汪麗芳, 張 冰, 王建中, 劉 敏, 梁繼運(yùn), 馬小雷

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北 石家莊 050061; 2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院, 河北 石家莊 050021)

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華北平原中部典型區(qū)包氣帶水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征

汪麗芳1, 張 冰1, 王建中1, 劉 敏1, 梁繼運(yùn)1, 馬小雷2

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北 石家莊 050061; 2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院, 河北 石家莊 050021)

摘要：[目的] 研究包氣帶水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征,為“四水轉(zhuǎn)化”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)循環(huán)研究提供依據(jù)。[方法] 利用土壤水分運(yùn)動(dòng)學(xué)中勢(shì)能的觀點(diǎn),研究包氣帶水分、包氣帶水勢(shì)隨時(shí)間和深度的變化特征。[結(jié)果] 季節(jié)不同,土壤水勢(shì)整體分布差異明顯。6—8月土壤水勢(shì)最高,局部地段甚至達(dá)到飽和,12月至翌年3月土壤水勢(shì)最低。地面0—50 cm深度土壤含水量受季節(jié)影響非常大,土壤水勢(shì)激烈變化;50 cm深度以下土壤含水量基本不受季節(jié)交替影響,50—140 cm土壤水勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定;140 cm以下只受重力勢(shì)作用。[結(jié)論] 降雨、灌溉、蒸發(fā)、地下水埋深等因素均能引起土壤剖面土壤水勢(shì)分布發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)入滲型、蒸發(fā)型、蒸發(fā)—入滲型、下滲—上滲型、下滲—上滲—入滲型等土壤水分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：包氣帶; 含水量; 土壤水勢(shì); 時(shí)空變化

文獻(xiàn)參數(shù)： 汪麗芳, 張冰, 王建中, 等.華北平原中部典型區(qū)包氣帶水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：105-108.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.019

包氣帶是連接大氣水、植物水、地表水、地下水構(gòu)成的水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)循環(huán)的紐帶[1]，同時(shí)包氣帶水對(duì)水資源開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和預(yù)測(cè)滲流帶污染物遷移有著十分重要的作用[2]。從水文地質(zhì)角度研究包氣帶，對(duì)研究地下水形成理論和補(bǔ)給機(jī)理[3]、解決淺層地下水資源評(píng)價(jià)問題[4]等都具有重要意義。

研究包氣帶水分的賦存及運(yùn)移，實(shí)質(zhì)上是研究土層中土—水能力的狀態(tài)及轉(zhuǎn)換，所以應(yīng)充分引進(jìn)土壤學(xué)方面研究成果，用勢(shì)能的觀點(diǎn)去研究水分問題[3,5]。包氣帶土壤水分運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)形式主要為基質(zhì)勢(shì)和重力勢(shì)，二者構(gòu)成了土水勢(shì)。降雨使得水分進(jìn)入土壤，由于土壤基質(zhì)的吸附力、毛管力、重力作用，水分向下運(yùn)動(dòng)補(bǔ)給地下水或者暫時(shí)儲(chǔ)存于土壤中；蒸發(fā)使得土壤水分經(jīng)土表蒸發(fā)和植物吸收蒸騰，水分向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)入大氣[6]。

華北平原屬半濕潤(rùn)半干旱氣候區(qū)，降水較少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，是中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中受水資源制約最嚴(yán)重的地區(qū)之一。在該區(qū)利用土壤水分勢(shì)能開展包氣帶水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征研究顯得尤為重要。本文擬利用土壤水分運(yùn)動(dòng)學(xué)中勢(shì)能的觀點(diǎn)，研究包氣帶水分、包氣帶水勢(shì)隨時(shí)間和深度的變化特征，以期為“四水轉(zhuǎn)化”系統(tǒng)動(dòng)態(tài)循環(huán)提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

統(tǒng)明化鎮(zhèn)組，由灰、灰綠色砂巖、泥質(zhì)粉砂巖和灰黃、棕紅色泥巖組成。

衡水試驗(yàn)基地淺層地下水位埋深約8.0 m左右，承壓含水層地下水位埋深已達(dá)50 m多。包氣帶厚度變大，對(duì)地下水的蒸發(fā)和地表水的入滲都產(chǎn)生了一定的影響，包氣帶水份運(yùn)移時(shí)空變化特點(diǎn)也發(fā)生了較大改變。本次依托衡水試驗(yàn)基地大型稱重式蒸滲儀，開展包氣帶水分時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征研究。蒸滲儀鋼筒表面積1.5 m×2 m，深5.5 m，試驗(yàn)土柱取自衡水試驗(yàn)基地大田的原狀土體(表1)，鋼筒底部反濾層厚0.3 m，頂部高出土柱表面約10 cm。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，可調(diào)節(jié)蒸滲儀中控制水位，調(diào)節(jié)范圍2.0～5.2 m。

表1　土壤巖性垂向分布

土壤含水量使用南京馳順科技發(fā)展有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)的CS630中子水分儀(探頭中密封的環(huán)狀镅—鈹中子源)，對(duì)安裝在大型稱重式蒸滲儀中心的中子水分儀觀測(cè)管進(jìn)行觀測(cè)；土壤水勢(shì)利用北京基因有限公司提供的MPS-2測(cè)量土壤水勢(shì)。

2結(jié)果與分析

2.1土壤水分動(dòng)態(tài)變化特征

土壤含水量變化特點(diǎn)如圖1所示。① 2013年1—3月降水量18.7 mm，僅占全年降水量的8%，屬于非常干旱期。土壤含水量偏小，但基本保持穩(wěn)定。② 2013年4—9月降水量199 mm，占全年降水量的85.6%，是相對(duì)豐水季節(jié)，80 cm以上土壤含水量變化非常大，其中30 cm深度含水量的變化范圍為14.2%～37.5%，變幅達(dá)23.3%；50 cm深度變化范圍為23.7%～40.3%，變幅16.6%。③ 10月以后降水減少，蒸發(fā)作用持續(xù)，50 cm以上土壤含水量逐漸減小，直至冬期土壤形成凍土層，含水量降到最低。④ 80—200 cm深度范圍內(nèi)，蒸發(fā)作用較小，到地下控制水位的距離較大，土壤巖性、毛細(xì)上升作用的影響還不足以影響200 cm以上土壤體積含水量，補(bǔ)給作用微弱，土壤含水量基本穩(wěn)定，無明顯變化。⑤ 200 cm以下土壤受潛水的毛細(xì)上升作用影響，含水量隨深度增加而增大。同時(shí)，在蒸滲儀控制水位埋深由5 m逐步抬升至3 m過程中，增幅隨之增大，直到達(dá)到飽和。

注：1為20121207， 2為20130126， 3為20130317， 4為20130506， 5為20130625， 6為20130814， 7為20131003， 8為20131122， 9為20140111， 10為20140302； 5.2,5,4,3.5,3 m分別表示水位埋深。下同。

圖1土壤含水量隨時(shí)間變化曲線

2.2土壤水勢(shì)動(dòng)態(tài)變化特征

2.2.1隨時(shí)間變化特點(diǎn)一次有效降水(所謂有效降水,是指該次降水足以造成對(duì)地下水的補(bǔ)給),從發(fā)生降水到該次降水對(duì)地下水入滲補(bǔ)給過程的結(jié)束,需要經(jīng)歷一個(gè)時(shí)程。時(shí)程的長(zhǎng)短,與包氣帶巖性和厚度密切相關(guān)。本次分析認(rèn)為，降水量大于1.5 mm時(shí)，可對(duì)包氣帶土壤水勢(shì)產(chǎn)生影響(見圖2)。

圖2　土壤水勢(shì)隨時(shí)間變化趨勢(shì)

如圖2所示，2013年4—9月降水量199 mm，占全年降水量的85.6%，屬于一年中降水最充沛的月份，其中7月1日降水量40 mm，7月26日降水量53 mm。降水通過包氣帶入滲補(bǔ)給作用比較明顯，同時(shí)受蒸發(fā)作用影響，致使土壤水分勢(shì)能變化較大，尤其是地層表面更為明顯。

降水前后土壤水勢(shì)變化特點(diǎn)表現(xiàn)為： ① 降水對(duì)200 cm深度以上地層作用明顯，200 cm以下作用減弱。各深度總體變化趨勢(shì)基本一致。② 表層土壤水勢(shì)變化幅度最大，接受大氣降水時(shí)，離地表越近，補(bǔ)給速度快且補(bǔ)給量大；離地表越遠(yuǎn)，補(bǔ)給速度慢且補(bǔ)給量小。③ 5 cm深度土壤水勢(shì)變化劇烈。7—8月補(bǔ)給作用達(dá)到最大時(shí)，其土壤水勢(shì)達(dá)-23 cm(以H2O柱高表示)；5月蒸發(fā)作用強(qiáng)烈時(shí)，土壤水勢(shì)降低至-1 095 cm。40 cm深度土壤水勢(shì)最大值為-76 cm；最小值為-959 cm。④ 隨著深度加大，降水入滲補(bǔ)給的滯后效果越明顯，且持續(xù)作用更長(zhǎng)。受7月連續(xù)強(qiáng)降水影響，200 cm深度土水勢(shì)增大，且持續(xù)到12月上旬才開始緩慢減小。

不同季節(jié)土壤水勢(shì)隨深度變化特點(diǎn)如圖3所示。① 季節(jié)不同，土壤水勢(shì)整體分布也存在明顯差異； ② 3月處于未產(chǎn)生降雨但凍土已完全解凍的時(shí)期，相對(duì)于全年而言，土壤水勢(shì)較高； ③ 6月土壤受蒸發(fā)作用影響較大，大的降雨尚未形成，土壤水勢(shì)較低； ④ 9月，土壤已持續(xù)受降水長(zhǎng)時(shí)間影響，包氣帶水分增大，持續(xù)向下補(bǔ)給，局部地段甚至達(dá)到飽和； ⑤ 12月，蒸發(fā)作用后氣溫下降，凍土土壤水勢(shì)達(dá)到年度最小。

圖3　不同季節(jié)土壤水勢(shì)對(duì)比曲線

2.2.2隨深度變化特點(diǎn)常見的土壤水分動(dòng)態(tài)包括入滲型、蒸發(fā)型、蒸發(fā)—入滲型、下滲—上滲型、下滲—上滲—入滲型。這5種土壤水分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在一定條件下相對(duì)穩(wěn)定，隨著降雨、灌溉、蒸發(fā)、地下水埋深等各種因素的改變，土壤剖面土壤水勢(shì)分布也將發(fā)生變化，引起土壤水分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化。

以7月26日為例，分析該區(qū)降水前后土壤水勢(shì)隨深度變化特點(diǎn)如圖4所示。① 7月22日前，較少的雨水降落至地表，表層土壤含水量增大，土壤水勢(shì)比下部大，土壤水分向下運(yùn)動(dòng)，40 cm處土水勢(shì)繼續(xù)向上遷移，最后在20 cm處匯集，形成收斂性零通量面。② 受26日強(qiáng)降雨作用，源源不斷有降水補(bǔ)給下滲，收斂型界面消失，土壤水勢(shì)為入滲型。③ 降雨結(jié)束后，表層蒸發(fā)作用繼續(xù)，土壤水分向上運(yùn)移，最終出現(xiàn)上滲—下滲—上滲—下滲交替出現(xiàn)的復(fù)合型曲線。

根據(jù)該區(qū)土壤水勢(shì)垂向變化特點(diǎn)，可將土壤水勢(shì)劃分為3個(gè)分帶：50 cm以上土壤水勢(shì)激烈變化；50—140 cm土壤水勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定，含水量最大；140 cm以下土壤水勢(shì)呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)，最后達(dá)到飽和，只受重力勢(shì)作用。

圖4　降水前后土壤水勢(shì)隨深度變化曲線

結(jié)合土壤巖性特點(diǎn)，分析土壤水勢(shì)垂向變化特點(diǎn)： ① 蒸滲儀土柱中80—220 cm深度為黏土，厚140 cm，其下為80 cm厚度的亞黏土。該地區(qū)80—140 cm深度處已形成比較穩(wěn)定的收斂性界面。受黏土自身顆粒細(xì)小、吸附水、持水能力大的特點(diǎn)影響，在80—140 cm深度處土壤水勢(shì)非常高，基本達(dá)到飽和。220 cm深度以下亞黏土的土壤顆粒增大，吸附水和持水能對(duì)相對(duì)黏土減弱，土壤水分下移受阻，最終在80—140 cm深度形成包氣帶的濕潤(rùn)層，在220 cm深度處形成相對(duì)的包氣帶干層。由前人研究成果可知，細(xì)粒土壤層基質(zhì)勢(shì)會(huì)阻止土壤水分入滲到大孔隙的粗粒土壤層。只有當(dāng)細(xì)粒土層達(dá)到飽和以后，土壤水分才有可能滲入到深部粗粒土壤層[7]，在此得到了印

證。② 340—380 cm深度亞黏土：下部為顆粒更小、含水飽和的黏土；同時(shí)該深度已接近潛水位，在毛細(xì)管上升力作用下，該段地層含水量非常豐富，形成一段接近飽水地層，土壤水勢(shì)主要受重力勢(shì)影響。

3結(jié) 論

(1) 土壤水分動(dòng)態(tài)包括入滲型、蒸發(fā)型、蒸發(fā)—入滲型、下滲—上滲型、下滲—上滲—入滲型。這5種土壤水分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨著降雨、灌溉、蒸發(fā)、地下水埋深等因素影響，土壤剖面水勢(shì)、土壤水分運(yùn)動(dòng)狀態(tài)隨之發(fā)生改變。

(2) 研究區(qū)土壤含水量50 cm以上受季節(jié)影響非常大，30 cm深度變幅達(dá)23.3%；80 cm深度以下基本不受季節(jié)交替影響；200 cm深度以下土壤受試驗(yàn)控制水位的補(bǔ)給作用顯著。

(3) 該地區(qū)土壤水勢(shì)50 cm以上激烈變化；50—140 cm相對(duì)穩(wěn)定帶；140 cm以下呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)，最后達(dá)到飽和，只受重力勢(shì)作用。降水作用下，土壤水勢(shì)易形成上滲—下滲—上滲—下滲交替出現(xiàn)的復(fù)合型曲線。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2014-05-30修回日期：2014-06-26

通訊作者：梁繼運(yùn)(1981—),女(漢族),河北省滄州市人,碩士,助理研究員,主要從事水文地質(zhì)、地?zé)岬刭|(zhì)研究。E-mail:290675934@qq.com。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0105-04

中圖分類號(hào)：P641.131

Temporal and Spatial Variation Characteristics of Soil Moisture Variation in Vadose Zone at Typical Area of Central North China Plain

WANG Lifang1, ZHANG Bing1, WANG Jianzhong1, LIU Min1, LIANG Jiyun1, MA Xiaolei2

(1.InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Shijiazhuang,Hebei050061,China; 2.HebeiInstituteofEnvironmentalGeologyExploration,Shijiazhuang,Hebei050021,China)

Abstract：[Objective] To analyze the spatial and temporal characteristics of the soil moisture variation in vadose zone in order to provide basis for the study on the “four waters transformation” dynamic cycle. [Methods] Using the concept of the potential energy of soil water dynamics, the characteristics of the moisture in vadose zone and changes in water potential with time and depth was studied. [Results] The significant difference was observed in soil water potential distribution in each season. Soil water potential reached the highest in June and August, even got saturation in some blocks. On the contrary, it dropped to a minimum in period from December to next March. Soil moisture of 50 cm depth was affected greatly by seasons and water potential changed dramatically. Yet soil moisture below 50 cm depth was substantially independent of the season changes. And between 50—140 cm depth water potential was relatively stable; Beneath 140 cm, it was only influenced by gravity potential. [Conclusion] The factors such as rainfall, irrigation, evaporation, groundwater depth and others could cause the changes in the profile distribution of soil water potential, thus causing changes among a variety of soil water movement states.

Keywords:vadose zone; soil moisture; water potential; temporal and spatial variation

資助項(xiàng)目：水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目“利用大型蒸滲儀開展華北平原典型區(qū)潛水蒸發(fā)規(guī)律研究”(SK201107),“極端氣候條件下土壤水—地下水補(bǔ)給關(guān)系研究:以石家莊地區(qū)為例”(SK201306)

第一作者：汪麗芳(1983—),女(漢族),湖北省荊州市人,碩士,助理研究員,主要從事地下水資源評(píng)價(jià)研究。E-mail:290675934@qq.com。