防止張掖城市濕地周邊地區土壤鹽漬化的地下水臨界深度確定

趙榮昌,巴建文,秦曉燕,馬小泉,劉振華,田遼西

(甘肅省地礦局水文地質工程地質勘察院,甘肅 張掖 734000)

防止張掖城市濕地周邊地區土壤鹽漬化的地下水臨界深度確定

趙榮昌,巴建文,秦曉燕,馬小泉,劉振華,田遼西

(甘肅省地礦局水文地質工程地質勘察院,甘肅 張掖 734000)

針對張掖北郊濕地區土壤鹽漬化嚴重的實際情況,利用經驗公式估算法和實測數據分析法研究和確定了張掖濕地區土壤鹽漬化地下水臨界深度值為 2.9 m,并討論臨界深度的確定對于防治土壤鹽漬化和濕地周邊地區生態保護的意義。

張掖城市濕地;土壤鹽漬化;地下水臨界深度

我國現有鹽漬化土壤 0.17×108hm2,近 1/3的灌區土壤存在鹽漬化問題[1]。甘肅省的鹽漬化土壤主要分布在河西走廊,尤以張掖、酒泉和武威地區最為嚴重。截止 1996年,全省重度鹽漬化土壤對生態環境損害造成的經濟損失至少 140億元(1996年幣值),土壤鹽漬化嚴重地制約了我省經濟和生態環境的可持續發展[2]。張掖市平原區南北高、中間低的地貌格局,以及降水的垂直分布特征和氣候干燥的特點,容易使鹽分在地勢低洼的土壤中積累,促進土地鹽漬化的發育。

土壤鹽漬化是指土壤層中可溶鹽含量向增高方向發展成為鹽漬土的過程。潛水埋深淺小,在強烈的蒸發蒸騰作用下,土壤及包氣帶蒸發失水,可通過毛細帶源源不斷地得到潛水水量和所含鹽分的補給,持續的蒸發可使土壤不斷積鹽。若降水和地表水下滲量較小,難以在土壤層中形成有效的脫鹽過程,土壤中的鹽分含量就會越來越高,最終發育成鹽漬土。

由此可見,淺埋的地下水位和強烈的蒸發作用是形成土壤鹽漬化的動力條件。土壤鹽漬化的主要影響因素有地下水位埋深、包氣帶巖性及結構、地下水含鹽量等。

“地下水臨界深度”于 1931年由原蘇聯土壤科學家波勒諾夫針對土壤次生鹽漬化問題提出,現已成為土壤改良學中的重要概念。關于地下水臨界深度學術界至今仍沒有一個統一的定義,但有一個共識就是“既不引起土壤嚴重積鹽,又不危害作物生長的最小地下水埋藏深度”,稱之為“臨界深度”。[3][4][5]本文根據張掖市北郊濕地的有關實測資料,對該區的地下水臨界深度進行了探討,以期為改良該濕地周邊業已存在的土壤鹽漬化現象和濕地的生態可持續發展提供科學依據。

1 區域概述

張掖城市濕地保護區東起張火路、西至黑河主河道西岸,南北分別以城區北環路、蘭新鐵路為界,總面積51.39 km2。研究區屬北溫帶大陸性干旱氣候,具有降雨稀少、蒸發強烈、晝夜溫差大、日照時間長、四季分明等氣候特點。年平均降水量128.2mm,蒸發量 2020.2mm。降水多集中于 6～9月。

濕地西南部黑河灘一帶,巖性為單一砂礫卵石層,城區以南地帶表層是灰黃色亞砂土或亞粘土,厚度 1～3m,下部為大厚度的砂礫卵石層,城區以北為上部為亞粘土、亞砂土,砂礫卵石層中夾有多層砂及亞粘土互層,砂層單層厚度多大于10m。

盆地內蘊藏著豐富的松散巖類孔隙水。南部山前洪積扇頂部水位埋深大于 200 m,含水層由粗顆粒的砂礫卵石組成;至扇中地帶,水位埋深 150～50m,含水層中含泥質漸多,及扇緣和細土平原南部,水位埋深 50～10 m,含水層顆粒漸細,由單一的潛水層漸變為多層的潛水 -承壓水含水綜合體;城區北部 -黑河、山丹河沿岸地帶水位埋深小于 3m,溝壑和洼地內,有成片泉水出露,形成常年性積水濕地以及鹽堿濕地、草甸濕地。

地下水主要接受濕地區以南的地下徑流側向補給、其次為濕地內黑河河道入滲補給及灌溉渠系、田間水入滲補給等。濕地區表層潛水則主要受渠系、田間灌溉水的入滲補給。

2 地下水臨界深度的計算與確定

2.1 經驗公式估算法

當潛水埋藏不深,毛細帶上緣離地面較近時,毛細水在強烈蒸發作用下由液態轉為氣態進入大氣,而鹽分則殘留在包氣帶中。潛水源源不斷的通過毛細作用上升供給,使得蒸發不斷繼續,土壤表層鹽分不斷的積累。這一過程俗稱“水去鹽留”。一次大的灌溉或降水的入滲流會攜帶土壤鹽分下滲,使包氣帶獲得一段脫鹽過程。之后土壤水分運動轉為蒸發,繼續前面的積鹽過程。通過上述水鹽運動的描述可以看出:土壤易發生鹽漬化地區的地下水位需要人工控制,水位過深會影響植被生長,過淺則會導致土壤次生鹽漬化。一般以零通量面最大發育深度再加上毛細管上升高度為宜。一般砂性土地下水位為 3m左右,粘性土為 5 m左右。

地下水臨界深度影響因素主要有氣候、土壤(特別是土壤的毛管性能)、水文地質(特別是地下水的礦化度)和人為措施四個方面。一般來說,蒸降比越大,地下水礦化度越高,地下水臨界深度就越大;壤質土壤地下水臨界深度比粘質土壤和砂質土壤地下水臨界深度大;表層結構良好、耕作管理精細的土壤,臨界深度較小。國內外關于地下水臨界深度的確定方法很多,比如田間調查法和毛細管上升高度法等。其中以毛細管上升高度法應用較為廣泛。

根據文獻[6]中介紹的方法,地下水臨界深度與毛細管上升高度和土層安全超高有關。其計算公式如下:

式中,Hk為地下水臨界深度(m);Hr為毛細管上升高度(m);△為安全超高(m)。

安全超高一般采用經驗值:當礦化度大于 10 g/L時,△取 0.5～0.6m;礦化度小于 10 g/L時,△取 0.2m。[7]

毛管水的驅動力是毛管力.毛管力指毛管中的液態水因為受到表面張力作用所承受的吸持力。土壤毛細管上升高度取決與土壤的空隙大小,包氣帶的巖性相關。張掖濕地研究區絕大部分地區地下水礦化度為 0.5～1.0 g/L,0～2m包氣帶巖性以壤土、砂壤土為主。根據已完成的工作可知此條件下毛細管上升高度分別為 2～4m和 1.5～2.5m(表 1)。

表1 土壤質地與其相關毛細上升高度

根據實際情況,本研究區地下水礦化度小于 10 g/L,安全超高△取 0.2m,巖性以壤土和砂壤土為主,毛細管上升高度(H r)取 2.5m。

根據公式(1)計算得地下水臨界深度:

Hk=Hr+△=2.5m+0.2m=2.7m

由此確定本區地下水臨界深度的經驗公式估算值為2.7m。

2.2 實測數據分析法

2.2.1 鹽漬土類型劃分

一般以單位土體中易溶鹽的含量來評價土壤鹽漬化的程度。通常以 100 cm和 30 cm土層中平均全鹽量進行劃分,本項研究中的數據以表層土為主,故以 30 cm土層的平均全鹽量來劃分鹽漬化程度。根據每千克土體中全鹽量的平均值,將土壤劃分為非鹽漬土、鹽漬土、輕鹽土、中鹽土、重鹽土和特鹽土 6級(表 2)[8]。

表2 鹽漬土類型劃分

2.2.2 實測數據分析

由濕地范圍內所測定的采樣點的全鹽量分析可知:當地下水埋深大于 3m時土壤一般不發生鹽漬化,只有在少數地勢低洼處因積水的濃縮作用而導致的表層土壤輕度鹽漬化。根據已做勘察工作數據選取典型采樣點,用典型采樣點的表層土全鹽量和水位埋深數據作散點圖(圖 1)。

圖1 表層土全鹽量與水位埋深關系

從圖中趨勢曲線中可以看出,水位越淺,表層土全鹽量越大;反之,水位埋深越大,土的全鹽量越小。水位埋深和表層土全鹽量趨勢線的關系式是:

式中 H表示地下水水位埋深,W是表層土的平均全鹽量。取鹽漬土臨界全鹽量 W=4 g/kg,對應的水位埋深H≈2.9m。從圖中的趨勢線可以看出,當地下水埋深大于2.9 m,土壤全鹽量小于 4 g/kg,土質為非鹽漬土;水位埋深在 0.8m至 2.9m時,土壤全鹽量 4～20g/kg,土質變為鹽漬化土壤;當地下水位埋深小于 0.8 m時,土壤全鹽量大于20 g/kg,土質鹽漬化程度加劇。因此,地下水埋深 2.9 m是土壤鹽漬化與否形成的臨界點,是土壤是否形成鹽漬化土的地下水臨界深度。

2.3 地下水臨界深度的確定

根據經驗估算法確定為 2.7m,實測數據分析法推測為2.9 m。為安全計取二者中的較大值,即 2.9 m作為張掖城市濕地的地下水臨界深度。該值的確定對 防止濕地土壤次生鹽漬化、維持濕地生態環境良性循環有積極意義。

3 確定地下水臨界深度的意義

3.1 改善濕地周邊地區水循環條件,防治土壤次生鹽漬化

確定地下水臨界深度可以有效的防止水鹽沿毛細管上升,從而大大降低包氣帶的含鹽量,使表層土壤的全鹽量降低,以防治土壤鹽漬化。

3.2 有利于維持濕地規模,調節區域氣候

確定地下水臨界深度可以使濕地區土壤進一步改良,這對改善濕地區的植物生長環境,維持濕地規模有積極的作用;還可以利用濕地調蓄大量水分,通過植被蒸騰蒸發,把水分源源不斷地輸回大氣中,增加空氣濕度,改善區域小范圍氣候。

3.3 有利于保護濕地區內及周邊工程設施

確定的地下水臨界深度大于濕地區凍土層深度,可以抑制大量水分進入冬季土壤淺部的冰土層,有利于控制春季土壤返鹽、減緩道路翻漿以及防治水位過高對建筑物的損壞。

[1]石玉林.西北地區土地荒漠化與水土資源利用研究.北京:科學出版杜,2004.

[2]魯春霞.甘肅省土壤鹽漬化及其對生態環境的損害評估[J],自然災害學報,2001:99-102.

[3]郭元裕.農田水利學[M].北京:中國水利水電出版社,1997:65一67,89一92.

[4]張明灶.土壤學與農作學[M].北京:中國水利水電出版社,1994:45-50.

[5]方生,陳秀玲.防治灌區土壤鹽堿化與水資源開發利用[J].水利規劃與設計,1997(4):23一 27.

[6]羊錦忠,李鳳嶺,郝孝文,等.土壤積鹽與地下水的關系[J].水利學報,1965,6(2):74一 80.

[7]王葆芳,楊曉暉,江澤平.引黃灌區水資源利用與土壤鹽漬化防治[J].干早區研究,2004,21(2):139一 143.

[8]陸景崗.土壤地質學[M].北京:地質出版社,1997.

Determ ine the critical depth of groundw ater in the city wetlands of Zhangye

ZHAO Rong-chang,BA Jian-wen,QIN Xiao-yan,MA Xiao-quan,LIU Zhen-hua,TIAN Liao-xi
(Institute of Hydrologic and Engineering geologic Survey,Gansu Province Bureau of Geology and Minera l survey,Zhangye,Gansu 734000,China)

For the serious soil salinization situation in wetland areas on the northern outskirts of Zhangye,through the measured data and reference the paststudy in some other areas,identified the critical depth of groundwater value in Zhangye wetland areas is 2.9m,and then discussed the significance of a critical dep th to determine for p revention and control of soil salinization,rationaluse of water resources ecologically sustainable of wetland area.

the city wetlands of Zhangye;soil salinization;critical dep th of groundwater

P642.15

B

1004-1184(2011)01-0034-02

2010-09-01

趙榮昌(1987-),男,甘肅永登人,助理工程師,主要從事水文地質、環境地質工作。