武威盆地典型地區包氣帶水分運移模擬

孟令群 聶振龍 李琪

摘要 以上案村為例，通過典型剖面監測、元數據統計分析和數值模擬等研究方法，開展植被生態與地下水關系研究，模擬了典型植被的根系吸水速率分布規律。結果表明：地表植被結構越多，土壤水分交換越頻繁，包氣帶同時受到大氣降水入滲和毛細水的支持，整個包氣帶含水量較高;利用Hydrus-1D模型分析，發現典型植被在7—8月植被生長成熟期間，由于氣溫升高，蒸發量較大，植物需水量增加，根系吸水速率增強;9月植被進入衰退期，植被吸水能力逐漸減弱;當地下水埋深<3.0 m時，包氣帶中土壤水分能達到植被生長所需要的水平，植被根系吸水速率在10～40 cm內達到最大。

關鍵詞 典型剖面;包氣帶;地下水埋深;水分運移模擬;根系吸水

中圖分類號：S152.7 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2021）07–0146–04

武威盆地位于石羊河流域中游，東臨古浪騰格里沙漠，東南沿祁連山與古浪大靖盆地相連，西接永昌盆地，北與民勤相望[1]。武威盆地北部由于人類過量開采地下水，導致地下水位下降，地表植被衰敗，荒漠化持續加劇，其生態平衡已經相當脆弱[2-5]。開展武威盆地典型地區植被生態與地下水關系研究，探究地表植被的演替規律、包氣帶水分運移規律及植被吸水規律，可為進一步研究地下水生態環境效應問題提供理論依據。

土壤水是指由地面至地下潛水面以上土壤層中的水分，亦稱包氣帶水分[6]。除降水外，土壤水分還受地下水和植被狀況的影響。在干旱半干旱區，地下水是影響土壤水分的重要因素[7-11]。王強民[12]研究了毛烏素沙地地下水與植被生態的關系，研究發現，地下水埋深的變化影響了地表植被的分布，表現為當地下水位下降，植被由草本植被向沙質植被過渡。楊澤元等[13]通過建立禿尾河流域地下水動態變化與土壤表生生態效應之間的關系，分析研究地下水位變化對植被的影響。Lamontagne等[14]通過研究干旱和半干旱地區河岸生態系統，闡述了地下水對植被生長的作用，結果表明地下水減少會影響植被生長發育，造成植被豐度下降。許多國內外學者對地下水埋深與植被之間的關系進行了大量研究，提出地下水位存在臨界深度，如果地下水埋深大于該深度，植被將難以吸收水分，導致植被衰敗，將這一臨界深度表示為生態地下水埋深[15]。

依托國家重點研發計劃項目課題“石羊河流域地下水合理開發利用與生態功能保護研究與示范”，以包氣帶水分運移為主要研究方向，采用典型剖面監測、室內試驗與數值模擬相結合的研究方法，分析武威盆地典型地區包氣帶水分運移規律，為石羊河流域地下水合理開發利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于武威盆地上案村（102° 49′51E，38°20′01″N）。試驗點地勢低平，年降水量多年平均為105 mm，全年潛在水面蒸發量達2 310 mm。地下水位埋深在2.2～3.3 m之間波動，年平均埋深為2.9 m;地下水礦化度在1.8～2.4 g/L之間波動，平均為2.1 g/L。包氣帶巖性0～0.35 m為腐殖土;地表0.35～0.95 m為中細砂，粘粒含量少;0.95～2.3 m為中粗砂，粘粒含量少;2.3～2.7 m為淤泥質細砂。試驗點主要植被為沙棗、檉柳、枸杞、芨芨草（圖1）。

1.2 試驗設計與布置

土壤溫度、鹽分及土壤含水率可以利用TDR-310S進行監測，通過測量土壤的介電常數來獲得土壤的體積含水率，測量范圍在0～100%之間，誤差為0.1%;土壤電導率測量范圍為0～5 000 μs/cm，土壤溫度測量范圍在-40℃～60℃，誤差為0.1%。在本次試驗中，土壤含水率監測頻率均為30 min。土壤含水率探頭在垂向上的布置為：20 cm、40 cm、60 cm、85 cm、110 cm、130 cm、170 cm、220 cm、240 cm（圖2）。監測時間為2018年11月—2019年12月。

在試驗點設置地下水動態監測孔，監測地下水動態，監測頻率為30 min。在試驗場布設野外自動氣象站，監測記錄降雨量、蒸發量、氣溫、風速、大氣壓等，并布設E601蒸發皿（采用高精度diver監測蒸發情況）。根據試驗點位置，分別取土樣及環刀樣進行顆分試驗和土壤水分特征參數試驗，取樣埋深如下：20 cm、40 cm、50 cm、80 cm、160 cm、210 cm、240 cm。

2 結果與分析

2.1 一維垂向包氣帶水分運移

試驗點剖面土壤含水量隨時間推移變化幅度較小，1—2月土壤含水量低于其他月份，在表層0～20 cm土層，土壤含水率逐漸上升，近地表土壤含水量變化幅度為0.071～0.114;在距地表約20 cm處，含水率達到峰值，變化幅度為0.093～0.16;在20～40 cm范圍內，土壤含水率下降，形成谷值，變化幅度為0.02～0.096，說明該層位主要受到植被根系吸水影響。在60～120 cm范圍內，由于上層植被吸水及蒸發等作用，土壤水分補給至上層，下層水分沒有及時得到補給，導致含水量整體下降，平均土壤含水量變化幅度為0.06～0.07之間;120 cm以下由于毛細水的作用，土壤含水量逐漸升高（圖3）。

2.2 二維包氣帶水分運移

試驗點土壤水分等值線變化：該點位包氣帶土壤含水量主要受氣候條件（大氣降水、蒸發）和地下水埋深條件影響，表層和潛水面地層的土壤含水量變化較大。受氣候因素的影響，0～60 cm近地表土壤含水量波動較大，冬季土壤含水量整體偏低;春季以后，隨著氣溫和降水的上升，土壤含水量逐漸上升，該層位主要是檉柳、枸杞等灌木和芨芨草、鹽爪爪等草本植物的吸水層位。60～120 cm土層土壤含水量全年整體偏低，受上層土壤水和下層毛細水的影響而有所波動。150～220 cm土層含水量主要受潛水變化影響，在毛細水的作用下含水量從上到下逐漸升高，并在4—8月潛水高水位期和8—9月低水位期分別形成波峰和波谷，該層主要是沙棗樹等喬木吸水層位（圖4）。

2.3 地下水變化對土壤水分運移的影響

試驗周期內地下水動態變化對土壤水分影響：2018年11月—2019年11月，地下水位動態表現為3個峰值和3個谷值，11月、5月和7月水位最高，3月和9月水位最低。主要分成兩個階段：

Ⅰ階段：即第1個峰谷，11月和次年4月水位最高，3月水位最低，該階段土壤含水量與水位變化與凍融有關。由于溫度影響，11月開始后溫度低于0 ℃，淺層土壤水分凍結，地下水向上層運移。2月、3月后，溫度升高，季節性凍土開始融化，40 cm以上土壤含水量升高，向下層進行補給，水位抬升。

Ⅱ階段：即第2個峰谷，5月水位最高，隨時間增加，土壤溫度升高，蒸發強烈，地下水位下降。由于發生較大降水，7月水位大幅度抬升，后因蒸發作用下降，9月達到最低。深層土壤含水量受到地下水位埋深的影響，與水位埋深變化一致。淺層土壤含水量主要受地表植被和蒸發作用影響，受地下水位埋深影響不大（圖5）。

2.4 包氣帶水分運移數值模擬

HYDRUS-1D是美國農業部鹽土實驗室開發的模擬非飽和介質中一維水分、熱量、溶質運移的模型，其被廣泛應用于室內和野外試驗中水分和溶質運移模擬等方面[16]。

包氣帶水分運移模型采用Richards方程來描述土壤水分運移過程，忽略土壤水分在水平和側向上的運動，僅考慮一維垂向水流運移，即水流運動方向為垂直方向的單相一維流時，建立數學模型如下：

式中：C（h）為土壤容水度（1/cm）;

K（h）為非飽和滲透系數（cm/d）;

h為壓力水頭或基質勢（cm）;

S（z，t）為單位時間單位體積土壤根系吸水率（1/d）;

t為時間變量（d）;

Z空間變量（cm），地表為原點，向下為正;

L為潛水埋深（cm）;

h0（z）為初始壓力水頭分布（cm）;

ε（t）為入滲強度（cm/d）。

根系吸水率表示單位土壤體積在單位時間內因根系吸水而損失的水分含量，采用Feddes模型，即。

（5）

式中：α（h，z）為水分脅迫反應方程;

Β（z）為根系吸水分布函數（cm-1）;

TP為作物潛在蒸騰率（cm/d）。

初始條件選擇為實際觀測數據，采用當天剖面各個傳感器位置實際測量的土壤含水率，相鄰監測點之間含水率按照線性插值方法自動給出。識別期2019年1月21日—3月31日，驗證期2019年4月1日—6月30日。上邊界選擇大氣邊界，將下邊界取到潛水面，即定水頭變界。選擇時間步長為1 d，剖面深度為300 cm，空間步長Δz為5 cm，共剖分61個節點。

在Hydrus-1D 進行參數的反演優化過程設置完畢后運行模型，待模型成功收斂后，在模擬結果中設置觀察點，軟件會自動對比含水率模擬值和實測值繪制圖件，觀察擬合效果。在充分了解各個參數物理意義的基礎上，在模型的擬合過程中不斷調試相關參數，使計算值和觀測值的相對誤差<15%，方可認為識別出的參數真實可靠。

地下水埋深在3 m上下波動時，沙棗樹、檉柳和枸杞的根系吸水特征。由圖可以發現，沙棗樹根系吸水率在7—9月變化規律相同，但9月根系吸水量小于7月、8月，垂向上根系吸水集中在10～40 cm和120～150 cm內，且根系吸水率在淺層內大于深層，說明地下水埋深3 m時，沙棗根系除主根系吸水外，還依靠淺根系來吸收土壤水分以維持生長;檉柳根系吸水層位集中在10～30 cm，隨埋深增加，深層根系吸水速率升高，主要吸水層位集中在110～140 cm;枸杞根系吸水層位集中在20～60 cm，隨埋深增加，9月深層根系吸水速率升高，主要吸水層位集中在110～130 cm（圖6～8）。

3 結論

（1）當地下水埋深較淺（<3 m）時，深層土壤含水量主要受地下水位的影響，土壤含水量隨著地下水的波動而變化，地下水埋深越淺，對包氣帶含水量的影響越大。

（2）對試驗點建立包氣帶水分運移模型，結果表明：試驗點在識別期和驗證期中，其剖面土壤含水量的擬合值都滿足誤差要求，可用該模型建立研究區優勢植被根系吸水模型，通過分析研究區優勢植被根系吸水速率，得出植被在生長過程中根系吸水速率分布特征。7—8月植被生長成熟期間，由于氣溫升高，蒸發量較大，植物需水量增加，根系吸水速率上升;9月以后植被進入衰退期，植被吸水能力逐漸減弱，另外，9月后蒸發量相對下降，降雨量增加，淺層土壤含水量增加，該區域根系吸水速率上升。

（3）從植被根系吸水規律來看，根系總是向著水分充足和最容易吸水的區域生長，當地下水埋深<3 m時，包氣帶中土壤水分能達到植被生長所需要的水平，植被根系吸水速率在10～40 cm內達到最大，同時，7—9月最大根系吸水率變化幅度較小，其吸水深度隨著埋深增加而增加。

參考文獻

[1] 王帥兵，張雪蕾，李常斌，等.基于Visual MODFLOW的武威盆地地下水動態模擬及預測[J].蘭州大學學報：自然科學版，2015，51（2）：159-165.

[2] 馮起，李宗禮，高前兆，等.石羊河流域民勤綠洲生態需水與生態建設[J].地球科學進展，2012，27（7）：806-814.

[3] 姚玉璧，李耀輝，石界，等.基于GIS的石羊河流域干旱災害風險評估與區劃[J].干旱地區農業研究，2014，32（2）：21-28.

[4] 董苗，劉普幸，張彥龍，等.1975-2014年河套綠洲城市化遙感監測與區域差異分析[J]. 水土保持通報，2016（4）：1-8.

[5] 孫楊，張雪芹，鄭度.氣候變暖對西北干旱區農業氣候資源的影響[J].自然資源學報，2010（7）：1153-1162.

[6] 雷志棟，胡和平，楊詩秀.土壤水研究進展與評述[J].水科學進展，1999，10（3）： 311-318.

[7] 金曉媚，胡光成，史曉杰.銀川平原土壤鹽漬化與植被發育和地下水埋深關系[J].現代地質，2009，23（1）：23-27.

[8] 王慶峰.于田綠洲土壤含水量與地下水埋深的耦合關系[D].烏魯木齊：新疆大學，2010.

[9] 許秀麗，張奇，李云良，等.鄱陽湖典型洲灘濕地土壤含水量和地下水位年內變化特征[J].湖泊科學，2014，26（2）： 60-268.

[10] G. W. Gee，P. J. Wierenga，B.J. Andraski，et al. Variations in Water Balance and Recharge Potential at Three Western Desert Sites[J]. Soil Science Society of America Journal，1994，58（1）：63-72.

[11] C. Amanda Garcia，Brian J. Andraski， David A. Stonestrom，etal.Interacting Vegetative and Thermal Contributions to Water Movement in Desert Soil[J].Vadose Zone Journal，2011，10（3）：1117.

[12] 王強民.干旱半干旱區地下水與植被生態相互作用研究[D].西安：長安大學， 2016.

[13] 楊澤元，王文科，黃金廷，等.陜北風沙灘地區生態安全地下水位埋深研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版， 2006（8）：67-74.

[14] Sébastien Lamontagne，Peter G. Cook，Anthony O'Grady，et al.Groundwater use by vegetation in a tropical savanna riparian zone （Daly River， Australia）[J].Journal of Hydrology，2005（1）：280-293.

[15] Christopher S. Lowry，Steven P. Loheide，Courtney E.Moore，et al.Groundwater controls on vegetation composition and patterning in mountain meadows[J].Water Resources Research，2011，47（10）：1-16.

[16] 韓冬梅，周田田，馬英，等.干旱區重度和輕度鹽堿地包氣帶水分運移規律[J].農業工程學報，2018，34（18）：152-159.

責任編輯：黃艷飛

Simulation of Water Migration in Unsaturated Zone in Typical Area of Wuwei Basin

MENG Ling-qun et al（Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuang， Henan 050061）

Abstract This paper selects Shangan village as a typical area， through the typical section monitoring， metadata statistical analysis， numerical simulation and other research methods， to study the relationship between vegetation ecology and groundwater， The distribution of root water uptake rate of typical vegetation was simulated. The results show that the more vegetation structure， the more frequent soil water exchange. The vadose zone is supported by both precipitation infiltration and capillary water， and the water content of the whole vadose zone is higher; Using HYDRUS-1D model analysis， it is found that during the period of vegetation growth and maturity from July to August， due to the increase of temperature， the evaporation is large， the water demand of plants is increased， and the water absorption rate of roots is enhanced; In September， the vegetation began to decline， and the water absorption capacity of vegetation decreased gradually; When the groundwater depth is less than 3.0 m， the soil moisture in the vadose zone can reach the required level for vegetation growth， and the water absorption rate of vegetation roots reaches the maximum within 10-40 cm.

Key words Typical profile;Unsaturated zone; Groundwater depth; Water movement simulation; Root water absorption