西南巖溶槽谷區隧道建設的水文生態環境效應研究進展

呂玉香,蔣勇軍,王正雄,胡 偉

1 重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊(重慶市地質災害防治工程勘查設計院),重慶 400700 2 西南大學地理科學學院巖溶環境重慶市重點實驗室,重慶 400715

隨著社會經濟的快速發展及高速公路、鐵路網的不斷完善,我國隧道工程建設得到了前所未有的迅速發展。我國已是世界上隧道及地下工程規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、修建技術發展速度最快的國家[1]。據交通運輸部政府信息公開網：截至2017年底,全國運營鐵路隧道14547座,總長15326 km,比2016年底增加465座,1206 km；全國大陸運營公路隧道16229座,總長15285 km,比2016年底增加1048座,1245 km。在過去的十年里,我國每年平均新修建的隧道多達900 km[2]。

近年來,隨著西部大開發的加速發展及一帶一路戰略的提出,公路、鐵路建設向地形地質條件復雜的西南巖溶地區發展趨勢明顯。據統計,我國已建成隧道中有約30%穿越了巖溶地層,這些隧道一般埋深較大,巖溶發育,施工過程中常發生巖爆、塌方、突水等大型地質災害,其中以巖溶突水最為常見,發生率為80%,因突水引起的施工地質災害造成停工的時間約占施工總工期的30%[3-4]。

西南巖溶槽谷區具有緊密式箱型背斜/向斜構造發育、巖層傾角大、碳酸鹽巖與非碳酸鹽巖互層、高位蓄水構造頻繁出露等特點[5],致使其斜坡區石漠化問題突出、水資源時空分布不均、旱澇災害頻發、生態環境脆弱、人地矛盾突出,嚴重影響了當地社會經濟發展及生態文明建設。該區隧道分布密集,巖溶隧道突水導致地表地下水疏干及地面塌陷,對生態環境造成了極大影響。近年來,水文地質工程地質科學工作者通過開展大量的科學觀測、資料分析和數值模擬,對隧道建設引發的水文效應形成了一定的認識,如降低地下水水位,改變水資源分布格局,改變地下水流場,加速水循環過程。但由于巖溶槽谷區地質條件的復雜性,隧道群的相互干擾,觀測資料的局限性,關于隧道影響土壤、植被的特征、規律、機制等方面缺乏系統的研究。因此,有必要梳理國內外已有研究成果,歸納隧道建設對水文、生態、環境的影響特征,總結規律,剖析機制機理,并指出今后有待深化研究的問題和方向。本文將為深化隧道建設引發的水文生態環境效應這一科學問題的認識、提升隧道設計施工水平及科學應對隧道建設對生態環境造成的不利影響提供參考。

1 西南巖溶槽谷區地質背景及隧道建設概況

西南巖溶槽谷區分布在黔東北、湘西、鄂西以及渝中、渝東南、渝東北等地的130個縣,面積43.608×104km2。構造上主要位于楊子準地臺的川黔褶皺帶和大巴山褶皺帶,地層從震旦系-三疊系均有出露,碳酸鹽巖與碎屑巖整體相間分布,局部集中出露,碳酸鹽巖分布面積14.76×104km2,總厚度數千米(圖1)。宏觀地貌上位于第二級階梯和第三級階梯的過渡地帶,為褶皺構造形成的槽谷相隔的侵蝕條狀的中低山山地,侵蝕-溶蝕地貌形態主要包括槽谷、峽谷、臺地、洼地等,平均海拔500—2500 m。屬于中亞熱帶東亞季風氣候,植被類型為中亞熱帶濕潤常綠闊葉林[6-7]。

圖1 西南巖溶槽谷區交通及碳酸鹽巖分布Fig.1 Traffic and carbonate distribution in karst valley area of Southwest China

復雜的地形地質條件及經濟、交通壓力致使該區的隧道建設迅速發展,據不完全統計,截至2017年底,區內高速鐵路4000 km,穿越巖溶含水層的運營鐵路隧道975座,總長1271.792 km(表1)；截止到2015年底,區內高速公路6800 km,穿越巖溶含水層的運營公路長隧道及特長隧道421座,長度1060.024 km(表2)。在人口、城鎮分布密集的隔擋式槽谷區,隧道分布密度最高。

2 隧道建設引起的水文生態環境效應

目前,西南巖溶槽谷區隧道的防排水設計,仍然是“防排結合,以排為主”。因此,突、涌水是巖溶區隧道施工最常見的工程地質問題。據不完全統計,國內外隧道涌水量超過1.0×104m3/d的大型涌突水事件中,70%都發生在巖溶隧道中[8]。而在西南巖溶槽谷區,最大涌水量>1.0×104m3/h者達十余條(表3),宜萬鐵路齊岳山隧道最大涌水量高達1800×104m3/h。

隧道涌水致使地表井、泉、地下河被疏干,引發了一系列嚴重的生態環境和社會問題。如西班牙南部一條高速鐵路隧道在掘進過程中發生突水,水量800 L/s,致使當地泉水被疏干,引發了公眾抗議[9]。在重慶中梁山、明月山、銅鑼山和縉云山“四山”地區,因修建隧道致使井、泉減少或消失共計363處,導致水田旱化面積超過3300 hm2,對當地居民生產生活造成了嚴重影響[10]。

表1 西南巖溶槽谷區鐵路隧道統計表

0.5 km以下為短隧道,0.5—3 km為中隧道,3—10 km為長隧道,10 km以上為特長隧道

表2 西南巖溶槽谷區高速公路隧道統計

0.5 km以下為短隧道,0.5—1 km為中隧道,1—3 km為長隧道,3 km以上為特長隧道

表3 西南巖溶槽谷區涌水量大于1×104 m3/h的巖溶隧道統計

隧道施工貫穿了裂隙、斷裂、揭穿了溶洞,并產生了新的裂隙,致使大量地表水地下水通過裂隙、斷裂排入隧道,隧道成為新的集中排水點。宜萬鐵路野三關隧道在施工期間曾發生嚴重突水、涌泥、涌砂、涌礫及洞內塌方事故,其主要原因即是地表水通過洼地、落水洞進入地下河后,向下運移至孫家埡斷裂、葉朝灣斷裂及望碑斷裂之間破碎巖體處,經由巖體中的構造裂隙導入斷裂,地下水再順斷裂面而下,至隧道頂部產生突水引起的[11-12]。

動態監測、示蹤試驗及數值模擬是定量評估隧道的影響程度的有效手段。王勐等通過現場觀測證實,渝懷鐵路圓梁山隧道對相距12.4 km的毛家院子暗河產生了影響[13]。Vincenzi 等利用示蹤試驗確定了斷裂帶是補給源與排水隧道之間的主要水力通道[14]。Jin等利用三維有限元模型預測了南溫泉背斜槽谷區一處隧道的涌水量及影響范圍,利用監測手段證明隧道涌水主要來自地表涂山湖,并通過控制隧道周圍巖石的滲透系數,減少了隧道排水量,有效控制了對地下水系統的影響[15-16]。

隧道排水不僅疏干了大量地表水、地下水,引發了地面塌陷,降低了地下水位,而且改變了含水層的結構,加速了水循環及水文地球化學過程,從而改變了隧址區的水動力場及水化學場,產生了一系列生態環境效應。

2.1 改變水資源分布格局及水文過程

2.1.1疏干地表地下水,改變水資源分布格局

隧道大量排水打破了隧址區原有的水資源平衡狀態,降低了地下水位,疏干了地表水與天然泉點,形成了降落漏斗,且降落漏斗會隨著排水時間的延續而擴展,直至隧道排水量完全靠來自邊界的補給保證為止(圖2),這些過程加劇了巖溶水資源分布的不均一性,從而改變了水資源空間分布格局。

圖2 隧道排水影響水資源及水文過程縱剖面示意圖Fig.2 Schematic diagram of longitudinal profile of water resources and hydrological processes affected by tunnel drainage

由于巖溶發育的不均一性,隧道地下水的疏干導致水資源的流失也會表現出各向異性,如建于1972年重慶中梁山隧道形成了南北向的不對稱漏斗[17],疏干區面積約11 km2,北側疏干面積遠大于南部,這種不對稱降落漏斗的形成是地下水自北向南流的緣故；修建于重慶銅鑼峽背斜巖溶槽谷區的玉峰山隧道,其軸線附近泉點疏干程度差異極大,隧道軸線兩側影響范圍較不對稱,東翼疏干程度明顯大于西翼[18]；在溫塘峽背斜、觀音峽背斜、明月峽背斜的巖溶槽谷區也有類似的情況,巖層傾角較陡的一翼疏干程度也較大[19]。

關于隧道疏干地表地下水、降低地下水位已積累了豐富的實測數據,并形成了改變水資源分布格局的統一認識,但在不同類型的巖溶槽谷區,水文地質結構不同,隧道對水資源分布格局的影響程度存在差異,因此,有必要加強梳理總結,建立不同類型槽谷區隧道影響水資源分布格局與水文過程的水文地質模式。另外,已有研究注重隧道對水資源資源空間分布的影響,對地表、地下水量年內分配及多年變化的影響缺乏研究。

2.1.2改變地下水流場

隧道排水改變了隧址區水動力條件,并以其為中心構成新的勢匯,局部水力梯度的顯著提高,顯著改變了地下水徑流模式。在巖溶槽谷區,地下水徑流模式多數為軸部匯流型、翼部分流型及徑向徑流型。隧道開挖后,由于其集水和匯水作用,巖溶地下水不斷排入隧道中,地下流速、流向水隨之改變(圖2)。曹銳等通過示蹤試驗及動態監測發現,黃泥埡隧道工程改變了地下水流場,隧址區地下水接收隧道頂部大氣降水垂直入滲補給,由背斜兩翼分流型轉變為近源垂直補給、徑流型[20]。

同時,隧道施工排水可能會動用地下水靜儲量,增大補給量,擴展地下水補給邊界,從而改變區域地下水流場。若采取封堵措施,若干年后,區域地下水流場可能會恢復到之前的狀態；若隧道貫通后持續穩定排水,則地下水流場會達到一種新的平衡狀態。Vincenzi等通過示蹤試驗證實了隧道與地表多個出水點之間的水力聯系,最大線性距離為1.4 km,流速可達135 m/d,幾條水流通道均通過了隧道修建之前的地下水分水嶺(山脊),證明隧道已經完全改變了區域水流系統[21]。

由于隧址區鉆孔及天然泉點出露有限,多通過地下水模擬軟件來研究區域地下水流場的變化,可在一定程度上定性呈現流場的變化過程。龔睿運用三維數值模擬軟件Visual Modflow模擬排水、堵水工況下成渝客運專線歌樂山隧道開挖引起的降落漏斗范圍及水力坡度的變化[22]。由于巖溶含水介質的非均質性及模型本身的不確定性,使其在模擬巖溶含水層的適用性有限,模擬結果往往并不理想。加強對現有模型的改進及監測手段的研發,是需要長期努力的方向。

另外,在隔擋式巖溶槽谷區,人口、工礦企業分布密集,交通壓力較大,同一水文地質單元往往有多條平行隧道,形成隧道群,隧道群對地下水流場的影響過程更為復雜,也是將來研究的重點與難點。

2.1.3加速水循環過程

隧址區水循環過程加快主要有兩個方面的原因：一是區內水動力條件的改變致使地下水運動速度加快；二是隧道施工貫通了裂隙、斷裂,揭穿了溶洞,改變了含水層結構(圖3),增加了地下水徑流、排泄通道[23]。另外,部分隧道長期排水也會加速碳酸巖的溶蝕,致使巖體滲透性增強[24],反過來又加速了水循環。

巖溶含水層特殊的裂隙、管道網狀結構致使隧道涌水對降雨的響應更為及時[9],徑流過程更為迅速[25],影響范圍更大。在意大利北部7條高速鐵路隧道的系統觀測和示蹤試驗表明,在碎屑巖地層中,隧道涌水影響半徑為200 m,地下水平均流速為3.6 m/d,而在巖溶地層中的影響半徑達到2.3—4.0km,地下水平均流速為39 m/d[14]。

水循環過程加快表現在：隧道疏干地下水,部分天然狀態下相對隔水 (或弱透水)的地層在重力作用下變為透水層,由此造成相鄰含水層間的水量交換,如渝懷鐵路圓梁山隧道施工使 3 個具相對獨立性的含水層發生了水力聯系[26],穿越二疊系的隧道造成地表三疊系中的泉點干枯,暗河流量大幅減少；隧道排水形成了降落漏斗,使補給含水層騰出了接受外界補給水量的空間,加強了地表流水向地下水的入滲轉化,這些過程也將加劇地表水土的流失,從而產生一系列負效應[27]。

隧道排水加速水循環過程,現有研究多是定性的描述,缺乏對降水、地表徑流、壤中流、地下徑流“四水”轉化的定量及過程研究。巖溶地區對降雨有很強的吸收能力,只有在大雨或暴雨的情況下才有坡面流的產生,而其余形式的降雨都被表層帶吸收[28],隧道排水是否對隧址區的產流機制有影響,目前未見相關研究。

2.1.4加速水文地球化學作用及改變水質

隧道排水導致含水層水壓力降低,地球化學平衡條件發生變化[23]。同時,地下水循環過程加速促進了水巖相互作用,從而改變地下水化學成分[29],隧道促使不同含水層間地下水混合,也會改變地下水化學特征。日本學者Li等在研究日本松本市隧道工程施工時,對地下水位和化學成分的變化規律進行研究,發現井水化學成分的變化較之于地下水位變化更為明顯[30]。

隧道建設極易造成水質污染,一方面,隧道大量涌水,疏干了充水圍巖,加速了水循環交替,促進了氧化作用,使地下水中某些金屬元素含量增加或 pH 值發生顯著變化；另一方面,施工環境中被污染的其他水體極易進入地下水。同時,被污染的地下水直接排入周圍環境,也會引起地表水和地下水二次污染。Chae等對韓國首爾地鐵隧道滲出地下水的水化學研究表明,隧道可使城市地下水質量顯著下降[31]。渝懷鐵路歌樂山隧道施工期間的五個水質監測點中,有四個水質處于劣V類[32]。隧道施工產生的粉塵,施工機械產生的漏油,注漿止水材料和噴錨支護材料,也可污染周邊地表水[33]。尤其是含有有害成分的加固劑,其泄漏液對水環境的影響最為顯著。有研究表明,使用含有丙烯酞胺的加固劑,隧道排水中的丙烯酞胺含量可達95500 μg/L,可能會給魚類或其他水生生物帶來急性致死作用[34]。隧道穿越不良地質時,如煤系地層,將使該層中帶有的硫化物氧化,生成硫酸根和氫離子,引起地下水化學異常,后者使含鈣礦物水解或溶解生成鈣離子,從而導致水化學類型的改變和礦化度的升高[35-36]。

以上研究表明,隧道建設加速了水巖相互作用,是否會進一步引起區域水文地球化學場時空演化特征變化,尚需要觀測資料證實。另外,隧道排水能否進一步促進巖溶作用進行,尚有待深入系統研究。

2.2 誘發地質災害

2.2.1隧道突水

隧道突水、突泥問題在西南巖溶槽谷區極為普遍[37-38]。在統計的48座長度大于3 km的穿越巖溶地層的鐵路隧道中,90%以上巖溶長隧道都不同程度的發生過巖溶突水、突泥災害[39]。如成昆鐵路線427座隧道中,93.5%的隧道在施工期間發生過不同程度的涌突水災害,13座隧道發生嚴重涌水,其中8座隧道涌水量超過10000 m3/d[40]。

巖溶隧道突水實質就是裂隙巖體含水結構、水動力系統和圍巖力學平衡狀態因隧道開挖而發生急劇變化,存貯在地下水體的能量瞬間釋放,并以流體的形式高速向隧道內運移的一種動力破壞現象。巖溶突水的力學機制主要體現在4個方面,即突水蓄勢期巖溶水對裂隙巖體的軟化溶蝕作用、水壓對裂隙巖體的劈裂作用,突水失穩期水流的沖刷擴徑作用、水壓對突水量的動力控制作用[41]。從物質成分來看,西南地區巖溶隧道已發生的巖溶突涌水災害包括涌水(或突水)、突水突泥、突水突石等,突水災害總是與突泥、突石等相伴而生。隧道涌水過程中,水流攜帶大量的泥砂使涌水流速快速下降,沉積物淤塞涌水口、隧道或涌水通道,致使涌水暫時中斷,當涌水通道中的水位上升至一定高度時,水壓力作用又將堵塞物破壞,造成多期次涌水[42]。

隧道突水受到多種因素影響。基于隧道工程與巖溶管道(溶洞)的空間位置關系,根據隧道受水壓、巖溶充填物與隧道圍巖塑性區范圍等影響的漸進破壞過程不同,劉招偉[43]提出了隧道巖溶突水的 6 類地質模式：橫向斷面交錯模式(頂位交錯、底位交錯、上側位交錯、下側位交錯)、縱向斷面交叉模式(上側位交叉、下側位交叉)。降雨是誘發突水、突泥的重要因素,降雨一方面提供了突水、突泥水源及動力條件,另一方面,提高了地下水位,增加了溶洞中的靜水壓力,加速了溶洞中的黃色粘土的軟化、液化,增大了圍巖及支護體的載荷,降低了圍巖的穩定性,促使隧址區發生突涌。重慶省道202線通渝隧道在2002至2004年施工期間先后發生7次特大涌水[44],一般都是在連續降雨或暴雨后發生。對于深埋型的巖溶隧道,極易發生高壓突水、突泥問題,其主要特點是壓力高、水量大、持續時間長,因此,對隧道的危險性極大,往往會造成巨大的、無法估計的損失[39]。宜萬線齊岳山在施工過程中曾多次遇到高壓突水、突泥問題,水壓達3.5 MPa[45-46]。渝懷鐵路圓梁山隧道5個溶洞均出現了涌水突泥現象,由鉆孔中射出的水流數十米,2 #溶洞水壓力為2.73 MPa[47]。

總之,隧址區巖溶發育程度及富水性是發生巖溶突水的關鍵因素,隧道的相對位置、埋深及施工季節是巖溶突水也是影響巖溶突水的重要條件。巖溶突水具有突發性、高壓性,且水量大,不僅會造成經濟損失和人員傷亡,而且帶來了一系列生態環境負效應。

2.2.2地面塌陷

圖3 隧道排水引發地面塌陷示意圖 Fig.3 Schematic diagram of ground collapse caused by tunnel drainage

隧道排水引起上覆松散土層內有效應力的改變和動水壓力的增加是地面塌陷的最根本原因。地下水位急劇變化帶和強徑流帶往往是塌陷產生的敏感區,而水動力條件的改變是產生巖溶塌陷的主要誘導因素(圖3),這已為不少實際資料所證實。隧道排水引發的地面塌陷發育過程可分為三個階段。第一階段：天然狀態下,地下水保持自然水位并相對穩定,基巖在溶蝕作用下形成落水洞或漏斗,此時土體還受到巖溶水的浮力和土體自身抗滑力的作用,使得上覆土體處于基本穩定狀態；第二階段:隧道大量排水,地下水位迅速下降,水流過程對地表覆蓋土層及巖溶管道中土體的產生潛蝕和運移,逐漸形成土洞,地表土體在重力作用下出現拉裂縫、下沉跡象。施工中炮震產生的震動氣壓和液壓破壞性大,加強了深、淺部巖溶管道的連通性[48]；第三階段：隨著土洞進一步發育,頂板土層逐漸變薄,當真空負壓、土體自重等致塌力大于抗塌力時,塌陷發生。

據不完全統計,建于西南巖溶區的鐵路長隧道中,幾乎均不同程度地遇到了巖溶塌陷,給隧道的施工造成了一定影響,其中,發生過較大巖溶塌陷的隧道有10座之多,占總數的40%[49]。地面塌陷受降雨影響明顯,降雨使得地下水位升高,水力坡度增大,涌水攜帶大量泥沙,加快了地面塌陷的發展[50]。大量研究表明,地面塌陷發生或者塌陷擴大的主要時間都是在雨季[51-52]。對于雙線或多線隧道,隧道間距和建設順序對地面塌陷量、形態和范圍有較大影響。平行排列的隧道地面大塌陷規模比單線隧道大,范圍廣。隨著隧道間距的減小,將產生群洞效應,塌陷量呈現增大的趨勢[53-55]。

2.2.3地質災害風險評價及超前地質預報

目前,對巖溶隧道工程誘發地質災害風險評價及超前地質預報已經取得很大進展。模糊數學法、層次分析法、神經網絡模型、小波分析方法及其組合被廣泛應用于巖溶隧道的風險評估[56-62]。各種方法均有利弊,在實際研究中,往往采用幾種方法的組合以求得評價或預測結果的合理性和科學性。超前地質預報方法主要有TSP、地質雷達、瞬變電磁、陸地聲納、紅外探測儀及綜合超前預報技術[63-68],鑒于已有方法的局限性,李術才等提出基于風險分級的綜合超前地質預報技術[69]。葛顏慧等優化了綜合超前地質預報的預報方案和流程,提高了巖溶水位置探查的準確性,并成功預報了滬蓉西高速公路烏池壩隧道掌子面前方的巖溶水[70]。Liu等提出了一種改進的時移電阻率反演方法,用于監測地下水運移特征,并在廣西岑西隧道中進行了成功應用[71]。

綜上,對巖溶隧道誘發地質災害的規模、成因機制、風險評價及超前地質預報已有廣泛而深入的研究,但隧道施工過程中地質災害仍時有發生,不少巖溶隧道運營期每到雨季就會發生突涌水,因此,改善隧道設計理念,提高超前地質預報的準確性,加強巖溶隧道(群)的區域穩定性及隧道長期運行的風險性的評估與研究,均是需要長期努力的方向。

2.3 降低土壤質量和引起土壤污染

隧道排水加速水土流失,采用“以排為主”的衡廣復線南嶺隧道泥砂流失嚴重,隧道建成后,隧址區內水土流失速度比自然風化時的速度快了將近6000倍；大瑤山隧道建成后,地面水土以每年約5.4 cm的速度流失,近似于自然風化時速度的5.4萬倍[72]。水土流失致使土壤層變薄,養分及水分損失,肥力下降[73],土壤質量下降。隧道排水疏干地表水、降低地下水位,土壤含水率也隨之降低；地下水位下降及降雨淋溶作用增強都促使土壤養分轉移至土壤深層或者地下水中；土壤有機質含量降低,導致土壤酸化[33]。

地鐵隧道對土壤溫度場的影響是近年來的研究熱點,研究方法主要為現場實測,實驗臺縮尺模型模擬,理論分析和數值模擬等[75-81]。地鐵運行致使土壤溫度上升,土壤含水率減小,蓄熱性能降低,并隨時間和空間變化呈現一定的規律性。通過實驗與數值模擬發現,上海某地鐵溫度場的變化主要發生在運營后1—10年,在此期間,隨年限的增加,土壤熱庫峰值不斷升高,峰值位置和熱庫厚度不斷加深,10年以后溫度場趨于穩定。土壤容積含水率的變化主要發生在隧道壁面3.5 m的范圍之內,隨著年限的推移,容積含水率逐年減少,直到趨于穩定；新建地鐵區間隧道的年蓄熱量為遠期年蓄熱量的11.6倍[82]。

綜上,隧道排水對土壤的影響主要體現在加速土壤流失、降低土壤養分與含水率、引起土壤污染等方面,未見對土壤CO2、土壤水地球化學特征的長期系統觀測與研究,隧道排水對土壤質量的影響機制尚不明確。

2.4 影響植被生長與分布

巖溶地區因其富鈣的巖、水、氣循環系統,以及“土在樓上、水在樓下”的雙層結構,造成其土壤貧瘠,保水能力差[83],植被覆蓋率低,生態系統抗干擾能力低。由于巖溶槽谷區缺乏系統的地表水文網,天然植被生態系統主要依靠消耗地下水資源來維持,因此,植被對地下水變化響應極為敏感。

地下水是植物分布和生長最重要的限制資源,影響天然植被生長的土壤水分和鹽分與地下水位高低密切相關[84-85],地下水位的降低可能導致植物枯萎、死亡。因此,有學者提出了“地下水生態水位”、“地下水生態平衡埋深”等概念[86-87],確定植物進行光合等生理作用的地下水位埋深閾值[88],并基于植被生態需水,確定了的隧道所允許排放的最大水量[89-90]。

遙感技術是監測隧道建設和運營過程中的環境問題的重要手段之一。通過對成渝高速公路中梁山隧道修建前、修建中和運營三年后同一季節的遙感影像數據進行解譯,發現修建后自然植被覆蓋率降低了21.529%,運營三年后自然植被覆蓋率上升了1.311%[91]。

由隧道開挖引起地下水位下降,進而導致植物產量下降、化學組分變化[92-94],以及生長速率下降[95]已被不少研究證實。地下水位的下降致使植物根系吸收水分策略和效率發生改變,使其根系逐步向深部發育,吸收深部土壤水和地下水。通過對比研究發現,隧道影響區植物吸收表層巖溶水的比例在雨季和旱季分別為33%、76%,而隧道未影響區植物吸收表層巖溶水的比例在雨季和旱季分別為24%、59%。結果也表明,隧道開挖降低了巖溶地區土壤含水量,改變了巖溶地區植物的吸水規律[96]。甚至有研究嘗試利用樹輪作為指示隧道開挖引起地下水位下降的指標[97],這將為評估巖溶地區隧道開挖對樹木生長及生態環境的影響起到重要作用。

另外,隧道通車可作為植物種子遷徙的途徑和載體,增加了物種入侵的可能性,導致生物多樣性發生改變[98-99]。有研究發現,某高速公路隧道內的植物種子種類約有32.3%并不生活在隧道入口附近[98]。

綜上,隧道建設對巖溶槽谷區植被的影響主要體現在4個方面：一是隧道排水降低地下水位,減少了土壤含水量,影響植物吸收水分、養分；二是隧道建設改變了地下水水化學成分,影響植物吸收養分；三是隧道排水引起了地面塌陷,加速了地表水土流失與石漠化,改變了植被生長環境,影響了植被生長與空間分布；四是隧道通車為物種入侵提供了可能,可能會影響植物種類。已有研究主要關注隧道影響植物生長速率、產量、植被覆蓋度的變化,隧道建設對植被利用水的策略與效率影響、隧道長期排水是否會導致植被演替研究缺乏。已有研究僅發現隧道內植物種子種類增多,是否會造成物種入侵和植物多樣性的變化,仍然需要觀測資料證實。

2.5 生態環境影響評價

隧道對生態環境的影響是多方面的,已有大量研究集中在隧道修筑導致地下水運移所產生的生態環境效應的具體表現形式以及影響范圍上,其主要方法有現場調查、綜合評述、動態監測、示蹤試驗及數值模擬(表4)。定量化綜合評價隧道施工引起的生態環境效應研究仍然比較薄弱,目前主要采用的方法有綜合指數法、模糊綜合評判法、層次分析法、簡單關聯函數及有限元分析法等(表4)。生態環境影響評價為優化隧道工程選址、確保隧道施工和運營安全以及保護隧址區生態環境提供了一定的科學依據,但目前缺乏普適性的巖溶隧道生態環境影響評價體系,且評價指標需經隧道修建后連續觀測進行修正。對于如何定量評價隧道排水的生態環境效應及優化評價指標,仍然有待深入研究。

表4 隧道建設的生態環境影響評價方法

3 結論與展望

近年來,隨著我國西南地區社會經濟的快速發展,巖溶槽谷區隧道建設持續加速。由于隧道工程建設之初生態環保理念欠缺,加之巖溶槽谷區特殊的生態脆弱性,使得隧道建設對西南巖溶槽谷區帶來的生態環境負效應更為顯著,為區域水資源與生態安全帶來了挑戰。為了分析隧道建設對水文、生態、環境的影響,國內外學者開展了一系列的研究,并取得了一定的成果。然而已有研究多數停留在隧道建設產生的生態環境效應的具體表現形式以及影響程度上,在隧道建設對土壤物理化學特征、植被生理過程改變、物種入侵、植被演替方面的影響,以及相關研究方法與手段方面還存在不足,隧道建設的生態環境效應相關研究整體上還比較薄弱。在今后的研究中需要加強以下幾方面的工作：

(1)隧道影響水資源分布格局與水文過程的水文地質模式及隧道群的排水效應

基于西南巖溶槽谷區不同的地質結構,結合典型案例,分析巖溶隧道施工建設與運營期內水資源分布、水動力和水化學過程與巖溶隧道、地質背景、區域氣候之間的關系,揭示不同類型的槽谷區隧道建設的生態水文環境效應,探索巖溶隧道對水資源分布與水文過程作用機制,建立西南巖溶槽谷區隧道影響水資源分布格局與水文過程的概念模式。

巖溶發育易導致隧道突涌水,而隧道排水引起的土壤水分與土壤CO2變化,有可能影響大氣-水-土壤-巖石界面的物理化學作用強度,從而影響巖溶作用。運用既有國內外巖溶隧道研究案例,分析巖溶發育誘發的隧道突涌水的模式。通過現場監測與試驗,探索隧道排水影響巖溶作用的途徑與方式,揭示隧道排水與巖溶作用的互饋作用機制。

另外,已有研究主要關注單個隧道排水產生的水文生態影響,以及新建隧道對既有隧道的影響,隧道群排水引起的水文、生態、環境問題以及隧道群間的相互干擾及疊加效應研究將是未來研究的難點及熱點。

(2)“五水”轉換過程與地下水流場演化機制

隧道排水加速水循環過程、改變地下水流場目前多是定性的描述,缺乏系統的定量及過程研究。建議通過長期水文地質現場監測、試驗、數值模擬,分析究隧道改變區域水循環特征和地下水動力條件的途徑和方式,揭示降水、地表水、土壤水、地下水及隧道水之間的轉換過程及轉化機制；綜合研究不同時間尺度上,地表水、土壤水、地下水及隧道水的動態過程及對降雨的響應機制；探索巖溶隧道區地下水流場的演化過程與機制；通過資料分析、現場監測、物理模擬試驗、數值模擬等手段,分析水動力條件改變、水文地球化學環境改變、施工材料成分對巖溶水化學特征的影響,研究巖溶隧道區水文地球化學場時空演化機制。

(3)土壤質量及土壤水文地球化學特性對隧道建設的響應過程與機制

隧道排水導致水土流失加劇,土壤水分減少,土壤質量下降,已有研究已證實了這一影響形式,但其影響機理與過程怎樣？隧道排水是否導致土壤微生物群落與功能變化,從而引起土壤質量變化？未見相關研究。建議加強對土壤及土壤水物理、化學、生物、微生物特征的系統監測,探索不同時間、空間尺度上土壤質量及土壤水文地球化學特性對隧道建設的響應過程與機制。

(4)巖溶隧道區植被生理過程與多樣性變化

利用水化學、同位素及遙感技術等手段,探索隧道干擾條件下植被利用水的策略與效率變化過程與機理,植被覆蓋度變化,求證隧址區物種入侵的可能性,揭示隧址區植被可能由水生或喬木植被演替為陸生、旱生或灌木、草本植被的過程。

(5)調查、評價、預測與模擬

提升巖溶隧道區水文生態環境現場監測技術,研發系統調查方法；研究隧道區水文生態環境效應的影響因子,建立定量化評價指標體系,研究分級分類的評價方法,提出評價標準,對于擬建和在建工程,進行評估預測和現狀預測,對已建工程進行反分析、驗證和后評估,修正并驗證評價方法的科學性與可靠性。針對不同概念模式下的巖溶槽谷區隧道工程,提出預警指標體系方法,并進行工程驗證,為西南槽谷區隧道的水文生態環境效應評估提供參考依據。基于現場監測資料、室內模擬實驗等,建立并優化模擬模型,合理評估與預測隧道建設引起的水文生態環境效應演變趨勢,并評估該趨勢對巖溶隧道穩定性的影響。