碭山縣包氣帶水分運移特征淺析

［關鍵詞］碭山縣；包氣帶；水分運移特征

地表以下一定深度上存在地下潛水面，潛水面以上稱為包氣帶。在包氣帶中，土體空隙壁面吸附結合水，空隙中保持毛細水，空隙未被液態水占據的部分包含空氣及氣態水。空隙中的水超過吸附力和毛細力所能支持的量時，剩余的水便以重力水形式下滲[1]。所有上述水統稱為包氣帶水。

包氣帶水雖然不能像地下水那樣被直接提取供水，但它對成壤作用及植物生長具有重要意義。對于碭山來說，農業用水占地下水開發利用比例較高，約占淺層地下水開發利用量的50.1%，有效利用率僅為30%～40%。對農業來說，包氣帶水實際上是可被農作物直接利用的唯一水資源形式。研究包氣帶水對保障農業發展具有重要的理論和實際意義[2]。

1. 自然地理概況

碭山縣位于安徽最北部，隸屬宿州市，為安徽、江蘇、山東、河南四省的七縣（市）交界區域。地處淮北平原北部，地勢平坦，西北部略高，向東南傾斜，坡降一般為1/10000，局部地區為1/5000左右。偏北部有黃河故道呈東西向通過，為地上懸河，一般高出堤外平原5～10 m。

工作區氣候屬季風半濕潤氣候區。多年平均降水量765.2 mm，最大年降水量1269 mm（2003年），最小年降水量415 mm（1966年），四季降水量變化較大，每年降水主要集中于6～8月，約占全年降水量的57.6%；多年平均蒸發量1145.59 mm，最大年蒸發量2034.6 mm（1981 年），最小年蒸發量674.8 mm（2003年），每年蒸發主要集中在5～8月，約占全年蒸發量的52.2%。

2. 第四系地層與淺層含水巖組概況

2.1第四系地層

工作區第四系地層廣泛分布，根據本次鉆探調查，工作區第四系厚度多在170 m左右，由東南向西北厚度逐漸增加，最大厚度190 m，由下更新統太和組、中更新統臨泉組、上更新統黃口組以及全新統蕭碭組構成。

2.1.1更新統地層

區內廣泛分布，地表無出露，隱伏于第四系全新統之下，以沖積湖為主。巖性為青灰、棕黃、紅棕色亞黏土夾棕紅色、棕黃色細砂、粉砂，局部夾鈣質結核，一般有1～4個韻律，沉積厚度25～165 m。

2.1.2全新統蕭碭組

區內廣泛分布，出露地表，屬于晚期黃河泛濫堆積物，巖性為黃、灰黃、棕黃色粉砂、亞砂土、亞黏土，部分地區分布有褐黃色淤泥質亞黏土、亞砂土[3]。工作區沉積厚度8～25 m。

2.2 淺層含水巖組

淺層孔隙水含水層組區域內廣泛分布，由全新統、上更新統構成，含水砂層頂板埋深5.15～29.20 m，底板埋深37.40～52.20 m，含水層累計厚度10.40～32.40 m，一般有2～5個韻律層，巖性以亞砂、粉砂為主，次為粉細砂、細砂。地下水水力性質為微承壓潛水，工作區淺層孔隙水水位埋深2.32～10.16 m，水位標高35.91～46.52 m，總體地下水水位北西高南東低，單井涌水量一般為93～403 m³/d。農業灌溉的主要水源是該層水[4]。

3. 工作區包氣帶分布特征

3.1包氣帶水平分布區

根據以往地質及本次鉆孔資料，對工作區包氣帶巖性分布進行了分區。工作區包氣帶巖性分布與河道分布、地貌形態均具有一定相關性，大致可分為粉砂分布區、亞砂土分布區、亞砂亞黏互層分布區。

粉砂分布區：分布于工作區北部及東部，主要沿苗城河、故黃河、文夾河呈條帶狀分布，主要是河床附近高河漫灘堆積形成，組成物質為第四系全新統蕭碭組，巖性以粉砂為主。

亞砂土分布區：分布于工作區大部分地區，主要是由于河流泛濫堆積及沖積形成，組成物質為第四系全新統蕭碭組，巖性以亞砂土為主。

亞砂亞黏互層分布區：分布于工作區中西部，主要是由于河流多期沖積與泛濫疊加形成，組成物質為第四系全新統蕭碭組，巖性以亞砂亞黏互層為主。

3.2包氣帶垂直分帶特征研究

3.2.1垂直分帶特征

包氣帶從上到下可分為三部分：土壤水帶、中間帶及毛細水帶。包氣帶頂部植被根系發育與微生物活動帶為土壤層，其中所含的水稱為土壤水。土壤富含有機質，具有團粒結構，能以毛細水形式保持大量水分，維持植物生長。由地下水位上升的毛細水支持，在包氣帶底部構成毛細水帶。當包氣帶厚底較大時，在土壤水帶與毛細水帶之間還存在中間帶。

3.2.2厚度分布特征

包氣帶厚度即是地表至地下水面的距離（或為潛水面埋深）。一般情況下，枯水期地下水水位下降，包氣帶厚度增大；豐水期地下水水位上升，包氣帶厚度減少；泛濫微高地地貌單元包氣帶厚度較大；扇前洼地地貌單元包氣帶厚度較小；扇形地地貌單元扇頂級扇中包氣帶厚度較大，扇緣包氣帶厚度較小。通過枯水期對工作區實地調查，包氣帶厚度為2.0～10.06 m，沿故黃河兩側包氣帶厚度較大，一般為8.0～10.0 m，受地下水動態特征影響，包氣帶厚度年內變幅一般小于3.0 m。

4. 工作區包氣帶水分運移特征淺析

4.1包氣帶水來源及運移機理

工作區包氣帶水來源主要有大氣降水與灌溉水入滲和地下水位通過毛細上升輸送等。

包氣帶水在氣候、分子引力和滲透力等因素影響下，通過毛細力和重力進行運移及賦存，重力使水分下移，毛細力則將水分向上輸向空隙細小與含水量較低的部位，在蒸發作用下，毛細力又將水分由包氣帶下部輸向上部。在雨季，包氣帶水以下滲為主，雨后，淺表的包氣帶水以蒸發與植物蒸騰形式向大氣圈排泄，一定深度以下的包氣帶水則繼續下滲補給飽水帶。

4.2工作區包氣帶水分運移特征

4.2.1降水及灌溉條件下包氣帶水分運移特征

降水和灌溉影響著包氣帶土壤水分的運移及其對地下水的補給量，因為降雨與灌溉強度、灌溉量、灌溉歷時等都會對土壤水分的再分布產生影響。降雨或灌溉結束后，上下土層的含水率差異較大，除被根系及土壤吸收外，水分在重力勢和基質勢梯度驅動下會繼續向下運移，如圖1、圖2所示，包氣帶水分1～3月出現持續下降趨勢，4～5月是碭山縣傳統的灌溉季節，受灌溉影響，包氣帶水分有所增加，由于灌溉對地表土壤的補給，4月份10 cm土壤含水率較大，并首度超過深部包氣帶水分含量，這是由于1～3月長期干旱導致的土面蒸發與葉面蒸騰，包氣帶頂部的含水量已低于殘留含水量，造成所謂的水分虧缺。而至5月，10 cm土壤含水率＜20 cm土壤含水率＜40 cm土壤含水率，灌水或雨季初期降水首先補足了包氣帶頂部的水分虧缺，多余的水分繼續下滲，也說明包氣帶水分在重力作用下的持續下移特征。6～9月，為碭山縣雨季，降水量較大出現在7月末與8月初，隨著降水量的持續增多，包氣帶水分持續增加，并且其運移過程時間的長短和雨強、雨量有很大關系，如在持續降雨過程中，7月14～15日，2日降雨量分別為47 cm、42.5 cm，7月21日便出現了包氣帶水分的一個對應峰值，又如在強降雨時，8月1日出現歷時降水量達53 cm，8月5日又出現了包氣帶水分的一個對應峰值，對上述監測結果研究表明：持續降水或強降水后，3～7日內可出現包氣帶上部（土壤水帶）含水率峰值。

包氣帶土壤含水率受降雨、蒸發和地下水埋深的影響，變化較大，這一層也與作物的生長關系密切，是重點關注的對象。據五道溝實驗站1965～2011 年實測資料分析，0～0.5 m 土壤含水率受降雨和蒸發影響較大，0.5～0.8 m土層的土壤含水率主要受地下水埋深影響。

4.2.2地下水位變動條件下包氣帶水分運移特征

包氣帶水分運移除了受降水及灌溉補給影響，地下水水位變動造成水位埋深的變化也有影響。如圖3所示，年內地下水位變化特征與包氣帶水分特征變化趨勢基本一致，只不過包氣帶水分峰值出現略提前于地下水水位峰值8～10d，也正說明包氣帶水分滲入路徑的影響，即包氣帶厚度影響了包氣帶水分的運移。地下水位埋深大，補給的包氣帶水分在補充水分虧缺的同時，向下運移時間長，甚至不能到達飽和帶；地下水位埋深淺，包氣帶滲透路徑打通的時間較短，包氣帶水易于補給地下水，但受蒸發影響強烈。

4.2.3淺層地下水蒸發包氣帶水分運移特征

淺層地下水蒸發是在熱力作用下水分從淺層地下水面上升到土壤表面進入大氣的過程，其蒸發量與蒸發強度與地下水埋深、土壤質地和氣候條件等有密切的關系。蒸發強度主要取決于水面陸面蒸發能力，淺層地下水埋藏深度決定水分輸送到地面的距離，土壤質地決定毛細管上升高度，即水分輸送的高度。存在一個極限深度，當地下水位埋藏深度達到極限時，淺層地下水蒸發量將減少到很小或接近零[5]。

碭山縣地表土壤類型均為黃潮土。據五道溝水文實驗站成果：埋深為零時無作物淺層地下水蒸發和水面蒸發相差不大，黃潮土年蒸發量約為1040.3 mm；埋深逐漸增加時，有作物的淺層地下水蒸發大于裸地淺層地，裸土的淺層地下水蒸發隨著埋深的增加而減少。有作物的淺層地下水蒸發有一個最大值埋深，不同作物對應的淺層地下水蒸發最大值埋深不相同；淺層地下水埋深太淺時作物受漬害影響耗水迅速減少；埋深太大時作物根系附近的有效土壤水較少，有作物淺層地下水蒸發減少。統計不同埋深下多年潛水蒸發的特征值，見表1，表中反映作物對淺層地下水蒸發影響的規律和前面的分析結果基本一致。如果把每年淺層地下水平均蒸發量小于20 mm視為零蒸發，那么地下水蒸發的相對極限值埋深就是臨界埋深[6]。

5. 結語

（1）碭山縣持續降水或強降水后，3～7d內可出現包氣帶上部（土壤水帶）含水率峰值。降水集中期包氣帶水分總體趨勢增加，至10月達到年內極值，反映了降水條件下包氣帶水分持續下移并出現累進性增長的趨勢。

（2）年內地下水水位變化特征與包氣帶水分特征變化趨勢基本一致，只不過包氣帶水分峰值出現略提前于地下水水位峰值8～10d，也正說明包氣帶水分滲入路徑的影響，即包氣帶厚度影響了包氣帶水分的運移。

（3）碭山縣淺層地下水蒸發量，黃潮土無作物的臨界埋深可定為3.0 m，有作物的臨界埋深可定為5.0 m。