栗現文,周金龍,2

(1.中國地質大學環(huán)境學院,湖北武漢 430074;2.新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊 830052)

1 高鹽度潛水蒸發(fā)實驗的意義

研究潛水蒸發(fā)機理及其計算方法在干旱區(qū)水資源評價、鹽堿土治理、灌區(qū)改造及生態(tài)需水量計算方面都具有十分重要的意義。在極端干旱區(qū)潛水礦化度常常達到 n×10 g/L,甚至高達 n×100 g/L,在現有的研究中,很少關注高鹽度潛水蒸發(fā)的機理及高鹽度潛水蒸發(fā)量的精細計算問題。與傳統意義的潛水蒸發(fā)相比,極端干旱區(qū)高鹽度潛水蒸發(fā)條件下,毛管水上升高度、鹽漬臨界深度、土壤水總水勢組成、非飽和導水率與土壤水分特征曲線都將存在一定的差異,將淡水條件下得出的潛水蒸發(fā)有關參數直接用于極端干旱區(qū)高鹽度潛水蒸發(fā)的計算或模擬以及調控鹽荒地水鹽狀況,必將產生偏差。因此,通過蒸滲儀潛水蒸發(fā)模擬實驗及原位鹽荒地潛水蒸發(fā)模擬計算,深入研究極端干旱區(qū)高鹽度潛水蒸發(fā)機理及計算方法,必將有助于加深極端干旱區(qū)潛水蒸發(fā)機理的認識、合理計算鹽生植被生態(tài)需水量、指導鹽荒地開發(fā)與水鹽調控。

2 國內外研究現狀及存在問題

多年來包括土壤物理、水文地質、農田水利、水文學及水資源等學科在內的許多專家學者對干旱區(qū)潛水蒸發(fā)的機理與規(guī)律做了大量的研究工作。國內 20世紀 50年代初,為了防治土壤鹽漬化,潛水蒸發(fā)的研究成為當時的熱點。20世紀70年代初,大量開發(fā)利用地下水,為了正確評價地下水資源,潛水蒸發(fā)的研究有了新的進展。由于近年來土壤水動力學和 SPAC系統研究的不斷深入和發(fā)展,潛水蒸發(fā)研究在以下6個方面都取得了明顯的進展。

在試驗研究的手段方面,負壓計[1]、各種土壤水分測定儀[2]、蒸發(fā)儀[3]等得到廣泛應用;吳運卿等(2006)研制了智能化稱重蒸滲儀系統[4];meissner等(2008)研制了室外使用的、在價格上低于傳統鋼質或混凝土質蒸發(fā)儀的集裝箱式的稱重蒸滲儀[5];Unold等(2008)研究了適用于專門應用需要的田間稱重蒸滲儀的模塊化設計[6]。

在毛管水上升高度分析與測定方面,尹娟(2007)[7]、史文娟等(2007)[8]開展了實驗和研究;Stenitzer等(2007)通過估算土壤轉移函數或測量水力參數,應用 SImWASER模擬模型評價潛水毛細上升高度[9]。

在干旱區(qū)潛水蒸發(fā)的影響因素(包氣帶巖性及組合特征、潛水埋深、氣象因素、地溫、植被覆蓋情況等)方面,周金龍等(2002)[10]、Yang等(2002)[11]、周金龍等 (2003)[12]、史文娟等(2006)[13]和 Zhou等(2008)[14]開展了實驗與研究。

在潛水蒸發(fā)量計算經驗公式的構建和適用性研究方面,國內很多學者[15-17]和少數國外學者[18]從不同角度開展了研究。

在潛水蒸發(fā)的數值模擬模型方面,不少國外學者[19-20]和國內學者[21]在模型研制和應用方面做了大量的工作。值得指出的是,Grunberger等(2008)[20]通過對鹽土土壤剖面氘和 Cl-含量分析,確定土壤蒸發(fā)量。

在潛水蒸發(fā)研究成果的應用方面,分別在作物的地下水利用量[22-24]、自然植被生態(tài)需水量計算[25-27]、生態(tài)水位的確定[28]、鹽堿地形成機理分析及其水鹽調控[29]和巖土工程與環(huán)境工程[30]等方面開展了研究工作。

在上述研究中,均未考慮潛水礦化度對潛水蒸發(fā)的影響,可以視為傳統意義上的潛水蒸發(fā)研究。潛水礦化度(尤其是高鹽度)對土壤水礦化度、土壤總水勢、土壤非飽和滲透率、土壤層地溫、毛管水上升高度、土壤水分測定儀的土中標定方程都可能產生不同程度的影響,從而影響到潛水蒸發(fā)量的大小。潛水蒸發(fā)強烈的地區(qū)主要發(fā)生在干旱區(qū),在極端干旱區(qū)潛水蒸發(fā)強烈的區(qū)域,潛水埋深一般小于 2m,包氣帶巖性一般為粉土、亞黏土,潛水礦化度一般為 3～10g/L,局部為10～30g/L,最大可達 100 g/L以上,高鹽度潛水的水化學類型一般為 Cl?SO4-Na型。如新疆沖積平原或湖積平原三角洲地帶潛水礦化度由 ng/L增至 n×10 g/L,甚至 300 g/L,高鹽度潛水水化學類型為 Cl?SO4型或 Cl型[31];在河西走廊、準格爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地和柴達木盆地均分布有鹽化和濃縮作用的鹽鹵水,其中礦化度一般為 3～10 g/L,有時大于 50 g/L,水化學類型為以 Cl-Na型為主,河西走廊為 100 g/L,特別是在柴達木盆地潛水礦化度高達 300 g/L以上,除 Cl-Na型外,還出現 Cl-mg型鹵水[32]。

我國潛水蒸發(fā)強烈的區(qū)域主要在西北干旱鹽漬土區(qū),包括新疆、青海、甘肅河西走廊和內蒙古西部大部分地區(qū),為我國鹽漬土分布最廣的地區(qū),鹽漬化面積約為7000×104hm2。除少數有灌溉條件的地區(qū)人工栽培各種植被代替了自然鹽生植被,其余絕大部分是尚未開墾的鹽荒地,仍然保持著鹽生自然植被。鹽生植被是鹽漬化地區(qū)植被的主體,應當對鹽生植被覆蓋區(qū)的水鹽動態(tài)、潛水蒸發(fā)規(guī)律進行研究[33]。用在淡水條件下完成的潛水蒸發(fā)試驗以及數值模擬成果計算極端干旱區(qū)高鹽度潛水蒸發(fā)量與鹽生植被生態(tài)需水量以及指導鹽荒地開發(fā)與水鹽調控,必將產生偏差。

Soppe等(2003)[34]用稱重式蒸滲儀研究了紅花對鹽度為14ds/m的地下水的利用情況。Jorenush等(2003)[35]應用改進的 TSA m模型模擬研究了灌溉和非灌溉條件下,不同潛水位埋深(0.3～1.20m)和不同鹽度(0.5～13.0 dS/m)條件下的毛管水上升高度和土壤鹽度的變化規(guī)律。Weisbrod等(2004)[36]對5mol/LNaNO3溶液在變飽和孔隙介質中的遷移進行了實驗研究。Northey等(2006)[37]應用蒸滲儀定量化研究了潛水位和鹽度存在短期變化條件下淺層地下水的毛管上升水流和潛在鹽化風險。Tikhonravova(2007)[38]研究了壤土的熱擴散率與土壤含水量和含鹽量的關系。劉廣明等(2003)[39]建立了地下水累積蒸發(fā)量與地下水埋深、地下水礦化度的關系。秦耀東(2003)[40]認為在研究植物吸收土壤水和土壤蒸發(fā)時需要考慮溶質勢的作用,并介紹了依據溶液質量濃度和溶質的摩爾質量計算溶質勢的 Van′t Hoff方程。胡守忠等(2006)[41]開展了鹽漬化地區(qū)土壤水分運動參數的測定及標定的研究工作,建立了土壤基質勢和飽和度之間的數學模型。在上述研究中,有關學者已經注意到了礦化度對潛水蒸發(fā)的影響,但僅限于灌區(qū)潛水礦化度的范圍(一般小于10g/L),未涉及潛水礦化度 10～300 g/L的情況,且以室內模擬實驗為主。因此,上述研究成果仍無法揭示極端干旱區(qū)潛水礦化度一般為 10～300 g/L的鹽荒地和鹽生植被覆蓋區(qū)的潛水蒸發(fā)和水鹽運移規(guī)律。因未進行淡水(小于1 g/L)、咸水(1～10 g/L)、鹽水(10～50 g/L)和鹵水(50～300 g/L)蒸發(fā)的系統對比試驗,因此,無法回答諸如礦化度對毛管水上升高度及潛水蒸發(fā)的影響程度如何?高鹽度潛水蒸發(fā)量與潛水埋深、包氣帶巖性、潛水礦化度間的關系如何?高鹽度潛水分布區(qū)鹽生植被生態(tài)需水量如何計算?如何在高鹽度條件下進行潛水 -土壤 -植被 -大氣連續(xù)體水鹽運移的數值模擬?等問題。上述問題的解決,對于提高極端干旱區(qū)潛水蒸發(fā)量、鹽荒地天然植被生態(tài)需水量的計算精度以及指導宜農鹽荒地開發(fā)與水鹽調控具有重要的應用價值,也有利于深化極端干旱區(qū)潛水蒸發(fā)機理的認識,即具有重要的科學意義。

3 值得進一步研究的問題及擬采取的技術路線

分析國內外研究現狀,極端干旱區(qū)高鹽度(10～300 g/L)潛水蒸發(fā)的實驗研究幾乎是空白,機理研究尚處于起步階段,有以下幾個方面的問題值得深入研究。

3.1 礦化度對毛細水上升高度及潛水蒸發(fā)影響的研究

可利用小型蒸滲儀開展不同土質、不同礦化度潛水條件下毛管水上升高度的測定工作。建立不同土質毛管水上升高度與礦化度間的統計模型,為高鹽度地區(qū)水鹽調控和生態(tài)水位的合理確定提供依據;開展不同土質、不同礦化度潛水蒸發(fā)的對比實驗,掌握礦化度對潛水蒸發(fā)的影響程度,建立不同土質潛水蒸發(fā)量與潛水位埋深、潛水礦化度間的統計模型。

3.2 高鹽度潛水蒸發(fā)條件下的土壤水動力學參數率定(測定)和數值模擬研究

可利用大型蒸滲儀開展高鹽度潛水蒸發(fā)條件下的土壤總水勢、土壤水分特征曲線和中子儀標定的試驗(測定)研究工作,掌握潛水礦化度對土壤總水勢、土壤水分特征曲線和中子儀標定方程的可能影響及其機理。在上述研究工作基礎上,應用 HYDRUS-1D模型等開展不同土質、不同礦化度條件下非飽和水動力參數的率定和不同土質(組合)、不同礦化度條件下潛水蒸發(fā)的數值模擬計算,并與實測潛水蒸發(fā)量進行對比。

3.3 野外原位鹽荒地潛水-土壤水水 -鹽運移規(guī)律與鹽荒地水鹽調控研究

可選擇典型的高鹽度潛水地段,測定模型所需要的鹽運移參數,利用 3.2率定的非飽和水動力參數,建立野外原位鹽荒地潛水 -土壤水水、鹽運移數值模擬模型,借助數值模擬手段研究潛水礦化度對鹽荒地植物蒸騰量、土壤剖面積鹽狀況的影響,為提出鹽荒地水鹽調控方案提供技術支撐。

極端干旱區(qū)高鹽度(10～300 g/L)潛水蒸發(fā)實驗研究擬采取的技術路線如下圖 1所示。

圖 1高鹽度(10～300 g/L)潛水蒸發(fā)實驗研究技術路線框圖

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