段 鵬，王文科，臧 鵬

(1.長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054;2.西安石油大學(xué)機械工程學(xué)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(dǎo)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(fēng)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(biāo)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(xì)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(xì)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(fēng)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(biāo)準(zhǔn)分別導(dǎo)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(fēng)積沙(中細(xì)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(fēng)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(fēng)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(fù)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(fù)壓觀測資料，負(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)時段的總水勢-埋深變化規(guī)律曲線，如圖2所示。

2.1 上細(xì)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(xì)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(xì)，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(xì)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(fēng)化砂巖巖性結(jié)構(gòu)(西一區(qū))

西一區(qū)2.5m以上由風(fēng)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(yīng)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(xì)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)的滲流特征

2.2.1 風(fēng)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(fēng)積沙和下層巖組的粗-細(xì)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(dá)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(fēng)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(dá)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(fēng)積沙-風(fēng)化砂巖巖性結(jié)構(gòu)(西二區(qū))

西二區(qū)1 m以上為風(fēng)積沙，1～2.5 m為風(fēng)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(fēng)積沙和風(fēng)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(dá)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(yīng)

為研究不同深度總水勢對降雨的響應(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(fēng)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(fēng)化砂巖(西一區(qū))或細(xì)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(dǎo)帶。

2)地表巖性為風(fēng)積沙時對降雨入滲最為有利，地表巖性為風(fēng)化砂巖或細(xì)顆粒巖性時對降雨入滲不利。因此上細(xì)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(xì)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(fēng)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(yīng)

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(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:地質(zhì)出版社.1995:26-27.

［2］范高功，侯光才.細(xì)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.