旱区湿地周边盐渍化农田生态水位阈值与“水位-水量”双控技术

刘鹏飞，张光辉，崔尚进，刘少玉，聂振龙

（1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061；2.中国地质大学(北京), 北京100083；3.自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄 050061）

随着国家实施西部生态保护战略，逐步落实“退耕还湿”及地下水压采等政策，西北内陆流域下游输水量增大，湿地水面面积不断扩大，周边农田盐渍化风险加剧[1-3]。然而，农田保护事关西北粮食安全，随着人口增多，按照全面富裕标准，西北地区耕地压力达到预警状态[4]。实施地下水水位调控是实现湿地保护与农田盐渍化防控“双赢”的有效途径[5-7]。在西北内陆流域下游湿地与农田交界带，适宜的地下水水位既要保证农田区表层土壤含盐量小于作物耐盐阈值（如玉米为3.46 g/kg，葵花为5.0 g/kg），又要保证湿地生态安全[8-11]。

西北内陆流域下游区含水层岩性以粉细砂为主，渗透性差，释水缓慢，同时地下水水位易受灌溉、蒸发及侧向补给等因素影响，实现水位的实时控制极具难度。在弱透水层区，当前国内外采用的取（排）水方式主要有竖井、沟渠、暗管、水平井、大口井、辐射井、连通井等[12-13]，如傍河取水中为增大辐射井的取（排）水量，许多学者[14-16]在辐射井距河床距离、井结构参数及堵塞机理等方面开展了研究，Banerjee[17]基于含水层给水度和渗透系数布设辐射井，并对取水量进行了验证。陕西省富平县卤泊滩、宁夏银南灌区和河套灌区在盐渍化治理过程中均采用了沟渠排水方式[18-19]。刘少玉等[20]在华北平原东部浅部弱渗透层地区成功建立了“抽咸换淡辐射井”、“虹吸连通增采井”等不同类型示范工程，取得了特定条件下低成本开采浅层微咸水的有效途径。

国内外学者研发的地下水集采和排水技术，在一定程度上实现了弱透水层区地下水埋深与水量控制，但研究多关注如何增大取（排）水量，对如何实现持续取（排）水及一定范围和时段内地下水水位的实时控制和降低的相关研究不足，尤其关于 “水位-水量”双控技术及应用的研究成果较少。本研究以石羊河流域邓马营湖浅埋区为研究区，在分析地下水埋深动态及其与表层土壤盐分协同变化关系基础上，确定生态水位阈值，研发基于虹吸-辐射井群的地下水“水位-水量”智能双控技术，并开展应用研究，其成果对西北内陆流域下游湿地生态保护及其周边农田盐渍化防控具有重要的现实意义。

1 研究区概况

研究区位于腾格里沙漠邓马营湖盐渍化农田与自然植被交界带，属石羊河流域平原区。在20世纪80年代大规模开发前为湖泊湿地。区域属温带干旱沙漠气候类型，多年平均气温、降水量和蒸发量分别为9.4 °C、123.6 mm 和2 063.5 mm。农作物以玉米、食葵为主，生长期耐盐阈值分别为3.56，5.00 g/kg，天然植被以芦苇为主。

示范区包气带地层以冲湖积沉积物为主，岩性以亚砂土、亚黏土为主，支持毛细水上升高度为1.7 m。按埋藏条件可分为浅层、中层和深层水含水层组。浅层水位埋深1.5 m，含水层岩性以粉细砂为主，底界埋深7 m，与下伏中层水之间有2 m 厚黏土层，两者水力联系弱。中层水岩性以中细砂与中粗砂为主，厚度近100 m。深层水赋存于第四系中下更新统粉细砂透镜体与底部砾砂层中，透镜体颗粒细且微胶结、密实，底部砾砂泥质含量高，厚度小，透水和含水性差，具弱承压性。在强烈蒸发作用下，浅层水咸化、土壤盐渍化严重，农田、交界带、湿地的地下水中溶解性总固体含量分别为7.63，8.34，13.2 g/L。

在每年作物生长期（4月中旬至9月初），农田非调控区潜水水位受灌溉影响呈逐渐上升趋势（图1），其中7—8月，潜水埋深处于1.5 m 左右，盐渍化风险较高。示范区同期（7月初为例），自农田至自然植被区潜水埋深从1.3 m 增大至1.6 m（图2）。

图1 农田非调控区地下水埋深变化特征（G20 监测孔）Fig.1 Dynamics of groundwater depth in the unregulation area of farmland

图2 7月初地下水埋深等值线及监测孔分布位置Fig.2 Contour lines of groundwater depth and monitoring wells distribution in July

2 示范区地下水生态水位阈值

2.1 阈值上限

采集示范区周边自然植被区与农田区包气带结构相似、不同地下水埋深条件下的不同深度土样，进行易溶盐测试分析。在不受调控和灌溉影响的自然植被区，随着潜水埋深增大，表层土壤含盐量呈减少趋势（图3）。当潜水埋深（h）分别为1.0 m≤h＜1.5 m，1.5 m≤h＜1.9 m，1.9 m≤h＜3.5 m 时，相应阶段潜水埋深每增大10 cm 表层土壤含盐量分别减少26.209，2.433，0.446 g/kg。

图3 自然植被区表层土壤盐分与地下水埋深协同变化关系Fig.3 Synergic relationship of groundwater depth and topsoil salt content in natural vegetation area

综上分析可知，当潜水埋深为1.0，1.5，1.9 m 时，对应表层土壤含盐量分别为182.4，52.3，45.5 g/kg。从盐渍化风险程度和表层土壤盐分调控效率考虑，随着潜水埋深逐渐增大，土壤盐渍化风险逐渐降低，表层土壤积盐速率对潜水埋深变化响应越来越慢，调控效率越来越低，其中潜水埋深1.5 m 和1.9 m 是重要的分界点。

灌溉条件下，农田区表层土壤经历淋盐和积盐的复杂交替过程，相对自然植被区表层土壤含盐量有一定程度降低。在潜水埋深1.5～1.9 m 时，由浅至深包气带含盐量先增大、后减小，最后趋于稳定；在潜水埋深1.5 m 时，15 cm 深度以内土壤含盐量小于5 g/kg，20 cm 深度处含盐量最高，65 cm 深度以下含盐量变化较小；在潜水埋深1.9 m 时，30 cm 深度以内土壤含盐量小于5 g/kg，60 cm 深度处含盐量最高，105 cm 深度以下含盐量变化较小（图4）。在潜水埋深1.5 m 时包气带剖面中1.0 m 深度以下的土壤含盐量，小于潜水埋深1.9 m 时包气带剖面中相同深度的土壤含盐量。这是由于2 个剖面中1.0 m 深度以下均为支持毛细饱水带，其含盐量主要受地下水溶解性总固体含量大小控制，埋深1.5 m 剖面位于上游，地下水溶解性总固体含量较小。由此可见，灌溉条件下，潜水埋深由1.5 m增大至1.9 m，积盐带从20 cm 深度下移至60 cm 深度，明显控降了作物（葵花）生长的表层土壤含盐量。

图4 农田区不同潜水埋深下包气带剖面含盐量Fig.4 Salt content of the aeration profile at different phreatic groundwater depths in farmland

潜水埋深是影响表层土壤积盐速率的关键因素[21]，因为它决定着潜水通过支持毛细作用向表层土壤输供水盐量多少的能力。综合考虑不同地下水埋深下盐渍化风险程度和灌溉条件下表层土壤积盐规律，确定灌溉期农田盐渍化防控生态水位埋深上限为1.9 m；对照地下水埋深动态特征，确定示范区7月初至8月底地下水高水位期（埋深约1.5 m）为盐渍化防控关键期。

2.2 阈值下限

示范区自然植被以湿地植被芦苇为主，地下水是其生长的主要水分来源[22]。根据相关研究[23-27]，西北内陆流域下游芦苇适宜生态水位埋深小于3.0 m（表1）。通过示范区周边不同潜水埋深下植被类型的调查，结果表明潜水埋深大于3.0 m 的区域内几乎无芦苇存在（表2），由此确定示范区湿地保护的生态水位埋深下限为3.0 m。

表1 旱区湿地芦苇适宜生态水位埋深Table 1 Suitable ecological groundwater depth of the wetland bulrush in arid areas

表2 示范区周边不同水位埋深下主要植被类型Table 2 Key vegetational forms in diverse groundwater depths around the demonstration area

3 基于虹吸辐射井群的“水位-水量”智能双控技术

3.1 虹吸辐射井群地下水集采技术子系统

虹吸辐射井群集采技术通过一井虹吸联通多个辐射井（图5），能够增大弱含水层中单井出水量，实现地下水水位由点到线到面的控制，避免产生大范围漏斗。该系统主要由主抽水井（简称主井）、辐射井、虹吸管、排气孔、排气阀等组成。

主井位于示范区中心，辐射井在主井周边位于地下水流场上游；各辐射井与主井间均用虹吸管单独连接，虹吸管两端距主井和辐射井底部均为50 cm，两井间虹吸管中间高两侧低，排气孔在中间最高处，便于高效排气和停用后自动排水。各辐射井含辐射管2～3根，辐射管长4 m，埋深4 m，各井参数见表3。

表3 主井和辐射井主要参数Table 3 Key parameters of the main pumping and radical wells

3.2 地下水“水位-水量”智能双控技术子系统

该系统中主井通过井内高、中、低3 根信号线对潜水泵的控制实现“水位-水量”的控制，见图5（b）。各辐射井通过井内高、中、低3 根信号线对各虹吸管路上电动球阀的控制实现“水位-水量”的控制。运行过程如下：

图5 基于虹吸辐射井群的“水位-水量”双控技术系统Fig.5 System of the double control technology of water table and quantity based on radical wells connected by siphons

（1）依次打开各虹吸管上的排气阀门使用真空泵进行排气，等各管路充满水时及时关闭排气阀门，然后打开信号控制器。

（2）打开主井潜水泵，随着抽水进行，主井内水位低于各辐射井内水位，在虹吸作用下各辐射井内水沿虹吸管流入主井。当主井水位下降至中间信号线端点时，潜水泵电源自动切断，抽水停止；当水位恢复至高处信号线端点时，潜水泵电源自动接通，抽水开始。当各辐射井内水位降落至中间信号线端点时，虹吸管路上的电动球阀自动关闭，辐射井抽水停止；水位恢复至高处信号线端点时，电动球阀自动打开，辐射井抽水开始。如此循环进行。

（3）当地下水补排条件发生变化时，系统能够自动识别该变化，自动调整抽水频率，实现抽水量大小的调整。

由此可看出，“水位-水量”双控技术利用电系统、信号系统和控制器，在节约人力物力条件下实现了地下水水位和水量的智能协同双控。根据设定水位目标，调控系统能够识别地下水补排条件变化并及时调整抽水量大小，从而保证地下水水位维持在合理的生态水位区间。同时各辐射井以间歇大流量方式抽水，可阶段性将虹吸管内积累的气体排出，保证了虹吸抽水的稳定性。

4 “水位-水量”双控技术示范应用方案

4.1 示范运行方案

示范区布设有水位调控淡水灌区、水位调控微咸水灌区、非水位调控淡水灌区、非水位调控微咸水灌区、水位调控天然植被区和水质水量调蓄区（图6）。灌溉淡水源的溶解性总固体为0.6 g/L，灌溉微咸水源的溶解性总固体为3.0 g/L。灌区种植作物为玉米和葵花，在作物生长期（4—9月）每次灌溉量为900～1 050 m3/hm2，葵花共计灌溉6 次，总灌溉量为6 450 m3/hm2；玉米灌溉7 次，总灌溉量为7 350 m3/hm2。本次研究中，重点以葵花生长耐盐阈值为基础进行分析。结合示范区生态水位阈值及各井参数，运行前设定主井和各辐射井水位调控区间，在 2020年7—8月作物生长关键期，进行了持续61 d 的调控和灌溉试验。

4.2 数据获取

示范试验运行过程中，数据的监测和采集由一体化多要素自动监测系统完成，该系统具有多要素、高频率、高密度、可视化和自动化的特点，监测对象、监测指标、设备及监测频率见表4，监测点分布见图6。

表4 示范区主要监测指标Table 4 Main monitoring indicators in the demonstration zone

图6 示范区功能分区及监测点分布Fig.6 Function division and monitoring points distribution in the demonstration zone

5 结果与分析

5.1 地下水埋深动态

距边界和抽水井较远的监测孔水位埋深代表了示范区大部分区域潜水埋深状况，作物生长期调控区和非调控区代表性监测孔（G06 和G20）水位埋深动态见图7，可看出2020年非调控期内（4月中旬至6月底），两区内地下水埋深变化特征相同：每次灌后水位埋深迅速减小，然后缓慢增大；随着灌溉频率增大，地下水埋深整体呈阶梯减小趋势，该时期地下水埋深维持在1.9 m 左右，盐渍化风险低。

图7 调控区与非调控区地下水埋深动态变化（G06、G20 监测孔）Fig.7 Dynamic changes of groundwater depths in the regulation and un-regulation zones

调控期内（7—8月），非调控区地下水水位依然呈阶梯状缓慢上升，升幅逐渐减小，7月中旬后地下水埋深稳定在1.5 m 左右，土壤积盐速率快，盐渍化风险高。在调控区，虽然每次灌溉后水位呈现一定程度上升，但在“水位-水量”双控作用下，地下水水位迅速下降，至8月底（葵花收获期）水位埋深总体维持在1.9 m左右，表层土壤积盐速率较小，盐渍化风险较低。由此说明“水位-水量”双控系统能够有效降低地下水向表层土壤输送水盐量和潜水蒸发量。

5.2 地下水埋深分布对比

一个灌溉周期内包气带水分运移经历灌溉水入渗对地下水的补给和地下水通过支持毛细水上升到地表附近后蒸发到大气的过程。表层土壤积盐主要发生在潜水蒸发阶段，期间地下水埋深是土壤积盐速率的关键影响因素，该阶段初期的地下水埋深空间分布特征是验证双控作用是否有效的关键时间点。根据相关研究[27]，在地下水浅埋区，灌溉入渗影响一般在灌后8～10 d 结束，潜水蒸发阶段初期（灌后8 d）地下水埋深空间分布见图8，依据7月初非调控区地下水埋深等值线分布（图2），将农田区至自然植被区分为上游、中游和下游，双控作用下上游区受侧向补给影响，地下水埋深在1.8 m 左右，中游井群分布区地下水埋深为1.9～2.2 m，下游区受双控作用影响侧向补给量减少，地下水埋深在2.1 m 左右。由此，验证了“水位-水量”双控系统能够将一定区域范围内地下水埋深调控至适宜生态水位埋深区间，实现农田盐渍化防控和湿地保护的双赢。

图8 灌后8 d 地下水埋深等值线Fig.8 Contour lines of groundwater depths 8 days after irrigation

5.3 包气带盐分分布特征对比

灌溉水入渗过程中首先溶解表层土壤盐分，然后携带盐分向下运移，为查明“水位-水量”双控作用对入渗初期灌溉水淋盐和入渗中后期表层土壤积盐速率的影响，需对比分析调控区和非调控区灌后入渗初期（1 d）、入渗后期（8 d）包气带盐分垂向分布特征。

5.3.1 淡水灌溉

相对灌溉前，从图9（a）可看出灌溉后1 d 调控区浅层电导率增幅大于深层，40 cm 深度以内增幅大于10%，40 cm 深度以下增幅小于6%；从图9（c）可看出，非调控区不同深度电导率增幅明显大于调控区，为20%～50%。这是由于灌溉初期灌溉水溶解表层土壤盐分并携带盐分入渗，包气带电导率增大，调控区在双控作用下地下水埋深及支持毛细水埋深增大，表层土壤含水率相对较低，灌溉水在毛细力和重力作用下协带盐分入渗速率快，包气带电导率增幅较小；非调控区，地下水埋深和支持毛细水埋深小，表层土壤含水率相对较高，灌溉水协盐只在重力作用下缓慢入渗，包气带电导率增幅较大。

图9 调控区淡水（A 剖面）、微咸水（B 剖面）和非调控区淡水（D 剖面）、微咸水（C 剖面）灌后相对灌前电导率变幅Fig.9 Electrical conductivity range compared to those before fresh and brackish water irrigation in the regulation zone and unregulation zone

灌溉后8 d 调控区不同深度电导率均降低，浅层降幅大于深部；非调控区电导率呈现浅层（40 cm 以内）基本不变，中层（40～80 cm）降低，深层（105～135 cm）增大的特点。这是由于灌溉水淋盐入渗过程中，表层土壤蒸发同时进行，缓慢积盐，相对非调控区，调控区在双控作用下灌溉水入渗快，表层土壤含水率相对较低，蒸发和积盐速率较慢。

综上分析，得出“水位-水量”双控作用不仅能降低灌溉水溶盐导致的电导率增大幅度，而且还有助于降低灌溉水入渗过程中表层土壤的积盐速率。

5.3.2 微咸水灌溉

微咸水灌溉条件下，相对灌溉前，从图9（b）（d）可看出灌后1 d 调控区与非调控区各层电导率均呈现不同程度增大，调控区10 cm 深度处电导率增幅大于10%，20～90 cm 深度增幅小于5%，90～120 cm 深度电导率增幅大于10%，非调控区各层电导率增幅15%～45%，可看出调控区增幅小于非调控区，进一步验证了灌溉入渗初期双控作用能够增大灌溉水入渗速率，降低灌溉水溶解表层盐分导致的电导率增大幅度。对比双控作用淡水灌溉条件下，见图9（a），灌后1 d 10 cm 深度电导率增幅小于10%， 20～40 cm 深度电导率增幅大于20%，说明淡水灌溉促使盐分下移，这是由于淡水溶盐能力更强，能够快速溶解并携带盐分下渗。

灌后8 d，调控区40 cm 深度以内电导率低于灌溉前，降幅3%～10%；90 cm 深度以下电导率依然高于灌溉前，增幅小于3%。在非调控区，各层电导率变幅较小，除20 cm 深度处呈小幅度降低，其余位置均小幅增大。相对灌溉前，调控区盐分降低，非调控区盐分基本稳定，进一步验证了双控作用有助于减缓土壤积盐。对比图9（a）和图9（b），灌后8 d 淡水灌溉条件下表层土壤盐分降低幅度大于微咸水灌溉，进一步验证了淡水溶盐和携带盐分能力强于微咸水。

6 结论

（1）地下水埋深是农田盐渍化防控和湿地保护的关键因子，示范区湿地保护生态水位埋深下限为3.0 m，农田盐渍化防控生态水位埋深上限为1.9 m。受灌溉影响，每年6月底至8月底示范区地下水埋深维持在1.5 m 时，农田土壤盐渍化风险高，是实施地下水水位实时精准调控的关键期。

（2）在西北内陆流域下游湿地周边盐渍化农田，针对如何实时控制和降低地下水水位的难题，研发了基于虹吸辐射井群的“水位-水量”智能双控技术，关键技术包括：一井虹吸联通多辐射井地下水集采子系统用于增大弱透水层区单井涌水量和实现水位面状控制；利用电系统、信号系统和控制器集成的“水位-水量”智能双控子系统，保证地下水埋深维持在适宜生态水位埋深区间。

（3）在表层土壤主要积盐期（潜水蒸发阶段），“水位-水量”双控系统能够将示范区地下水埋深控制在适宜生态水位埋深区间，降低潜水蒸散发量和土壤积盐速率；在灌溉水入渗阶段，双控系统不仅能够降低灌溉水淋溶盐分引起的电导率增大幅度，而且还有助于减缓表层土壤的积盐速率；实施双控条件下灌溉淡水的溶盐和淋盐能力强于微咸水，淡水灌溉与双控技术紧密结合应用效果更显著。