平潭岛芦洋埔土壤水与浅层地下水的关系研究

2018-12-20杨志宏

江西农业学报 2018年12期

吴征,单科,杨志宏

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192)

海岛淡水资源除天然降雨外无其他补给,特殊的自然环境又导致其不利于淡水资源的赋存,这一直是抑制大多数海岛经济发展的主要原因[1]。平潭县由120多个海岛组成,其中平潭岛为主要有居民海岛,其面积达267 km2,是福建第一大岛[2]。同多数海岛一样,平潭岛降雨偏少,加上全岛无大河入境,淡水资源极其短缺,其人均水资源年拥有量约为463 m3,相当于全国人均水资源量的21.8%、福建全省人均水资源量的12.3%[3]。

土壤水作为四水转换的纽带,在水资源循环中起到非常重要的作用,研究不同环境下的土壤水运动特征,有助于地下水资源的评价和合理开采利用。目前平潭岛虽然做过一些水文地质调查,但缺乏针对土壤水和地下水之间关系方面的研究。国内相关研究主要集中在西北干旱地以及农业灌溉领域内,例如：杨玉峥等采用土壤水分平衡方程结合Hydrus-1d软件对地下水浅埋区农田土壤水与地下水之间的转化关系进行了计算和分析，得出了土壤水与地下水的快速响应关系[4];杨普义等通过长期检测汾河灌区各个点位的土壤含水率提出了根系活动层土壤含水量与地下水埋深成反比的二次多项式函数关系[5];郝芳华等通过环刀法采集河套灌区土壤样块并采用分析含水率的方法，探讨了不同农作物地块间土壤含水率的变化差别[6]。

我们实测了平潭岛芦洋埔降雨前后土壤含水量的变化情况及水分运动变化特征,并在此基础上采用水分通量法及土壤水分平衡法计算了本研究区土壤水补给地下水的量,研究了土壤水与地下水的关系,旨在为海岛水资源评价提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为芦洋埔,地处平潭岛中北部芦洋乡,是平谭县七大埔中最大的平原,面积为30.23 km2。该区为地势平坦的海积平原,土壤以滨海风砂土亚类东山属盐砂土为主,第四系松散堆积层较厚,渗透性强,砂层孔隙潜水主要受降水补给,地下水埋深较浅,一般为0.5～2.0 m,其潜水区分布于整个芦洋埔平原[7]。平潭岛海洋性气候特征明显,平均气温19.6 ℃,多年平均降水1180.2 mm,水面蒸发量1330 mm,陆面蒸发量550 mm[8]。平潭岛地属亚热带常绿阔叶林地带,主要植被以人工植物为主,群落结构简单,植被多样性低[9]；经过多年的土壤改良现在芦洋埔已被规划为平潭县未来农业发展基地[10]。

1.2 实验方法

研究期为当地春季,从2018年3月7日开始至2018年4月15日结束,其中3月15～23日为降雨期,雨量较为均匀缓和。研究区无植被,共取3个点,其中点1为主要数据采集点,GPS坐标为5°35′13″N,119°45′22″E；点2、点3为平行实验参考点位,分别位于点1东、西两方10 m处。在各点位分别开挖长宽各1.0 m、深1.5 m的土坑,于距土壤表面20、40、60、80和100 cm处各埋设WM-1型负压计测定土水势，以判断土壤水分运动特征；含水率则通过英国IH-Ⅲ型中子水分仪测得。土壤容重通过将土壤样品放置烘箱后称量并计算单位容积的干土质量得到[11],结果如表1所示。地下水位数据则通过附近监测井获得。

表1 各层土壤的容重

1.3 水分通量法计算公式

土壤水分运动特征分为入渗型、蒸发型、聚合型和发散型；当水势梯度为0时,称该处的剖面为零通量面[12]。在一定条件下土壤水分的运动状态可以相互转化[13]。研究区为滨海砂土,采用以下计算公式:

(1)

式(1)中：D为地下水补给量(mm);Z0(t1)为t1时刻零通量面位置;Z0(t2)为t2时刻零通量面位置;t(Z0)为零通量面位置在Z0时的时间;θ为土壤含水率(%)[14]。

利用零通量面存在情况下求得的下渗量和实测的水势梯度,采用定位通量法计算非饱和导水率,计算步骤如下:

(1)用零通量面法求得D;

(2)计算Z*处的土壤水分通量(mm):

(2)

(3)由达西定律可知土壤非饱和导水率为:

(3)

(4)计算定位边界Z*段处的土壤水量，公式为:

(4)

式(4)中:Q(Z*)为t1～t2时段内从定位边界Z*处通过的土壤水量。当Z*接近潜水位时,Q(Z*)近似为土壤水分下渗补给的地下水量；当Z*接近地表面时,Q(Z*)近似为土壤蒸散量[15]。

1.4 土壤水分平衡方程

研究区无植被,研究期内无特大暴雨,可暂不考虑雨后地表径流及基岩侧向补给,同时植被截留量和灌溉量也可忽略不计,其地下水补给量可通过以下土壤水分平衡方程求得:

D=P+E1-E2-ΔW

(5)

式(5)中：P为降雨量(mm);E1为潜水蒸发量(mm);E2为土壤蒸散量(mm);△W为土壤水储量的变化量(mm)。其中土壤水储量W根据下式计算:

(6)

式(6)中：W为单一土层的土壤水储量(mm);d为土壤容重(g/cm3);h为某一土层的厚度[16]。

降雨及水面蒸发量数据来自平潭各乡镇区域自动气象站;E2由定位通量法测得;降雨入渗补给量通过以下公式求得:

Pr=αP

(7)

式(7)中：Pr为降雨入渗补给量(mm);α为降雨入渗补给系数。参考冉庄实验站积累的8～15年实测基础资料以及太行山东麓山前平原区降雨入渗系数分析，本文入渗补给系数取经验值0.25[17-18]。

计算潜水蒸发量E1的公式为:

E1=σE水

(8)

式(8)中：E水为水面蒸发量;σ为潜水蒸发系数。参考河北省冉庄水资源实验站、安徽省五道沟水文水资源实验站、山西省太谷均衡实验站实测数据分析,不同地下水埋深潜水蒸发系数经验取值见表2[19]。

表2 风砂土无作物潜水蒸发系数经验取值

2 结果与分析

2.1 土壤含水量及水分运动特征

如图1所示,研究期内土壤储水量W与降水量呈现正相关的变化趋势,同时针对采集点1主要土水势数据变化点作以下水分特征分析:

降雨前(3月7日至3月14日),水分运动特征属于蒸发型,土壤含水率低且随时间变化不明显。该阶段地下水位维持在2 m埋深。

降雨中(3月15日至3月23日)，土壤先后经历聚合型和入渗型两种水分运动特征(图2)。结合图3各土层土壤含水率的情况可知,在聚合型期间40 cm以上土层首先接受降雨入渗补给,其含水率上升较快,而40～60 cm土层含水率变化则较为平缓。由于湿润锋还未到达60 cm土层以下区间,其土壤水分含量变化很小,可知该区间为稳定变化带,此时土层仍然接受来自地下水的潜水蒸发微弱补给,据此可推断零通量面出现在40～60 cm缓变化带中,地下水位埋深仍然维持在2 m。从3月19日开始土壤水分运动逐渐转变为入渗型,此时零通量面移动至潜水面附近并消失,土壤水开始补给地下水,该阶段地下水位逐渐上升,接近1.5 m埋深。

图1 土壤储水量的变化

图2 3月15日至3月23日土壤土水势的分布

降雨后期间(3月24日至4月7日)，研究区土壤停止接受降雨的补给,其土壤水分特征先后经历发散型和蒸发型(图4、图5),推测含水率缓变化带及零通量面仍处于40～60 cm土层中。40 cm以上表层土壤蒸散量由于天气转晴、气温升高而增大,其含水率下降较为明显；60 cm以下土层保持含水率稳定变化带特征,同时继续将降雨入渗所带来的水分补给地下水,该阶段地下水位维持在1.5 m埋深。值得一提的是从4月4日开始土壤水分运动特征变回降雨前的蒸发型状态,土壤水停止补给地下水,地下水位埋深逐渐恢复至2 m左右。

图3 降雨期采集点1各层土壤含水率的变化

图4 3月25日至4月6日土壤土水势的分布

综上所述,芦洋埔土壤水分及水势变化快速且明显,40 cm以上土层属于土壤水分强变化带层,其土壤含水量对雨水入渗补给变化的响应最快；40～60 cm为缓变化带层；而60 cm以下为稳定变化带,推测是由于土层压实等自然原因,该层黏土含量比例较大,导致其水量变化不明显。零通量面仅存在于聚合及发散型阶段的土壤水分缓变化带中,地下水仅在入渗型和发散型土壤水分运动特征时段接受降雨入渗补给且埋深变动范围在1.5～2.0 m。

图5 降雨后采集点1各层土壤含水率的变化

2.2 土壤水补给地下水的量

由于土壤中湿润锋缓慢下沉所带来的时间差,降雨入渗补给地下水的起始时间比降雨发生时间稍有滞后。如图6所示,降雨入渗补给地下水直至3月18日才开始呈现出逐渐增加的趋势；在降雨停止后到4月3日期间,入渗补给量逐渐减少；最终随着零通量面的消失,地下水停止接受土壤水下渗补给。潜水蒸发量整体呈现小幅度缓慢上升趋势,以下针对时段1(3月18日至3月23日)和时段2(3月24日至4月3日)计算地下水补给量。

图6 研究期降雨量、降雨入渗补给量以及潜水蒸发量的变化

通过水分通量法分别计算3个采集点位土壤水补给地下水量及土壤表面水分蒸散量,结果如表3所示。各个采集点的计算结果相差不大,由于降雨停止后土壤表层不再接受雨水入渗补给,所以时段2较时段1来说下渗补给量大幅度减少。

表3 采用水分通量法计算的各时段土壤水补给地下水下渗量 mm

如表4所示,时段1中土壤水储量变化量表示降雨期间土壤水的变化量,时段2中相对应的值为降雨结束至土壤水停止补给地下水这段时间内土壤水的变化量。由于时段2不接受降雨补给,土壤表层水分开始蒸发,所以此时段内土壤水分变化量为负值。3个采集点计算所得的地下水补给量结果接近。

2.3 模型的验证及误差分析

平潭岛内无水文地质研究场,相关数据也缺乏长期监测。本文对通过土壤水分通量法与土壤水分平衡方程计算得出的地下水补给量进行对比分析。分析结果如表5所示,相对误差在9.50%～19.00%。分析误差原因，本文采用的降雨入渗补给系数以及潜水蒸发系数源于过往研究的经验参数,多为大陆西北干旱区及农田耕地区域的研究数据,虽然土壤类型都为砂土且地下水埋深相近,但南方海岛多受海水入侵影响,加上常年大风,降雨量不均匀,导致其数据的应用存在误差。