鄂爾多斯盆地風沙灘地區(qū)包氣帶水分運移特征研究

段 鵬，王文科，臧 鵬

(1.長安大學環(huán)境科學與工程學院，陜西 西安710054;2.西安石油大學機械工程學院，陜西 西安710065)

包氣帶系指地面以下，潛水面以上的地質(zhì)介質(zhì)［1］，是連接大氣水、土壤水和地下水的相互聯(lián)系，相互作用的紐帶。潛水通過包氣帶獲得大氣降水和地表水的補給，又通過包氣帶蒸發(fā)排泄［2］。因此，包氣帶水分運移規(guī)律的研究對生態(tài)環(huán)境保護、水鹽運移、三水轉(zhuǎn)化關(guān)系乃至區(qū)域水循環(huán)都具有重要的指導意義。

本文以鄂爾多斯盆地包氣帶水鹽運移原位試驗場綜合剖面2006年試驗資料為依據(jù)，運用土壤水分能量的觀點分析鄂爾多斯盆地風沙灘包氣帶水分運移特征。

1 原位試驗

1.1 試驗場地

鄂爾多斯盆地包氣帶水鹽運移原位試驗場位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏審旗氣象局河南氣象站院內(nèi)，地理坐標為東經(jīng)108°43'07″，北緯 37°51'06″，海拔 1 210 m，潛水位埋深 7～8 m。多年平均氣溫8.1℃，最高氣溫36.7℃，最低氣溫 -34.3℃。年平均降水量320 mm，蒸發(fā)量2 266 mm，凍土深度約為96 cm。

試驗場區(qū)包氣帶剖面主要由耕植土(壤土)、粉質(zhì)粘土、輕質(zhì)粘土、沙質(zhì)粘土、粉沙、細沙、中沙七種巖性12層組成，埋深0.4 m為耕植土，埋深0.4～1.6 m為粘土，屬全新世地層，埋深1.6 m以下為以細砂、粉砂互層為主，屬晚更新世的地層。

1.2 試驗方法

任何一個試驗點都不能代表盆地中所有的包氣帶巖性結(jié)構(gòu)［3］，為了較全面反映鄂爾多斯盆地風沙灘地區(qū)包氣帶巖性的結(jié)構(gòu)特點，在原位試驗場地的五個試驗小區(qū)(圖1所示)，除保留東一區(qū)原位包氣帶巖性結(jié)構(gòu)外，其余四個小區(qū)清除了原有的埋深2.5 m以內(nèi)的地層。根據(jù)野外對包氣帶巖性調(diào)查的結(jié)果，選擇了四個具有代表性的包氣帶巖性，按干容重誤差小于1%的標準分別導入四個小區(qū)中，代表不同的巖性特征。東一區(qū)剖面為原狀剖面，主要分布在湖盆灘地;東二區(qū)剖面主要結(jié)構(gòu)為上覆風積沙(中細沙)，下覆為該區(qū)的含水層薩拉烏蘇組，主要分布在毛烏素沙地;中區(qū)剖面為上覆風積沙，下覆淤泥質(zhì)沙(砂質(zhì)壤土)，主要分布在黃土高原區(qū)向毛烏素沙地的過渡帶和湖盆灘地與沙丘的邊緣地帶;西二區(qū)剖面主要結(jié)構(gòu)為上覆風積沙，下覆砂巖(壤質(zhì)砂土)，分布在毛烏素沙地向鄂爾多斯湖盆高原過渡的過渡帶和庫布奇沙漠;西一區(qū)剖面的主要結(jié)構(gòu)為上覆砂巖，主要分布在鄂爾多斯盆地北部地區(qū)。

圖1 原位試驗場綜合剖面

試驗場綜合剖面實驗裝置包括觀測井與數(shù)據(jù)采集室，觀測井深6.8 m，由一個邊長為1.5 m的正六邊形的4 mm鋼板構(gòu)成，計11節(jié)，相鄰兩節(jié)之間由螺栓連結(jié)。透過鋼板在地層剖面的壁上沿著水平方向裝有負壓探頭70個(每個試驗小區(qū)14個)，所有觀測數(shù)據(jù)均由安裝在數(shù)據(jù)采集室的自動化測量裝置通過電子計算機采集。

本次研究資料主要來源于試驗場綜合剖面2006年非凍期(4.1～10.1)負壓觀測資料，負壓計測點深度分別為20 cm、40 cm、80 cm、130 cm、180 cm、230 cm、280 cm、330 cm、380 cm、430 cm、480 cm、530 cm、580 cm、630 cm。數(shù)據(jù)采集頻率為一天一次。

2 結(jié)果與分析

負壓與土水勢存在以下關(guān)系［4］:

式中:H為土壤水勢，亦稱全水頭或總水頭;z為位置水頭或重力水頭(取埋深8 m處為零勢面);h為負壓水頭或壓力水頭，在非飽和狀態(tài)下，h＜0。包氣帶水分在水勢的作用下，從高水勢狀態(tài)向低水勢狀態(tài)遷移。

將觀測期內(nèi)每個月的同一深度總水勢取平均值，做出各試驗區(qū)相應時段的總水勢-埋深變化規(guī)律曲線，如圖2所示。

2.1 上細下粗包氣帶巖性結(jié)構(gòu)的滲流特征

2.1.1 湖盆灘地巖性結(jié)構(gòu)(東一區(qū))

東一區(qū)2.5 m以上分別由壤土、粉質(zhì)粘土、粘土和沙質(zhì)粘土組成粗細顆粒交錯的多層結(jié)構(gòu)，存在多個零通量面，形成了蒸發(fā)-入滲-蒸發(fā)-入滲頻繁轉(zhuǎn)化特點。其中0.4 m處為壤土與粘性土的交界面，巖性由粗變細，此處形成一個蒸發(fā)型零通量面，對水分入滲不利;而在0.8 m和1.2 m處巖性由細變粗，該處均存在有入滲型零通量面。2.5 m以下則呈入滲狀態(tài)，4～5 m為粉沙和中沙的交界面，此處總水勢線明顯發(fā)生偏轉(zhuǎn)，水分由粉沙向中沙入滲時，轉(zhuǎn)角增大，反之則減小。4～5月期間降雨量較小，土壤較為干燥，總水勢小于6～9月的總水勢;降雨量大且土壤較濕潤的8月，土壤水的總水勢最大;9月份隨著降雨量的減小，總水勢向減小的趨勢發(fā)展。

圖2 各剖面總水勢變化

2.1.2 上覆風化砂巖巖性結(jié)構(gòu)(西一區(qū))

西一區(qū)2.5m以上由風化砂巖組成，在埋深0.3 m處形成一個零通面，零通量面以上呈蒸發(fā)狀態(tài)，以下呈入滲狀態(tài)，2.5 m以下與東一區(qū)相同。降雨量大時，總水勢向增大的趨勢演變(如6月和7月所對應的曲線)，降雨量較少時，總水勢向減少的方向趨勢變化。

2.2 上粗下細包氣帶巖性結(jié)構(gòu)的滲流特征

2.2.1 風積沙-薩拉烏蘇組巖性結(jié)構(gòu)(東二區(qū))

在整個觀測期間，整個剖面均呈入滲狀態(tài)，在1 m處風積沙和下層巖組的粗-細交界面上總水勢線偏轉(zhuǎn)角變小，2.5 m以下與東一區(qū)相同。4～6月降雨量較小，總水勢曲線基本重合，隨著在不同旬次降雨量增大，總水勢也隨之增加，到8月總水勢達到最大。9月份降雨量減小，總水勢向減小的趨勢變化。

2.2.2 風積沙-砂質(zhì)壤土巖性結(jié)構(gòu)(中區(qū))

觀測期內(nèi)，依照土壤水分運移的方向可以劃分為五個不同階段:第一階段為4～6月，2.5m處總水勢分布為上大下小土壤水處于入滲狀態(tài)。而在2.5 m處的淤泥質(zhì)沙與下層薩拉烏蘇組的交界面上產(chǎn)生零通量面，3.3 m以下則長期為入滲狀態(tài);第二階段為7～8月，隨著降雨量的增加，2.5 m處的零通量面逐漸消失，整個剖面上的水分均處于入滲狀態(tài)，8月份總水勢達到最大。第三階段9月，包氣帶水分向上運移;第四階段7月上半月至9月上半月，包氣帶水分向下運移;第五階段9月，隨著降雨量減小，各點的總水勢基本呈現(xiàn)減小的趨勢。

2.2.3 風積沙-風化砂巖巖性結(jié)構(gòu)(西二區(qū))

西二區(qū)1 m以上為風積沙，1～2.5 m為風化砂巖。觀測期內(nèi)整個剖面上總體呈入滲狀態(tài)，在1 m處風積沙和風化砂巖的交界面上總水勢線偏轉(zhuǎn)角變小，2.5 m以下與東一區(qū)相同。4～6月總水勢曲線基本重合，7～8月隨著在不同旬次降雨量增大，總水勢也隨之增加，到8月總水勢達到最大。9月降雨量減小，總水勢隨之減小。

2.3 總水勢對降雨的響應

為研究不同深度總水勢對降雨的響應，對不同埋深處的總水勢與次降雨量作對比，繪制出各剖面觀測期內(nèi)不同埋深處總水勢與次降雨量的關(guān)系圖(圖3)。由圖可知越接近地表處，總水勢變化受氣象要素影響越大。在0.2 m、0.4 m處的總水勢對降雨入滲響應較敏感，0.2 m處即使是一次較小的降水，總水勢也可以產(chǎn)生突變;與0.2 m處相比，次降雨量較小時0.4 m處總水勢響應較平穩(wěn)一些(如6月29日和6月30日降雨分別為0.7 mm 和0.8 mm)。而0.8 m 處較 0.2 m、0.4 m處總水勢變化平穩(wěn)，說明氣象條件對此處的總水勢變化干擾較小。埋深2.8 m以下總水勢的變化幅度很小，基本為恒定值。

綜上所述，在試驗場區(qū)巖性和氣候條件下，(1)包氣帶水分運移大致可以分為三個帶:在0.8 m深度內(nèi)總水勢受地表邊界影響較大，變化幅度顯著，為土壤-大氣水分積極交換帶;0.8～2.8 m深度內(nèi)各時段剖面上總水勢呈現(xiàn)微小波動，大致平行，為水分入滲的過渡變化帶;2.8 m以下至潛水面范圍內(nèi)剖面總水勢分布受地表邊界影響很小，主要與包氣帶巖性以及來自2.8 m以上包氣帶水分有關(guān)，為水分傳導帶。(2)包氣帶巖性與結(jié)構(gòu)控制著整個剖面水分的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，地表巖性為風積沙(東二區(qū)、中區(qū)、西二區(qū))時，觀測期內(nèi)整個剖面上均呈入滲狀態(tài)，對降雨入滲最為有利;地表巖性為風化砂巖(西一區(qū))或細顆粒巖性(東一區(qū))時，剖面上部均存在蒸發(fā)型零通量面，對降雨入滲不利。

3 結(jié)語

1)通過對原位試驗場典型剖面的研究表明，包氣帶水分運移大致可以分為三個帶:0.8 m深度內(nèi)為土壤-大氣水分積極交換帶，0.8～2.8 m為水分入滲的過渡帶與調(diào)節(jié)區(qū)，2.8 m以下至潛水面為水分傳導帶。

2)地表巖性為風積沙時對降雨入滲最為有利，地表巖性為風化砂巖或細顆粒巖性時對降雨入滲不利。因此上細下粗層狀包氣帶巖性結(jié)構(gòu)不利于降雨入滲補給，上粗下細層狀包氣帶巖性結(jié)構(gòu)有利于降雨入滲補給，這正是鄂爾多斯風沙灘地下水相對豐富的原因。

圖3 各剖面不同埋深總水勢對降雨的響應

3)包氣帶非均質(zhì)界面可以引起剖面上水勢線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而造成剖面上總水勢線出現(xiàn)多次彎曲，甚至出現(xiàn)零通面。包氣帶層數(shù)越多，滲透系數(shù)差異越大，水勢線彎曲越大，并可出現(xiàn)多個零通面。

［1］王大純，等.水文地質(zhì)學基礎(chǔ)［M］.北京:地質(zhì)出版社.1995:26-27.

［2］范高功，侯光才.細土平原區(qū)包氣帶水分運移及與潛水轉(zhuǎn)化關(guān)系的研究［J］.西北水資源與水工程.2002(13)3:19-22.

［3］郭會榮，靳孟貴等.基于地中滲透儀的入滲補給方式分析［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2007(4):107-110.

［4］David E.Radcliffe and Jirí?im?nek.Soil physics with HYDRUS:Modeling and Applications［M］.Boca Raton，F(xiàn)L:CRC Press/Taylor＆ Francis，c2010:45-46.