吉林省西部地區土壤鹽漬化及防治簡析

盧長偉, 劉洪鋮, 趙曉明

(吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春 130012)

吉林省西部地區土壤鹽漬化及防治簡析

盧長偉, 劉洪鋮, 趙曉明

(吉林省水利水電勘測設計研究院,吉林 長春 130012)

鹽漬化土的化學及工程特性研究對鹽漬化土地綜合利用及水利工程建設項目至關重要;鹽漬化的形成主要受地下水及氣象因素、湖泡萎縮、微地貌及水利工程建設與管理影響;鹽漬化土含鹽量高、pH值高、高壓縮性、低抗剪強度;土壤改良可通過工程及生物措施;鹽漬土用于土方填筑改良措施仍有待研究。

鹽漬化;地下水;蒸發量;毛細水作用;化學特性;物理力學特性;改良措施

吉林省西部地區分布有大量的鹽漬化土,主要分布于白城地區大安市、鎮賚縣、洮南市、通榆縣和松原地區長嶺縣、乾安縣、前郭縣大部分地區,松原地區的扶余、寧江和四平地區的梨樹縣、雙遼市、公主嶺及長春地區的德惠市、農安縣的部分地區。總面積約16 185.3 km2,其中耕地面積(輕度鹽漬化區)為4 258.4 km2,占26.3%;非耕地面積11 926.9 km2,占73.7%。土壤鹽漬化造成大量土地荒漠化,同時改變了土的物理、化學及力學性質,使該區土壤及工程地質條件呈現特殊性。

近年來隨著東北老工業基地振興戰略的實施及區域社會發展的需求,該區水利工程建設進入高峰期。鹽漬化土的特殊性質、對工程的影響以及如何治理對該區內土地綜合利用及水利工程建設至關重要。

1 鹽漬化土的分布

1.1 區位分布

吉林省西部地區土壤鹽漬化總體沿原湖泡周邊及渠系周邊分布。區位上由東向西鹽漬化程度呈現由弱至強趨勢。

(1) 湖泡周邊鹽漬化:該區內霍林河沖積平原、洮兒河沖積平原及松嫩平原湖泡星羅棋布,大小湖泡達600多個。其中內流型湖泡約500多個,主要分布于長嶺、乾安和通榆,湖水不外流,屬止水型,水源主要靠大氣降水補給,無地表徑流排泄途徑。雨季降水多,湖面擴大,春秋季降水少,蒸發強,湖面縮小,甚至干涸。從20世紀50年代開始,隨著湖泡萎縮,湖泡周邊呈現鹽漬化現象,對于外流型湖泡主要分布于嫩江下游和松花江下游區域,湖泊大,湖水受江河及灌區退水補給,水面相對穩定。如查干湖、大布蘇泡,水深多為1.0～2.0 m,最深可達4.0 m,湖水一般pH值高,鹽堿含量較高。近年來,由于氣候干旱和湖面蒸發強烈,湖面大幅縮小,周邊土壤產生鹽漬化。

(2) 灌區渠系周邊鹽漬化:吉林省西部地區開發的灌區較多,大型灌區主要有前郭灌區、梨樹灌區、洮兒河灌區。運行時間均較長,由于渠系運行管理不善,渠系周邊產生不同程度鹽漬化現象。

1.2 垂直分布

根據前郭灌區、大安灌區、松原灌區、吉林省西部地區河湖聯通工程等多個工程現場取樣分析,土壤鹽漬化現象主要發生在0.0～1.5 m深度范圍之內,表部0.5 m范圍內鹽漬化最為強烈,現由上向下呈減弱趨勢,且鹽漬化發育深度受地下水位及氣候環境等多種因素制約。

2 鹽漬化形成機理

2.1 鹽分來源與積累

(1) 上游深層高礦化度地下水及可溶性碳酸鹽巖層。松嫩平原及遼河平原中上游地區深層水具有較高的礦化度,白堊系地層地下水礦化度一般為3.0～8.0 g/L,最高可達20.0～30.0 g/L。鹽分組成以氯化物及蘇打占優勢,硫酸鹽含量極少。這種鹽分由于受地下水承壓作用,在構造帶等適合的位置上升補給第四系松散層孔隙潛水,部分直接出露于地表,形成泉水,以地表徑流的形式匯集于該區。為土壤積鹽提供了來源,且為該區內不受近代河流影響的松遼分水嶺及高平地上分布鹽漬土的主要鹽分來源。

(2) 地球化學徑流。也是該區鹽分的另一重要來源。近代吉林省西部地區西遼河沖積平原區和松嫩平原區主要受源于大興安嶺的西遼河、洮兒河及霍林河等無尾河的影響。富含硅鋁酸鹽(Na)的花崗巖、安山巖等火成巖風化后形成的可溶性鹽類隨地表徑流下移,并匯集于半閉流區的沖積平原低平地。進入內流地區的水很少可能再流出區外,主要靠蒸發達到平衡,蒸發的結果使水中硅鋁酸鈉濃縮老化,并與CO2作用,形成重碳酸鈉,及硅、鋁的氯化物和氫氧化物沉淀。這是研究區土壤及地下水的主要鹽分來源之一。

2.2 致災因素及過程

(1) 地下水及氣象因素:研究區地勢低平,第四系松散層孔隙潛水一般埋深較淺,1.0～2.5 m者居多。地下水礦化度高,多為0.5～1.0 g/L。加之該區受長白山屏障的影響干旱少雨,地面蒸發強烈,年降水量400～470 mm,年蒸發量1 600～1 800 mm,使地下水隨毛細作用上升至地表,之后迅速蒸發,鹽分累積于地表,產生土壤鹽漬化。經統計研究區內土壤不擾動土樣室內毛細管水上升高度試驗數據,毛細管水上升高度一般2.0～2.5 m;經20余組現場試坑毛細管水上升高度試驗統計,區內土壤毛細管水上升高度1.5～2.0 m(按飽和度80%計)。以上毛細管水上升高度試驗是針對工程及對農作物有影響的含水率指標確定的,實際上升高度應大于該數值,且受降水與地面蒸發作用影響,降水量大于蒸發量,毛細作用表現弱,反之毛細作用表現強烈。

諸多研究表明,吉林省中西部平原區1.5 m為地下水發生強烈蒸發的臨界深度,恰為鹽分強烈累積區段。地下水埋深在0.2～0.5 m時,礦化度最高,可達1.5～2.0 g/L;當地下水位在1.5～2.0 m時,礦化度逐漸降低,礦化度可達0.4～0.6 g/L;地下水在2.0 m以下時,礦化度更低。

(2) 湖泡萎縮:吉林省西部地區大小湖泡600多個,且多為閉流型湖泊,鹽堿含量高,pH值多呈堿性。上世紀50年代以前,該區湖泡水域面積很大,水生植物繁茂,以蘆葦為主;50年代以后,由于諸多原因,氣候干旱,降雨量遠小于蒸發量,湖面蒸發強烈,水域面積不斷萎縮,在毛細作用及原高礦化度湖水蒸發共同作用下鹽分積累于地表,致使萎縮部分區域逐步鹽漬化。

(3) 微地貌影響:研究區內受洪水沖積及風積作用,形成了高差幾十厘米—數米左右的微地形,即微波狀崗地和湖沼洼地。在微波狀崗地上,地下水位較深,一般3.0～5.0 m,局部達8.0 m,鹽漬化現象不明顯,以耕地為主。在湖沼洼地內一般地下水埋深0.5～2.0 m,部分地勢略高處(一般高出低洼處0.5～1.0 m)土壤水分狀況的特點是以蒸發作用所引起的毛細管水上升水流占優勢,洼地土壤水分運動則以下降水流為主。在雨季或河水泛濫后,地下水位普遍上升,洼地經常被淹沒,地表水體土壤水分及淺層地下水主要通過蒸發和蒸騰作用達到平衡。從而使洼地內部分地勢相對較高處的土壤開始鹽分累積過程,使土壤逐步發生鹽堿化;而地勢低洼處土壤中的水分和鹽分一方面由于隨下行水流淋洗到地下水中,另一方面沿緩坡向地勢相對較高處移動,少部分積于地表,形成鹽漬化,但低洼處土壤本身鹽漬化程度較輕。

(4) 水利工程建設及管理影響:水利工程建設,尤其填方渠道建設,渠系內水位高于兩側地面高程,若渠道填筑質量及管理不善,渠身或渠基長期存在滲漏問題,渠內地表水將向渠道兩側表層土壤滲流,隨著水分蒸發,鹽分累積于地表,逐步發生鹽漬化現象。前郭灌區、梨樹灌區、洮兒河灌區填方渠系周邊均產生不同程度鹽漬化現象。梨樹灌區曾利用礦化度1.9 g/L的地下水灌溉農田引起土壤嚴重鹽漬化現象。另外水庫的建設也是產生鹽漬化的主要原因,研究區內外河流上游段修建了較多的蓄水水庫,如察爾森水庫、向海水庫等,這些水庫的修建直接影響到下游廣大地區地下水補給與地下徑流,地表水被攔截,使下游河床邊灘及河灘經常性裸露,河床斷流,加之該地區干旱少雨,蒸發量遠大于降水量,水體中的鹽分無法在汛期被洪水攜帶出平原,積于地表土壤,產生鹽漬化。

3 鹽漬化土特殊性質

3.1 土壤化學性質

研究區土壤表層鹽分組成主要是蘇打,還有硫酸鹽及氯化物。表層含鹽量及pH值隨分布位置各不相同。湖泡周圍土壤表層含鹽較高,一般在0.1%～0.6%之間,pH值在7～8之間,而湖沼洼地中地勢略高部分土壤含鹽量較高或不高,且pH>8時,土壤堿化增強。

經統計,不同地形、不同地下水位埋深與土壤層礦化度及鹽分組成存在一定的對應關系,詳見表1。

表2-表11為研究區內不同區位典型鹽漬化土與非鹽漬化土化學特性對照數據。

表1 地下水位埋深與土層礦化度及鹽分組成關系[1]

表2 吉林省農安縣波羅泡子區域非鹽漬化土化學特性表[2]

表3 吉林省農安縣波羅泡子區域鹽漬化土化學特性表[2]

表4 吉林省松原市前郭第二灌區非鹽漬化土化學特性表[3]

表5 吉林省松原市前郭第二灌區鹽漬化土化學特性表[3]

表6 吉林省大安灌區非鹽漬化土化學特性表[4]

表7 吉林省大安灌區鹽漬化土(鹽化)化學特性表[4]

表8 吉林省大安灌區鹽漬化土(堿化)化學特性表

表9 吉林省查干湖濕地保護區非鹽漬化土化學特性表[5]

表10 吉林省查干湖濕地保護區鹽漬化土(鹽化)化學特性表[5]

表11 吉林省查干湖濕地保護區鹽漬化土(堿化)化學特性表[5]

經對研究區內不同區位非鹽漬土和鹽漬土取樣進行化分試驗對比發現,鹽漬化土pH值及鹽堿含量遠高于非鹽漬化土。鹽漬化土pH值一般高于非鹽漬化土10%～30%,而鹽堿含量一般高于非鹽漬化土10～50倍,部分地方可達上百倍。

3.2 物理力學性質

研究區鹽漬土分布范圍較大,可溶鹽堿含量較高,其物理力學性質明顯偏差于同質地非鹽漬化土。

(1) 壓縮系數高、抗剪強度低:經千余組不擾動土樣室內物理力學試驗成果統計發現,鹽漬化土干密度要高于同等質地非鹽漬化土,但壓縮性指標及抗剪指標明顯差于非鹽漬化土,隨著深度的加大,差別在減小,一般在1.5～2.0 m左右,指標接近,鹽漬化影響基本消除,表層強鹽漬化土抗剪強度指標中凝聚力為同等質地非鹽漬化土指標的40%～50%。主要是由于土中易溶鹽含量較高,充填于土的孔隙之中,在烘干情況下易溶鹽留存于土壤中,故干密度要大于非鹽漬化土,但壓縮及抗剪試驗時采取飽和狀態,易溶鹽溶解于水中,致使鹽漬化土骨架作用弱化,結構由緊密變疏松,故壓縮性及抗剪指標偏低,這也與野外發現的渠身及堤身沖刷破壞現象相吻合。

表12和表13為吉林省松原灌區鹽漬化土與非鹽漬化土主要物理力學性質對比數據。

表12 松原灌區鹽漬化土區壤土層典型地段主要物理、力學指標匯總表[6]

表13 松原灌區非鹽漬化土區壤土層典型地段主要物理、力學指標匯總表[6]

(2) 抗沖刷性差:鹽漬化土分布區的倒梯形挖方渠道經多年運行,現狀邊坡大多沖刷破壞呈淺碟形。經統計區內渠系工程案例,發現鹽漬化土較非鹽漬化土抗沖刷折減系數為0.5～0.7。

(3) 具有典型的分散性:經對該區內已建工程運行現狀檢查發現,采用鹽漬土填筑的渠道堤身經過2—3年運行后,堤身及渠身溶蝕沖溝普遍發育,部分地段出現溶蝕洞穴。經現場碎塊試驗及室內針孔試驗,該土屬分散性土,分散等級為Ⅲ級。之所以具有分散性,一方面受易溶鹽含量高影響,另一方面是由于該區土壤普遍具粘粉粒含量低,尤其是粉粒中粒徑0.01～0.005 mm粒組含量極低。

4 鹽漬化土改良措施

鹽漬土改良,關鍵要解決鹽分補給與排泄問題。也就是采取工程措施控制可溶鹽隨毛細管水上升至地表并積存。同時采取措施沖洗并排泄掉地表積存的多余鹽分,降低土壤含鹽量。可從土地利用及工程建設兩個方面進行鹽漬土改良。

4.1 土地利用性土壤改良

國內對鹽漬土改良從上世紀60年代開始,側重于水利工程措施,以排為主,重視灌溉沖洗。60年代中期開始采用機井排灌,將地下水位控制在臨界深度以下,取得了顯著的效果。后來陳恩風教授提出了“以排水為基礎,培肥為根本的觀點”。國內有許多人將磷石膏、糠醛渣、沼氣肥等施加到鹽堿土上,改變土壤結構,使作物明顯增產,同時也廢物利用,保護了環境。

吉林省西部地區針對鹽漬化現狀,主要采取了水利工程措施。通過建設哈達山水利樞紐工程、松原灌區工程、大安灌區工程進行土地平整;通過引水工程將水引進田間地塊,采用反復浸泡、沖洗、排水,降低土壤表面鹽分,對中度和重度鹽漬化地區摻入磷石膏,改變土壤中離子結構,將一些中溶鹽轉化為易溶鹽,便于溶解沖洗。經過該方法進行降鹽2—3年后,通過施肥、灌溉壓堿等措施改良的土壤即可種植水稻等水生作物,據試驗區觀測資料顯示,效果顯著。

對由于鹽漬化而退化的草場一般根據不同土壤的透水性能間隔一定距離設置排水溝,溝深2～3 m,并通過連通溝渠將溝內水流引向下游排泄,可有效降低地下水位,切斷通過毛細作用在地表進行鹽分累積的途徑,雨季由大氣降水溶解地表易溶鹽堿并匯入排水溝,向下游排泄,通過此方法進行治理的草場現狀長勢良好。

西部河湖連通工程[7]通過修建泵站及渠系等引調水工程,充分利用雨洪資源將松花江及嫩江洪水引入萎縮的湖泡洼地,最大限度地恢復原有的濕地,既減輕了下游地區防洪壓力,又變害為利，可以有效抑制鹽漬化的發展。

4.2 工程性改良措施探討

研究區鹽漬化土分布范圍較大,物理力學性質差,抗剪強度很低,具有分散性、抗沖刷性差。由于吉林省西部地區修建的哈達山水利樞紐、松原灌區、大安灌區等工程渠系工程大部分從鹽漬化土區經過,若采取避讓方案一方面會占用大量耕地,另外大部分工程若避讓后將造成功能及效益上極不合理。筑渠土料若不采用鹽漬化土也將破壞大量耕地,在人均不足1 333.2 m2耕地的該地區將無法實現。現狀對經過鹽漬化土分布區的渠系工程基本采用迎水面混凝土面板襯砌,防止水流沖刷破壞,部分堤頂進行硬化,背水側采用土工格柵、格內種草措施,效果較好。但是存在以下問題提請各位專家探討指教,共同研究完善。

(1) 該區內的水利工程是開發利用荒漠化土地,實現增產百億斤糧食計劃,同時也以恢復生態為重要目標。若全部采用混凝土面板襯砌和堤頂硬化措施,一方面與環境不協調,另一方面渠系眾多,工程造價極高。

(2) 由于該區冬季寒冷慢長,且渠系工程周圍土壤含水量均較大,凍脹現象普遍,雖采取工程措施,但襯砌由于凍脹破壞現象仍較普遍,一般使用年限<10年。

(3) 針對該區土的特性,可采取哪種改性方案以提高土力學特性?比如摻入生石灰或加入某種酸性介質,與可溶鹽堿進行反應,形成難溶鹽,提高土壤自身的力學屬性,增強抗沖性。

(4) 摻入介質施工工藝是否可行,工程造價與襯砌相比是否可行?同時對環境是否會產生副作用?

5 結論

(1) 鹽漬土pH值較高,可溶鹽含量高。主要受地下水位和氣象因素、湖泡萎縮、微地貌及水利工程建設及管理不善影響。

(2) 鹽漬土由于特殊的形成原因致使其物理力學及化學性質明顯偏差于同質地的非鹽漬化土,具有壓縮系數高、抗剪強度低、分散性的特點。

(3) 土地利用方面可以通過水利工程措施進行浸泡、沖洗、排水、摻入磷石膏、施肥、種植水生植物等措施,來改良土壤。

(4) 因鹽漬化而退化的草場可通過設置排水溝,降低地下水位,切斷鹽分通過毛細管水在地表累積途徑的方法進行治理。

(5) 利用鹽漬土進行渠系土方填筑,目前雖有一定的工程處理措施,但工程造價較高,且與環境不協調,造價合理、工藝可行的施工改良措施仍待研究推廣。

[1] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省水資源綜合規劃與水相關的生態環境問題調查評價土壤次生鹽漬化調查評價專題報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2003:3-27.

[2] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省農安縣波羅泡子生態開發利用保護工程土壤調查報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2003:9-18.

[3] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省松原市前郭第二灌區土壤調查報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2003:5-15.

[4] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省大安灌區土壤調查報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2005:6-15.

[5] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省查干湖濕地保護區土壤調查報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2000:5-12.

[6] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省松原灌區工程地質勘察專題報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2009:23-46.

[7] 吉林省水利水電勘測設計研究院.吉林省西部地區雨洪資源綜合利用河湖聯通工程項目建議書地質勘察專題報告[R].長春:吉林省水利水電勘測設計研究院,2015:19-146.

(責任編輯：于繼紅)

Soil Salinization Problem Research and Prevention & Control Measures in theWestern of Jilin Province

LU Changwei, LIU Hongcheng, ZHAO Xiaoming

(JilinProvinceWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Changchun,Jilin130012)

.Salinization of soil chemistry and engineering properties research on comprehensive utilization of land and water conservancy engineering construction project is very important.The salinization is formed mainly by groundwater and meteorological factors,lake shrinking,micro topography and the effects of hydraulic engineering construction and management.Salinization of soil salt content is high ph value,high compressibility and low shear strength.Soil improvement by engineering and biological measures and saline soil for earthwork compaction improvement measures remains to be studied.

salinization; groundwater; evaporative capacity; capillary water; chemical characteristics; physical and mechanical properties; improvement measures

2016-04-15;改回日期:2016-04-22

盧長偉(1973-),男,教授級高級工程師,注冊咨詢工程師、注冊建造師,水文地質與工程地質專業,從事工程地質、環境地質與巖土工程工作。E-mail:540690061@qq.com

S156.4

A

1671-1211(2016)03-0419-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.040

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.010.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24