吉林省西部地区土壤盐渍化及防治简析

卢长伟, 刘洪铖, 赵晓明

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130012)

吉林省西部地区土壤盐渍化及防治简析

卢长伟, 刘洪铖, 赵晓明

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林 长春 130012)

盐渍化土的化学及工程特性研究对盐渍化土地综合利用及水利工程建设项目至关重要;盐渍化的形成主要受地下水及气象因素、湖泡萎缩、微地貌及水利工程建设与管理影响;盐渍化土含盐量高、pH值高、高压缩性、低抗剪强度;土壤改良可通过工程及生物措施;盐渍土用于土方填筑改良措施仍有待研究。

盐渍化;地下水;蒸发量;毛细水作用;化学特性;物理力学特性;改良措施

吉林省西部地区分布有大量的盐渍化土,主要分布于白城地区大安市、镇赉县、洮南市、通榆县和松原地区长岭县、乾安县、前郭县大部分地区,松原地区的扶余、宁江和四平地区的梨树县、双辽市、公主岭及长春地区的德惠市、农安县的部分地区。总面积约16 185.3 km2,其中耕地面积(轻度盐渍化区)为4 258.4 km2,占26.3%;非耕地面积11 926.9 km2,占73.7%。土壤盐渍化造成大量土地荒漠化,同时改变了土的物理、化学及力学性质,使该区土壤及工程地质条件呈现特殊性。

近年来随着东北老工业基地振兴战略的实施及区域社会发展的需求,该区水利工程建设进入高峰期。盐渍化土的特殊性质、对工程的影响以及如何治理对该区内土地综合利用及水利工程建设至关重要。

1 盐渍化土的分布

1.1 区位分布

吉林省西部地区土壤盐渍化总体沿原湖泡周边及渠系周边分布。区位上由东向西盐渍化程度呈现由弱至强趋势。

(1) 湖泡周边盐渍化:该区内霍林河冲积平原、洮儿河冲积平原及松嫩平原湖泡星罗棋布,大小湖泡达600多个。其中内流型湖泡约500多个,主要分布于长岭、乾安和通榆,湖水不外流,属止水型,水源主要靠大气降水补给,无地表径流排泄途径。雨季降水多,湖面扩大,春秋季降水少,蒸发强,湖面缩小,甚至干涸。从20世纪50年代开始,随着湖泡萎缩,湖泡周边呈现盐渍化现象,对于外流型湖泡主要分布于嫩江下游和松花江下游区域,湖泊大,湖水受江河及灌区退水补给,水面相对稳定。如查干湖、大布苏泡,水深多为1.0～2.0 m,最深可达4.0 m,湖水一般pH值高,盐碱含量较高。近年来,由于气候干旱和湖面蒸发强烈,湖面大幅缩小,周边土壤产生盐渍化。

(2) 灌区渠系周边盐渍化:吉林省西部地区开发的灌区较多,大型灌区主要有前郭灌区、梨树灌区、洮儿河灌区。运行时间均较长,由于渠系运行管理不善,渠系周边产生不同程度盐渍化现象。

1.2 垂直分布

根据前郭灌区、大安灌区、松原灌区、吉林省西部地区河湖联通工程等多个工程现场取样分析,土壤盐渍化现象主要发生在0.0～1.5 m深度范围之内,表部0.5 m范围内盐渍化最为强烈,现由上向下呈减弱趋势,且盐渍化发育深度受地下水位及气候环境等多种因素制约。

2 盐渍化形成机理

2.1 盐分来源与积累

(1) 上游深层高矿化度地下水及可溶性碳酸盐岩层。松嫩平原及辽河平原中上游地区深层水具有较高的矿化度,白垩系地层地下水矿化度一般为3.0～8.0 g/L,最高可达20.0～30.0 g/L。盐分组成以氯化物及苏打占优势,硫酸盐含量极少。这种盐分由于受地下水承压作用,在构造带等适合的位置上升补给第四系松散层孔隙潜水,部分直接出露于地表,形成泉水,以地表径流的形式汇集于该区。为土壤积盐提供了来源,且为该区内不受近代河流影响的松辽分水岭及高平地上分布盐渍土的主要盐分来源。

(2) 地球化学径流。也是该区盐分的另一重要来源。近代吉林省西部地区西辽河冲积平原区和松嫩平原区主要受源于大兴安岭的西辽河、洮儿河及霍林河等无尾河的影响。富含硅铝酸盐(Na)的花岗岩、安山岩等火成岩风化后形成的可溶性盐类随地表径流下移,并汇集于半闭流区的冲积平原低平地。进入内流地区的水很少可能再流出区外,主要靠蒸发达到平衡,蒸发的结果使水中硅铝酸钠浓缩老化,并与CO2作用,形成重碳酸钠,及硅、铝的氯化物和氢氧化物沉淀。这是研究区土壤及地下水的主要盐分来源之一。

2.2 致灾因素及过程

(1) 地下水及气象因素:研究区地势低平,第四系松散层孔隙潜水一般埋深较浅,1.0～2.5 m者居多。地下水矿化度高,多为0.5～1.0 g/L。加之该区受长白山屏障的影响干旱少雨,地面蒸发强烈,年降水量400～470 mm,年蒸发量1 600～1 800 mm,使地下水随毛细作用上升至地表,之后迅速蒸发,盐分累积于地表,产生土壤盐渍化。经统计研究区内土壤不扰动土样室内毛细管水上升高度试验数据,毛细管水上升高度一般2.0～2.5 m;经20余组现场试坑毛细管水上升高度试验统计,区内土壤毛细管水上升高度1.5～2.0 m(按饱和度80%计)。以上毛细管水上升高度试验是针对工程及对农作物有影响的含水率指标确定的,实际上升高度应大于该数值,且受降水与地面蒸发作用影响,降水量大于蒸发量,毛细作用表现弱,反之毛细作用表现强烈。

诸多研究表明,吉林省中西部平原区1.5 m为地下水发生强烈蒸发的临界深度,恰为盐分强烈累积区段。地下水埋深在0.2～0.5 m时,矿化度最高,可达1.5～2.0 g/L;当地下水位在1.5～2.0 m时,矿化度逐渐降低,矿化度可达0.4～0.6 g/L;地下水在2.0 m以下时,矿化度更低。

(2) 湖泡萎缩:吉林省西部地区大小湖泡600多个,且多为闭流型湖泊,盐碱含量高,pH值多呈碱性。上世纪50年代以前,该区湖泡水域面积很大,水生植物繁茂,以芦苇为主;50年代以后,由于诸多原因,气候干旱,降雨量远小于蒸发量,湖面蒸发强烈,水域面积不断萎缩,在毛细作用及原高矿化度湖水蒸发共同作用下盐分积累于地表,致使萎缩部分区域逐步盐渍化。

(3) 微地貌影响:研究区内受洪水冲积及风积作用,形成了高差几十厘米—数米左右的微地形,即微波状岗地和湖沼洼地。在微波状岗地上,地下水位较深,一般3.0～5.0 m,局部达8.0 m,盐渍化现象不明显,以耕地为主。在湖沼洼地内一般地下水埋深0.5～2.0 m,部分地势略高处(一般高出低洼处0.5～1.0 m)土壤水分状况的特点是以蒸发作用所引起的毛细管水上升水流占优势,洼地土壤水分运动则以下降水流为主。在雨季或河水泛滥后,地下水位普遍上升,洼地经常被淹没,地表水体土壤水分及浅层地下水主要通过蒸发和蒸腾作用达到平衡。从而使洼地内部分地势相对较高处的土壤开始盐分累积过程,使土壤逐步发生盐碱化;而地势低洼处土壤中的水分和盐分一方面由于随下行水流淋洗到地下水中,另一方面沿缓坡向地势相对较高处移动,少部分积于地表,形成盐渍化,但低洼处土壤本身盐渍化程度较轻。

(4) 水利工程建设及管理影响:水利工程建设,尤其填方渠道建设,渠系内水位高于两侧地面高程,若渠道填筑质量及管理不善,渠身或渠基长期存在渗漏问题,渠内地表水将向渠道两侧表层土壤渗流,随着水分蒸发,盐分累积于地表,逐步发生盐渍化现象。前郭灌区、梨树灌区、洮儿河灌区填方渠系周边均产生不同程度盐渍化现象。梨树灌区曾利用矿化度1.9 g/L的地下水灌溉农田引起土壤严重盐渍化现象。另外水库的建设也是产生盐渍化的主要原因,研究区内外河流上游段修建了较多的蓄水水库,如察尔森水库、向海水库等,这些水库的修建直接影响到下游广大地区地下水补给与地下径流,地表水被拦截,使下游河床边滩及河滩经常性裸露,河床断流,加之该地区干旱少雨,蒸发量远大于降水量,水体中的盐分无法在汛期被洪水携带出平原,积于地表土壤,产生盐渍化。

3 盐渍化土特殊性质

3.1 土壤化学性质

研究区土壤表层盐分组成主要是苏打,还有硫酸盐及氯化物。表层含盐量及pH值随分布位置各不相同。湖泡周围土壤表层含盐较高,一般在0.1%～0.6%之间,pH值在7～8之间,而湖沼洼地中地势略高部分土壤含盐量较高或不高,且pH>8时,土壤碱化增强。

经统计,不同地形、不同地下水位埋深与土壤层矿化度及盐分组成存在一定的对应关系,详见表1。

表2-表11为研究区内不同区位典型盐渍化土与非盐渍化土化学特性对照数据。

表1 地下水位埋深与土层矿化度及盐分组成关系[1]

表2 吉林省农安县波罗泡子区域非盐渍化土化学特性表[2]

表3 吉林省农安县波罗泡子区域盐渍化土化学特性表[2]

表4 吉林省松原市前郭第二灌区非盐渍化土化学特性表[3]

表5 吉林省松原市前郭第二灌区盐渍化土化学特性表[3]

表6 吉林省大安灌区非盐渍化土化学特性表[4]

表7 吉林省大安灌区盐渍化土(盐化)化学特性表[4]

表8 吉林省大安灌区盐渍化土(碱化)化学特性表

表9 吉林省查干湖湿地保护区非盐渍化土化学特性表[5]

表10 吉林省查干湖湿地保护区盐渍化土(盐化)化学特性表[5]

表11 吉林省查干湖湿地保护区盐渍化土(碱化)化学特性表[5]

经对研究区内不同区位非盐渍土和盐渍土取样进行化分试验对比发现,盐渍化土pH值及盐碱含量远高于非盐渍化土。盐渍化土pH值一般高于非盐渍化土10%～30%,而盐碱含量一般高于非盐渍化土10～50倍,部分地方可达上百倍。

3.2 物理力学性质

研究区盐渍土分布范围较大,可溶盐碱含量较高,其物理力学性质明显偏差于同质地非盐渍化土。

(1) 压缩系数高、抗剪强度低:经千余组不扰动土样室内物理力学试验成果统计发现,盐渍化土干密度要高于同等质地非盐渍化土,但压缩性指标及抗剪指标明显差于非盐渍化土,随着深度的加大,差别在减小,一般在1.5～2.0 m左右,指标接近,盐渍化影响基本消除,表层强盐渍化土抗剪强度指标中凝聚力为同等质地非盐渍化土指标的40%～50%。主要是由于土中易溶盐含量较高,充填于土的孔隙之中,在烘干情况下易溶盐留存于土壤中,故干密度要大于非盐渍化土,但压缩及抗剪试验时采取饱和状态,易溶盐溶解于水中,致使盐渍化土骨架作用弱化,结构由紧密变疏松,故压缩性及抗剪指标偏低,这也与野外发现的渠身及堤身冲刷破坏现象相吻合。

表12和表13为吉林省松原灌区盐渍化土与非盐渍化土主要物理力学性质对比数据。

表12 松原灌区盐渍化土区壤土层典型地段主要物理、力学指标汇总表[6]

表13 松原灌区非盐渍化土区壤土层典型地段主要物理、力学指标汇总表[6]

(2) 抗冲刷性差:盐渍化土分布区的倒梯形挖方渠道经多年运行,现状边坡大多冲刷破坏呈浅碟形。经统计区内渠系工程案例,发现盐渍化土较非盐渍化土抗冲刷折减系数为0.5～0.7。

(3) 具有典型的分散性:经对该区内已建工程运行现状检查发现,采用盐渍土填筑的渠道堤身经过2—3年运行后,堤身及渠身溶蚀冲沟普遍发育,部分地段出现溶蚀洞穴。经现场碎块试验及室内针孔试验,该土属分散性土,分散等级为Ⅲ级。之所以具有分散性,一方面受易溶盐含量高影响,另一方面是由于该区土壤普遍具粘粉粒含量低,尤其是粉粒中粒径0.01～0.005 mm粒组含量极低。

4 盐渍化土改良措施

盐渍土改良,关键要解决盐分补给与排泄问题。也就是采取工程措施控制可溶盐随毛细管水上升至地表并积存。同时采取措施冲洗并排泄掉地表积存的多余盐分,降低土壤含盐量。可从土地利用及工程建设两个方面进行盐渍土改良。

4.1 土地利用性土壤改良

国内对盐渍土改良从上世纪60年代开始,侧重于水利工程措施,以排为主,重视灌溉冲洗。60年代中期开始采用机井排灌,将地下水位控制在临界深度以下,取得了显著的效果。后来陈恩风教授提出了“以排水为基础,培肥为根本的观点”。国内有许多人将磷石膏、糠醛渣、沼气肥等施加到盐碱土上,改变土壤结构,使作物明显增产,同时也废物利用,保护了环境。

吉林省西部地区针对盐渍化现状,主要采取了水利工程措施。通过建设哈达山水利枢纽工程、松原灌区工程、大安灌区工程进行土地平整;通过引水工程将水引进田间地块,采用反复浸泡、冲洗、排水,降低土壤表面盐分,对中度和重度盐渍化地区掺入磷石膏,改变土壤中离子结构,将一些中溶盐转化为易溶盐,便于溶解冲洗。经过该方法进行降盐2—3年后,通过施肥、灌溉压碱等措施改良的土壤即可种植水稻等水生作物,据试验区观测资料显示,效果显著。

对由于盐渍化而退化的草场一般根据不同土壤的透水性能间隔一定距离设置排水沟,沟深2～3 m,并通过连通沟渠将沟内水流引向下游排泄,可有效降低地下水位,切断通过毛细作用在地表进行盐分累积的途径,雨季由大气降水溶解地表易溶盐碱并汇入排水沟,向下游排泄,通过此方法进行治理的草场现状长势良好。

西部河湖连通工程[7]通过修建泵站及渠系等引调水工程,充分利用雨洪资源将松花江及嫩江洪水引入萎缩的湖泡洼地,最大限度地恢复原有的湿地,既减轻了下游地区防洪压力,又变害为利，可以有效抑制盐渍化的发展。

4.2 工程性改良措施探讨

研究区盐渍化土分布范围较大,物理力学性质差,抗剪强度很低,具有分散性、抗冲刷性差。由于吉林省西部地区修建的哈达山水利枢纽、松原灌区、大安灌区等工程渠系工程大部分从盐渍化土区经过,若采取避让方案一方面会占用大量耕地,另外大部分工程若避让后将造成功能及效益上极不合理。筑渠土料若不采用盐渍化土也将破坏大量耕地,在人均不足1 333.2 m2耕地的该地区将无法实现。现状对经过盐渍化土分布区的渠系工程基本采用迎水面混凝土面板衬砌,防止水流冲刷破坏,部分堤顶进行硬化,背水侧采用土工格栅、格内种草措施,效果较好。但是存在以下问题提请各位专家探讨指教,共同研究完善。

(1) 该区内的水利工程是开发利用荒漠化土地,实现增产百亿斤粮食计划,同时也以恢复生态为重要目标。若全部采用混凝土面板衬砌和堤顶硬化措施,一方面与环境不协调,另一方面渠系众多,工程造价极高。

(2) 由于该区冬季寒冷慢长,且渠系工程周围土壤含水量均较大,冻胀现象普遍,虽采取工程措施,但衬砌由于冻胀破坏现象仍较普遍,一般使用年限<10年。

(3) 针对该区土的特性,可采取哪种改性方案以提高土力学特性?比如掺入生石灰或加入某种酸性介质,与可溶盐碱进行反应,形成难溶盐,提高土壤自身的力学属性,增强抗冲性。

(4) 掺入介质施工工艺是否可行,工程造价与衬砌相比是否可行?同时对环境是否会产生副作用?

5 结论

(1) 盐渍土pH值较高,可溶盐含量高。主要受地下水位和气象因素、湖泡萎缩、微地貌及水利工程建设及管理不善影响。

(2) 盐渍土由于特殊的形成原因致使其物理力学及化学性质明显偏差于同质地的非盐渍化土,具有压缩系数高、抗剪强度低、分散性的特点。

(3) 土地利用方面可以通过水利工程措施进行浸泡、冲洗、排水、掺入磷石膏、施肥、种植水生植物等措施,来改良土壤。

(4) 因盐渍化而退化的草场可通过设置排水沟,降低地下水位,切断盐分通过毛细管水在地表累积途径的方法进行治理。

(5) 利用盐渍土进行渠系土方填筑,目前虽有一定的工程处理措施,但工程造价较高,且与环境不协调,造价合理、工艺可行的施工改良措施仍待研究推广。

[1] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省水资源综合规划与水相关的生态环境问题调查评价土壤次生盐渍化调查评价专题报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2003:3-27.

[2] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省农安县波罗泡子生态开发利用保护工程土壤调查报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2003:9-18.

[3] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省松原市前郭第二灌区土壤调查报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2003:5-15.

[4] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省大安灌区土壤调查报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2005:6-15.

[5] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省查干湖湿地保护区土壤调查报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2000:5-12.

[6] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省松原灌区工程地质勘察专题报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2009:23-46.

[7] 吉林省水利水电勘测设计研究院.吉林省西部地区雨洪资源综合利用河湖联通工程项目建议书地质勘察专题报告[R].长春:吉林省水利水电勘测设计研究院,2015:19-146.

(责任编辑：于继红)

Soil Salinization Problem Research and Prevention & Control Measures in theWestern of Jilin Province

LU Changwei, LIU Hongcheng, ZHAO Xiaoming

(JilinProvinceWaterConservancyandHydropowerSurveyDesignInstitute,Changchun,Jilin130012)

.Salinization of soil chemistry and engineering properties research on comprehensive utilization of land and water conservancy engineering construction project is very important.The salinization is formed mainly by groundwater and meteorological factors,lake shrinking,micro topography and the effects of hydraulic engineering construction and management.Salinization of soil salt content is high ph value,high compressibility and low shear strength.Soil improvement by engineering and biological measures and saline soil for earthwork compaction improvement measures remains to be studied.

salinization; groundwater; evaporative capacity; capillary water; chemical characteristics; physical and mechanical properties; improvement measures

2016-04-15;改回日期:2016-04-22

卢长伟(1973-),男,教授级高级工程师,注册咨询工程师、注册建造师,水文地质与工程地质专业,从事工程地质、环境地质与岩土工程工作。E-mail:540690061@qq.com

S156.4

A

1671-1211(2016)03-0419-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.040

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.010.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24