武威盆地典型地區(qū)包氣帶水分運(yùn)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(jiān)測、元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬等研究方法，開展植被生態(tài)與地下水關(guān)系研究，模擬了典型植被的根系吸水速率分布規(guī)律。結(jié)果表明：地表植被結(jié)構(gòu)越多，土壤水分交換越頻繁，包氣帶同時(shí)受到大氣降水入滲和毛細(xì)水的支持，整個(gè)包氣帶含水量較高;利用Hydrus-1D模型分析，發(fā)現(xiàn)典型植被在7—8月植被生長成熟期間，由于氣溫升高，蒸發(fā)量較大，植物需水量增加，根系吸水速率增強(qiáng);9月植被進(jìn)入衰退期，植被吸水能力逐漸減弱;當(dāng)?shù)叵滤裆?3.0 m時(shí)，包氣帶中土壤水分能達(dá)到植被生長所需要的水平，植被根系吸水速率在10～40 cm內(nèi)達(dá)到最大。

關(guān)鍵詞 典型剖面;包氣帶;地下水埋深;水分運(yùn)移模擬;根系吸水

中圖分類號：S152.7 文獻(xiàn)標(biāo)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(dǎo)致地下水位下降，地表植被衰敗，荒漠化持續(xù)加劇，其生態(tài)平衡已經(jīng)相當(dāng)脆弱[2-5]。開展武威盆地典型地區(qū)植被生態(tài)與地下水關(guān)系研究，探究地表植被的演替規(guī)律、包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律及植被吸水規(guī)律，可為進(jìn)一步研究地下水生態(tài)環(huán)境效應(yīng)問題提供理論依據(jù)。

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(qū)，地下水是影響土壤水分的重要因素[7-11]。王強(qiáng)民[12]研究了毛烏素沙地地下水與植被生態(tài)的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)，地下水埋深的變化影響了地表植被的分布，表現(xiàn)為當(dāng)?shù)叵滤幌陆担脖挥刹荼局脖幌蛏迟|(zhì)植被過渡。楊澤元等[13]通過建立禿尾河流域地下水動(dòng)態(tài)變化與土壤表生生態(tài)效應(yīng)之間的關(guān)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(qū)河岸生態(tài)系統(tǒng)，闡述了地下水對植被生長的作用，結(jié)果表明地下水減少會影響植被生長發(fā)育，造成植被豐度下降。許多國內(nèi)外學(xué)者對地下水埋深與植被之間的關(guān)系進(jìn)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(dǎo)致植被衰敗，將這一臨界深度表示為生態(tài)地下水埋深[15]。

依托國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題“石羊河流域地下水合理開發(fā)利用與生態(tài)功能保護(hù)研究與示范”，以包氣帶水分運(yùn)移為主要研究方向，采用典型剖面監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析武威盆地典型地區(qū)包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律，為石羊河流域地下水合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于武威盆地上案村（102° 49′51E，38°20′01″N）。試驗(yàn)點(diǎn)地勢低平，年降水量多年平均為105 mm，全年潛在水面蒸發(fā)量達(dá)2 310 mm。地下水位埋深在2.2～3.3 m之間波動(dòng)，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(dòng)，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(xì)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(zhì)細(xì)砂。試驗(yàn)點(diǎn)主要植被為沙棗、檉柳、枸杞、芨芨草（圖1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與布置

土壤溫度、鹽分及土壤含水率可以利用TDR-310S進(jìn)行監(jiān)測，通過測量土壤的介電常數(shù)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(dǎo)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(yàn)中，土壤含水率監(jiān)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(jiān)測時(shí)間為2018年11月—2019年12月。

在試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測孔，監(jiān)測地下水動(dòng)態(tài)，監(jiān)測頻率為30 min。在試驗(yàn)場布設(shè)野外自動(dòng)氣象站，監(jiān)測記錄降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、風(fēng)速、大氣壓等，并布設(shè)E601蒸發(fā)皿（采用高精度diver監(jiān)測蒸發(fā)情況）。根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)位置，分別取土樣及環(huán)刀樣進(jìn)行顆分試驗(yàn)和土壤水分特征參數(shù)試驗(yàn)，取樣埋深如下：20 cm、40 cm、50 cm、80 cm、160 cm、210 cm、240 cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 一維垂向包氣帶水分運(yùn)移

試驗(yàn)點(diǎn)剖面土壤含水量隨時(shí)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(dá)到峰值，變化幅度為0.093～0.16;在20～40 cm范圍內(nèi)，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(nèi)，由于上層植被吸水及蒸發(fā)等作用，土壤水分補(bǔ)給至上層，下層水分沒有及時(shí)得到補(bǔ)給，導(dǎo)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(xì)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(yùn)移

試驗(yàn)點(diǎn)土壤水分等值線變化：該點(diǎn)位包氣帶土壤含水量主要受氣候條件（大氣降水、蒸發(fā)）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(dòng)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(xì)水的影響而有所波動(dòng)。150～220 cm土層含水量主要受潛水變化影響，在毛細(xì)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(yùn)移的影響

試驗(yàn)周期內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)變化對土壤水分影響：2018年11月—2019年11月，地下水位動(dòng)態(tài)表現(xiàn)為3個(gè)峰值和3個(gè)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(gè)階段：

Ⅰ階段：即第1個(gè)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(guān)。由于溫度影響，11月開始后溫度低于0 ℃，淺層土壤水分凍結(jié)，地下水向上層運(yùn)移。2月、3月后，溫度升高，季節(jié)性凍土開始融化，40 cm以上土壤含水量升高，向下層進(jìn)行補(bǔ)給，水位抬升。

Ⅱ階段：即第2個(gè)峰谷，5月水位最高，隨時(shí)間增加，土壤溫度升高，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地下水位下降。由于發(fā)生較大降水，7月水位大幅度抬升，后因蒸發(fā)作用下降，9月達(dá)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(fā)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(yùn)移數(shù)值模擬

HYDRUS-1D是美國農(nóng)業(yè)部鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的模擬非飽和介質(zhì)中一維水分、熱量、溶質(zhì)運(yùn)移的模型，其被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)和野外試驗(yàn)中水分和溶質(zhì)運(yùn)移模擬等方面[16]。

包氣帶水分運(yùn)移模型采用Richards方程來描述土壤水分運(yùn)移過程，忽略土壤水分在水平和側(cè)向上的運(yùn)動(dòng)，僅考慮一維垂向水流運(yùn)移，即水流運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较虻膯蜗嘁痪S流時(shí)，建立數(shù)學(xué)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(shù)（cm/d）;

h為壓力水頭或基質(zhì)勢（cm）;

S（z，t）為單位時(shí)間單位體積土壤根系吸水率（1/d）;

t為時(shí)間變量（d）;

Z空間變量（cm），地表為原點(diǎn)，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(qiáng)度（cm/d）。

根系吸水率表示單位土壤體積在單位時(shí)間內(nèi)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(yīng)方程;

Β（z）為根系吸水分布函數(shù)（cm-1）;

TP為作物潛在蒸騰率（cm/d）。

初始條件選擇為實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，采用當(dāng)天剖面各個(gè)傳感器位置實(shí)際測量的土壤含水率，相鄰監(jiān)測點(diǎn)之間含水率按照線性插值方法自動(dòng)給出。識別期2019年1月21日—3月31日，驗(yàn)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(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)。

在Hydrus-1D 進(jìn)行參數(shù)的反演優(yōu)化過程設(shè)置完畢后運(yùn)行模型，待模型成功收斂后，在模擬結(jié)果中設(shè)置觀察點(diǎn)，軟件會自動(dòng)對比含水率模擬值和實(shí)測值繪制圖件，觀察擬合效果。在充分了解各個(gè)參數(shù)物理意義的基礎(chǔ)上，在模型的擬合過程中不斷調(diào)試相關(guān)參數(shù)，使計(jì)算值和觀測值的相對誤差<15%，方可認(rèn)為識別出的參數(shù)真實(shí)可靠。

地下水埋深在3 m上下波動(dòng)時(shí)，沙棗樹、檉柳和枸杞的根系吸水特征。由圖可以發(fā)現(xiàn)，沙棗樹根系吸水率在7—9月變化規(guī)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(nèi)，且根系吸水率在淺層內(nèi)大于深層，說明地下水埋深3 m時(shí)，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(jié)論

（1）當(dāng)?shù)叵滤裆钶^淺（<3 m）時(shí)，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(dòng)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(yàn)點(diǎn)建立包氣帶水分運(yùn)移模型，結(jié)果表明：試驗(yàn)點(diǎn)在識別期和驗(yàn)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(qū)優(yōu)勢植被根系吸水模型，通過分析研究區(qū)優(yōu)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(fā)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(jìn)入衰退期，植被吸水能力逐漸減弱，另外，9月后蒸發(fā)量相對下降，降雨量增加，淺層土壤含水量增加，該區(qū)域根系吸水速率上升。

（3）從植被根系吸水規(guī)律來看，根系總是向著水分充足和最容易吸水的區(qū)域生長，當(dāng)?shù)叵滤裆?3 m時(shí)，包氣帶中土壤水分能達(dá)到植被生長所需要的水平，植被根系吸水速率在10～40 cm內(nèi)達(dá)到最大，同時(shí)，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。

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責(zé)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