高盐度潜水蒸发试验研究现状及展望

栗现文,周金龙,2

(1.中国地质大学环境学院,湖北武汉 430074;2.新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐 830052)

1 高盐度潜水蒸发实验的意义

研究潜水蒸发机理及其计算方法在干旱区水资源评价、盐碱土治理、灌区改造及生态需水量计算方面都具有十分重要的意义。在极端干旱区潜水矿化度常常达到 n×10 g/L,甚至高达 n×100 g/L,在现有的研究中,很少关注高盐度潜水蒸发的机理及高盐度潜水蒸发量的精细计算问题。与传统意义的潜水蒸发相比,极端干旱区高盐度潜水蒸发条件下,毛管水上升高度、盐渍临界深度、土壤水总水势组成、非饱和导水率与土壤水分特征曲线都将存在一定的差异,将淡水条件下得出的潜水蒸发有关参数直接用于极端干旱区高盐度潜水蒸发的计算或模拟以及调控盐荒地水盐状况,必将产生偏差。因此,通过蒸渗仪潜水蒸发模拟实验及原位盐荒地潜水蒸发模拟计算,深入研究极端干旱区高盐度潜水蒸发机理及计算方法,必将有助于加深极端干旱区潜水蒸发机理的认识、合理计算盐生植被生态需水量、指导盐荒地开发与水盐调控。

2 国内外研究现状及存在问题

多年来包括土壤物理、水文地质、农田水利、水文学及水资源等学科在内的许多专家学者对干旱区潜水蒸发的机理与规律做了大量的研究工作。国内 20世纪 50年代初,为了防治土壤盐渍化,潜水蒸发的研究成为当时的热点。20世纪70年代初,大量开发利用地下水,为了正确评价地下水资源,潜水蒸发的研究有了新的进展。由于近年来土壤水动力学和 SPAC系统研究的不断深入和发展,潜水蒸发研究在以下6个方面都取得了明显的进展。

在试验研究的手段方面,负压计[1]、各种土壤水分测定仪[2]、蒸发仪[3]等得到广泛应用;吴运卿等(2006)研制了智能化称重蒸渗仪系统[4];meissner等(2008)研制了室外使用的、在价格上低于传统钢质或混凝土质蒸发仪的集装箱式的称重蒸渗仪[5];Unold等(2008)研究了适用于专门应用需要的田间称重蒸渗仪的模块化设计[6]。

在毛管水上升高度分析与测定方面,尹娟(2007)[7]、史文娟等(2007)[8]开展了实验和研究;Stenitzer等(2007)通过估算土壤转移函数或测量水力参数,应用 SImWASER模拟模型评价潜水毛细上升高度[9]。

在干旱区潜水蒸发的影响因素(包气带岩性及组合特征、潜水埋深、气象因素、地温、植被覆盖情况等)方面,周金龙等(2002)[10]、Yang等(2002)[11]、周金龙等 (2003)[12]、史文娟等(2006)[13]和 Zhou等(2008)[14]开展了实验与研究。

在潜水蒸发量计算经验公式的构建和适用性研究方面,国内很多学者[15-17]和少数国外学者[18]从不同角度开展了研究。

在潜水蒸发的数值模拟模型方面,不少国外学者[19-20]和国内学者[21]在模型研制和应用方面做了大量的工作。值得指出的是,Grunberger等(2008)[20]通过对盐土土壤剖面氘和 Cl-含量分析,确定土壤蒸发量。

在潜水蒸发研究成果的应用方面,分别在作物的地下水利用量[22-24]、自然植被生态需水量计算[25-27]、生态水位的确定[28]、盐碱地形成机理分析及其水盐调控[29]和岩土工程与环境工程[30]等方面开展了研究工作。

在上述研究中,均未考虑潜水矿化度对潜水蒸发的影响,可以视为传统意义上的潜水蒸发研究。潜水矿化度(尤其是高盐度)对土壤水矿化度、土壤总水势、土壤非饱和渗透率、土壤层地温、毛管水上升高度、土壤水分测定仪的土中标定方程都可能产生不同程度的影响,从而影响到潜水蒸发量的大小。潜水蒸发强烈的地区主要发生在干旱区,在极端干旱区潜水蒸发强烈的区域,潜水埋深一般小于 2m,包气带岩性一般为粉土、亚黏土,潜水矿化度一般为 3～10g/L,局部为10～30g/L,最大可达 100 g/L以上,高盐度潜水的水化学类型一般为 Cl◦SO4-Na型。如新疆冲积平原或湖积平原三角洲地带潜水矿化度由 ng/L增至 n×10 g/L,甚至 300 g/L,高盐度潜水水化学类型为 Cl◦SO4型或 Cl型[31];在河西走廊、准格尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地和柴达木盆地均分布有盐化和浓缩作用的盐卤水,其中矿化度一般为 3～10 g/L,有时大于 50 g/L,水化学类型为以 Cl-Na型为主,河西走廊为 100 g/L,特别是在柴达木盆地潜水矿化度高达 300 g/L以上,除 Cl-Na型外,还出现 Cl-mg型卤水[32]。

我国潜水蒸发强烈的区域主要在西北干旱盐渍土区,包括新疆、青海、甘肃河西走廊和内蒙古西部大部分地区,为我国盐渍土分布最广的地区,盐渍化面积约为7000×104hm2。除少数有灌溉条件的地区人工栽培各种植被代替了自然盐生植被,其余绝大部分是尚未开垦的盐荒地,仍然保持着盐生自然植被。盐生植被是盐渍化地区植被的主体,应当对盐生植被覆盖区的水盐动态、潜水蒸发规律进行研究[33]。用在淡水条件下完成的潜水蒸发试验以及数值模拟成果计算极端干旱区高盐度潜水蒸发量与盐生植被生态需水量以及指导盐荒地开发与水盐调控,必将产生偏差。

Soppe等(2003)[34]用称重式蒸渗仪研究了红花对盐度为14ds/m的地下水的利用情况。Jorenush等(2003)[35]应用改进的 TSA m模型模拟研究了灌溉和非灌溉条件下,不同潜水位埋深(0.3～1.20m)和不同盐度(0.5～13.0 dS/m)条件下的毛管水上升高度和土壤盐度的变化规律。Weisbrod等(2004)[36]对5mol/LNaNO3溶液在变饱和孔隙介质中的迁移进行了实验研究。Northey等(2006)[37]应用蒸渗仪定量化研究了潜水位和盐度存在短期变化条件下浅层地下水的毛管上升水流和潜在盐化风险。Tikhonravova(2007)[38]研究了壤土的热扩散率与土壤含水量和含盐量的关系。刘广明等(2003)[39]建立了地下水累积蒸发量与地下水埋深、地下水矿化度的关系。秦耀东(2003)[40]认为在研究植物吸收土壤水和土壤蒸发时需要考虑溶质势的作用,并介绍了依据溶液质量浓度和溶质的摩尔质量计算溶质势的 Van′t Hoff方程。胡守忠等(2006)[41]开展了盐渍化地区土壤水分运动参数的测定及标定的研究工作,建立了土壤基质势和饱和度之间的数学模型。在上述研究中,有关学者已经注意到了矿化度对潜水蒸发的影响,但仅限于灌区潜水矿化度的范围(一般小于10g/L),未涉及潜水矿化度 10～300 g/L的情况,且以室内模拟实验为主。因此,上述研究成果仍无法揭示极端干旱区潜水矿化度一般为 10～300 g/L的盐荒地和盐生植被覆盖区的潜水蒸发和水盐运移规律。因未进行淡水(小于1 g/L)、咸水(1～10 g/L)、盐水(10～50 g/L)和卤水(50～300 g/L)蒸发的系统对比试验,因此,无法回答诸如矿化度对毛管水上升高度及潜水蒸发的影响程度如何?高盐度潜水蒸发量与潜水埋深、包气带岩性、潜水矿化度间的关系如何?高盐度潜水分布区盐生植被生态需水量如何计算?如何在高盐度条件下进行潜水 -土壤 -植被 -大气连续体水盐运移的数值模拟?等问题。上述问题的解决,对于提高极端干旱区潜水蒸发量、盐荒地天然植被生态需水量的计算精度以及指导宜农盐荒地开发与水盐调控具有重要的应用价值,也有利于深化极端干旱区潜水蒸发机理的认识,即具有重要的科学意义。

3 值得进一步研究的问题及拟采取的技术路线

分析国内外研究现状,极端干旱区高盐度(10～300 g/L)潜水蒸发的实验研究几乎是空白,机理研究尚处于起步阶段,有以下几个方面的问题值得深入研究。

3.1 矿化度对毛细水上升高度及潜水蒸发影响的研究

可利用小型蒸渗仪开展不同土质、不同矿化度潜水条件下毛管水上升高度的测定工作。建立不同土质毛管水上升高度与矿化度间的统计模型,为高盐度地区水盐调控和生态水位的合理确定提供依据;开展不同土质、不同矿化度潜水蒸发的对比实验,掌握矿化度对潜水蒸发的影响程度,建立不同土质潜水蒸发量与潜水位埋深、潜水矿化度间的统计模型。

3.2 高盐度潜水蒸发条件下的土壤水动力学参数率定(测定)和数值模拟研究

可利用大型蒸渗仪开展高盐度潜水蒸发条件下的土壤总水势、土壤水分特征曲线和中子仪标定的试验(测定)研究工作,掌握潜水矿化度对土壤总水势、土壤水分特征曲线和中子仪标定方程的可能影响及其机理。在上述研究工作基础上,应用 HYDRUS-1D模型等开展不同土质、不同矿化度条件下非饱和水动力参数的率定和不同土质(组合)、不同矿化度条件下潜水蒸发的数值模拟计算,并与实测潜水蒸发量进行对比。

3.3 野外原位盐荒地潜水-土壤水水 -盐运移规律与盐荒地水盐调控研究

可选择典型的高盐度潜水地段,测定模型所需要的盐运移参数,利用 3.2率定的非饱和水动力参数,建立野外原位盐荒地潜水 -土壤水水、盐运移数值模拟模型,借助数值模拟手段研究潜水矿化度对盐荒地植物蒸腾量、土壤剖面积盐状况的影响,为提出盐荒地水盐调控方案提供技术支撑。

极端干旱区高盐度(10～300 g/L)潜水蒸发实验研究拟采取的技术路线如下图 1所示。

图 1高盐度(10～300 g/L)潜水蒸发实验研究技术路线框图

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