楊 帆，付 艷，梁和國(guó)

（長(zhǎng)江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

江漢平原位于位于湖北省中南部，地處長(zhǎng)江中游和漢江下游，介于北緯29°26′～30°23′和東經(jīng)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(wàn)km2。人工濕地處理系統(tǒng)是指由人工建造和控制運(yùn)行的與沼澤地類似的地面，將污水、污泥有控制的投配到經(jīng)人工建造的濕地上，污水與污泥在沿一定方向流動(dòng)的過(guò)程中，主要利用土壤、人工介質(zhì)、植物、微生物的物理、化學(xué)、生物三重協(xié)同作用，對(duì)污水、污泥進(jìn)行處理的一種技術(shù)。研究區(qū)域隸屬湖北仙桃市，是基于上游地區(qū)三峽大壩截流后，下游地區(qū)排洪道普遍閑置的基礎(chǔ)上，建設(shè)成的具有日處理生活污水6萬(wàn)t人工濕地污水處理系統(tǒng)。濕地長(zhǎng)度為7km，寬度約為1km，總體面積大約為7km2，從2003試運(yùn)行至今，已有十年時(shí)間。

1 研究區(qū)域自然地理概況及地勢(shì)地貌背景

仙桃市位于湖北省中部，東南臨長(zhǎng)江，北臨漢江，幅員面積2538km2，地跨東經(jīng)112°55′～113°49′、北緯30°04′～30°32′，隸屬江漢平原地區(qū)，故以江漢平原地區(qū)水文地質(zhì)特征用以分析該研究區(qū)域相關(guān)特點(diǎn)。江漢平原和江漢盆地結(jié)構(gòu)是在大致相同的區(qū)域內(nèi)，大量泥沙沉積在這里，是長(zhǎng)江過(guò)三峽后的第一個(gè)大型的卸載式盆地。長(zhǎng)江從宜昌流入，從西到東（通過(guò)南部平原）穿過(guò)整個(gè)江漢平原。江漢平原受新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)構(gòu)模式是由交叉控制的斷層薄片形成的，從第三紀(jì)初開始，一直處于沉降中，進(jìn)入第四紀(jì)以來(lái)，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(xiàn)代沉降中心分布在枝城到監(jiān)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(shù)是松散的沉積巖分布區(qū)，在長(zhǎng)江沒(méi)有完全貫通之前，江漢平原沉積物主要來(lái)自附近的材料和漢江帶來(lái)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(zhì)巖。在三峽以西長(zhǎng)江上游沙江流域分布大量的大型火山巖及超基性變質(zhì)巖，在金沙江流經(jīng)峨眉山玄武巖地區(qū)和攀枝花釩鈦磁鐵礦區(qū)和嘉陵江流域還分布有大面積的變質(zhì)巖。

圖1 長(zhǎng)江流域巖性分析

江漢平原主要屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)江漢斷坳，地勢(shì)低平，除了邊緣海拔分布約50m的平緩帶和超過(guò)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(zhì)主要以河流沖積物和湖泊淤積物為主，屬細(xì)砂、粉砂和黏土，第三紀(jì)紅土層只暴露于平原區(qū)邊緣的表面。長(zhǎng)江、漢江和涇河岸地勢(shì)較高的地區(qū)，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(xiàn)代沖積作用旺盛，地勢(shì)較高，大多在30m以上，土壤為砂壤土。第二部分是大堤以內(nèi)的平原，一般比外灘地勢(shì)低3～6m，向內(nèi)側(cè)微傾斜，土壤基本為厚層粉砂壤土。江河之間地勢(shì)相對(duì)低下，形成細(xì)長(zhǎng)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(zhǎng)江之間的四湖（三湖、長(zhǎng)湖、洪湖、白露湖）凹陷地；長(zhǎng)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(dāng)大雨，易澇。江漢平原大小湖泊約300多個(gè)，重要的有洪湖、刁汊湖、長(zhǎng)湖、沙湖、大同湖等。

2 江漢平原濕地水系統(tǒng)特征和水資源評(píng)價(jià)

濕地水系統(tǒng)，是指氣象、水文、地質(zhì)、地形等濕地空間因素在一定范圍的結(jié)合在一起，通過(guò)一定的過(guò)程來(lái)完成某些特殊的濕地生態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)。濕地是流域水系統(tǒng)中水系統(tǒng)的重要組成部分，與改變流域水系統(tǒng)有著密切的聯(lián)系。研究流域水系統(tǒng)有助于全面了解和濕地水系統(tǒng)，流域水系統(tǒng)主要是研究氣候、土壤、植被等自然條件和濕地水文過(guò)程之間的關(guān)系［2］。

江漢平原水系統(tǒng)除了濕地水系統(tǒng)以外，還包括濕地補(bǔ)排水系統(tǒng)，即濕地水輸入系統(tǒng)和輸出系統(tǒng)，通暢的濕地水輸入和輸出系統(tǒng)對(duì)維護(hù)濕地水系統(tǒng)平衡和水質(zhì)量是非常重要的。具體的濕地流域系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 江漢平原濕地水系統(tǒng)關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

濕地的水資源保護(hù)區(qū)域劃分對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有不可替代的作用。為了實(shí)現(xiàn)濕地水資源的可持續(xù)利用，發(fā)揮濕地水資源的生態(tài)、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益是合理利用和保護(hù)濕地資源的重要組成部分。要了解濕地的水資源開發(fā)的現(xiàn)狀，開展?jié)竦厮Y源研究，具有十分重要的意義。

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

從平原地形結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件分析，江漢平原發(fā)達(dá)的河流，湖泊為地下水徑流提供了良好的供應(yīng)條件。眾多而深厚的第四紀(jì)各時(shí)代的礫巖、礫石巖和黏土交互成層，形成多層含水層構(gòu)成良好的地下水庫(kù)。根據(jù)水文地質(zhì)勘探，江漢平原地下水資源十分豐富，年平均存儲(chǔ)容量多達(dá)2300×108m3。地下水和河流之間有一定的水力聯(lián)系，相互起著互補(bǔ)調(diào)節(jié)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(fā)育于水陸環(huán)境過(guò)渡地帶的人工干預(yù)的半開放系統(tǒng)，它用水循環(huán)為主要載體，同周圍的環(huán)境系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)、能量間的信息交換，從而帶動(dòng)景觀格局的演變，物質(zhì)元素循環(huán)和生物生長(zhǎng)等生態(tài)功能。人工濕地－地下水主要是通過(guò)地表水和濕地地下水（Surface Water－Ground Water，SW－GW）水量交換和水質(zhì)演變作用來(lái)體現(xiàn)，進(jìn)而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。尤其是在干旱半干旱地區(qū)，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(bǔ)給來(lái)源，SW－GW交互作用成為控制濕地形成和發(fā)育乃至消亡的主要因素［3］。河北地下水超采導(dǎo)致形成超大型的扇形漏斗，致使?jié)竦厮a(bǔ)給不足、面積萎縮，日本Chiba濕地修復(fù)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(duì)濕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性和地下水環(huán)境的結(jié)構(gòu)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(dòng)的加劇，濕地水文過(guò)程更加復(fù)雜，濕地生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)顯現(xiàn)出高度脆弱性，對(duì)SW－GW的互動(dòng)響應(yīng)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(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)制，對(duì)區(qū)域水資源綜合管理和濕地生態(tài)的具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，同時(shí)是濕地演變與調(diào)控恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的應(yīng)用重大應(yīng)該科學(xué)。濕地SW－GW交互作用首先取決于人工濕地－地下水系統(tǒng)水文地質(zhì)基礎(chǔ)的條件，且在不同的尺度下呈現(xiàn)出不同方式的結(jié)果。

3.1 地形地貌

地形地貌是盆地尺度控制的地下水系統(tǒng)形成和發(fā)育一個(gè)重要因素，也影響SW－GW的互動(dòng)格局的形成［5］，高海拔地區(qū)基巖山區(qū)的區(qū)域地下水流動(dòng)系統(tǒng)的源頭，容易出現(xiàn)補(bǔ)給型濕地；盆地中心位于低洼地勢(shì)平原區(qū)，是區(qū)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(gè)濕地?？梢姡匦蔚孛驳恼_認(rèn)識(shí)是分析濕地SW－GW之間的關(guān)系的重要依據(jù)。

3.2 水文地質(zhì)

接觸帶尺度下濕地SW－GW形成完整的地下水流系統(tǒng)，符合源（補(bǔ)給項(xiàng)）－徑（遷移路徑）－匯（排泄項(xiàng)）的水文地質(zhì)概念模型，局部含水系統(tǒng)的巖性結(jié)構(gòu)和水力特性，因而成為重要的影響因素。交互作用產(chǎn)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(zhì)性質(zhì)如滲透率會(huì)的影響交互作用的強(qiáng)度。低滲透性的基質(zhì)層是控制SW－GW之間非飽和區(qū)及形成而產(chǎn)生的對(duì)濕地形成橫向流量的重要原因。當(dāng)然，影響因素和尺度之間的關(guān)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(fā)展，導(dǎo)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(guò)程中在沉積物尺度上，既受上述大尺度條件的影響，同時(shí)與礦物組成，孔隙結(jié)構(gòu)和水－巖相互作用等微觀條件的聯(lián)系也是密切相關(guān)的［6］。

3.3 氣候變化

影響人工濕地水文過(guò)程中的主要?dú)夂蛞蛩厥菤鉁睾徒邓康淖兓?，水資源變化不僅來(lái)自極端水文事件包括：干旱、洪水發(fā)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(fā)量的提高和干旱事件也可直接導(dǎo)致地下水補(bǔ)給的減少和大規(guī)模透支開采，改變地下水儲(chǔ)存量及水位動(dòng)態(tài)。由此原因引起的濕地降水減少導(dǎo)致補(bǔ)給面積萎縮，水質(zhì)鹽堿化和濕地結(jié)構(gòu)完全沼澤化一直在世界上很多的濕地發(fā)生。在年內(nèi)或季節(jié)性的尺度上，降水分布、強(qiáng)蒸散作用、冰凍與積雪融化、雨季洪水大爆發(fā)，將會(huì)導(dǎo)致SW－GW動(dòng)態(tài)的豐－平－枯水期內(nèi)跳動(dòng)。

4 江漢平原人工濕地水化學(xué)分析

濕地水化學(xué)的研究是濕地水質(zhì)分析系統(tǒng)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，通過(guò)監(jiān)測(cè)濕地水化學(xué)條件變化，可以了解人工濕地的植物物種和植被類型的動(dòng)態(tài)變化，對(duì)不恰當(dāng)變化提出相應(yīng)科學(xué)的控制措施，以促進(jìn)人工濕地的保護(hù)和恢復(fù)。所謂濕地水化學(xué)研究，是指對(duì)濕地水化學(xué)特征分析，找出影響濕地水化學(xué)特征因素和相關(guān)因子的作用，探索濕地水化學(xué)特征的功能改變對(duì)濕地的演變生態(tài)系統(tǒng)的影響作用［7］。

因整個(gè)江漢平原人工濕地的水化學(xué)監(jiān)測(cè)還沒(méi)有全面進(jìn)行，數(shù)據(jù)還不全面，但我們可以以湖北仙桃的人工濕地為例，進(jìn)行理化特征分析，以反映江漢平原中人工濕地水化學(xué)性狀。據(jù)對(duì)相關(guān)研究區(qū)域進(jìn)行一年的的監(jiān)測(cè)結(jié)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(guó)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(guó)度之間，屬于中硬水。人工濕地水中化學(xué)耗氧量分布呈梯度變化，入口處較高，中間平穩(wěn)，出水處最低。但季節(jié)差異性大，冬季高春夏季低，可能與濕地中植物的生長(zhǎng)速率有關(guān)；在10～54mg/L之間，跟季節(jié)聯(lián)系緊密；HCO3－變動(dòng)范圍為60～120mg/L之間；Ga2＋是濕地水中的主要陽(yáng)離子，濃度在26mg/L左右；隨季節(jié)有所變化，夏、冬兩季稍高；總磷含量也隨季節(jié)變化而變化，冬季最高，春季最低；因人工濕地中的水來(lái)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(dǎo)率變動(dòng)于286～522μs/cm之間，隨季節(jié)性變化大。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)江漢平原地區(qū)人工濕地水文地質(zhì)因素的分析，可以看出人工濕地在江漢平原地區(qū)有些地質(zhì)，水利以及地貌上的先天優(yōu)勢(shì)。適合用來(lái)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(zhì)較好，說(shuō)明人工濕地有較強(qiáng)的自凈能力。

這在一定程度上反映出江漢平原濕地水化學(xué)特征和的濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)流的特點(diǎn)。根據(jù)濕地的理化和的生物特性，以及對(duì)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(duì)污染物進(jìn)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(tǒng)是模仿濕地的這一功能。特別是人工濕地系統(tǒng)，這種凈化效應(yīng)更為明顯，由于人工干預(yù)，人為抽提等作用，人工濕地中水量交換相對(duì)頻繁，而且水生生物生長(zhǎng)茂盛，這均為增加稀釋自凈作用，消納污染物質(zhì)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(tǒng)，不僅有利于環(huán)境質(zhì)量的提高，而且可以節(jié)約大量資金。

［1］ 康春國(guó)，李長(zhǎng)安，王節(jié)濤，等.江漢平原沉積物重礦物特征及其對(duì)三峽貫通的指示［J］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，34（3）：419－427.

［2］ 羅先香，何巖，鄧偉.三江平原沼澤濕地水系統(tǒng)研究淺析［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2003，22（1）：40－42.

［3］ McEwan K L，Jolly I D，Holland K L，et al.Salinization risk insemi－arid floodplain wetlands subjected to engineered wetting and drying cycles［J］.Hydrological Processes，2009，23（24）：3440－3452.

［4］ Li F D，Zhang Q Y，Tang C Y，et al.Denitrifying bacteria and hydro－geochemistry in a natural wetland adjacent to farmlands in Chiba Japan［J］.Hydrological Processes，2011，25（14）：2237－2245.

［5］ SophocleousM.Interactionsbetween groundwater and surface water：The state of the science［J］.Hydrogeology Journal，2002，10（1）：52－67.

［6］ 徐華山，趙同謙，孟紅旗.濱河濕地地下水位變化及其與河水響應(yīng)關(guān)系研究［J］.環(huán)境科學(xué)，2011，32（2）：362－367.

［7］ 王學(xué)雷，呂憲國(guó)，任憲友.江漢平原濕地水系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)與水資源管理探討［J］.地理科學(xué)，2006，26（3）：311－315.