王芳其, 鄭　煒, 徐　華, 陳劍楠

(1. 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶　400067; 2. 公路隧道建設(shè)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,重慶　400067; 3. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都　610031)

0　引言

隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期間經(jīng)常發(fā)生涌水突泥等災(zāi)害，部分工程技術(shù)人員長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為堵不如疏，忽視了對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，造成了地下水的大量流失，影響了隧道區(qū)的地下水平衡[1-2]。尤其是在巖溶巖(石灰?guī)r、白云巖和石膏等)地區(qū)，溶洞、落水洞和發(fā)育明顯的巖溶管道都可能造成涌水事故[3]。地下水與天然植被之間有著復(fù)雜的關(guān)系，它涉及水分、土壤和植被等相互之間的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)?shù)叵滤粐?yán)重下降時(shí)，地下水對(duì)植物需水貢獻(xiàn)極小，甚至不起作用[4]。在這種情況下，植物的生長(zhǎng)受到影響，相應(yīng)的植物群落也可能發(fā)生變化[5]。

在巖溶山區(qū)隧道建設(shè)過(guò)程中,地下水漏失造成居民生活用水困難、植被生長(zhǎng)受到影響的情況時(shí)有發(fā)生。目前，因隧道建設(shè)造成地下水漏失影響地表生態(tài)環(huán)境的研究較少，且各項(xiàng)研究結(jié)論之間存在較大差異，尤其是對(duì)巖溶地區(qū)的植被影響尚不清楚。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有研究大多基于地下水監(jiān)測(cè)、土壤水分布、遙感和地理信息系統(tǒng)等研究方法[6-11]。劉紅位[7]基于慈母山隧道附近土壤水分布規(guī)律及大氣降雨情況，認(rèn)為隧道涌水導(dǎo)致地下水流失對(duì)非高耗水植物的影響較小；楊長(zhǎng)健[8]選取雪峰山隧道隧址區(qū)內(nèi)外的灌木和闊葉植物，掐除枝上嫩葉后觀察新的嫩葉生長(zhǎng)情況，研究結(jié)果認(rèn)為隧道建設(shè)引起的地下水位下降對(duì)植物生長(zhǎng)有重要影響。上述研究時(shí)間跨度較小，地下水位和植物生長(zhǎng)情況之間相關(guān)性有待考量，沒有指出地下水漏失對(duì)植物生長(zhǎng)的具體影響程度。

本文以馬尾松和杉木的樹木年輪為觀察對(duì)象，針對(duì)巖溶地區(qū)隧道工程對(duì)周邊植物生長(zhǎng)的影響進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與綜合分析，闡明隧道地下水漏失與植物生長(zhǎng)的關(guān)系，以期為隧道區(qū)地下排放量控制及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

1　工程概況及研究方案

1.1　工程概況

中梁山山脈位于重慶市區(qū)西部，其南段被近東西流向的長(zhǎng)江在小南海附近橫切，北段被北西東至南東向流向的嘉陵江在北碚附近橫切，兩江之間的中梁山稱為中梁山主城段，長(zhǎng)約50 km，由北至南涉及北碚區(qū)、沙坪壩區(qū)、九龍坡區(qū)及大渡口區(qū)。本文選擇穿越中梁山山脈通向重慶市區(qū)西部的3條重疊相交隧道： 襄渝鐵路中梁山隧道(1968年修建)、渝遂高速公路大學(xué)城隧道(2004年修建)和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道(2010年修建)作為地下水漏失對(duì)生態(tài)環(huán)境影響及植被調(diào)研基地。中梁山山脈及3條隧道的重疊相交關(guān)系如圖1所示。

(a)12條隧道橫穿中梁山山脈(b)中梁山山脈與3條隧道的重疊相交關(guān)系

圖1依托工程地理位置

Fig. 1Geographic locations of tunnels

3條隧道橫穿中梁山山脈中部，地形受構(gòu)造及巖層控制(見圖2)，其工程概況及涌水情況見表1。按地層巖性的地質(zhì)類型和特征可將隧址區(qū)內(nèi)巖性組段劃分為6個(gè)類型：

1)堅(jiān)硬的塊狀砂巖類型，主要為須家河組(T3xj)的厚層狀中—粗粒砂巖夾薄層泥、粉砂巖，分布于觀音峽背斜兩翼；

2)軟質(zhì)—堅(jiān)硬的層狀泥巖夾砂巖類型，主要為珍珠沖組(J1z1)的泥頁(yè)巖、粉砂巖夾中粗粒砂巖，厚層狀，分布于背斜兩翼；

3)軟質(zhì)的層狀泥巖巖類，主要為下沙溪廟組(J2xs)地層，巖性以泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主，夾中—厚層狀和厚層狀砂巖，分布于背斜兩翼；

4)軟質(zhì)的薄層狀泥頁(yè)巖巖類，主要為龍?zhí)督M(P2l)、飛仙關(guān)組(T1f2)、自流井組(J1-2z)和珍珠沖組(J1z2)地層，巖性為粉泥巖、鈣質(zhì)泥巖、頁(yè)巖夾粉砂巖和砂巖，巖層層理發(fā)育，以薄層狀構(gòu)造為主，分布于背斜兩翼及核部；

5)堅(jiān)硬的弱巖溶化巖類，主要為飛仙關(guān)組(T1f1、T1f3)、嘉陵江組(T1j1)和雷口坡組(T2l)地層，巖性為灰?guī)r、白云巖、生物碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r和角礫狀灰?guī)r；

6)堅(jiān)硬的強(qiáng)巖溶化巖類，主要為茅口組(P1m)、長(zhǎng)興組(P2c)和嘉陵江組(T1j2+3+4)地層，巖性為塊狀灰?guī)r、白云巖夾泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、微晶灰?guī)r和巖溶角礫巖，分布于背斜兩翼及核部。

觀音峽背斜核部主要為T1f地層，其中，第1、3段為巖溶含水層，第2、4段均為隔水層，阻擋了巖溶水與核部?jī)蓚?cè)嘉陵江組和雷口坡組地下水的聯(lián)系。在中梁山山體兩側(cè)為T3xj與J地層構(gòu)成的隔水層，決定了中梁山地下水的徑流區(qū)域主要為東、西兩槽谷的可溶巖層位。

圖2　地形及地層剖面圖

　　　隧道長(zhǎng)度/m設(shè)計(jì)高程/m施工、貫通、運(yùn)營(yíng)時(shí)間防排水設(shè)計(jì)施工及運(yùn)營(yíng)期涌水情況襄渝鐵路中梁山隧道3 985　301(進(jìn)口),284(出口)　1968-01—1975年臨時(shí)運(yùn)營(yíng),1978年正式交付運(yùn)營(yíng)以排為主　平常涌水量163.6 L/s,最大涌水量626.2 L/s,1984年之后雨后涌水量約115.7 L/s　渝遂高速公路大學(xué)城隧道　3 863(左線),3 860.62(右線)　306(進(jìn)口),305(出口)　2004-01—2005-02施工以堵為主、限量排放　平常涌水量112.0 L/s,最大涌水量376. 2 L/s,運(yùn)營(yíng)期平常涌水量約57.9 L/s　成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道4 124　323(進(jìn)口),275(出口)　2010-10—2014-04貫通以堵為主、限量排放　不采取措施前提下,預(yù)測(cè)平常涌水量219.4 L/s,最大涌水量658.1 L/s;進(jìn)行堵水后,預(yù)測(cè)平常涌水量21.9 L/s

1.2　研究思路及方案

為了研究隧道建設(shè)對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響，在隧道區(qū)(影響區(qū))和對(duì)照區(qū)(非影響區(qū))分別設(shè)置了樣地，隧道區(qū)樣地和對(duì)照區(qū)樣地設(shè)置見圖3。

圖3　隧道區(qū)樣地和對(duì)照區(qū)樣地設(shè)置

隧道區(qū)樣地設(shè)置于3座隧道正上方區(qū)域的東側(cè)山嶺，在由3座隧道軸線框成的約0.65 km2梯形范圍內(nèi)，按海拔和水文地質(zhì)類型劃分2條樣線，一條海拔為350～450 m，是須家河組地質(zhì)類型，坡度較大，為35°左右，樣地編號(hào)X線，樣線X長(zhǎng)約1.2 km；另一條海拔為500～550 m，是雷口坡組及雷口坡與須家河組交界區(qū)地質(zhì)類型，樣地編號(hào)XL線，樣線XL長(zhǎng)約1 km。在隧道區(qū)每條樣線上按兩端、中間設(shè)置樣地，兩線共選擇了7個(gè)樣地(見圖3)。在7個(gè)樣地均采集到馬尾松樣品，但只在5個(gè)樣地采集到杉木樣品，X4、XL5沒有杉木。

對(duì)照區(qū)樣地設(shè)置于隧道區(qū)南側(cè)約3 km，在隧道影響區(qū)以外，與隧道區(qū)樣地所在坡面均向東偏南，屬半陽(yáng)坡，對(duì)照區(qū)樣地DX和DXL分別與隧道區(qū)樣地線X、XL位于同一海拔上，在對(duì)照區(qū)樣地采集到杉木和馬尾松樣品，對(duì)照區(qū)和隧道區(qū)樹種基本相同，樹間競(jìng)爭(zhēng)也處于相近水平；同時(shí)，降水、氣溫、濕度大體屬區(qū)域性因素，隧道區(qū)和對(duì)照區(qū)處于相同區(qū)域，因此，影響樹木年輪的各項(xiàng)因素基本一致，故對(duì)照區(qū)馬尾松和杉木的年輪可作為隧道區(qū)馬尾松和杉木年輪的對(duì)照組。

2　隧道工程對(duì)地下水漏失及地表環(huán)境的影響

2.1　襄渝鐵路中梁山隧道

襄渝鐵路中梁山隧道建設(shè)于20世紀(jì)70年代，采取了“以排為主”的設(shè)計(jì)原則。襄渝鐵路中梁山隧道影響范圍： 東槽谷北側(cè)影響范圍約2.3 km，南側(cè)約2 km；西槽谷北側(cè)影響范圍約1.5 km，南側(cè)約2 km。襄渝鐵路中梁山隧道出現(xiàn)的大涌水分別是在1970年左右的施工初期(涌水量大于10 000 m3/d)以及1980年左右的運(yùn)營(yíng)初期(涌水量達(dá)到54 100 m3/d)，目前洞內(nèi)流出的地下水雨后流量在10 000 m3/d左右。在隧道建成后，西槽谷自玄降寺—宋家溝水位下降12 m，東槽谷自童家花園—打靶場(chǎng)水位下降10.2 m[12-13]。

2.2　渝遂高速公路大學(xué)城隧道

2004年1月，渝遂高速公路大學(xué)城隧道動(dòng)工，其防排水原則是“以堵為主、限量排放”。隧道施工初期涌水量較大，達(dá)115.7 L/s以上，至2007年涌水量逐漸減小到57.8 L/s左右，目前洞內(nèi)地下水流量在57.8 L/s左右。在該隧道修建之前，槽谷區(qū)淺部巖溶水的地下水位埋深在20 m左右，裂隙含水巖組的基巖裂隙水位埋深在5 m以下，但局部上層覆蓋有風(fēng)化帶網(wǎng)狀裂隙水，埋深為2～5 m。渝遂高速公路大學(xué)城隧道對(duì)地下水的影響范圍約為南北方向各2 km內(nèi)。

2.3　成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道

歌樂(lè)山具有巖溶形態(tài)種類豐富且數(shù)量多、分布廣的特點(diǎn)[14-15]。依據(jù)張海坦等[16]的記載，歌樂(lè)山發(fā)現(xiàn)落水洞58處、漏斗23處、天窗11處，與地下暗河相通。由于成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道采取“以堵為主、限量排放”的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行堵水后預(yù)測(cè)平常涌水量約為21.9 L/s，相比不采取堵水措施前提下預(yù)測(cè)的平常涌水量219.4 L/s及最大涌水量658.1 L/s已非常小。成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道在東翼槽谷北面已影響到隧道以北約4 km左右，南面則影響到隧道以南6 km左右；在西翼槽谷北面影響到隧道以北3 km附近，南面已影響到隧道以南3 km左右。東槽谷的影響程度明顯高于西槽谷。

3　隧道影響區(qū)域內(nèi)典型植物生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)

本文針對(duì)隧道影響區(qū)域內(nèi)馬尾松及杉木的生長(zhǎng)情況進(jìn)行分析。馬尾松具有耐干旱的特點(diǎn)，一半生存在年降水量800 mm以上地區(qū)，其根系有很強(qiáng)的向水性，可在干旱土層中形成巨大的垂直根系，向深處吸收水分。杉木喜溫暖濕潤(rùn)，怕旱，適宜生存在年降水量800～2 000 mm的氣候條件。

在隧道區(qū)的42株馬尾松中，樹齡最大的是1955年的樹木，最小的是1988年的樹木；對(duì)照區(qū)的25株馬尾松中，樹齡最大的是1951年的樹木，最小的是1985年的樹木。杉木的樹齡普遍較馬尾松要小，隧道區(qū)除1株杉木為1967年的樹木外，其余32株杉木中，樹齡最大的是1970年，最小的是2001年；對(duì)照區(qū)的15株杉木，樹齡最大的是1981年，最小的是1998年。

為了突顯地下水的影響，篩選出3座隧道引起的地下水突然大量漏失的幾個(gè)時(shí)段，分別是襄渝鐵路中梁山隧道施工前期、施工后期和運(yùn)營(yíng)初期，渝遂高速公路大學(xué)城隧道施工期，成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道施工期。以這5個(gè)時(shí)期為節(jié)點(diǎn)，并盡量使各時(shí)期的年限基本相同，將馬尾松、杉木生長(zhǎng)時(shí)間歸并為9個(gè)時(shí)期，計(jì)算各樹木9個(gè)時(shí)期的樹輪寬度均值。馬尾松和杉木各時(shí)期的樣品數(shù)目見表2。

表2　馬尾松和杉木各時(shí)期的樣品數(shù)目

注： 1)表中隧道用所在公路/鐵路簡(jiǎn)稱代表； 2)表中每個(gè)時(shí)期具備有效樹輪寬度的樣品數(shù)目包含了上一時(shí)期的樣品數(shù)目。

3.1　馬尾松生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)

3.1.1經(jīng)歷周期1—9的馬尾松

1)該類馬尾松在襄渝鐵路中梁山隧道建設(shè)前就已定植，完整經(jīng)歷了3個(gè)隧道的大涌水。隧道區(qū)共有12株，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有11株具有相同的生長(zhǎng)變化趨勢(shì)，按各周期樹輪寬度制成生長(zhǎng)曲線,見圖4。

由圖4可見，所有馬尾松的生長(zhǎng)曲線均有一個(gè)明顯兩頭高中間低的寬凹谷形狀。從周期3開始，生長(zhǎng)速率開始衰退，樹輪寬度降低幅度平均達(dá)71.4%；在周期4—6時(shí)均處在低谷期，低谷期長(zhǎng)達(dá)15年之久；從周期6以后開始回升，雖然在周期8—9時(shí)有4株馬尾松呈生長(zhǎng)衰退狀態(tài)，但總體趨勢(shì)是上升，只是至今所有馬尾松都未恢復(fù)到周期3衰退前的最高生長(zhǎng)水平。

圖4　隧道區(qū)11株經(jīng)歷周期1—9的馬尾松生長(zhǎng)曲線

Fig. 4Growth curves of 11 Masson pines from 1 to 9 periods in tunnel area

2)對(duì)照區(qū)有11株經(jīng)歷了全周期的馬尾松，其生長(zhǎng)曲線見圖5。由圖5可知： 對(duì)照區(qū)所有馬尾松的生長(zhǎng)曲線較平緩，沒有出現(xiàn)與隧道區(qū)一樣的寬凹谷形狀；與隧道區(qū)曲線較相似的是普遍從周期7—9呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，僅在最后的周期8—9，有2株馬尾松呈生長(zhǎng)衰退狀態(tài)。

圖5　對(duì)照區(qū)11株經(jīng)歷周期1—9的馬尾松生長(zhǎng)曲線

Fig. 5Growth curves of 11 Masson pines from 1 to 9 periods in controlled experiment area

3.1.2經(jīng)歷周期2—9的馬尾松

1)周期2—4是襄渝鐵路中梁山隧道出現(xiàn)大涌水的時(shí)期，經(jīng)歷周期2—9的馬尾松樣本，在生長(zhǎng)初期受到襄渝鐵路中梁山隧道大涌水的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種馬尾松樣本在隧道區(qū)有10株，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有8株的生長(zhǎng)變化趨勢(shì)較一致，其生長(zhǎng)曲線見圖6。

圖6　隧道區(qū)8株經(jīng)歷周期2—9的馬尾松生長(zhǎng)曲線

Fig. 6Growth curves of 8 Masson pines from 2 to 9 periods in tunnel area

由圖6可見： 所有馬尾松在周期4—5都呈生長(zhǎng)衰退狀態(tài)，樹輪寬度從周期4的平均2 165 μm下降到周期7的1 224 μm，下降幅度達(dá)43.5%；在周期7—9，所有馬尾松又呈整體上升趨勢(shì)，有1株在周期8—9時(shí)有微小的衰退，回升后的最終生長(zhǎng)量，有2株較衰退前的生長(zhǎng)量更高。

2)對(duì)照區(qū)有4株經(jīng)歷了周期2—9的馬尾松樣本，其生長(zhǎng)曲線見圖7。由圖7可知： 所有馬尾松在周期4—5的變化趨勢(shì)與隧道區(qū)正好相反；而在周期7—9沒有明顯變化趨勢(shì)。

圖7　對(duì)照區(qū)4株經(jīng)歷周期2—9的馬尾松生長(zhǎng)曲線

Fig. 7Growth curves of 4 Masson pines from 2 to 9 periods in controlled experiment area

3.1.3經(jīng)歷周期5—9的馬尾松

1)經(jīng)統(tǒng)計(jì)，隧道區(qū)有18株經(jīng)歷周期5—9的馬尾松，它們僅經(jīng)歷了渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道的大涌水，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有13株有較一致的生長(zhǎng)變化趨勢(shì)，其生長(zhǎng)曲線見圖8。

圖8　隧道區(qū)13株經(jīng)歷周期5—9的馬尾松生長(zhǎng)曲線

Fig. 8Growth curves of 13 Masson pines from 5 to 9 periods in tunnel area

由圖8可知: 在周期8—9，所有的馬尾松呈現(xiàn)生長(zhǎng)衰退狀態(tài)，衰退幅度平均達(dá)到23.9%，樹輪寬度從周期8的平均2 659 μm下降到周期9的2 023 μm。

2)對(duì)照區(qū)有10株僅經(jīng)歷渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道大涌水的馬尾松，其生長(zhǎng)曲線見圖9。由圖9可知，在周期8—9，所有馬尾松的變化趨勢(shì)與隧道區(qū)正好相反。

圖9　對(duì)照區(qū)10株經(jīng)歷周期5—9的馬尾松生長(zhǎng)曲線

Fig. 9Growth curves of 10 Masson pines from 5 to 9 periods in controlled experiment area

3.1.4不同樣線、樣地上的馬尾松

本研究從隧道區(qū)每個(gè)樣地采得的樣本數(shù)基本相同，而不同樹齡的馬尾松在各樣地也都有分布；對(duì)隧道區(qū)的3大類馬尾松而言，其生長(zhǎng)曲線的特征基本都是普遍具備的。因此，不同樣線、樣地上的馬尾松生長(zhǎng)情況不存在明顯差異。

3.2　杉木生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)

杉木的樹齡普遍較馬尾松要小，隧道區(qū)除1株杉木為1967年的樹木外，其余32株杉木中，樹齡最大的是1970年，最小的是2001年；對(duì)照區(qū)的15株杉木，樹齡最大的是1981年，最小的是1998年。

3.2.1經(jīng)歷周期3—9的杉木

1)經(jīng)歷周期3—9的杉木是在渝遂高速公路大學(xué)城隧道建設(shè)前就已定植的杉木，完整經(jīng)歷了渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道的大涌水。由表2可知，這類杉木在隧道區(qū)有25株，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有15株杉木具有相同的生長(zhǎng)變化趨勢(shì)，按各周期樹輪寬度制成生長(zhǎng)曲線(為方便視圖，從周期6開始顯示，后同)，見圖10。

Fig. 10Growth curves of 15 Chinese firs from 3 to 9 periods in tunnel area

由圖10可見： 所有杉木從周期7開始發(fā)生生長(zhǎng)衰退，直至周期9，樹輪寬度從周期7的平均2 794 μm下降到周期8的2 325 μm，再下降到周期9的1 346 μm；周期7—8的衰退幅度平均達(dá)16.8%，周期8—9的衰退幅度平均達(dá)42.1%，周期7—9的衰退幅度平均達(dá)51.8%。

2)對(duì)照區(qū)有11株同一時(shí)期的杉木，其生長(zhǎng)曲線見圖11。其中，只有4株與隧道區(qū)一樣從周期7開始生長(zhǎng)衰退直至周期9，不具有普遍特征。

3.2.2經(jīng)歷周期8—9的杉木

1)這類杉木在成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道施工前才剛穩(wěn)定生長(zhǎng)，在隧道區(qū)有5株，其生長(zhǎng)曲線見圖12。由圖12可見： 所有杉木都呈生長(zhǎng)衰退狀態(tài)，即從周期8至周期9，生長(zhǎng)狀況變差，衰退幅度平均達(dá)到41.9%，樹輪寬度從周期8的平均3 308 μm下降到周期9的 1 923 μm。

Fig. 11Growth curves of 11 Chinese firs from 3 to 9 periods in controlled experiment area

Fig. 12Growth curves of 5 Chinese firs from 8 to 9 periods in tunnel area

2)對(duì)照區(qū)只有4株同一時(shí)期的杉木，其生長(zhǎng)曲線見圖13。由圖13可知： 有3株在周期8—9呈生長(zhǎng)衰退趨勢(shì)，衰退幅度平均達(dá)到24.3%，樹輪寬度從周期8的平均2 866 μm下降到周期9的2 169 μm。

Fig. 13Growth curves of 4 Chinese firs from 8 to 9 periods in controlled experiment area

3.2.3不同樣線、樣地上的杉木

本文從隧道區(qū)每個(gè)樣地采得的樣本數(shù)基本相同，不同樹齡的杉木在各樣地也都有分布，對(duì)隧道區(qū)的3類杉木而言，其生長(zhǎng)曲線變化趨勢(shì)是大部分樣本都具備的普遍特征。因此，不同樣線、樣地上的杉木生長(zhǎng)情況不存在明顯差異。

4　隧道地下水漏失對(duì)植物生長(zhǎng)的影響分析及對(duì)策探討

4.1　馬尾松、杉木生長(zhǎng)與降雨的關(guān)系

將隧道所在沙坪壩區(qū)1963—2013年的年降雨量數(shù)據(jù)歸為9個(gè)周期，并計(jì)算9個(gè)周期的年降雨量均值。年降雨量最大均值為周期7的1 182 mm，最小均值為周期9的1 003 mm，差距有179 mm。周期1—6年降雨量的變化幅度很小，曲線較平緩，在1 100 mm左右。將降雨變化趨勢(shì)與不同樹齡馬尾松及杉木的生長(zhǎng)趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比，可知年降雨量變化趨勢(shì)最明顯的2個(gè)時(shí)期(周期6—7和周期7—9)中，對(duì)照區(qū)馬尾松和杉木的生長(zhǎng)趨勢(shì)基本與之相反或無(wú)相關(guān)性，地下水影響區(qū)馬尾松和杉木的生長(zhǎng)趨勢(shì)也與之大不相同。因此，研究區(qū)內(nèi)，降雨不是影響馬尾松及杉木生長(zhǎng)的主要因子。

4.2　隧道建設(shè)地下水漏失對(duì)馬尾松的影響分析

4.2.1襄渝鐵路中梁山隧道的影響分析

本次采集的隧道區(qū)馬尾松，經(jīng)歷過(guò)襄渝鐵路中梁山隧道地下水大量漏失的馬尾松分2種： 在隧道修建前就已穩(wěn)定定植的馬尾松，在施工后期都出現(xiàn)了生長(zhǎng)衰退，且衰退幅度很大，達(dá)到71.4%；在隧道施工中或運(yùn)營(yíng)初期才定植的馬尾松，在地下水涌失后才出現(xiàn)生長(zhǎng)衰退，且衰退幅度僅43.5%。此外，前者生長(zhǎng)低谷期長(zhǎng)達(dá)15年，后生長(zhǎng)逐漸恢復(fù)，判斷出現(xiàn)恢復(fù)的時(shí)間與地表井、泉開始出現(xiàn)恢復(fù)的時(shí)間段基本一致；后者生長(zhǎng)低谷期也較長(zhǎng)，生長(zhǎng)出現(xiàn)恢復(fù)的時(shí)間也與地表井、泉開始出現(xiàn)恢復(fù)的時(shí)間段相關(guān)，二者相同的是迄今基本上都未恢復(fù)到原生長(zhǎng)水平。由此可見，1968年修建、“以排為主”設(shè)計(jì)的襄渝鐵路中梁山隧道在施工建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)初期由于地下水大量漏失對(duì)馬尾松的生長(zhǎng)產(chǎn)生了較大影響，且影響周期長(zhǎng)。

4.2.2渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道的影響分析

對(duì)隧道區(qū)僅經(jīng)歷過(guò)渝遂高速公路大學(xué)城隧道(2004年建)和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道(2010年建)建設(shè)期的18株馬尾松而言，有13株是從周期8(2004—2009年)至周期9(2010—2013年)出現(xiàn)了生長(zhǎng)衰退，衰退幅度達(dá)23.9%，其中9株是從周期7(1998—2003年)開始連續(xù)衰退，也就是在渝遂高速公路大學(xué)城隧道建設(shè)前，受區(qū)域影響，9株馬尾松的生長(zhǎng)開始衰退，僅有4株馬尾松在2004年之后開始出現(xiàn)衰退，并且最快的衰退區(qū)間出現(xiàn)在周期9(2010—2013年)，這說(shuō)明成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道建設(shè)對(duì)馬尾松生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的影響，而渝遂高速公路大學(xué)城隧道產(chǎn)生的影響相對(duì)較小。

4.2.33座隧道建設(shè)對(duì)馬尾松影響的綜合分析

橫穿中梁山山脈3座隧道的設(shè)計(jì)標(biāo)高為275～323 m，埋深基本相同，通過(guò)選擇該區(qū)域代表物種馬尾松生長(zhǎng)情況監(jiān)測(cè)分析可知，襄渝鐵路中梁山隧道對(duì)本區(qū)植被產(chǎn)生的影響最大，后2座隧道影響相對(duì)要小。主要原因?yàn)椋?1)襄渝鐵路中梁山隧道是中梁山山脈在水文地質(zhì)單元內(nèi)修建最早的一座特長(zhǎng)隧道，它的開建是對(duì)馬尾松的第1次擾動(dòng)，在施工后期出現(xiàn)了馬尾松生長(zhǎng)的快速衰退，經(jīng)過(guò)多年后，本區(qū)逐漸形成新的水文地質(zhì)環(huán)境； 2) 襄渝鐵路中梁山隧道一直是“以排為主”，地下水漏失量嚴(yán)重，地下水位下降幅度最大(局部水位下降10.2 m)，持續(xù)的周期最長(zhǎng)(15年)； 3)大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道是在襄渝鐵路中梁山隧道建設(shè)運(yùn)營(yíng)30多年后，基本穩(wěn)定的新的水文地質(zhì)環(huán)境影響區(qū)先后開建，且采用“以堵為主”的設(shè)計(jì)原則建設(shè)，因此，總體上對(duì)本區(qū)馬尾松的影響較?。?4)對(duì)經(jīng)歷過(guò)襄渝鐵路中梁山隧道影響的老馬尾松而言，在受到大量、快速、持續(xù)失水的顯著影響后，它們?cè)诿媾R渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道的地下水漏失影響時(shí)，只有少數(shù)幾株在周期8到周期9時(shí)有輕微的衰退，說(shuō)明馬尾松在經(jīng)歷過(guò)水分虧缺的影響30余年后，已改變了水分吸收策略，調(diào)整自適應(yīng)生存環(huán)境。

樣地監(jiān)測(cè)表明，隧道區(qū)各樣線上不同樣地之間馬尾松生長(zhǎng)沒有明顯差異，這說(shuō)明： 1)同一環(huán)境下，不同海拔、不同水文地質(zhì)類型對(duì)馬尾松生長(zhǎng)沒有顯著影響； 2)隧道建設(shè)致使地下水漏失會(huì)影響到整個(gè)水文地質(zhì)單元，馬尾松生長(zhǎng)衰退的范圍至少在隧道兩側(cè)1 km以上。

4.3　隧道建設(shè)地下水漏失對(duì)杉木的影響分析

由于杉木分布面積相對(duì)較小，采樣樣地?cái)?shù)較馬尾松少，且其樹齡普遍偏小，在襄渝鐵路中梁山隧道施工前沒有成功定植的樣本，因而調(diào)查結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)襄渝鐵路中梁山隧道地下水漏失對(duì)杉木產(chǎn)生的影響；但通過(guò)監(jiān)測(cè)同齡杉木和馬尾松，發(fā)現(xiàn)杉木對(duì)地下水變化更敏感，而經(jīng)歷襄渝鐵路中梁山隧道涌水的老馬尾松平均衰退幅度達(dá)到71.4%，因此推測(cè)，襄渝鐵路中梁山隧道的建設(shè)對(duì)杉木生長(zhǎng)衰退的影響遠(yuǎn)大于大學(xué)城隧道、歌樂(lè)山隧道涌水后的衰退幅度。

隧道區(qū)杉木樣地監(jiān)測(cè)顯示，渝遂高速公路大學(xué)城隧道動(dòng)工之前，隧道區(qū)樣地在周期7(1998—2003年)具有有效樹輪寬度均值的25株杉木樣本中，有15株出現(xiàn)了從周期7至周期9的生長(zhǎng)衰退，而周期8(2004—2009年)正是渝遂高速公路大學(xué)城隧道施工涌水期及運(yùn)營(yíng)初期，周期9(2010—2013年)是成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道施工涌水期。這15株杉木發(fā)生的生長(zhǎng)衰退，與工程建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期涌水情況吻合，響應(yīng)的杉木樣本占到總樣本的60%。

在對(duì)照區(qū)，同期生長(zhǎng)的11株杉木中，僅有4株與隧道區(qū)樣地一樣從周期7—9出現(xiàn)生長(zhǎng)衰退，占到36%，由此可知，渝遂高速公路大學(xué)城隧道建設(shè)地下水漏失對(duì)杉木生長(zhǎng)造成了影響。在這些生長(zhǎng)一直衰退的4株杉木樣本中，周期7—8的衰退幅度平均為16.8%，周期8—9的衰退幅度平均達(dá)42.1%；在隧道區(qū)樣地經(jīng)歷了2個(gè)周期的杉木，100%出現(xiàn)了從周期8(2004—2009年)至周期9(2010—2013年)的生長(zhǎng)衰退。

綜上分析，對(duì)照區(qū)同齡杉木雖然也呈生長(zhǎng)衰退趨勢(shì)，但衰退幅度24.3%，遠(yuǎn)低于隧道區(qū)41.9%的杉木衰退幅度。可見，在渝遂高速公路大學(xué)城隧道的基礎(chǔ)上，成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道施工進(jìn)一步加劇了對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響。

4.4　基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的地下水限量排放對(duì)策探討

“以堵為主、限量排放”的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是地下水排放量如何定?，F(xiàn)有排放量的確定多依靠工程類比法，例如重慶市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中提出的隧道控制排放量為1～5 m3/(m·d)。目前對(duì)限量排放中可允許的排放流量的確定，缺乏科學(xué)的量化依據(jù)?；谙逵彖F路中梁山隧道地下水漏失而生長(zhǎng)緩慢的馬尾松，在經(jīng)歷了十幾年的生物量極低值后，于1997年之后，生物量開始上升，建議將此階段的最低地下水位[12-13]作為隧址區(qū)地下水生態(tài)平衡埋深下限值，進(jìn)而確定中梁山地區(qū)隧道的“以堵為主、限量排放”中限量排放的生態(tài)地下水位值，在其他氣象條件和水文地質(zhì)條件相似的馬尾松林區(qū)，也可參考使用這一生態(tài)地下水位值。

5　結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)穿越中梁山山脈通向重慶市區(qū)西部的3條重疊相交巖溶隧道(襄渝鐵路中梁山隧道、渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道)的地下水漏失對(duì)生態(tài)環(huán)境及植被生長(zhǎng)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與綜合分析，利用樹輪寬度均值探討了地下水漏失對(duì)隧道區(qū)優(yōu)勢(shì)植物(馬尾松、杉木)的生長(zhǎng)影響，提出了基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的隧道地下水“以堵為主、限量排放”的建設(shè)思路。

1)通過(guò)樹輪寬度均值分析，闡明了地下水漏失對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)植物個(gè)體的生長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生影響，“以排為主”的襄渝鐵路中梁山隧道造成馬尾松生物量明顯降低(衰退幅度達(dá)71.4%)，生長(zhǎng)低谷期長(zhǎng)達(dá)15年，證明了即便在降水量豐富的非干旱區(qū)，植物個(gè)體也會(huì)因大量地下水漏失而嚴(yán)重影響生長(zhǎng)；而“以堵為主、限量排放”的渝遂高速公路大學(xué)城隧道和成渝客專鐵路歌樂(lè)山隧道對(duì)馬尾松的影響則相對(duì)要小。

2)3條隧道的建設(shè)對(duì)杉木的生長(zhǎng)都產(chǎn)生了不利影響，襄渝鐵路中梁山隧道的影響最大，在隧道軸線上方兩側(cè)1 km范圍的馬尾松和杉木生長(zhǎng)均受到了一定影響，不同的地層巖性和地下水類型對(duì)馬尾松和杉木的生長(zhǎng)狀況影響差異不大。

3)基于馬尾松出現(xiàn)生長(zhǎng)恢復(fù)的時(shí)期(1992—1997年)，建議將此階段的最低地下水位作為隧道區(qū)地下水生態(tài)平衡埋深下限值，進(jìn)而確定中梁山地區(qū)隧道的“以堵為主、限量排放”中限量排放的生態(tài)地下水位值，為巖溶山區(qū)隧道限量排放的地下水位控制提供參考。

下一步研究工作，可通過(guò)對(duì)隧道區(qū)與對(duì)照區(qū)的土壤特征(厚度、成分和保水性等)及水文地質(zhì)特征進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，分析不同土壤特性和水文地質(zhì)特征可能會(huì)對(duì)樹木年輪產(chǎn)生的影響，以判斷地下水漏失對(duì)樹木年輪寬度降低的影響程度。