松原灌区包气带中盐分与污染物浓度变化预测分析

2014-09-15赵丽，尹华

东北师大学报（自然科学版） 2014年3期

赵丽，尹华

（吉林省水文水资源局，吉林长春 130022）

土壤水盐运移的理论问题起源于Darcy定律，固体热传导方程的发现为土壤溶质迁移研究提供了依据.自Buckingham把能量概念引入到土壤水研究，用偏微分方程描述非饱和土壤水的运移，建立了多孔介质中水流运动的基本方程，才开始了土壤水分的定量研究［1］.

随着土壤水盐运移机理研究的不断发展，各种定量描述水盐运动的模型也相继问世.伴随计算机的程序化、自动化发展和应用，对复杂的田间土壤水盐运移的研究也越来越深入.在盐分运移方面，主要通过盐分运移的动力学理论进行模拟计算，并把取得的成果应用于盐碱地改良实践中，近年来相继建立了各种模型进行这一领域的计算和预测［2］.

1 自然环境

松原灌区位于松嫩平原西部，东临第二松花江，西至霍林河，北与查干湖接壤，南至大布苏镇，涉及松原市的前郭县、乾安县、宁江区和白城市的大安市.灌区地处干旱、半干旱气候带，多年平均降雨量为462.4mm，多年平均蒸发量为900mm，地理位置为东经123°30′51″～124°59′59″、北纬44°45′12″～45°22′22″.灌区内地形平坦开阔，土地资源十分丰富，湖泊洼地星罗棋布；湖泡水质多数较差，矿化度较高，多为微咸水、咸水.

松原灌区是哈达山水利枢纽的主要配套工程，更是吉林省增产百亿斤商品粮能力建设的重点工程.建设松原灌区，对缓解吉林省西部地区农业干旱缺水问题具有重要意义.工程总投资56.46亿元，设计工期7年.灌区共分前郭、乾安、大安龙海等3个灌片的12个子灌片.灌区设计灌溉面积19万hm2，农业灌溉多年平均需引水量为10.31亿m3.

松原灌区范围总土地面积34.11万hm2，设计灌溉面积为19万hm2，其中，水田8.73万hm2，旱田1.60万hm2，天然草场2万hm2.灌区建成后，将成为东北地区最大的灌区和国家新的重要商品粮基地.灌区运行后，也将带来一系列的环境问题，其中灌区包气带盐分含量、浓度的变化，就是其中之一.

2 模型概化

灌区建成运行后，对于地下水环境会产生一定影响，特别是回渗水入渗地下，包气带中盐分将会进入潜水含水层中.本文利用数学模型对大安龙海、大布苏、水字、洪字、余字、有字、戎字、红星、前郭等9个子灌区运行后地下水包气带中污染物进行预测和分析.

2.1 模型建立条件

假设土壤表层在洗盐后下渗的回归水不再溶解土壤表层的盐分，地下水位能够控制在引起次生盐渍化的极限埋深以下，每年冬春的返盐来自于包气带内的残余水分和盐分，以毛管水和膜状水向上运动.各子灌片水平方向上为均质各向同性，模型为垂向二维流.

模型使用有限单元法求解，预测包气带中的盐分进入潜水层之前的浓度变化情况.

2.2 数学模型

水流控制方程采用修改过的Richards方程的对流－弥散方程，进行数值求解：

式中：θ为土壤体积含水率；h为水头高度；k为水力传导系数；s为根系吸水项；θr为残余土壤含水率；θs为饱和土壤含水率；n，m为经验参数.

初始条件：

式中：z为空间坐标，原点在地面，向下为正；h为负压水头高度（cm）；

盐分运动基本方程：

式中：D为水动力弥散系数；c为溶质浓度；s为被吸附的固相浓度；q为土体中水的流速；ρ0，ρb为流体密度；λ1，λ2为经验常数，与土壤质地和结构有关.

初始条件：

式中：z为空间坐标，原点在地面，向下为正；c为土壤溶液溶质浓度（g／cm3）.

上述方程中模型参数选自文献［2］.

2.3 模型离散及参数

垂向剖分为三层，第一层为耕作层；第二层为死土层，即渗透性较差的碱化层；第三层为受盐碱影响较小的包气带.模型主要参数见表1.

表1 模型中主要参数

续表1

3 预测结果

计算公式程序选自文献［2］，文献［3］对此计算公式进行了验证.

由于植物根部对氮磷元素的吸收和其形态转化作用，导致氮磷的损失，加之包气带对氮磷的吸附作用，所以不与盐分同步迁移.回渗水进入到潜水含水层之前的浓度预测结果见表2.

表2 模型预测结果

4 预测结论分析

从模拟结果可见，灌溉回归水的下渗过程中，由于包气带具有一定的吸附作用，以及回归水在包气带下渗过程的混合和溢出作用，使得包气带对回渗水盐分浓度的升高产生了一个缓冲作用，因此回渗水进入地下潜水面时，并不以回归水的浓度峰值直接进入包气带，而是在时间上有延迟；进入地下水时其浓度峰值比回归水浓度峰值有所降低，在时间上延迟了3～5a，然后浓度逐渐降低.总体上来说，包气带对回渗水盐的浓度能起到“缓冲延迟”作用，如果包气带较薄，则这个混合缓冲作用将明显弱于包气带较厚的情形［4］.

地表及包气带上层的盐分来自区域内部，并不是由灌区之外输送而来，且总盐量是有限的.灌区运行之后，地下潜水的循环方式发生了改变.从区外每年引来11.39亿m3的水量（矿化度（平均质量浓度）为165mg／L，对灌区盐分影响不大），同时人工开采回灌和灌区配套排水沟渠等水利工程设施的合理运用，不仅可以对地表高浓度的盐分有一个淋洗作用，而且可有效地降低地下潜水位，同时加快潜水循环更新的速度，使得地下潜水、包气带及包气带表层的盐分将有一个空间再分配过程［2］.

灌区运行以后，地下潜水中的盐分将有一个缓慢上升的过程，5～6a，盐分上升达到峰值，平均上升500～600mg／L；然后，随着回渗水的水质好转，地下潜水水质还将有一个缓慢好转过程，矿化度将在第10年左右，开始低于现状值.灌区运行后，由于本区包气带和含水层的强吸附作用，磷的污染不易发生.潜水氨氮浓度会有所增加，污染程度加重.同时，由于本区居民不以潜水为生活饮用水，虽然地下潜水全盐和氨氮含量会增加，但不会影响区域居民生活饮用水水源.

5 地下水环境保护措施

5.1 水位水质监测

项目建设期间和项目运行期间，应合理布置监测孔位，每个灌片不少于3个监测孔，监测地下潜水层和承压水层的水位和水质，每日记录地下水位，每周记录地下水水质变化情况，包括总盐、重碳酸根、钠、钙、氯和硫酸根离子含量，以防止潜水位过高引起次生盐渍化问题.

5.2 合理设计，稳定运行

要保证各项工程措施配置合理，包括引水渠、排水渠和人工开采回灌等各项设施设计合理、布局准确，且能够正常运转.

5.3 合理有效地使用化肥和农药

推广绿色农业，合理施用农药化肥，以地定量，减少农药化肥流失量，控制农业退水对灌区浅层地下水的污染.由于农业退水中农药和化肥残留物是造成湖泊发生富营养化的主要原因之一，因此还要预防农业退水对附近湖泊、泡塘富营养化的影响.

5.4 严格控制地下水开采

地下水过度开采也是导致地下水水质恶化的原因之一.由于过度开采会导致地下水水位下降，甚至形成局部地下水漏斗，以至于地面沉降和塌陷，破坏了原有地下水的补径排平衡关系，造成地下水水质恶化，因此当地水行政主管部门应制定区域地下水压采、水源配置、地下水人工补给、地下水生态修复等方案内容，科学管理地下水的开发利用和保护.