基于沙層厚度對土壤水分及地下水影響的研究

李春龍

(遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，沈陽 110003)

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基于沙層厚度對土壤水分及地下水影響的研究

李春龍

(遼寧省農(nóng)村水利建設(shè)管理局，沈陽 110003)

摘要：遼西北沙漠化地區(qū)沙地水分有其獨特的運動變化規(guī)律，深入研究土壤水分及沙地地下水運動變化規(guī)律，掌握沙地水分動態(tài)變化情況，對保護(hù)當(dāng)?shù)赜邢薜乃Y源、提高水資源的利用效率具有重要現(xiàn)實意義。對固沙植物的選種、防風(fēng)固沙、退化生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)，開發(fā)利用沙地資源，發(fā)展沙地產(chǎn)業(yè)及沙地治理的生態(tài)經(jīng)濟(jì)模式具有重大理論意義。

關(guān)鍵詞：干沙層；土壤水分；地下水；蒸發(fā)

0前言

大量研究表明：沙地土壤干沙層能有效抑制深層土壤水分的蒸發(fā)，但是，對于不同厚度干沙層對土壤水分蒸發(fā)的影響研究不多，本研究采用了微型蒸滲儀(Micro-lysimeters，簡寫為MLS)對遼西北地區(qū)進(jìn)行了不同厚度干沙層對沙土蒸發(fā)影響的試驗研究，并對地下水運動變化進(jìn)行研究，以填補(bǔ)沙地水分運動變化研究的空白。

2試驗設(shè)計與方法

蒸發(fā)試驗在室外利用自制的微型蒸滲儀中進(jìn)行。微型蒸滲儀由一端透水的多孔鐵皮筒制成，鐵皮厚0.8mm，鐵皮筒直徑為10 cm，高分別為25 cm、30 cm、35 cm、40 cm。根據(jù)試驗區(qū)存在的干沙層實際厚度變化，分別設(shè)置0 cm、5 cm、10 cm、15 cm 4個厚度的干沙層，不覆蓋干沙層的為對照。每個處理3次重復(fù)，共計12個鐵皮筒。用感量為0.01g電子秤稱重。每天的蒸發(fā)量用稱重法進(jìn)行觀測。在12個鐵皮筒中分別裝入4.522kg干沙子，分別灌水至飽和，然后覆上不同厚度的干沙子，進(jìn)行稱重。首次稱重后，將所有鐵皮筒放回直徑10.5 cm的外套筒內(nèi)，以保持試驗條件與周圍實際的小環(huán)境相同及操作方便，防止漏雨和沙子吹入，設(shè)有遮雨棚和小圍欄。整個試驗過程均為自然蒸發(fā)，為減少土壤水分微循環(huán)造成試驗誤差，每天7:00和19:00進(jìn)行稱重。試驗從2015年6月9日開始，8月3日結(jié)束，歷時56 d[1]。

選取6月20日、7月10日、7月20日、7月30日和8月3日的試驗數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行分析，隨著干沙層厚度的增加，蒸發(fā)量逐漸降低。8月3日沒有干沙層覆蓋的MLS蒸發(fā)量最大，為3.47mm；干沙層厚度為5 cm的MLS，蒸發(fā)量為1.91mm，比對照減少45%；干沙層厚度10 cm的，蒸發(fā)量為1.12mm，比對照減少68%；干沙層厚度為15 cm的，蒸發(fā)量最小，為0.53mm,比對照減少85%。具體觀測結(jié)果詳見表1，不同厚度干沙層的蒸發(fā)量比較情況詳見圖1。

表1　不同厚度干沙層的蒸發(fā)量　mm

圖1不同厚度干沙層的蒸發(fā)量比較

以上分析可以看出，干沙層的逐漸發(fā)育對土壤水分的蒸發(fā)有明顯的抑制作用。從表2中可以得出，5 cm厚度的干沙層平均蒸發(fā)抑制率為46.66%，10 cm，15 cm分別為74.55%和87.11%。而且是干沙層厚度越大，對蒸發(fā)的抑制作用越強(qiáng)。不同干沙層對蒸發(fā)的抑制率，見表2。

3沙地土層厚度與地下水水位變化的關(guān)系

降水量的增加應(yīng)該有利于地下水資源的補(bǔ)充和植被的生長，抑制沙漠化的發(fā)展。但是，近幾十年來，中國一些沙漠化地區(qū)植被日趨退化、沙漠化愈演愈烈。其原因，已從社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面做過一些研究。但沙地土層厚度對地下水資源動態(tài)缺乏長期定位觀測，使得沙地土層厚度對地下水資源變化及其與氣候變化和沙漠化發(fā)展的關(guān)系缺乏足夠認(rèn)識。因此，研究沙地地下水水位的變化規(guī)律，繪制觀測期內(nèi)降雨與地下水水位變化的直觀圖，分析地下水位與降雨及沙漠化的相互關(guān)系，對沙漠化地區(qū)地下水的開發(fā)、利用及保護(hù)具有重要意義。

表2　不同厚度沙層的蒸發(fā)抑制率　%

3.1試驗設(shè)計與方法

在試區(qū)內(nèi)沙地布置地下水觀測井16眼，每年的4—10月每隔5 d觀測1次地下水水位變化情況，11月—翌年3月每隔15 d觀測1次，降雨前后進(jìn)行加測。從2014年6開始，至2015年12月連續(xù)18個月進(jìn)行了觀測，采用人工觀測法[2-5]。

3.2地下水水位的動態(tài)變化分析

3.2.1地下水水位的日間變化

沙地土層厚度的地下水位隨著降水量的變化而變化。研究表明，降水量是影響沙地土層厚度地下水水位變化的主要環(huán)境因子，呈顯著正相關(guān)。從圖2和圖3看出，由于沒有降雨，隨著地表蒸發(fā)和植物蒸騰耗水的變大，4月5—10日地下水位下降9 cm，平均下降率為1.8 cm/d，是觀測期內(nèi)地下水位下降的最大值。8月5—10日，隨著降雨量的增加，地下水上升了13 cm，平均上升率為2.6 cm/d，是觀測期內(nèi)上升的最大值。2015年2月10日地下水埋深為3.64m，到3月1日上升了7 cm，這可能是由于氣溫回升，冰雪開始融化，水分下滲引起的。隨后，地下水位持續(xù)下降，到4月10日地下水位下降了9 cm，變化了16 cm。這可能是由于隨著氣溫的升高，植物開始生長，蒸騰耗水所致。至4月10日后，隨著降雨量的增多，沙地土層厚度地下水水位總體上呈現(xiàn)上升趨勢[6]。

圖2　沙地地下水位變化過程線和升降值

圖3　2014年沙地降雨量變化過程線

3.2.2地下水水位的月間變化

沙地土層厚度地下水位的年內(nèi)變化與降雨的年內(nèi)變化具有顯著的正相關(guān)性。該區(qū)地下水位年變化范圍在2.85～3.64 m。年內(nèi)地下水位平均埋深3.35m，最小埋深在11月為2.85m，最大埋深在2月為3.64m，相差79 cm。次最大埋深在6月為3.63 m，次最小埋深在10月為2.92 m。1—4月，由于降水量較低，地表蒸發(fā)和植物蒸騰耗水逐漸增大，地下水水位呈下降趨勢[7]。隨著5—8月降雨的增多，受降雨補(bǔ)給影響，從6月份開始地下水位持續(xù)上升，5月份地下水埋深為3.62m，到12月份地下水水位上升了77 cm，地下水埋深為2.85m，平均上升率11 cm/m。從圖3可以看出，地下水位的年內(nèi)變化與降雨的年內(nèi)變化具有相關(guān)性。2015年降雨的2個高峰值點使地下水位也出現(xiàn)了兩個向上波動的峰值點，但有一定的滯后性。2015年5月降雨較大，為108.7mm，1個月后地下水位上升12 cm；2015年8月降雨最大，為168.8mm，1個月后地下水為上升了23 cm，3個月后地下水為上升了34 cm。

研究表明：在遼西北地區(qū)的沙地，降水是地下水補(bǔ)充的主要來源，地下水位變化與當(dāng)年降水量的相關(guān)系數(shù)較低，而與前1 a或前2 a的降水量相關(guān)系數(shù)較高。

4結(jié)語

干沙層厚度的發(fā)育是沙地地下水水分下滲、蒸發(fā)和凝結(jié)共同作用的結(jié)果。干沙層土壤含水量一般在0.1%～0.7%，但該層含水量變動很大，在降雨之后含水量迅速升高，雨停之后很快蒸發(fā)和下滲，測定期內(nèi)含水量變幅為0.3%～6.5%。干沙層的厚度隨時間和空間的變化而變化。干沙層在沙地中四季存在，春季干早，風(fēng)速較大，降雨少，干沙層較厚；夏季進(jìn)入雨季，干沙層受降水影響變化頻繁，干沙層厚度較小，但在夏季連續(xù)無雨的日子里，可能達(dá)到最厚。研究干沙層厚度對土壤水分蒸發(fā)以及地下水的影響，就是研究沙地土壤水分的分布狀況及各層土壤含水量的變化，旨為在有限的水資源條件下，提高土壤水的利用率，發(fā)揮沙地有限水的最大效益，恢復(fù)植被，保持沙地生態(tài)系統(tǒng)的平衡提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉新平,張銅會,趙哈林,等.流動沙丘干沙層厚度對土壤水分蒸發(fā)的影響[J].干旱區(qū)地理，2006(04)：523-526.

[2]劉戈力.地下水與水環(huán)境[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2003(01)：27-31.

[3]李新榮,馬鳳云,龍立群,等.沙坡頭地區(qū)固沙植被土壤水分動態(tài)研究[J].中國沙漠，2001(03)：217-222.

[4]孫豐.灘地監(jiān)測方案設(shè)計與分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2014(01)：83-87.

[5]張軍紅,吳波.干旱、半干旱地區(qū)土壤水分研究進(jìn)展[J].中國水土保持，2012(02)：40-44.

[6]施文永.福建東山島地下水資源管理與保護(hù)對策[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2004(05)：30-33.

[7]趙子平,許曉紅.干旱對生態(tài)環(huán)境的影響及對策[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2009(03)：30-33.

Study of Sandy stratum Thickness Effects on Soil Moisture and Groundwater

LI Chun-long

(Liaoning Provincial Rural Water Conservancy Construction Management Bureau，Shengyang 110003，China)

Abstract：Moisture of sandy land has special movement change law in the desertification area in the northwestern Liaoning. The paper researches further the movement change law of soil moisture and groundwater in sandy land. To grasp the dynamic change of groundwater of sandy land has important meaning in protecting local limited water resources and increasing the use effect of water resources，meanwhile，there are great theoretical significance for selecting seed of sand binder，preventing wind and fix sand，protecting local limited water resources，restoring the degraded ecosystem，developing and using sandy land，developing the ecological economy of sandy industry and sandy land regulation.

Key words：dry sandy stratum；soil moisture；groundwater；evaporation

文章編號：1007-7596(2016)02-0008-03

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]李春龍(1977-)，男，山東煙臺人，高級工程師。

中圖分類號：S152.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A