江蘇沿海灘涂地下水埋深及礦化度變化規(guī)律

王麗娟，宋翹楚，吳 為，曹善宇

(1.江蘇匯智工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210036；2.沈陽市土地儲備服務中心，遼寧 沈陽 110000；3.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029)

在國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展過程中，灘涂作為土地的重要組成形式，擔負著特殊的歷史使命，逐漸成為重要的利用對象[1]。沿海灘涂圍墾活動歷史悠久, 影響巨大。據(jù)統(tǒng)計，世界上有64個沿海國家與地區(qū)早已開展灘涂圍墾。圍墾活動在一定的歷史時期給人們帶來了巨大的經(jīng)濟利益，以至于世界各國加大了沿海資源，尤其是灘涂資源的開發(fā)力度，灘涂濕地在開發(fā)利用中也逐漸顯現(xiàn)出水資源安全、土地資源安全、生物入侵及自然災害加劇等風險，成為人類圍墾活動中面臨的問題。研究人員逐步注意到圍墾活動帶來的一些影響，比如：使灘涂土壤性質(zhì)發(fā)生變化[2-3]，對生物多樣性[4-5]、土地利用和景觀格局[6-7]、河口水動力環(huán)境[8-9]、沿海灘涂生態(tài)安全狀況[10-11]、灘涂濕地生態(tài)系統(tǒng)服務[12-13]等造成影響。我國在過去很長時期內(nèi)灘涂的開發(fā)利用形式較粗放，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護要求的提高，國家對灘涂利用政策進行了調(diào)整，嚴令禁止對生態(tài)環(huán)境造成不利影響的灘涂圍墾開發(fā)利用方式，為生態(tài)環(huán)境保護及灘涂區(qū)域的開發(fā)利用指明了方向。在保護生態(tài)環(huán)境的同時，對沿海灘涂已開發(fā)區(qū)域生態(tài)服務價值的功能保護及灘涂資源的持續(xù)高效利用仍然應有充分重視。

灘涂區(qū)域由于經(jīng)常受到海水浸泡，土壤中的含鹽量相當高且營養(yǎng)成分少，不利于植物生長[14]。但是，濱海鹽堿地作為重要的土地后備資源，受到廣泛關注，并且受重度鹽漬化影響的灘涂地在土壤脫鹽改良利用方面成為廣大科技工作者的研究熱點[15-18]。

江蘇沿海灘涂位于暖溫帶向亞熱帶的過渡區(qū)，氣候溫和，灘涂資源豐富, 約占全國灘涂總面積的四分之一(65.3萬hm2),占全省陸域面積的十五分之一，具有悠久的圍墾利用歷史[19]。江蘇沿海地區(qū)大面積的鹽堿地是中國濱海鹽堿地的典型代表，也具有濱海鹽土的共同特點[20-24]，即：低養(yǎng)分、高鹽堿、鹽分分布不均、地下水礦化度高、地表淡水資源缺乏等。沿海灘涂地下水埋深和礦化度是影響土壤改良的重要因素，研究地下水埋深及礦化度在不同條件下的變化規(guī)律，有助于鹽堿地改良技術(shù)深化研究。為了積累基礎資料，探究江蘇沿海灘涂的環(huán)境條件，以利于對江蘇沿海灘涂地進行脫鹽改良，從而合理開發(fā)利用。本研究選擇江蘇沿海灘涂典型區(qū)域為研究對象，在試驗基地進行野外定位測試，統(tǒng)計并分析特定水文及環(huán)境條件下地下水埋深及礦化度的變化規(guī)律，旨在為進一步開展灘涂地鹽堿土改良技術(shù)研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鹽城市地處北緯32.85°～34.20°、東經(jīng)119.57°～120.45°，該市面積以及沿海灘涂的面積都位居江蘇省首位，分別為16 931 km2和4 553 km2。海岸線長度達582 km，占整個江蘇省海岸線的61%。試驗區(qū)位于江蘇省鹽城市所轄東臺市弶港鎮(zhèn)，是典型的濱海平原區(qū)。項目區(qū)屬于北亞熱帶季風氣候，多年平均降水量1 055.7 mm。

試驗區(qū)地域平坦，地面高程為3.30～4.77 m(黃海高程)。試驗區(qū)土層在0～40 cm深度范圍內(nèi)大部分為粉質(zhì)壤土，超過40 cm深度范圍內(nèi)多為砂質(zhì)壤土，該區(qū)域土壤質(zhì)地在江蘇省沿海平原一帶具有一定的代表性，改良后的土壤較適合農(nóng)作物生長，有利于發(fā)展高效農(nóng)業(yè)。試驗區(qū)地理位置見圖1，土壤的理化性質(zhì)指標見表1[25]。

表1 試驗區(qū)土壤的理化性質(zhì)指標

圖1 試驗區(qū)地理位置示意圖

2 試驗設計和數(shù)據(jù)處理

試驗區(qū)位于江蘇省東臺市弶港鎮(zhèn)，共分7個小區(qū)(田塊)，每個小區(qū)長80 m、寬80 m，面積為6 400 m2。在每個小區(qū)中部自北向南布置3個測井，測井間距為20 m，井深為3 m、直徑為0.12 m、管壁為UPVC管材。通過測量監(jiān)測井中的水位，觀測地下水埋深。將取水瓶捆綁在竹竿上，伸入監(jiān)測井中取水樣，封存并帶回實驗室用電導率筆測定水樣中的鹽分。觀測時間為2018年1月1日至12月31日，每日8:00進行水位觀測，記錄數(shù)據(jù)并同時取水樣。

參考《土壤農(nóng)化分析》[26]進行土壤鹽堿性指標試驗，采用Excel表格進行數(shù)據(jù)整理并繪制變化曲線，采用SPSS軟件分析變量之間的相關性。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)自然降雨特征

研究區(qū)降水量充足，但時空分布不均，2007—2018年各月平均降水量、年降水量及2018年各月平均降水量如表2所示。統(tǒng)計結(jié)果表明：①研究區(qū)5—9月降水量較大，該期間的降水量約占全年降水量的73%，其中8月降水量最大(達到192.9 mm)；②研究區(qū)2007—2018年平均降水量約為865.4 mm，各年的年降水量變化不太大；③2018年7月降水量僅為62.0 mm，明顯小于往年同期降水量。

表2 研究區(qū)降水量統(tǒng)計

研究區(qū)域2018年共發(fā)生有效降雨43次，其中次降水量屬于小雨的有22次，平均雨量4.73 mm，小雨次數(shù)占年內(nèi)降雨次數(shù)的51.2%；次降水量屬于中雨的有11次，平均雨量16.0 mm，中雨次數(shù)占年內(nèi)降雨次數(shù)的25.6%；次降水量屬于大雨的有5次，平均雨量38.15 mm，大雨次數(shù)占年內(nèi)降雨次數(shù)的11.6%；次降水量屬于暴雨的有5次，平均雨量62.53 mm，暴雨次數(shù)占年內(nèi)降雨次數(shù)的11.6%。未發(fā)生大暴雨和特大暴雨。

3.2 地下水埋深變化特征

地下水埋深的變化除了受降雨、灌溉、蒸發(fā)等多種因素的影響之外，同時還受到自然環(huán)境及人為因素的綜合作用。研究區(qū)水資源較豐富，大部分土地為農(nóng)業(yè)用地，附近開發(fā)程度不高，多采用河水進行灌溉，對地下水埋深無明顯影響。研究區(qū)地下水埋深變化幾乎取決于自然條件。

3.2.1地下水埋深變化特征

筆者于2018年在研究區(qū)進行了為期一年的地下水埋深觀測，所得結(jié)果繪制的地下水埋深變化曲線見圖2。圖2表明該區(qū)地下水埋深在1月、11月和12月期間變化不明顯，2—10月期間由于降雨和蒸發(fā)變化幅度較大，地下水埋深變化較頻繁。本研究區(qū)地下水埋深較淺，年平均值為1.69 m，8月24日達到最小值0.1 m，5月8日達到最大值2.76 m。

圖2 研究區(qū)地下水埋深變化曲線

隨著降雨和蒸發(fā)的發(fā)生，地下水埋深會有所改變。當降雨發(fā)生時，雨水滲入會引起地下水埋深減小；蒸發(fā)會使土壤中的含水量變少，進而借助毛細管力使地下水上升到土壤中，導致地下水埋深增加。

3.2.2降雨對地下水埋深的影響

2018年研究區(qū)的降水量及地下水埋深測試結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，地下水埋深隨著降雨的發(fā)生產(chǎn)生了劇烈變化，變化曲線中存在多個相差幅度較大的極大值點和極小值點。幾乎每次地下水埋深減小都與發(fā)生降雨相呼應，在相鄰兩次降雨間隔的時間內(nèi)地下水埋深增加，表明地下水埋深的變化與降雨事件密切相關且兩者之間發(fā)生的相應變化具有實時性。

圖3 降水量與地下水埋深變化曲線

圖3顯示，2—10月間降雨時常發(fā)生，引起地下水埋深波動頻繁且變化幅度較大。試驗區(qū)8月24日發(fā)生強降雨，降水量達到72.4 mm，經(jīng)過此次降雨，地下水埋深減少了186 cm，達到該年地下水埋深的最大上升幅度。2018年研究區(qū)1月、11月和12月的降水量在年內(nèi)屬于較低水平，地下水埋深變化幅度不大。

3.2.3蒸發(fā)對地下水埋深的影響

測試并統(tǒng)計2018年的蒸發(fā)量及地下水埋深情況，將所得結(jié)果繪制成圖4。

圖4 蒸發(fā)量與地下水埋深變化曲線

對照圖3與圖4，可以看出在試驗區(qū)降雨較小或者無降雨的情況下，地下水埋深的變化與蒸發(fā)關系密切(統(tǒng)計結(jié)果表明兩者呈極顯著相關，相關系數(shù)為0.78)，蒸發(fā)會導致地下水埋深相應地增加，蒸發(fā)量越高則地下水埋深下降的幅度越大。

3.2.4附近河水位對地下水埋深的影響

研究區(qū)地下水埋深變化除了與水文氣象因素有關外，還與其附近的梁垛河水位有關。測試并統(tǒng)計2018年地下水埋深及梁垛河水位的變化值，繪制成圖5。

圖5 地下水埋深與河水位變化曲線

圖5顯示，梁垛河水位在降雨最集中的7—9月表現(xiàn)出較強的波動性，相應的地下水埋深與河水位的波動頻率及波動幅度在該時段也最突出。在發(fā)生降雨次數(shù)較少且降水量較小的1—2月以及11—12月，地下水埋深波動幅度不大，河水位的變化情況也類似。

分別對地下水埋深與降雨、蒸發(fā)、梁垛河水位進行相關分析，所得相關系數(shù)分別為0.94、0.78、0.51。SPSS分析結(jié)果表明地下水埋深與降雨、蒸發(fā)、梁垛河水位皆呈極顯著相關關系，降雨、蒸發(fā)、梁垛河水位對地下水埋深的影響從大到小排序為降雨>蒸發(fā)>梁垛河水位。

3.3 地下水礦化度變化特征

3.3.12018年地下水礦化度變化特征

測試并統(tǒng)計研究區(qū)2018年各月自然條件下的降水量、蒸發(fā)量及地下水礦化度平均值，見表3。

表3 研究區(qū)2018年降水量、蒸發(fā)量及地下水礦化度平均值

自然條件下，降水量和蒸發(fā)量均與當?shù)氐臏囟群蜐穸鹊葰夂蛞蛩叵嚓P，降雨和蒸發(fā)會對地下水礦化度產(chǎn)生一定的影響。表3顯示，降水量和蒸發(fā)量在一年中呈現(xiàn)先上升、后下降的變化趨勢，而地下水礦化度的變化情況則與其相反。研究區(qū)1—4月及12月降水量和蒸發(fā)量大體處于較低值，而地下水礦化度則處于較高水平，12月地下水平均礦化度達到該年的最大值(19.80 g/L),約為8月地下水礦化度平均值的18.5倍。

3.3.2降雨對地下水礦化度的影響

研究區(qū)2018年觀測到的43次降水量及相應的每次降雨前后地下水礦化度的變化情況見表4。地下水礦化度的變化幅度P計算公式如下:

表4 研究區(qū)降水量與地下水礦化度變化情況

P=(M2-M1)/M1×100%

(1)

式中：M1為降雨前當日地下水礦化度；M2為降雨后當日地下水礦化度。

從表4可以看出，研究區(qū)2018年發(fā)生的最大降雨的雨量為74.62 mm，與其對應的地下水礦化度比降雨前下降了59.79%，該地下水礦化度變化值并非全年的最大變化值，全年地下水礦化度變化幅度最大值(77.46%)所對應的那次降水量為60.51 mm。出現(xiàn)這種狀況的原因在于地下水礦化度變化幅度不僅受降水量影響，同時還受地下水礦化度、蒸發(fā)、地下水埋深等因素的共同作用。

為了了解單次降水量與地下水礦化度變化之間的關系，根據(jù)地下水礦化度變化的幅度，把降雨劃分成3類，第一類是單次降水量小于10 mm，第二類是單次降水量介于10～50 mm范圍，第三類是單次降水量大于50 mm。把3類降雨類型的降水量與地下水礦化度的變化幅度進行相關分析，結(jié)果表明第一類降雨、第二類降雨、第三類降雨與地下水礦化度變化的相關系數(shù)分別為0.19、0.74、0.82?？梢钥闯?，降水量與地下水礦化度變化的相關性隨著單次降水量的增大而增強。該結(jié)果也說明單次降雨的雨量越大，其在滲入土壤到達地下水這個過程中所損失的水量占降水量越小，也就是說降水量越大則雨水在滲入土壤后到達地下水這個過程中所損失的水量占降水量的比重越小，即降水量越大，單位水量對地下水礦化度的影響也越大。把2018年各次降水量與地下水礦化度的變化幅度進行相關分析，得出相關系數(shù)為0.79，呈極顯著性相關。

測試并統(tǒng)計研究區(qū)2018年地下水礦化度與降雨的變化情況，以便了解它們之間的關系，將所得結(jié)果繪制成圖6。

圖6 降水量與地下水礦化度變化情況

圖6顯示，地下水礦化度與降雨之間存在一定的關系。降雨發(fā)生時地下水礦化度隨之變化，且隨著降水量增大，相應的地下水礦化度降低；在相鄰兩次降雨發(fā)生的時間間隔內(nèi)，地下水礦化度會有所增大。全年的地下水礦化度變化曲線大體為U形，呈先減小、后增大的趨勢。2018年年初時地下水礦化度較高，在1月降水量較小的情況下地下水礦化度沒有明顯下降，之后降雨頻率及降水量逐漸增加，地下水礦化度在其影響下產(chǎn)生較大幅度的下降，該下降過程一直持續(xù)到6月，地下水礦化度達到了一年中的較低水平。在6—9月期間降雨頻率較高，降水量處于年內(nèi)較高水平，地下水礦化度則達到了年內(nèi)較低水平。進入10月以后降水量逐漸下降，蒸發(fā)因素起決定性作用，在此條件下地下水礦化度呈現(xiàn)小幅度上升。11—12月降水量明顯減少，地下水礦化度急劇上升。

3.3.3蒸發(fā)對地下水礦化度的影響

測試并統(tǒng)計2018年地下水礦化度及蒸發(fā)量變化情況，以便了解它們之間的關系，將所得結(jié)果繪制成圖7。

圖7 蒸發(fā)量與地下水礦化度變化曲線

把蒸發(fā)量與地下水礦化度進行相關分析，考慮到降雨對地下水中的鹽分具有稀釋作用，在一定程度上會影響統(tǒng)計結(jié)果，故統(tǒng)計分析中剔除降雨日的蒸發(fā)與降雨數(shù)據(jù)，統(tǒng)計得出蒸發(fā)量與地下水礦化度相關系數(shù)為0.66，呈極顯著相關。

3.3.4地下水埋深與地下水礦化度的關系

測試并統(tǒng)計研究區(qū)2018年地下水埋深與地下水礦化度數(shù)據(jù)，探尋它們之間的變化關系，將所得結(jié)果繪制成圖8。圖8顯示地下水礦化度隨著地下水埋深的減小而降低，隨地下水埋深的增大而升高。分析結(jié)果表明，兩者的相關系數(shù)為0.42，呈顯著相關。

圖8 地下水埋深與地下水礦化度變化曲線

4 結(jié) 論

a.江蘇沿海灘涂地區(qū) 2007—2018 年的降雨資料統(tǒng)計分析結(jié)果表明，區(qū)域降水量時空分布不均，降水量充足，全年降水量主要集中在 5—9 月，此期間的降水量約占全年降水量的 73%。

b.地下水埋深與降雨、蒸發(fā)、梁垛河水位的相關系數(shù)分別為0.94、0.78、0.51，均呈極顯著相關關系。降雨、蒸發(fā)、梁垛河水位對地下水埋深的影響從大到小排序為降雨>蒸發(fā)>梁垛河水位。

c.地下水礦化度的變化與降雨、蒸發(fā)及地下水埋深皆具有相關關系，降雨的稀釋作用會導致地下水礦化度下降，而蒸發(fā)作用會使地下水礦化度上升。此外，地下水礦化度隨地下水埋深的增大呈上升趨勢。地下水礦化度與降雨、蒸發(fā)呈極顯著相關關系(相關系數(shù)分別為0.79和0.66)，與地下水埋深呈顯著相關關系(相關系數(shù)為0.42)。