浑善达克沙地地下水位动态变化及其影响

2021-07-08黄海广闫德仁

内蒙古林业科技 2021年2期

闫婷，黄海广，闫德仁，松晓

(1. 内蒙古自治区林业科学研究院，内蒙古呼和浩特 010010； 2. 内蒙古自治区沙地(沙漠)生态系统与生态工程重点实验室，内蒙古呼和浩特 010010； 3. 呼和浩特市林业和草原保护中心，内蒙古呼和浩特 010020)

地下水是指在地表以下能够流动的重力水，并能够通过土壤毛管作用补充上层土壤水分，为植物所利用。通常情况，地下水位在某一范围内起伏波动变化，即不会持续地明显上升或下降。因此，在有关因素的影响下，地下水埋深变化随时间变化的特点是收支不平衡的结果，并具有周期性的特点。所以，地下水位变化一直是固沙林是否导致环境生态问题变化的热点。而大气降水是沙丘土壤水补给的主要来源，并通过入渗作用进一步影响地下水位的变化。鲁晨曦等[1]利用模型法研究了人工造林对地下水位变化的影响，认为人工林蒸散量要普遍高于当地自然植被，而大规模的人工造林活动会降低地下水位。刘瑞国等[2]研究表明地下水位变化与月降雨量具有相似的变化趋势，而且降水对地下水的补给大约滞后2个月左右时间。于海等[3]分析了榆树市近8 a地下水位变化特征，表明地下水位的变化具有不同程度滞后性，且降水入渗是地下水的补给主要源。冯伟等[4]认为固沙植被0～30 cm土层水分受降雨影响大，并对大于20 mm降雨产生响应，而大于60 mm降雨能够影响到200 cm深度土壤水分并向深层渗漏。

赵莹等[5]分析浑善达克沙地范围地下水位下降原因，认为地下水位变化滞后于降水量变化，并与降水量呈正相关关系。王明明等[6]研究表明不同固沙植被盖度下土壤水分对降雨的响应不同，在 13% 盖度下响应最敏感，而在 28% 和 46% 盖度下响应微弱。综上所述，本研究采用高精度水位自动监测仪器，对多伦生态站沙地土壤地下水位动态变化进行了2 a的定位观测研究，希望为深入了解风沙土地下水位变化对降雨事件的响应提供参考，并为固沙植被建设成效评价提供依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古多伦浑善达克沙地生态系统国家定位观测研究站，地理坐标为42°08′37.85″N，116°29′33.28″E，海拔1 277 m。该研究区年均气温 1.6 ℃，≥10 ℃有效积温1 970 ℃，无霜期95 d。年日照时数3 142.7 h，年平均降水量 386.2 mm，年平均相对湿度 62%，年平均蒸发量 1 761.0 mm。年平均风速 3.6 m·s-1，年大风日数 69.8 d，最大风速24 m·s-1。除夏季出现偏东偏南风外，其他季节盛行西北风或西风。

研究区土壤为风沙土，天然植被建群和优势植物主要有羊草(Leymuschinensis)、大针茅(Stipagrandis)、克氏针茅(S.capillata)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冰草(Agropyroncristatum)、百里香(Thymusmongolicus)等。主要树种有白榆(Ulmuspumila)、杨柴(Hedysarummongolicum)、黄柳(Salixgordejevii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和小红柳(Salixmicrostachyavar.bordensis)等。

2 研究方法

在研究区平坦沙地上安置TYD-ZS2型自动气象站，并设置20 m × 20 m围栏保护，数据采集器型号为CR-1000型，TR525M型雨量传感器测量精度 0.1 mm。同时，在自动气象站外500 m平坦固定沙地的观测井(水泥管井深20 m)内安置HOBO-U20-001-04型地下水位自动记录仪，测定地下水位变化。水位量程0～4 m，水位精度 0.3 cm，水位计放置深度在观测井内距离水面 1.5 m处。该自计式水位计采用压力式测量原理测定地下水深度变化，每小时自动记录1次数据。

观测井样地植被为近自然白榆疏林，草本植物天然建群种有羊草、糙隐子草、冰草等，无农业和工业取水利用。

3 结果与分析

3.1 地下水位年变化特征

地下水位埋深变化是长期的过程，而降雨时，渗入到土壤中的水分既要克服蒸发消耗又要克服干燥表土层的吸附截留，而后才能下渗到植物根系层，有效地补充该层土壤水分。闫德仁等[7]研究表明降雨对沙地土壤40 cm土层水分动态响应敏感，同时对120 cm以下深度土层水分状况的补给能力有限。从图1可以看出，2017年8月—2019年12月间，地下水位呈现出波浪式变化特征，特别是在植物生长季，地下水位埋深处于持续下降过程。尽管月降雨增加，但植物生长的蒸腾失水对地下水位消耗明显，属于地下水消耗期，或者说本期降雨无法补充地下水消耗。这种变化特征和杨根生等[8]的研究结论基本一致，“低水位期多出现在夏季，是农牧业用水的旺季”，“在植物生长季节，地下水位一般会因蒸发、蒸腾而下降，如头道湖至8月份降至最低点，变幅在 0.6～1.2 m”。

图1 地下水位埋深年变化特征的差异Fig.1 Difference of annual variation characteristics of groundwater depth

而2018—2019年地下水位月变化特征表现不同，其原因应该与月降雨差异有密切关系。其中，2018年，地下水位埋深有2个峰值期，分别在2—3月和7—9月，地下水位值分别从 2.92 m下降到 2.99～3.01 m (平均 3.00 m)和从 3.02 m下降到 3.11～3.13 m (平均 3.12 m)。其他各月基本上属于地下水位上升恢复期。而7—9月间降雨分布为 76.5 mm、185.5 mm和 88.7 mm，但地下水位降低了近10 cm，同时，10—11月间地下水位上升到 3.03～2.97 m(平均 3.00 m)，平均上升了11 cm，反映出10—11月间地下水位变化和降雨之间的滞后现象。同样，2019年，地下水位埋深有2个峰值期，分别是6—8月和11—12月。地下水位分别从 2.88 m下降到 2.96～3.03 m (平均 2.99 m)和从 2.93 m降低到 3.06～3.12 m (平均 3.09 m)。其他各月基本是缓慢恢复过程。而2019年5—7月降雨分别为 103.1 mm、52.8 mm和 107.4 mm，8月降雨仅为 74.8 mm。由此判断，2019年9—10月间地下水位回升(平均 2.91 m)和降雨之间也存在着滞后现象。

3.2 地下水位旬变化特征

为进一步分析地下水位埋深的变化特征，在年动态分析基础上，分别探讨了研究区2018—2019年地下水位旬变化特点。从图2可以看出，2018年地下水位平均埋深为 3.00 m，而2018年2月中旬—3月中旬间地下水位平均为 3.02 m，6月中旬—10月下旬间地下水位平均为 3.09 m，其他月地下水位则小于 3.00 m，其中，3月下旬—6月上旬地下水位平均回升到 2.92 m，11月上旬—12月下旬地下水位平均回升到 2.96 m。

图2 2018年地下水位埋深旬变化Fig.2 Ten-day variation of groundwater depth in 2018

同样，从图3中可以看出，2019年地下水位旬变化特点和2018年的变化特点存在一些差异。2019年，研究区地下水位平均为 2.95 m，而6月下旬—7月下旬平均为 3.02 m，10月下旬—12月下旬平均为 3.08 m，其他月地下水位则小于 3.00 m，其中，1月上旬—6月中旬地下水位平均回升到 2.89 m，8月上旬—10月中旬地下水位平均回升到 2.92 m。

图3 2019年地下水位埋深旬变化Fig.3 Ten-day variation of groundwater depth in 2019

综上所述，尽管2018—2019年间地下水位旬变化特征存在差异，但是，总的趋势基本相似，即每年春季属于地下水位回升恢复期，而秋冬季地下水位或降低或回升，其原因可能与秋季降雨差异有关。例如，2018年8月累计降雨 185.55 mm，9月为 88.65 mm，10月为 3.05 mm，11月为 3.43 mm，4个月合计为 280.68 mm；而2019年8月累计降雨 74.80 mm，9月为 49.33 mm，10月为 23.02 mm，11月为 10.54 mm，4个月合计为 157.69 mm。如果按照地下水位2个月补给滞后期考虑，2018年秋冬季地下水位则处于回升恢复期，而2019年秋冬季地下水位则表现为地下水位消耗下降期。进一步说明降雨对沙地地下水位的补给具有滞后效应，而这种滞后效应大小与累计降雨量大小有关。

3.3 典型降雨事件对地下水位埋深变化的影响

根据2019年度降雨特征，选择降雨前1日、降雨日和降雨后1日 3个时间段，分析了不同降雨事件对日平均地下水位埋深变化的影响。结果表明， 40.91 mm及以上降雨对补充日地下水位具有积极作用(表1)。

从表1看出，一次降雨 17.02 mm时对地下水位没有影响，且地下水位持续下降，而当降雨为 35.69 mm时，前期降雨使地下水位埋深仅增加1 cm，且降雨后期或降雨结束后地下水位持续下降到 2.99 m或 3.06 m。当3日内一次降雨过程累计降雨量达 40.91 mm时(第1日降雨仅为 5.72 mm，第2日降雨达 30.74 mm)，地下水位埋深从 3.03 m增加到 2.94 m，净增加9 cm，而后又持续下降到 3.04 m或 3.02 m，净降低8～10 cm或8～11 cm。可见，从连续2日降雨累计 35.69 mm增加到连续3日降雨累计 40.91 mm时，累计降雨对地下水位变化有影响，但降雨过程对地下水位变化的补给作用是有限的。而当连续3日降雨累计达 56.64 mm时，地下水位埋深则从降雨前1日的 2.88 m上升到持续降雨日的 2.82 m、2.77 m和 2.80 m，但降雨结束后第1日内，地下水位埋深又回到 2.87 m。说明， 56.64 mm这样大的降雨事件，能够很好地补充地下水，而小于40 mm的降雨事件则很难通过入渗作用补充地下水。而本研究区降雨特征恰恰是40 mm以下的降雨事件占绝对优势，明显缺少50 mm及其以上的降雨事件。或者说，本研究区降雨入渗作用对补充地下水的能力有限，但不排除通过降雨径流汇集成地表河流对地下水的补充作用。

此外，从地下水位动态研究结论看，研究者普遍认为降雨对地下水位变化的影响具有滞后现象。特别是赵莹等[5]分析了浑善达克沙地范围地下水位下降原因，认为在不考虑开采情况下，年度各月水位的变化紧随降水的变化，降水量大，水位则高，反之则低，并进一步指出，年降水量出现丰枯变化时，地下水位也随之产生变化，因此，地下水位与降水量呈正相关关系，但地下水位的变化滞后于降水量的变化。同时降水对地下水的补给具有滞后的同步性，时间 2个月左右。尽管如此，赵莹等[5]并没有给出降雨量和地下水位变化之间的具体数量化数据，也没有分析植物生长季和地下水位变化的关系。而本研究表明，2018—2019年地下水位的变化趋势基本一致，即植物生长季或雨季，虽然降雨量相对增加，但地下水位属于消耗期，其降低幅度小于10 cm。而后地下水位有所回升，导致2018—2019年间地下水位平均维持在 2.95～3.00 m之间，也就是说，在本研究区2018—2019年间地下水位并没有明显变化。