武威盆地典型地区包气带水分运移模拟

孟令群 聂振龙 李琪

摘要 以上案村为例，通过典型剖面监测、元数据统计分析和数值模拟等研究方法，开展植被生态与地下水关系研究，模拟了典型植被的根系吸水速率分布规律。结果表明：地表植被结构越多，土壤水分交换越频繁，包气带同时受到大气降水入渗和毛细水的支持，整个包气带含水量较高;利用Hydrus-1D模型分析，发现典型植被在7—8月植被生长成熟期间，由于气温升高，蒸发量较大，植物需水量增加，根系吸水速率增强;9月植被进入衰退期，植被吸水能力逐渐减弱;当地下水埋深<3.0 m时，包气带中土壤水分能达到植被生长所需要的水平，植被根系吸水速率在10～40 cm内达到最大。

关键词 典型剖面;包气带;地下水埋深;水分运移模拟;根系吸水

中图分类号：S152.7 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2021）07–0146–04

武威盆地位于石羊河流域中游，东临古浪腾格里沙漠，东南沿祁连山与古浪大靖盆地相连，西接永昌盆地，北与民勤相望[1]。武威盆地北部由于人类过量开采地下水，导致地下水位下降，地表植被衰败，荒漠化持续加剧，其生态平衡已经相当脆弱[2-5]。开展武威盆地典型地区植被生态与地下水关系研究，探究地表植被的演替规律、包气带水分运移规律及植被吸水规律，可为进一步研究地下水生态环境效应问题提供理论依据。

土壤水是指由地面至地下潜水面以上土壤层中的水分，亦称包气带水分[6]。除降水外，土壤水分还受地下水和植被状况的影响。在干旱半干旱区，地下水是影响土壤水分的重要因素[7-11]。王强民[12]研究了毛乌素沙地地下水与植被生态的关系，研究发现，地下水埋深的变化影响了地表植被的分布，表现为当地下水位下降，植被由草本植被向沙质植被过渡。杨泽元等[13]通过建立秃尾河流域地下水动态变化与土壤表生生态效应之间的关系，分析研究地下水位变化对植被的影响。Lamontagne等[14]通过研究干旱和半干旱地区河岸生态系统，阐述了地下水对植被生长的作用，结果表明地下水减少会影响植被生长发育，造成植被丰度下降。许多国内外学者对地下水埋深与植被之间的关系进行了大量研究，提出地下水位存在临界深度，如果地下水埋深大于该深度，植被将难以吸收水分，导致植被衰败，将这一临界深度表示为生态地下水埋深[15]。

依托国家重点研发计划项目课题“石羊河流域地下水合理开发利用与生态功能保护研究与示范”，以包气带水分运移为主要研究方向，采用典型剖面监测、室内试验与数值模拟相结合的研究方法，分析武威盆地典型地区包气带水分运移规律，为石羊河流域地下水合理开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于武威盆地上案村（102° 49′51E，38°20′01″N）。试验点地势低平，年降水量多年平均为105 mm，全年潜在水面蒸发量达2 310 mm。地下水位埋深在2.2～3.3 m之间波动，年平均埋深为2.9 m;地下水矿化度在1.8～2.4 g/L之间波动，平均为2.1 g/L。包气带岩性0～0.35 m为腐殖土;地表0.35～0.95 m为中细砂，粘粒含量少;0.95～2.3 m为中粗砂，粘粒含量少;2.3～2.7 m为淤泥质细砂。试验点主要植被为沙枣、柽柳、枸杞、芨芨草（图1）。

1.2 试验设计与布置

土壤温度、盐分及土壤含水率可以利用TDR-310S进行监测，通过测量土壤的介电常数来获得土壤的体积含水率，测量范围在0～100%之间，误差为0.1%;土壤电导率测量范围为0～5 000 μs/cm，土壤温度测量范围在-40℃～60℃，误差为0.1%。在本次試验中，土壤含水率监测频率均为30 min。土壤含水率探头在垂向上的布置为：20 cm、40 cm、60 cm、85 cm、110 cm、130 cm、170 cm、220 cm、240 cm（图2）。监测时间为2018年11月—2019年12月。

在试验点设置地下水动态监测孔，监测地下水动态，监测频率为30 min。在试验场布设野外自动气象站，监测记录降雨量、蒸发量、气温、风速、大气压等，并布设E601蒸发皿（采用高精度diver监测蒸发情况）。根据试验点位置，分别取土样及环刀样进行颗分试验和土壤水分特征参数试验，取样埋深如下：20 cm、40 cm、50 cm、80 cm、160 cm、210 cm、240 cm。

2 结果与分析

2.1 一维垂向包气带水分运移

试验点剖面土壤含水量随时间推移变化幅度较小，1—2月土壤含水量低于其他月份，在表层0～20 cm土层，土壤含水率逐渐上升，近地表土壤含水量变化幅度为0.071～0.114;在距地表约20 cm处，含水率达到峰值，变化幅度为0.093～0.16;在20～40 cm范围内，土壤含水率下降，形成谷值，变化幅度为0.02～0.096，说明该层位主要受到植被根系吸水影响。在60～120 cm范围内，由于上层植被吸水及蒸发等作用，土壤水分补给至上层，下层水分没有及时得到补给，导致含水量整体下降，平均土壤含水量变化幅度为0.06～0.07之间;120 cm以下由于毛细水的作用，土壤含水量逐渐升高（图3）。

2.2 二维包气带水分运移

试验点土壤水分等值线变化：该点位包气带土壤含水量主要受气候条件（大气降水、蒸发）和地下水埋深条件影响，表层和潜水面地层的土壤含水量变化较大。受气候因素的影响，0～60 cm近地表土壤含水量波动较大，冬季土壤含水量整体偏低;春季以后，随着气温和降水的上升，土壤含水量逐渐上升，该层位主要是柽柳、枸杞等灌木和芨芨草、盐爪爪等草本植物的吸水层位。60～120 cm土层土壤含水量全年整体偏低，受上层土壤水和下层毛细水的影响而有所波动。150～220 cm土层含水量主要受潜水变化影响，在毛细水的作用下含水量从上到下逐渐升高，并在4—8月潜水高水位期和8—9月低水位期分别形成波峰和波谷，该层主要是沙枣树等乔木吸水层位（图4）。

2.3 地下水变化对土壤水分运移的影响

试验周期内地下水动态变化对土壤水分影响：2018年11月—2019年11月，地下水位动态表现为3个峰值和3个谷值，11月、5月和7月水位最高，3月和9月水位最低。主要分成两个阶段：

Ⅰ阶段：即第1个峰谷，11月和次年4月水位最高，3月水位最低，该阶段土壤含水量与水位变化与冻融有关。由于温度影响，11月开始后温度低于0 ℃，浅层土壤水分冻结，地下水向上层运移。2月、3月后，温度升高，季节性冻土开始融化，40 cm以上土壤含水量升高，向下层进行补给，水位抬升。

Ⅱ阶段：即第2个峰谷，5月水位最高，随时间增加，土壤温度升高，蒸发强烈，地下水位下降。由于发生较大降水，7月水位大幅度抬升，后因蒸发作用下降，9月达到最低。深层土壤含水量受到地下水位埋深的影响，与水位埋深变化一致。浅层土壤含水量主要受地表植被和蒸发作用影响，受地下水位埋深影响不大（图5）。

2.4 包气带水分运移数值模拟

HYDRUS-1D是美国农业部盐土实验室开发的模拟非饱和介质中一维水分、热量、溶质运移的模型，其被广泛应用于室内和野外试验中水分和溶质运移模拟等方面[16]。

包气带水分运移模型采用Richards方程来描述土壤水分运移过程，忽略土壤水分在水平和侧向上的运动，仅考虑一维垂向水流运移，即水流运动方向为垂直方向的单相一维流时，建立数学模型如下：

式中：C（h）为土壤容水度（1/cm）;

K（h）为非饱和渗透系数（cm/d）;

h为压力水头或基质势（cm）;

S（z，t）为单位时间单位体积土壤根系吸水率（1/d）;

t为时间变量（d）;

Z空间变量（cm），地表为原点，向下为正;

L为潜水埋深（cm）;

h0（z）为初始压力水头分布（cm）;

ε（t）为入渗强度（cm/d）。

根系吸水率表示单位土壤体积在单位时间内因根系吸水而损失的水分含量，采用Feddes模型，即。

（5）

式中：α（h，z）为水分胁迫反应方程;

Β（z）为根系吸水分布函数（cm-1）;

TP为作物潜在蒸腾率（cm/d）。

初始条件选择为实际观测数据，采用当天剖面各个传感器位置实际测量的土壤含水率，相邻监测点之间含水率按照线性插值方法自动给出。识别期2019年1月21日—3月31日，验证期2019年4月1日—6月30日。上边界选择大气边界，将下边界取到潜水面，即定水头变界。选择时间步长为1 d，剖面深度为300 cm，空间步长Δz为5 cm，共剖分61个节点。

在Hydrus-1D 进行参数的反演优化过程设置完毕后运行模型，待模型成功收敛后，在模拟结果中设置观察点，软件会自动对比含水率模拟值和实测值绘制图件，观察拟合效果。在充分了解各个参数物理意义的基础上，在模型的拟合过程中不断调试相关参数，使计算值和观测值的相对误差<15%，方可认为识别出的参数真实可靠。

地下水埋深在3 m上下波动时，沙枣树、柽柳和枸杞的根系吸水特征。由图可以发现，沙枣树根系吸水率在7—9月变化规律相同，但9月根系吸水量小于7月、8月，垂向上根系吸水集中在10～40 cm和120～150 cm内，且根系吸水率在浅层内大于深层，说明地下水埋深3 m时，沙枣根系除主根系吸水外，还依靠浅根系来吸收土壤水分以维持生长;柽柳根系吸水层位集中在10～30 cm，随埋深增加，深层根系吸水速率升高，主要吸水层位集中在110～140 cm;枸杞根系吸水层位集中在20～60 cm，随埋深增加，9月深層根系吸水速率升高，主要吸水层位集中在110～130 cm（图6～8）。

3 结论

（1）当地下水埋深较浅（<3 m）时，深层土壤含水量主要受地下水位的影响，土壤含水量随着地下水的波动而变化，地下水埋深越浅，对包气带含水量的影响越大。

（2）对试验点建立包气带水分运移模型，结果表明：试验点在识别期和验证期中，其剖面土壤含水量的拟合值都满足误差要求，可用该模型建立研究区优势植被根系吸水模型，通过分析研究区优势植被根系吸水速率，得出植被在生长过程中根系吸水速率分布特征。7—8月植被生长成熟期间，由于气温升高，蒸发量较大，植物需水量增加，根系吸水速率上升;9月以后植被进入衰退期，植被吸水能力逐渐减弱，另外，9月后蒸发量相对下降，降雨量增加，浅层土壤含水量增加，该区域根系吸水速率上升。

（3）从植被根系吸水规律来看，根系总是向着水分充足和最容易吸水的区域生长，当地下水埋深<3 m时，包气带中土壤水分能达到植被生长所需要的水平，植被根系吸水速率在10～40 cm内达到最大，同时，7—9月最大根系吸水率变化幅度较小，其吸水深度随着埋深增加而增加。

参考文献

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责任编辑：黄艳飞

Simulation of Water Migration in Unsaturated Zone in Typical Area of Wuwei Basin

MENG Ling-qun et al（Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geological Sciences， Shijiazhuang， Henan 050061）

Abstract This paper selects Shangan village as a typical area， through the typical section monitoring， metadata statistical analysis， numerical simulation and other research methods， to study the relationship between vegetation ecology and groundwater， The distribution of root water uptake rate of typical vegetation was simulated. The results show that the more vegetation structure， the more frequent soil water exchange. The vadose zone is supported by both precipitation infiltration and capillary water， and the water content of the whole vadose zone is higher; Using HYDRUS-1D model analysis， it is found that during the period of vegetation growth and maturity from July to August， due to the increase of temperature， the evaporation is large， the water demand of plants is increased， and the water absorption rate of roots is enhanced; In September， the vegetation began to decline， and the water absorption capacity of vegetation decreased gradually; When the groundwater depth is less than 3.0 m， the soil moisture in the vadose zone can reach the required level for vegetation growth， and the water absorption rate of vegetation roots reaches the maximum within 10-40 cm.

Key words Typical profile;Unsaturated zone; Groundwater depth; Water movement simulation; Root water absorption