第 1 章 绪 论
1.1 选题依据及研究意义
本课题依托肖长来教授与吉林省环境科学研究院合作，吉林省环境科学研究院所申请的吉林省科技攻关项目《吉林省西部土地整理生态环境风险评估及防治对策研究》，以吉林省西部具有代表性的五家子灌区、大安灌区和松原灌区为研究对象，分析了引水灌溉对研究区地下水环境风险影响，建立了灌区地下水环境风险评价指标体系，对灌区地下水环境风险进行了综合评价，研究对于促进灌区生态环境的改善和农业的可持续发展有着重要的作用。灌区在保证国家粮食安全，促进国民经济增长、推动农业发展和保护生态环境上有着举足轻重的作用。首先，我国是世界人均粮食占有率较低的国家，我国城市化正在进入一个快速发展的阶段，扩大东北大米的生产能力是符合科学发展观的必然战略，是国家粮食安全的保证。其次，水资源的利用水平决定了农业发展水平。在盐碱地上开发水田，科学合理的利用水资源，是推动农业快速发展的重大举措。最后，通过土地整理，形成的稻田和人工湿地环境能使生态环境进一步优化，旱、涝、洪、盐碱、风沙威胁等自然灾害可以得到抑制。灌区内沟渠路林配套，平畦沃野，绿树成荫，使灌区成为一个良好的自然生态系统和人工生态系统的融合体；通过工程措施和合理开发，灌区内的土壤得到改良；灌区开发后，水田面积大幅度增加，改变了下垫面的情况，灌区水体增加缓解了气温的升降速度，使气温趋于平缓，水汽来源充足，项目区的绝对湿度增加，给农业生长带来好处；灌区为生物的多样性提供了良好的条件。
吉林省西部属于半干旱地区，在环境变化和人为不合理利用的双重因素作用下，项目区生态环境日益恶化。根据 80 年代与 90 年代的遥感影像解译结果，吉林省西部局部土地沙漠化有继续恶化的趋势，土地荒漠化(沙漠化与盐碱化)正在向东转移。盐碱化面积逐渐扩大，而且轻度盐碱化快速向中重度盐碱化转化。土壤盐渍化是困扰人类的一个古老问题，也是限制植物生长的重要环境因素之一[1～6]。吉林西部低平原是我国粮食主产区之一，2008 年吉林省西部粮食产量为 1125 万吨，占吉林省粮食产量的 40%。但吉林西部地区属于半干旱地区，降水量少、蒸发量大，无灌溉农业在本区可持续性较差。吉林省西部由于第二松花江、霍林河、洮儿河和嫩江流过，过境水资源量约 300 亿 m3/a 左右，地表水过境水量比较丰富[7]，水资源利用潜力巨大，如何利用丰富的过境水资源为项目区开发提供可靠的水资源保障是吉林西部水资源的重要课题。通过逐步完善水利工程措施和对土壤进行改良，可以从根本上解决水土资源不匹配问题和水资源短缺的问题，从而推动区域农业快速发展。因此，灌区在保证国家粮食安全，促进国民经济增长、推动农业发展和保护生态环境上有着举足轻重的作用。另一方面，土地整理涉及的农田水利工程势必对地下水产生诸多影响。如农田灌溉方式不当引起的土壤次生盐碱化，农业的面源污染对地下水产生影响等环境问题。正因为灌区的发展一方面解决国家粮食问题，另一方面也对环境产生较大的影响，特别是灌溉对地下水和环境的影响尤为突出，因此针对吉林西部地区，灌区土地整理对地下水环境风险影响研究，建立评价指标体系，提出评价方法，正确评价灌区土地整理对地下水的影响，从根本上解决和减轻灌溉对地下水的影响是非常重要的，研究对进一步推动高产稳产的灌溉农业，减少和降低灌溉对地下水的影响具有重要的理论意义与实际应用价值。我国是一个农业大国，灌区农业生产具有较强的不确定性和一定的风险性，因此对土地整理工程实施后地下水及环境演化问题进行深入系统的研究，对灌区的发展、环境的改善以及粮食安全和引水安全均具有深远的影响和重要的意义。
1.2 国内外研究现状
1、 灌溉对地下水环境影响研究
由于引地表水灌溉，导致灌区地下水土中盐分发生较大的变化。尤其在干旱、半干旱地区，当采取合理的调水灌溉措施时，可从根本上改变区域水、盐平衡状况及水、土资源组合平衡状况，使其结构和功能趋于稳定，极大改善缺水地区的生态危机和人类生存的生态与环境。如果灌溉方式不当，导致地下水补给量加大，地下水位抬升，水土、水盐动态平衡被打破，强烈的蒸发作用和排水不畅导致土壤次生盐渍化产生，引水灌溉也是形成水浸、沼泽化的重要影响因素。因此，目前针对引水灌溉对地下水影响方面的研究也较多。一方面，引水灌溉对生态环境起到改善作用，对粮食生产起到促进作用。王家柱[8]对巴基斯坦灌区进行研究后认为，巴基斯坦“西水东调”工程实施后，改善了灌区土壤盐分状况，土壤盐渍化面积下降了 16%。万咸涛[9]等对国外长距离调水灌溉对生态与环境的影响进行分析，认为美国加利福尼亚州调水工程使上千亩土地得到灌溉，社会、环境和经济效益显著；前苏联中亚地区，引水灌溉后，粮食产量增加，部分地区变成了生态绿洲。郑宜国[10]等对我国山东省济南市胡家岸灌区进行研究后认为，通过引黄灌溉遏制了地下水位持续下降趋势，对区域内水生态环境改善发挥了积极作用。崔亚莉[11]等对我国西北地区灌区进行研究后认为，在灌区排水条件改善的情况下，引用地表水灌溉改善了当地的生态环境。肖长来[12]等利用 GMS 分析了五家子灌区受灌溉影响后地下水及生态环境，结果表明灌区引水工程完成后能促进灌区盐碱地的洗盐作用，同时使地下水水质变好。另一方面，灌溉农业相伴而生的土壤次生盐渍化，是世间各国灌溉历史上普遍存在的。19 世纪以来，一些古老的灌区，如底格里斯——幼发拉底河、印度河、尼罗河以及许多因灌溉不善而引起土壤次生盐渍化的国家和地区，引起人们的广泛关注[13]。2006 年，Eric Houk[14]等利用 GIS 技术，研究了科罗拉多州的阿肯色河灌区，由于灌溉造成的土壤盐碱化对农业的影响。建国初期，我国在开发大型灌区、发展灌溉以及扩大灌溉面积中，也曾导致大面积土壤出现过严重的次生盐渍化，产生了不良后果。贾大林[15]在对黄淮海平原旱涝碱综合治理研究后认为，20 世纪 50 年代末期，在黄淮海平原上大量引黄灌溉和平原蓄水，是引起平原北部大面积土壤盐渍化的原因，因此盐渍土面积增加。郭占荣[16]，吴申燕[17]和刘和林[18]对我国西北干旱区，如河西走廊、塔里木盆地、准噶尔盆地南缘、柴达木盆地、河套灌区、银川平原、关中盆地等进行了研究，认为这些地区是以盆地地形为主，是典型的干旱荒漠区，地形闭塞，降水极少，蒸发强烈，大量引地表水灌溉以及平原水库的修建，加上排水系统的不完善，引起了地下水位上升，土壤盐分随着水分蒸发向土壤表层运动，出现了土壤次生盐渍化。
第 2 章 研究区概况
2.1 自然地理和社会经济概况
2.1.1 地理位置
根据吉林省西部土地整理的主要项目区，本次工作的研究区为五家子灌区、大安灌区、松原灌区，均分布于吉林省西部低平原。五家子灌区位于吉林省白城市镇赉县低平原，东南以平齐铁路为界，西至洮北区与镇赉交界线，北至英华乡五家子屯。灌区地理坐标为北纬 45°52′~46°4′，东经122°58′~123°15′。镇赉县交通便利、齐平铁路贯穿全县，长白铁路和白齐公路在境内通过，县内村村有公路，村村通客车。大安灌区位于吉林省大安市中部。东为嫩江一级阶地组成的大安台地，西为大安安广及平安镇所在的台地，北临洮儿河河口的月亮泡水库，南抵霍林河末端北岸及查干湖。地理坐标为北纬 45°20′~45°40′，东经 123°45′~125°00′。大安市交通便利，公路、铁路、水路纵横交错，四通八达。长白、通让铁路在大安北站相交。图乌(图们—乌兰浩特)公路和安乾(安广—乾安)公路是市内公路主要干线，图乌国家一级公路由东至西贯穿全境。嫩江是大安水运通道，从大安溯江而上，可达黑龙江省嫩江港；顺流而下，可通往哈尔滨、佳木斯，直抵俄罗斯五个开放的港口，并可通过尼古拉耶夫斯克港(庙街)直接进入日本海。松原灌区位于吉林省松原市。北邻嫩江、洮儿河、松花江，南接松辽分水岭台地。灌区地理坐标为北纬 44°22′~44°45′，东经 114°30′~115°35′。松原灌区分为三个部分：第一部分为东灌区，位于第二松花江右岸的冲积湖积平原上，隶属于松原市扶余县；第二部分为前郭灌区，位于第二松花江冲积平原上，隶属于前郭县和宁江区；第三部分为西灌区，位于第二松花江和霍林河的冲积湖积平原上。本次研究前郭灌区和西灌区。松原市交通便利，京哈、京齐、长白、通让四条铁路穿越境内，与明沈、京哈、科铁、珲乌、长白等国省级公路干线形成贯穿东西南北的交通网络。
第 3 章 土地整理对灌区地下水环境的影响........ 25
3.1 土地整理的设计方案 ...... 25
3.2 土地整理对灌区地下水水量的影响 ...... 26
3.3 土地整理对灌区地下水水质的影响 ...... 50
3.4 土地整理对灌区土壤次生盐渍化的影响 .... 57
3.5 土地整理对退水区地下水环境的影响 ........ 59
3.6 土地整理对下游地区干旱风险的影响 ........ 63
3.7 灌区作物种植结构多目标优化模型 .... 70
3.7.1 模型的建立 .... 71
3.7.2 灌区作物种植结构优化 ........ 72
第 4 章 灌区地下水环境风险指标体系研究........ 74
4.1 地下水环境风险评价的内涵 ...... 74
4.2 评价指标体系 ...... 74
4.3 灌区地下水环境风险影响因素 ........ 75
4.4 指标体系的构建和风险等级的划分 ...... 89
第 5 章 灌区地下水环境风险评价...... 91
5.1 灌区基本情况 ...... 91
5.2 应用模糊综合评价法对灌区.... 92
5.3 应用突变理论对灌区地下水环境风险........ 101
5.4 应用对数型幂函数指数
