松原灌區包氣帶中鹽分與污染物濃度變化預測分析

趙 麗，尹 華

（吉林省水文水資源局，吉林 長春 130022）

土壤水鹽運移的理論問題起源于Darcy定律，固體熱傳導方程的發現為土壤溶質遷移研究提供了依據.自Buckingham把能量概念引入到土壤水研究，用偏微分方程描述非飽和土壤水的運移，建立了多孔介質中水流運動的基本方程，才開始了土壤水分的定量研究［1］.

隨著土壤水鹽運移機理研究的不斷發展，各種定量描述水鹽運動的模型也相繼問世.伴隨計算機的程序化、自動化發展和應用，對復雜的田間土壤水鹽運移的研究也越來越深入.在鹽分運移方面，主要通過鹽分運移的動力學理論進行模擬計算，并把取得的成果應用于鹽堿地改良實踐中，近年來相繼建立了各種模型進行這一領域的計算和預測［2］.

1 自然環境

松原灌區位于松嫩平原西部，東臨第二松花江，西至霍林河，北與查干湖接壤，南至大布蘇鎮，涉及松原市的前郭縣、乾安縣、寧江區和白城市的大安市.灌區地處干旱、半干旱氣候帶，多年平均降雨量為462.4mm，多年平均蒸發量為900mm，地理位置為東經123°30′51″～124°59′59″、北緯44°45′12″～45°22′22″.灌區內地形平坦開闊，土地資源十分豐富，湖泊洼地星羅棋布；湖泡水質多數較差，礦化度較高，多為微咸水、咸水.

松原灌區是哈達山水利樞紐的主要配套工程，更是吉林省增產百億斤商品糧能力建設的重點工程.建設松原灌區，對緩解吉林省西部地區農業干旱缺水問題具有重要意義.工程總投資56.46億元，設計工期7年.灌區共分前郭、乾安、大安龍海等3個灌片的12個子灌片.灌區設計灌溉面積19萬hm2，農業灌溉多年平均需引水量為10.31億m3.

松原灌區范圍總土地面積34.11萬hm2，設計灌溉面積為19萬hm2，其中，水田8.73萬hm2，旱田1.60萬hm2，天然草場2萬hm2.灌區建成后，將成為東北地區最大的灌區和國家新的重要商品糧基地.灌區運行后，也將帶來一系列的環境問題，其中灌區包氣帶鹽分含量、濃度的變化，就是其中之一.

2 模型概化

灌區建成運行后，對于地下水環境會產生一定影響，特別是回滲水入滲地下，包氣帶中鹽分將會進入潛水含水層中.本文利用數學模型對大安龍海、大布蘇、水字、洪字、余字、有字、戎字、紅星、前郭等9個子灌區運行后地下水包氣帶中污染物進行預測和分析.

2.1 模型建立條件

假設土壤表層在洗鹽后下滲的回歸水不再溶解土壤表層的鹽分，地下水位能夠控制在引起次生鹽漬化的極限埋深以下，每年冬春的返鹽來自于包氣帶內的殘余水分和鹽分，以毛管水和膜狀水向上運動.各子灌片水平方向上為均質各向同性，模型為垂向二維流.

模型使用有限單元法求解，預測包氣帶中的鹽分進入潛水層之前的濃度變化情況.

2.2 數學模型

水流控制方程采用修改過的Richards方程的對流－彌散方程，進行數值求解：

式中：θ為土壤體積含水率；h為水頭高度；k為水力傳導系數；s為根系吸水項；θr為殘余土壤含水率；θs為飽和土壤含水率；n，m為經驗參數.

初始條件：

式中：z為空間坐標，原點在地面，向下為正；h為負壓水頭高度（cm）；

鹽分運動基本方程：

式中：D為水動力彌散系數；c為溶質濃度；s為被吸附的固相濃度；q為土體中水的流速；ρ0，ρb為流體密度；λ1，λ2為經驗常數，與土壤質地和結構有關.

初始條件：

式中：z為空間坐標，原點在地面，向下為正；c為土壤溶液溶質濃度（g／cm3）.

上述方程中模型參數選自文獻［2］.

2.3 模型離散及參數

垂向剖分為三層，第一層為耕作層；第二層為死土層，即滲透性較差的堿化層；第三層為受鹽堿影響較小的包氣帶.模型主要參數見表1.

表1 模型中主要參數

續表1

3 預測結果

計算公式程序選自文獻［2］，文獻［3］對此計算公式進行了驗證.

由于植物根部對氮磷元素的吸收和其形態轉化作用，導致氮磷的損失，加之包氣帶對氮磷的吸附作用，所以不與鹽分同步遷移.回滲水進入到潛水含水層之前的濃度預測結果見表2.

表2 模型預測結果

4 預測結論分析

從模擬結果可見，灌溉回歸水的下滲過程中，由于包氣帶具有一定的吸附作用，以及回歸水在包氣帶下滲過程的混合和溢出作用，使得包氣帶對回滲水鹽分濃度的升高產生了一個緩沖作用，因此回滲水進入地下潛水面時，并不以回歸水的濃度峰值直接進入包氣帶，而是在時間上有延遲；進入地下水時其濃度峰值比回歸水濃度峰值有所降低，在時間上延遲了3～5a，然后濃度逐漸降低.總體上來說，包氣帶對回滲水鹽的濃度能起到“緩沖延遲”作用，如果包氣帶較薄，則這個混合緩沖作用將明顯弱于包氣帶較厚的情形［4］.

地表及包氣帶上層的鹽分來自區域內部，并不是由灌區之外輸送而來，且總鹽量是有限的.灌區運行之后，地下潛水的循環方式發生了改變.從區外每年引來11.39億m3的水量（礦化度（平均質量濃度）為165mg／L，對灌區鹽分影響不大），同時人工開采回灌和灌區配套排水溝渠等水利工程設施的合理運用，不僅可以對地表高濃度的鹽分有一個淋洗作用，而且可有效地降低地下潛水位，同時加快潛水循環更新的速度，使得地下潛水、包氣帶及包氣帶表層的鹽分將有一個空間再分配過程［2］.

灌區運行以后，地下潛水中的鹽分將有一個緩慢上升的過程，5～6a，鹽分上升達到峰值，平均上升500～600mg／L；然后，隨著回滲水的水質好轉，地下潛水水質還將有一個緩慢好轉過程，礦化度將在第10年左右，開始低于現狀值.灌區運行后，由于本區包氣帶和含水層的強吸附作用，磷的污染不易發生.潛水氨氮濃度會有所增加，污染程度加重.同時，由于本區居民不以潛水為生活飲用水，雖然地下潛水全鹽和氨氮含量會增加，但不會影響區域居民生活飲用水水源.

5 地下水環境保護措施

5.1 水位水質監測

項目建設期間和項目運行期間，應合理布置監測孔位，每個灌片不少于3個監測孔，監測地下潛水層和承壓水層的水位和水質，每日記錄地下水位，每周記錄地下水水質變化情況，包括總鹽、重碳酸根、鈉、鈣、氯和硫酸根離子含量，以防止潛水位過高引起次生鹽漬化問題.

5.2 合理設計，穩定運行

要保證各項工程措施配置合理，包括引水渠、排水渠和人工開采回灌等各項設施設計合理、布局準確，且能夠正常運轉.

5.3 合理有效地使用化肥和農藥

推廣綠色農業，合理施用農藥化肥，以地定量，減少農藥化肥流失量，控制農業退水對灌區淺層地下水的污染.由于農業退水中農藥和化肥殘留物是造成湖泊發生富營養化的主要原因之一，因此還要預防農業退水對附近湖泊、泡塘富營養化的影響.

5.4 嚴格控制地下水開采

地下水過度開采也是導致地下水水質惡化的原因之一.由于過度開采會導致地下水水位下降，甚至形成局部地下水漏斗，以至于地面沉降和塌陷，破壞了原有地下水的補徑排平衡關系，造成地下水水質惡化，因此當地水行政主管部門應制定區域地下水壓采、水源配置、地下水人工補給、地下水生態修復等方案內容，科學管理地下水的開發利用和保護.

5.5 建立灌區地下水監控體系

完善地下水動態監控體系，實現GPS監測與分層、分類監測自動化，提高監測成果時效性和科學性，科學掌握地下水水位動態變化及其水質的變化過程，適時調整地下水開采量和開采計劃，實現區域地下水動態管理.

6 結語

松原灌區是吉林省的重要灌區，是保證吉林省增產百億斤糧食的重要工程.在保證高效增產的同時，也要注意保護好灌區地下水環境，采取可行和穩妥的有效措施，切實保護好珍貴的地下水資源，使得人類生產與自然環境和諧、健康、可持續發展.

［1］楊會峰.次生鹽漬化地區包氣帶水鹽運移試驗及地下水位動態調控研究［D］.北京：中國地質科學院，2011.

［2］馬廣慶.吉林省西部松原灌區水田開發對地表水和土壤環境的影響［D］.長春：吉林大學，2010.

［3］孫立強.松原灌區蘇打鹽堿土泡田過程鹽分釋放規律室內模擬研究［D］.長春：中科院東北地理與農業生態研究所，2010：6.

［4］尹華，劉文，吳延東，等.長春市淺層地下水水質現狀評價及變化趨勢分析［J］.東北師大學報：自然科學版，2009，41（2）：173－174.