砂壤土。江河之間地勢相對低下，形成細長的凹地，主要有漢北河與漢江之間的天門河，汈汊湖湖泊洼地；東荊河與長江之間的四湖（三湖、長湖、洪湖、白露湖）凹陷地；長江右岸松滋河、王家洼地等。凹陷地地面海拔分布在25～28m之間，地表組成成分主要是黏土，地下水位一般為0.5～1m，甚至有些小于0.5m，每當大雨，易澇。江漢平原大小湖泊約300多個，重要的有洪湖、刁汊湖、長湖、沙湖、大同湖等。

2 江漢平原濕地水系統特征和水資源評價

濕地水系統，是指氣象、水文、地質、地形等濕地空間因素在一定范圍的結合在一起，通過一定的過程來完成某些特殊的濕地生態復雜系統。濕地是流域水系統中水系統的重要組成部分，與改變流域水系統有著密切的聯系。研究流域水系統有助于全面了解和濕地水系統，流域水系統主要是研究氣候、土壤、植被等自然條件和濕地水文過程之間的關系［2］。

江漢平原水系統除了濕地水系統以外，還包括濕地補排水系統，即濕地水輸入系統和輸出系統，通暢的濕地水輸入和輸出系統對維護濕地水系統平衡和水質量是非常重要的。具體的濕地流域系統如圖2所示。

圖2 江漢平原濕地水系統關系結構圖

濕地的水資源保護區域劃分對經濟社會的可持續發展具有不可替代的作用。為了實現濕地水資源的可持續利用，發揮濕地水資源的生態、社會、經濟效益是合理利用和保護濕地資源的重要組成部分。要了解濕地的水資源開發的現狀，開展濕地水資源研究，具有十分重要的意義。

江漢平原境內的河流眾多，呈縱橫分布，湖泊呈點狀蔓延，河流以長江為骨干，支流自邊緣向長江匯流。面積超過0.5km2的湖泊多達309個，面積約為2657km2，長江橫跨的整個國土，漢江由西北流入江漢地區，又從漢口流入長江，加上山區河流匯集，因此此區域水量居全省之首。從長江與漢江流過的水總量達到6338×108 m3，汛期來水更多；許多湖泊在豐水年份，承接超過150×108m3徑流。江漢境內較大河流中北有天門河，南有內荊河，中有東荊河，江南有松滋，虎渡河流。同時江漢平原降雨量充沛，年均降雨量達1100～1400mm。雖然水資源豐富，但由于徑流和過境水高峰期交遇，時間和空間的上存在，汛期類洪水不可使用，導致豐富的地表水資源利用率不高。

從平原地形結構和水文地質條件分析，江漢平原發達的河流，湖泊為地下水徑流提供了良好的供應條件。眾多而深厚的第四紀各時代的礫巖、礫石巖和黏土交互成層，形成多層含水層構成良好的地下水庫。根據水文地質勘探，江漢平原地下水資源十分豐富，年平均存儲容量多達2300×108m3。地下水和河流之間有一定的水力聯系，相互起著互補調節作用。但與湖水之間，由于淤泥阻礙，水力連接微弱。

3 人工濕地地表水－地下水交互作用

人工濕地是發育于水陸環境過渡地帶的人工干預的半開放系統，它用水循環為主要載體，同周圍的環境系統進行物質、能量間的信息交換，從而帶動景觀格局的演變，物質元素循環和生物生長等生態功能。人工濕地－地下水主要是通過地表水和濕地地下水（Surface Water－Ground Water，SW－GW）水量交換和水質演變作用來體現，進而影響濕地生態系統的穩定性。尤其是在干旱半干旱地區，因降雨量的稀少，地下水可能是人工濕地最主要甚至是唯一的補給來源，SW－GW交互作用成為控制濕地形成和發育乃至消亡的主要因素［3］。河北地下水超采導致形成超大型的扇形漏斗，致使濕地水補給不足、面積萎縮，日本Chiba濕地修復地下水中的硝酸鹽污染［4］等一系列案例，表明SW－GW交互作用對濕地系統的穩定性和地下水環境的結構和功能的影響是廣泛而深刻的。隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，濕地水文過程更加復雜，濕地生態系統已經顯現出高度脆弱性，對SW－GW的互動響應更加敏感。因此，深入了解人工濕地－地下水交互作用水的量水質轉化機制，對區域水資源綜合管理和濕地生態的具有重要的理論意義和實用價值，同時是濕地演變與調控恢復生態系統的應用重大應該科學。濕地SW－GW交互作用首先取決于人工濕地－地下水系統水文地質基礎的條件，且在不同的尺度下呈現出不同方式的結果。

3.1 地形地貌

地形地貌是盆地尺度控制的地下水系統形成和發育一個重要因素，也影響SW－GW的互動格局的形成［5］，高海拔地區基巖山區的區域地下水流動系統的源頭，容易出現補給型濕地；盆地中心位于低洼地勢平原區，是區域地下水的自然收集中心，形成廣泛的排泄型濕地；地形和水力梯度傾向一致的山前平原的往往是貫穿整個濕地?？梢?，地形地貌的正確認識是分析濕地SW－GW之間的關系的重要依據。

3.2 水文地質

接觸帶尺度下濕地SW－GW形成完整的地下水流系統，符合源（補給項）－徑（遷移路徑）－匯（排泄項）的水文地質概念模型，局部含水系統的巖性結構和水力特性，因而成為重要的影響因素。交互作用產生的前提是存在水頭差，水力梯度確定源匯分布和路徑功能，顯示為不同的交互作用模式，含水介質性質如滲透率會的影響交互作用的強度。低滲透性的基質層是控制SW－GW之間非飽和區及形成而產生的對濕地形成橫向流量的重要原因。當然，影響因素和尺度之間的關系是多種多樣的，比如人工濕地微地形限制了水文景觀的發展，導致不同的水文條件的差異影響了SW－GW交流［5］。特別是微觀界面過程中在沉積物尺度上，既受上述大尺度條件的影響，同時與礦物組成，孔隙結構和水－巖相互作用等微觀條件的聯系也是密切相關的［6］。

3.3 氣候變化

影響人工濕地水文過程中的主要氣候因素是氣溫和降水量的變化，水資源變化不僅來自極端水文事件包括：干旱、洪水發生的頻率，也影響蒸散和徑流等特定的水文特征的降水模式改變，水蒸發量的提高和干旱事件也可直接導致地下水補給的減少和大規模透支開采，改變地下水儲存量及水位動態。由此原因引起的濕地降水減少導致補給面積萎縮，水質鹽堿化和濕地結構完全沼澤化一直在世界上很多的濕地發生。在年內或季節性的尺度上，降水分布、強蒸散作用、冰凍與積雪融化、雨季洪水大爆發，將會導致SW－GW動態的豐－平－枯水期內跳動。

4 江漢平原人工濕地水化學分析

濕地水化學的研究是濕地水質分析系統的一項重要內容，通過監測濕地水化學條件變化，可以了解人工濕地的植物物種和植被類型的動態變化，對不恰當變化提出相應科學的控制措施，以促進人工濕地的保護和恢復。所謂濕地水化學研究，是指對濕地水化學特征分析，找出影響濕地水化學特征因素和相關因子的作用，探索濕地水化學特征的功能改變對濕地的演變生態系統的影響作用［7］。

因整個江漢平原人工濕地的水化學監測還沒有全面進行，數據還不全面，但我們可以以湖北仙桃的人工濕地為例，進行理化特征分析，以反映江漢平原中人工濕地水化學性狀。據對相關研究區域進行一年的的監測結果顯示，仙桃人工濕地中的地表水的pH值為7.55，呈弱堿性，春季較低，秋夏季高；硬度在3.92～11.26德國度之間，屬于軟水；淺層地下水中pH值為6.44，呈弱酸性，春秋季較高，夏季較低；硬度在13.34～17.58德國度之間，屬于中硬水。人工濕地水中化學耗氧量分布呈梯度變化，入口處較高，中間平穩，出水處最低。但季節差異性大，冬季高春夏季低，可能與濕地中植物的生長速率有關；在10～54mg/L之間，跟季節聯系緊密；HCO3－變動范圍為60～120mg/L之間；Ga2＋是濕地水中的主要陽離子，濃度在26mg/L左右；隨季節有所變化，夏、冬兩季稍高；總磷含量也隨季節變化而變化，冬季最高，春季最低；因人工濕地中的水來源只要是城市生活污水，濕地水中、NO2－N、NO3的含量要比自然濕地要高，濕地水平均總含氮量8.35mg/L，出口處總氮含量為3.25 mg/L；電導率變動于286～522μs/cm之間，隨季節性變化大。

5 結論

通過對江漢平原地區人工濕地水文地質因素的分析，可以看出人工濕地在江漢平原地區有些地質，水利以及地貌上的先天優勢。適合用來建造更多的人工濕地用以處理城市生活污水，以仙桃人工濕地為主要處理污水的濕地出口水比較清潔，水質較好，說明人工濕地有較強的自凈能力。

這在一定程度上反映出江漢平原濕地水化學特征和的濕地生態系統物質流的特點。根據濕地的理化和的生物特性，以及對污染物的物理凈化和的生物凈化功能，加上濕地減緩水流的功能，完全有利于沉積物沉積；濕地生物群落可以對污染物進行吸附、降解，污水處理廠中的生物氧化塘工藝和土地處理系統是模仿濕地的這一功能。特別是人工濕地系統，這種凈化效應更為明顯，由于人工干預，人為抽提等作用，人工濕地中水量交換相對頻繁，而且水生生物生長茂盛，這均為增加稀釋自凈作用，消納污染物質提供了良好條件。充分利用江漢平原的濕地資源，建立基于濕地資源的人工濕地污水處理系統，不僅有利于環境質量的提高，而且可以節約大量資金。

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