汾河灌區(qū)土壤水分動態(tài)與地下水之間的定量關(guān)系研究

楊普義

（山西省汾河灌溉管理局 山西 祁縣 030900）

1 問題的提出

汾河灌區(qū)是山西省最大的灌區(qū)，其工程建設(shè)和管理水平在全省乃至全國具有較好的代表性和引領(lǐng)性。受其特殊水文地質(zhì)條件的影響，灌區(qū)有大多數(shù)面積實(shí)施大定額灌水方式，即每年只進(jìn)行一次春澆，灌溉定額在240m3/畝左右。按傳統(tǒng)概念來講，其灌溉水的利用率特低，僅有0.3左右的有效利用率。但是實(shí)際上，在其特殊水文地質(zhì)條件下（灌溉前地下水埋深2.0m～3.0m），灌溉水量由于深層滲漏補(bǔ)充了地下水，導(dǎo)致地下水的上升（灌溉后上升至0.5m～1.0m），在后續(xù)的土壤水分消耗過程中，地下水源不斷轉(zhuǎn)化為土壤水而被吸收利用，其有效利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)概念的指標(biāo)值。

本研究課題試圖通過對灌區(qū)灌溉過程、土壤水分補(bǔ)充與消耗過程、地下水位變化過程的年度跟蹤監(jiān)測，揭示灌區(qū)特殊水文地質(zhì)條件下土壤的水分運(yùn)移特性、土壤水與地下水之間的定量關(guān)系以及大定額灌溉的有效利用系數(shù)，為特殊水文地質(zhì)條件下大定額灌溉區(qū)灌水有效性的評價(jià)提供依據(jù)，也為山西省汾河灌溉管理局的持續(xù)發(fā)展提供管理技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)區(qū)氣象條件

汾河灌區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，春季多風(fēng)干燥，夏季多雨、炎熱，秋季多晴，冬季少雪、寒冷。最高氣溫39.4℃，最低氣溫-25.5℃，年平均氣溫10.43℃，最大凍土深0.95m，灌區(qū)平均無霜期為171天。灌區(qū)多年平均降雨量453.1mm，多年平均蒸發(fā)量1031.9mm，多年平均蒸發(fā)量為多年平均降雨量的2.28倍，由于冬春缺雨雪，春旱十分嚴(yán)重。

2.2 試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)

灌區(qū)位于汾河沖、洪積平原區(qū)，地下水類型屬松散巖類孔隙水。試驗(yàn)區(qū)地下水淺層潛水：含水層為Q3+4砂層，總體規(guī)律是從上游到下游顆粒變細(xì)，厚度變小，富水性變差。含水層厚度一般為10m左右，古河道分布區(qū)最大厚度達(dá)30m～40m。地下水補(bǔ)給來源為大氣降水入滲、渠系、田間灌溉滲漏補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給。排泄途徑為潛水蒸發(fā)、人工開采、越流下滲及側(cè)向排泄。所選試驗(yàn)點(diǎn)含水層為粉細(xì)砂和中細(xì)砂，厚3.4m～14.0m，單井涌水量 20m3/h～30m3/h，單位涌水量 2.6m3/h·m～4.0m3/h·m，礦化度 1.2 g/L～2.6g/L，少數(shù)區(qū)域高達(dá)4.0g/L。

2.3 試驗(yàn)區(qū)土壤條件

汾河灌區(qū)位于太原盆地中部汾河的兩側(cè)，其土壤母質(zhì)為汾河沖洪積沉積物。本次所選孟封和柳杜試驗(yàn)點(diǎn)土壤以沙壤土為主，在汾河灌區(qū)具有代表性。總體來看土壤孔隙率較大、通透性較好、毛管作用強(qiáng)力，四水轉(zhuǎn)化能力較強(qiáng)，同時(shí)保水性較差也是其特點(diǎn)。此外陽離子交換量較小，鹽分、養(yǎng)分及其污染物質(zhì)的傳輸速度較快。

試驗(yàn)區(qū)各試驗(yàn)點(diǎn)分層土壤的容重測定值 1.32g/cm3～1.59g/cm3。總體講，各層容重都偏大，這主要是因?yàn)橥寥蕾|(zhì)地較粗，即沙粒含量較高所致。

2.4 試驗(yàn)儀器

本次試驗(yàn)對汾河灌區(qū)孟封鎮(zhèn)和柳杜村進(jìn)行了為期一年的3m深度范圍內(nèi)土壤水分進(jìn)行觀測，為了能夠更好地反映出土壤不同深度含水率的變化規(guī)律，采用便攜式時(shí)域反射儀法來對土壤水分進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，選擇使用Diviner2000土壤水分廓線儀來測量土壤不同深度的含水率。根據(jù)試驗(yàn)點(diǎn)的地下水位以及土壤剖面狀況，選取1.6m型號的Diviner2000便攜式土壤水分廓線儀。

2.5 試驗(yàn)方法

（1）土壤基本理化性質(zhì)測定方法

土壤基本理化性質(zhì)測定主要包括對土壤的容重、含水率、含鹽量測定。

土壤容重：運(yùn)用較常見的烘干法進(jìn)行，烘干后的土壤質(zhì)量與所取土樣的體積之比便是土壤的容重值。

（2）土壤水分和地下水位的跟蹤監(jiān)測方法

本次試驗(yàn)測量土壤含水率采用的是時(shí)域反射儀法，所用儀器為1.6m型號的Diviner2000便攜式土壤水分廓線儀；測量地下水位采用土鉆法。對汾河灌區(qū)孟封村和柳杜村土壤含水率進(jìn)行了為期一年的跟蹤實(shí)測，測量了項(xiàng)目區(qū)8個(gè)采樣點(diǎn)的地下水位以及土壤不同層次的含水率。

表1 試驗(yàn)區(qū)采樣點(diǎn)土壤容重測定值（單位：g/cm3）

試驗(yàn)時(shí)間從2012年到2013年，共測量20次，原則上是隔20天測量一次，但在灌水前后和降雨量很大的降雨前后會加大頻率進(jìn)行測量，以求盡量能取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，減小大田試驗(yàn)的誤差。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 大定額灌水條件下地下水位年變化特征

本項(xiàng)目對孟封和柳杜兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的8個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的地下水位進(jìn)行了為期一年的跟蹤監(jiān)測，選取孟封1、2號和柳杜1、2號試驗(yàn)點(diǎn)為代表，作出各試驗(yàn)點(diǎn)的地下水位埋深年度變化過程如圖1所示。

由圖1可以看出：各試驗(yàn)點(diǎn)的地下水位埋深存在基本一致變化規(guī)律。各試驗(yàn)點(diǎn)地下水埋深呈現(xiàn)的規(guī)律是：在前一年的冬季和第二年的早春期間，地下水埋深緩慢增大，而且表現(xiàn)出先小后大的加大速度，但幅度較?。煌泶汉统跸钠陂g，由于大定額灌溉，導(dǎo)致地下水埋深大幅度減小，最小地下水埋深接近地表，而后在蒸發(fā)蒸騰、排水溝排水、井灌井排的綜合作用下，地下水埋深較快速度穩(wěn)定減?。贿M(jìn)入降雨較多的7月份后，地下水位埋深有所減小，但幅度不大；至八月下旬后，各試驗(yàn)點(diǎn)的地下水位埋深基本區(qū)域穩(wěn)定加大階段；在11月份，地下水位埋深恢復(fù)到前一年同季節(jié)狀態(tài)。

3.2 土壤水與地下水之間的定量關(guān)系分析

3.2.1 土壤水與地下水相互轉(zhuǎn)化機(jī)理

地下水淺埋條件下，地下水和土壤水聯(lián)系緊密，轉(zhuǎn)化頻繁。在地下水淺埋區(qū)，其土壤水分動態(tài)運(yùn)移的一般規(guī)律可以總結(jié)為：土壤剖面在當(dāng)?shù)卮髿庹舭l(fā)和間斷降雨的共同作用下，表現(xiàn)出蒸發(fā)—入滲的交替變化趨勢，非飽和帶與飽和帶之間發(fā)生雙向的水量交換過程，也就是說地下水在接受補(bǔ)給的同時(shí)，也產(chǎn)生消耗。

作物生長條件下土壤水分向地下水的轉(zhuǎn)化過程主要表現(xiàn)在降水和灌溉入滲補(bǔ)給地下水，地下水向土壤水的轉(zhuǎn)化過程主要表現(xiàn)為潛水蒸發(fā)。潛水蒸發(fā)過程發(fā)生在潛水淺埋地區(qū)，由于地表棵間蒸發(fā)和作物根系引起地表以下一定深度土壤水分的消耗，引起耕層與地下水土水勢梯度的增大，進(jìn)而引起地下水向上的運(yùn)移，即補(bǔ)充土壤水，而且所補(bǔ)充土壤水分絕大部分能被作物所利用，該部分水分成為作物需水量的重要組成部分，所以該水分可以稱為有效的潛水蒸發(fā)量，而且地下水始終處于緩慢的補(bǔ)給狀態(tài)。

圖1 各試驗(yàn)點(diǎn)的地下水位埋深年變化過程

圖2 計(jì)劃濕潤層儲水量和地下水位變化曲線

地下水位埋深不同，土壤中水勢和水分的分布會有明顯區(qū)別。事實(shí)證明，地下水向上運(yùn)移到達(dá)根區(qū)的路徑長短和地下水埋藏深度有一定的關(guān)系，當(dāng)?shù)叵滤裆畋容^大時(shí)，該路徑比較長，此時(shí)地下水對土壤水的補(bǔ)給量也會減少，然后隨著地下水埋藏深度的不斷增加，土壤吸力也不斷地增大，同時(shí)伴隨著土壤含水量的不斷減少；隨著土壤水吸力的增加和含水量的逐漸減少，地下水開始不斷向上運(yùn)動并補(bǔ)給了土壤水，同時(shí)又引起了地下水位的下降。所以，土壤水的動態(tài)變化過程會受到地下水的動態(tài)變化影響，相應(yīng)的地下水的動態(tài)變化規(guī)律也會受到土壤水動態(tài)變化的影響。綜上所述，二者屬于同一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的自調(diào)節(jié)和自適應(yīng)過程，并且會相互作用、相互影響。

試驗(yàn)區(qū)大定額灌溉后，潛水入滲補(bǔ)給起主導(dǎo)作用，土壤水向潛水的轉(zhuǎn)化量大于潛水向土壤水的轉(zhuǎn)化量；在作物的生長期，特別是4月以后作物生長進(jìn)入旺盛期，降水量相對比較少，而作物需水較多，土壤水分含量水平降低土水勢梯度加大，地下水上升補(bǔ)給量增加，地下水埋深加大。

3.2.2 土壤水與地下水的定量關(guān)系

土壤水分與地下水的相互轉(zhuǎn)化機(jī)理決定了二者之間必定存在一定的定量關(guān)系。汾河灌區(qū)屬于地下水淺埋地區(qū)，地下水和土壤水之間的關(guān)系十分密切，兩者間的形態(tài)、能量轉(zhuǎn)換呈現(xiàn)出一個(gè)動態(tài)的過程，研究試驗(yàn)區(qū)土壤水與地下水之間的定量關(guān)系，有助于對汾河灌區(qū)土壤水與地下水之間的關(guān)系的認(rèn)識，并為灌區(qū)大定額灌水方式的有效性的計(jì)算分析提供一定的依據(jù)，為提高灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)提供理論支撐。

對試驗(yàn)區(qū)土壤分層含水率分析得出，1m以上土層的土壤水分變化幅度相對較大，1m以下土層的含水率受外界影響較小，所以研究1m以上的土壤水分與地下水的定量關(guān)系具有很大的意義。以孟封1號點(diǎn)為例對二者的關(guān)系進(jìn)行分析，通過分析1m以上土層儲水量與地下水位之間的相關(guān)性來確定二者之間的定量關(guān)系。土壤儲水量是指一定土層厚度的土壤含水量，用水層深度（cm）表示。計(jì)算出土壤0cm～100cm深度每10cm土層共10個(gè)土壤層次的逐次土壤水分儲存量，在此基礎(chǔ)上算出每次測量時(shí)0cm～100cm土壤的儲水總量。

圖2為二者隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，計(jì)劃濕潤層隨著地下水位的增大而減小隨著地下水位的減小而增大，二者呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。

以地下水位為自變量，儲水量為因變量對兩因素進(jìn)行相關(guān)性分析并擬合相關(guān)公式，如圖 3、圖 4 和公式 1、2。

圖3 孟封1號點(diǎn)土壤水與地下水位關(guān)系圖

圖4 柳杜1號點(diǎn)土壤水與地下水位關(guān)系圖

對孟封1號點(diǎn)為期一年的跟蹤測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，其0cm～100cm土層內(nèi)的儲水量與地下水的定量關(guān)系為：

分析柳杜1號點(diǎn)中二者之間的關(guān)系，其定量關(guān)系式為：

由圖3和圖4可知，計(jì)劃濕潤層內(nèi)的土壤水分與地下水位有著密切的關(guān)系：地下水位越高，其儲水量越大，隨著地下水位的降低，其儲水量也逐漸減少。

各點(diǎn)顯示的變化規(guī)律基本相同，說明這一分布規(guī)律在整個(gè)灌區(qū)具有普適性。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，使得擬合方差稍微偏小。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目基于汾河灌區(qū)范圍內(nèi)，山西省清徐縣孟封鎮(zhèn)和柳杜村的8個(gè)典型田塊大定額灌溉后的土壤水分、地下水位、降雨等的跟蹤實(shí)測數(shù)據(jù)，采用實(shí)際測定的土壤基本理化性質(zhì)和農(nóng)田水量平衡方程，分析了項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的大定額灌水過程、水分消耗過程、地下水變化幅度和消耗補(bǔ)給過程，主要結(jié)論如下：

（1）汾河灌區(qū)地下水位在測量期間的變化規(guī)律為：冬季及早春（2012年11月至2013年2月8日）期間，地下水位呈現(xiàn)穩(wěn)定緩慢下降趨勢，至2月8日達(dá)到極小值；大定額灌水后（孟封2月18日、柳杜3月6日），地下水位達(dá)到了一年中的埋深最淺值，隨后逐漸作物消耗性為主的下降；進(jìn)入迅速下降時(shí)期；至6月底，進(jìn)入雨季以后，由于降水量較大，降水對地下水產(chǎn)生補(bǔ)給，使得地下水位波動上升，雨季過后地下水位穩(wěn)定平緩下降階段。

（2）土壤水分的時(shí)空變化特性。從時(shí)間上把試驗(yàn)期分為四個(gè)時(shí)期：灌溉前、灌溉后—播種前、播種后—雨季前、雨季開始—11月。灌溉前時(shí)期土壤各分層含水率均持續(xù)緩慢下降；灌溉后—播種前時(shí)期，上層土壤含水率緩慢下降而深層土壤含水率基本不變；播種后—雨季前時(shí)期，0cm～130cm土層含水率也有較大幅度減小，部分土層由飽和狀態(tài)變化為非飽和狀態(tài)。從6月下旬到主汛期，20cm～150cm范圍內(nèi)土壤含水率都較大幅度的減小，地下水位已降到150cm以下，但70cm以下土層含水量還保持在高于30%的高水平；雨季后期到11月份，各分層土壤的含水率呈現(xiàn)出減小的趨勢，其中40 cm～140cm土層內(nèi)含水率的下降趨勢比較明顯，在這一時(shí)期內(nèi)由于降雨量和地下水補(bǔ)給量不能滿足作物蓄需水和地表蒸發(fā)的需求，消耗了深層土壤中的部分水分，土壤中水分的逐漸減小。

在剖面空間上，土壤含水量分為速變層（0cm～10cm），活躍層（10cm～60cm）、次活躍 層 （60cm～100cm）、 相 對 穩(wěn) 定 層（100cm～150cm）、穩(wěn)定層（150cm以下），0cm～10cm土層受外界條件影響最大；10cm～60cm與60cm～100cm土層由于根系的分布，其含水率也有明顯變化；100cm～150cm土層受毛管作用影響較大，其含水率相對較為穩(wěn)定；150cm以下土層受外界影響較小，其變化幅度很小。

（3）在汾河灌區(qū)特殊水文地質(zhì)條件下，根系活動層土壤含水量與地下水之間有著緊密的聯(lián)系，根系活動層土壤含水量隨著地下水埋深的變淺而逐漸增大，即根系活動層土壤含水量與地下水埋深成反比，滿足二次多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。陜西水利

[1]李玉山.土水分狀況與作物生長［J］.土壤學(xué)報(bào)，1962，10（3）:289-294.

[2]邵明安，楊文治，李玉山．黃土區(qū)土壤水分有效性研究［J］.水利學(xué)報(bào)，1987（8）:38-44.

[3]雷志棟，尚松浩，楊詩秀，等．地下水淺埋條件下越冬期土壤水熱遷移的數(shù)值模擬［J］.冰川凍土，1998，20（1）:51-54.

[4]陳明亮.土壤水分研究動態(tài)［A］//李阜棣，李學(xué)垣，劉武定，等.生命科學(xué)與土壤學(xué)中幾個(gè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展.北京:農(nóng)業(yè)出版社，1993:111-115.

[5]莊季屏.四十年來的中國土壤水分研究［J］.土壤學(xué)報(bào)，1989，26（3）:241-248.