華北平原中部典型區包氣帶水分時空動態變化特征

汪麗芳, 張 冰, 王建中, 劉 敏, 梁繼運, 馬小雷

(1.中國地質科學院 水文地質環境地質研究所, 河北 石家莊 050061; 2.河北省環境地質勘查院, 河北 石家莊 050021)

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華北平原中部典型區包氣帶水分時空動態變化特征

汪麗芳1, 張 冰1, 王建中1, 劉 敏1, 梁繼運1, 馬小雷2

(1.中國地質科學院 水文地質環境地質研究所, 河北 石家莊 050061; 2.河北省環境地質勘查院, 河北 石家莊 050021)

摘要：[目的] 研究包氣帶水分時空動態變化特征,為“四水轉化”系統動態循環研究提供依據。[方法] 利用土壤水分運動學中勢能的觀點,研究包氣帶水分、包氣帶水勢隨時間和深度的變化特征。[結果] 季節不同,土壤水勢整體分布差異明顯。6—8月土壤水勢最高,局部地段甚至達到飽和,12月至翌年3月土壤水勢最低。地面0—50 cm深度土壤含水量受季節影響非常大,土壤水勢激烈變化;50 cm深度以下土壤含水量基本不受季節交替影響,50—140 cm土壤水勢相對穩定;140 cm以下只受重力勢作用。[結論] 降雨、灌溉、蒸發、地下水埋深等因素均能引起土壤剖面土壤水勢分布發生變化,從而實現入滲型、蒸發型、蒸發—入滲型、下滲—上滲型、下滲—上滲—入滲型等土壤水分運動狀態的相互轉化。

關鍵詞：包氣帶; 含水量; 土壤水勢; 時空變化

文獻參數： 汪麗芳, 張冰, 王建中, 等.華北平原中部典型區包氣帶水分時空動態變化特征[J].水土保持通報，2016,36(3)：105-108.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.019

包氣帶是連接大氣水、植物水、地表水、地下水構成的水系統動態循環的紐帶[1]，同時包氣帶水對水資源開發利用、生態環境保護和預測滲流帶污染物遷移有著十分重要的作用[2]。從水文地質角度研究包氣帶，對研究地下水形成理論和補給機理[3]、解決淺層地下水資源評價問題[4]等都具有重要意義。

研究包氣帶水分的賦存及運移，實質上是研究土層中土—水能力的狀態及轉換，所以應充分引進土壤學方面研究成果，用勢能的觀點去研究水分問題[3,5]。包氣帶土壤水分運動表現形式主要為基質勢和重力勢，二者構成了土水勢。降雨使得水分進入土壤，由于土壤基質的吸附力、毛管力、重力作用，水分向下運動補給地下水或者暫時儲存于土壤中；蒸發使得土壤水分經土表蒸發和植物吸收蒸騰，水分向上運動進入大氣[6]。

華北平原屬半濕潤半干旱氣候區，降水較少，蒸發強烈，是中國經濟發展中受水資源制約最嚴重的地區之一。在該區利用土壤水分勢能開展包氣帶水分時空動態變化特征研究顯得尤為重要。本文擬利用土壤水分運動學中勢能的觀點，研究包氣帶水分、包氣帶水勢隨時間和深度的變化特征，以期為“四水轉化”系統動態循環提供科學依據。

1試驗數據與方法

統明化鎮組，由灰、灰綠色砂巖、泥質粉砂巖和灰黃、棕紅色泥巖組成。

衡水試驗基地淺層地下水位埋深約8.0 m左右，承壓含水層地下水位埋深已達50 m多。包氣帶厚度變大，對地下水的蒸發和地表水的入滲都產生了一定的影響，包氣帶水份運移時空變化特點也發生了較大改變。本次依托衡水試驗基地大型稱重式蒸滲儀，開展包氣帶水分時空動態變化特征研究。蒸滲儀鋼筒表面積1.5 m×2 m，深5.5 m，試驗土柱取自衡水試驗基地大田的原狀土體(表1)，鋼筒底部反濾層厚0.3 m，頂部高出土柱表面約10 cm。根據試驗設計要求，可調節蒸滲儀中控制水位，調節范圍2.0～5.2 m。

表1　土壤巖性垂向分布

土壤含水量使用南京馳順科技發展有限公司開發設計的CS630中子水分儀(探頭中密封的環狀镅—鈹中子源)，對安裝在大型稱重式蒸滲儀中心的中子水分儀觀測管進行觀測；土壤水勢利用北京基因有限公司提供的MPS-2測量土壤水勢。

2結果與分析

2.1土壤水分動態變化特征

土壤含水量變化特點如圖1所示。① 2013年1—3月降水量18.7 mm，僅占全年降水量的8%，屬于非常干旱期。土壤含水量偏小，但基本保持穩定。② 2013年4—9月降水量199 mm，占全年降水量的85.6%，是相對豐水季節，80 cm以上土壤含水量變化非常大，其中30 cm深度含水量的變化范圍為14.2%～37.5%，變幅達23.3%；50 cm深度變化范圍為23.7%～40.3%，變幅16.6%。③ 10月以后降水減少，蒸發作用持續，50 cm以上土壤含水量逐漸減小，直至冬期土壤形成凍土層，含水量降到最低。④ 80—200 cm深度范圍內，蒸發作用較小，到地下控制水位的距離較大，土壤巖性、毛細上升作用的影響還不足以影響200 cm以上土壤體積含水量，補給作用微弱，土壤含水量基本穩定，無明顯變化。⑤ 200 cm以下土壤受潛水的毛細上升作用影響，含水量隨深度增加而增大。同時，在蒸滲儀控制水位埋深由5 m逐步抬升至3 m過程中，增幅隨之增大，直到達到飽和。

注：1為20121207， 2為20130126， 3為20130317， 4為20130506， 5為20130625， 6為20130814， 7為20131003， 8為20131122， 9為20140111， 10為20140302； 5.2,5,4,3.5,3 m分別表示水位埋深。下同。

圖1土壤含水量隨時間變化曲線

2.2土壤水勢動態變化特征

2.2.1隨時間變化特點一次有效降水(所謂有效降水,是指該次降水足以造成對地下水的補給),從發生降水到該次降水對地下水入滲補給過程的結束,需要經歷一個時程。時程的長短,與包氣帶巖性和厚度密切相關。本次分析認為，降水量大于1.5 mm時，可對包氣帶土壤水勢產生影響(見圖2)。

圖2　土壤水勢隨時間變化趨勢

如圖2所示，2013年4—9月降水量199 mm，占全年降水量的85.6%，屬于一年中降水最充沛的月份，其中7月1日降水量40 mm，7月26日降水量53 mm。降水通過包氣帶入滲補給作用比較明顯，同時受蒸發作用影響，致使土壤水分勢能變化較大，尤其是地層表面更為明顯。

降水前后土壤水勢變化特點表現為： ① 降水對200 cm深度以上地層作用明顯，200 cm以下作用減弱。各深度總體變化趨勢基本一致。② 表層土壤水勢變化幅度最大，接受大氣降水時，離地表越近，補給速度快且補給量大；離地表越遠，補給速度慢且補給量小。③ 5 cm深度土壤水勢變化劇烈。7—8月補給作用達到最大時，其土壤水勢達-23 cm(以H2O柱高表示)；5月蒸發作用強烈時，土壤水勢降低至-1 095 cm。40 cm深度土壤水勢最大值為-76 cm；最小值為-959 cm。④ 隨著深度加大，降水入滲補給的滯后效果越明顯，且持續作用更長。受7月連續強降水影響，200 cm深度土水勢增大，且持續到12月上旬才開始緩慢減小。

不同季節土壤水勢隨深度變化特點如圖3所示。① 季節不同，土壤水勢整體分布也存在明顯差異； ② 3月處于未產生降雨但凍土已完全解凍的時期，相對于全年而言，土壤水勢較高； ③ 6月土壤受蒸發作用影響較大，大的降雨尚未形成，土壤水勢較低； ④ 9月，土壤已持續受降水長時間影響，包氣帶水分增大，持續向下補給，局部地段甚至達到飽和； ⑤ 12月，蒸發作用后氣溫下降，凍土土壤水勢達到年度最小。

圖3　不同季節土壤水勢對比曲線

2.2.2隨深度變化特點常見的土壤水分動態包括入滲型、蒸發型、蒸發—入滲型、下滲—上滲型、下滲—上滲—入滲型。這5種土壤水分運動狀態在一定條件下相對穩定，隨著降雨、灌溉、蒸發、地下水埋深等各種因素的改變，土壤剖面土壤水勢分布也將發生變化，引起土壤水分運動狀態相互轉化。

以7月26日為例，分析該區降水前后土壤水勢隨深度變化特點如圖4所示。① 7月22日前，較少的雨水降落至地表，表層土壤含水量增大，土壤水勢比下部大，土壤水分向下運動，40 cm處土水勢繼續向上遷移，最后在20 cm處匯集，形成收斂性零通量面。② 受26日強降雨作用，源源不斷有降水補給下滲，收斂型界面消失，土壤水勢為入滲型。③ 降雨結束后，表層蒸發作用繼續，土壤水分向上運移，最終出現上滲—下滲—上滲—下滲交替出現的復合型曲線。

根據該區土壤水勢垂向變化特點，可將土壤水勢劃分為3個分帶：50 cm以上土壤水勢激烈變化；50—140 cm土壤水勢相對穩定，含水量最大；140 cm以下土壤水勢呈平穩下降趨勢，最后達到飽和，只受重力勢作用。

圖4　降水前后土壤水勢隨深度變化曲線

結合土壤巖性特點，分析土壤水勢垂向變化特點： ① 蒸滲儀土柱中80—220 cm深度為黏土，厚140 cm，其下為80 cm厚度的亞黏土。該地區80—140 cm深度處已形成比較穩定的收斂性界面。受黏土自身顆粒細小、吸附水、持水能力大的特點影響，在80—140 cm深度處土壤水勢非常高，基本達到飽和。220 cm深度以下亞黏土的土壤顆粒增大，吸附水和持水能對相對黏土減弱，土壤水分下移受阻，最終在80—140 cm深度形成包氣帶的濕潤層，在220 cm深度處形成相對的包氣帶干層。由前人研究成果可知，細粒土壤層基質勢會阻止土壤水分入滲到大孔隙的粗粒土壤層。只有當細粒土層達到飽和以后，土壤水分才有可能滲入到深部粗粒土壤層[7]，在此得到了印

證。② 340—380 cm深度亞黏土：下部為顆粒更小、含水飽和的黏土；同時該深度已接近潛水位，在毛細管上升力作用下，該段地層含水量非常豐富，形成一段接近飽水地層，土壤水勢主要受重力勢影響。

3結 論

(1) 土壤水分動態包括入滲型、蒸發型、蒸發—入滲型、下滲—上滲型、下滲—上滲—入滲型。這5種土壤水分運動狀態隨著降雨、灌溉、蒸發、地下水埋深等因素影響，土壤剖面水勢、土壤水分運動狀態隨之發生改變。

(2) 研究區土壤含水量50 cm以上受季節影響非常大，30 cm深度變幅達23.3%；80 cm深度以下基本不受季節交替影響；200 cm深度以下土壤受試驗控制水位的補給作用顯著。

(3) 該地區土壤水勢50 cm以上激烈變化；50—140 cm相對穩定帶；140 cm以下呈平穩下降趨勢，最后達到飽和，只受重力勢作用。降水作用下，土壤水勢易形成上滲—下滲—上滲—下滲交替出現的復合型曲線。

[參考文獻]

[1]周向陽.干旱半干旱地區包氣帶水分分布規律與影響因素研究[D].蘭州:蘭州大學,2010.

[2]王金生,楊志峰,陳家軍,等.包氣帶土壤水分滯留特征研究[J].水利學報,2000,31(2):1-6.

[3]施德鴻.談包氣帶水分的研究[J].中國地質,1983(9):29-31.

[4]張蔚榛.包氣帶水分運移問題講座(1):包氣帶水分運移基本方程[J].水文地質工程地質,1981,7(1):45-49.

[5]雷志棟,楊詩秀,謝森傳.土壤水動力學[M].北京:清華大學出版社,1988:21-22.

[6]陳建鋒.淺析包氣帶土壤水分勢能[J].地下水,1998,20(1):33-34.

[7]劉新平,張銅會,趙哈林.干旱半干旱區沙漠化土地水分動態研究進展[J]水土保持研究,2005,12(1):63-68.

收稿日期：2014-05-30修回日期：2014-06-26

通訊作者：梁繼運(1981—),女(漢族),河北省滄州市人,碩士,助理研究員,主要從事水文地質、地熱地質研究。E-mail:290675934@qq.com。

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0105-04

中圖分類號：P641.131

Temporal and Spatial Variation Characteristics of Soil Moisture Variation in Vadose Zone at Typical Area of Central North China Plain

WANG Lifang1, ZHANG Bing1, WANG Jianzhong1, LIU Min1, LIANG Jiyun1, MA Xiaolei2

(1.InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China; 2.HebeiInstituteofEnvironmentalGeologyExploration,Shijiazhuang,Hebei050021,China)

Abstract：[Objective] To analyze the spatial and temporal characteristics of the soil moisture variation in vadose zone in order to provide basis for the study on the “four waters transformation” dynamic cycle. [Methods] Using the concept of the potential energy of soil water dynamics, the characteristics of the moisture in vadose zone and changes in water potential with time and depth was studied. [Results] The significant difference was observed in soil water potential distribution in each season. Soil water potential reached the highest in June and August, even got saturation in some blocks. On the contrary, it dropped to a minimum in period from December to next March. Soil moisture of 50 cm depth was affected greatly by seasons and water potential changed dramatically. Yet soil moisture below 50 cm depth was substantially independent of the season changes. And between 50—140 cm depth water potential was relatively stable; Beneath 140 cm, it was only influenced by gravity potential. [Conclusion] The factors such as rainfall, irrigation, evaporation, groundwater depth and others could cause the changes in the profile distribution of soil water potential, thus causing changes among a variety of soil water movement states.

Keywords:vadose zone; soil moisture; water potential; temporal and spatial variation

資助項目：水文地質環境地質研究所基本科研業務費項目“利用大型蒸滲儀開展華北平原典型區潛水蒸發規律研究”(SK201107),“極端氣候條件下土壤水—地下水補給關系研究:以石家莊地區為例”(SK201306)

第一作者：汪麗芳(1983—),女(漢族),湖北省荊州市人,碩士,助理研究員,主要從事地下水資源評價研究。E-mail:290675934@qq.com。