碭山縣包氣帶水分運移特征淺析

［關(guān)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(jié)合水，空隙中保持毛細水，空隙未被液態(tài)水占據(jù)的部分包含空氣及氣態(tài)水?？障吨械乃^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(tǒng)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(nóng)業(yè)用水占地下水開發(fā)利用比例較高，約占淺層地下水開發(fā)利用量的50.1%，有效利用率僅為30%～40%。對農(nóng)業(yè)來說，包氣帶水實際上是可被農(nóng)作物直接利用的唯一水資源形式。研究包氣帶水對保障農(nóng)業(yè)發(fā)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(qū)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(qū)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(qū)氣候?qū)偌撅L半濕潤氣候區(qū)。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(fā)量1145.59 mm，最大年蒸發(fā)量2034.6 mm（1981 年），最小年蒸發(fā)量674.8 mm（2003年），每年蒸發(fā)主要集中在5～8月，約占全年蒸發(fā)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(qū)第四系地層廣泛分布，根據(jù)本次鉆探調(diào)查，工作區(qū)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(tǒng)太和組、中更新統(tǒng)臨泉組、上更新統(tǒng)黃口組以及全新統(tǒng)蕭碭組構(gòu)成。

2.1.1更新統(tǒng)地層

區(qū)內(nèi)廣泛分布，地表無出露，隱伏于第四系全新統(tǒng)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(zhì)結(jié)核，一般有1～4個韻律，沉積厚度25～165 m。

2.1.2全新統(tǒng)蕭碭組

區(qū)內(nèi)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(qū)分布有褐黃色淤泥質(zhì)亞黏土、亞砂土[3]。工作區(qū)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(qū)域內(nèi)廣泛分布，由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)構(gòu)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(zhì)為微承壓潛水，工作區(qū)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(nóng)業(yè)灌溉的主要水源是該層水[4]。

3. 工作區(qū)包氣帶分布特征

3.1包氣帶水平分布區(qū)

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

粉砂分布區(qū)：分布于工作區(qū)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(zhì)為第四系全新統(tǒng)蕭碭組，巖性以粉砂為主。

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

亞砂亞黏互層分布區(qū)：分布于工作區(qū)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(zhì)為第四系全新統(tǒng)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(fā)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(zhì)，具有團粒結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(qū)實地調(diào)查，包氣帶厚度為2.0～10.06 m，沿故黃河兩側(cè)包氣帶厚度較大，一般為8.0～10.0 m，受地下水動態(tài)特征影響，包氣帶厚度年內(nèi)變幅一般小于3.0 m。

4. 工作區(qū)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(qū)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(fā)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(fā)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(xù)下滲補給飽水帶。

4.2工作區(qū)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(chǎn)生影響。降雨或灌溉結(jié)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(zhì)勢梯度驅(qū)動下會繼續(xù)向下運移，如圖1、圖2所示，包氣帶水分1～3月出現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，4～5月是碭山縣傳統(tǒng)的灌溉季節(jié)，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(dǎo)致的土面蒸發(fā)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(xù)下滲，也說明包氣帶水分在重力作用下的持續(xù)下移特征。6～9月，為碭山縣雨季，降水量較大出現(xiàn)在7月末與8月初，隨著降水量的持續(xù)增多，包氣帶水分持續(xù)增加，并且其運移過程時間的長短和雨強、雨量有很大關(guān)系，如在持續(xù)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(xiàn)了包氣帶水分的一個對應(yīng)峰值，又如在強降雨時，8月1日出現(xiàn)歷時降水量達53 cm，8月5日又出現(xiàn)了包氣帶水分的一個對應(yīng)峰值，對上述監(jiān)測結(jié)果研究表明：持續(xù)降水或強降水后，3～7日內(nèi)可出現(xiàn)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(fā)和地下水埋深的影響，變化較大，這一層也與作物的生長關(guān)系密切，是重點關(guān)注的對象。據(jù)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(fā)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(nèi)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(xiàn)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(fā)影響強烈。

4.2.3淺層地下水蒸發(fā)包氣帶水分運移特征

淺層地下水蒸發(fā)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(fā)量與蒸發(fā)強度與地下水埋深、土壤質(zhì)地和氣候條件等有密切的關(guān)系。蒸發(fā)強度主要取決于水面陸面蒸發(fā)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(zhì)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?shù)叵滤宦癫厣疃冗_到極限時，淺層地下水蒸發(fā)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(jù)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(fā)和水面蒸發(fā)相差不大，黃潮土年蒸發(fā)量約為1040.3 mm；埋深逐漸增加時，有作物的淺層地下水蒸發(fā)大于裸地淺層地，裸土的淺層地下水蒸發(fā)隨著埋深的增加而減少。有作物的淺層地下水蒸發(fā)有一個最大值埋深，不同作物對應(yīng)的淺層地下水蒸發(fā)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(fā)減少。統(tǒng)計不同埋深下多年潛水蒸發(fā)的特征值，見表1，表中反映作物對淺層地下水蒸發(fā)影響的規(guī)律和前面的分析結(jié)果基本一致。如果把每年淺層地下水平均蒸發(fā)量小于20 mm視為零蒸發(fā)，那么地下水蒸發(fā)的相對極限值埋深就是臨界埋深[6]。

5. 結(jié)語

（1）碭山縣持續(xù)降水或強降水后，3～7d內(nèi)可出現(xiàn)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(nèi)極值，反映了降水條件下包氣帶水分持續(xù)下移并出現(xiàn)累進性增長的趨勢。

（2）年內(nèi)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(xiàn)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(fā)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。