平原水庫(kù)周邊土壤鹽漬化易發(fā)性て蘭壑副晏逑到立與應(yīng)用

潘俊 梁海濤 孟利 岳丹丹

摘要：針對(duì)當(dāng)前平原水庫(kù)周邊土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)方法適用范圍小、評(píng)價(jià)精度低的共性問(wèn)題，提出以地下水位埋深、土壤含鹽量、蒸發(fā)降水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)的土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以石佛寺水庫(kù)為例，在野外蓄水試驗(yàn)獲得參數(shù)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用基于層次分析法（AHP）的模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)庫(kù)區(qū)蓄水后土壤鹽漬化易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：庫(kù)區(qū)蓄水后左岸主壩下游周邊大部分地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重鹽漬化，且越靠近主壩鹽漬化程度越嚴(yán)重，遠(yuǎn)離主壩的部分地區(qū)鹽漬化程度逐漸降低；右岸因地勢(shì)較低，大部分地區(qū)土壤鹽漬化程度嚴(yán)重，少部分地區(qū)呈現(xiàn)輕度鹽漬化。采用所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系所得評(píng)價(jià)結(jié)果比常規(guī)地下水位評(píng)價(jià)方法更合理、更符合實(shí)際，進(jìn)而為提出采用地表-地下聯(lián)合調(diào)蓄控制鹽漬化的具體措施提供了技術(shù)依據(jù)，為庫(kù)區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估提供了新思路、新方法。

關(guān)鍵詞：平原水庫(kù)；土壤鹽漬化；評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；蓄水試驗(yàn)；模糊綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： S156.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

文章編號(hào)：1002-1302（2016）08-0447-04

平原水庫(kù)蓄水極易在庫(kù)區(qū)及庫(kù)岸周邊產(chǎn)生土壤鹽漬化問(wèn)題，從而引起多種環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)是水庫(kù)工程勘察與評(píng)價(jià)的重要內(nèi)容，也是水庫(kù)四大工程地質(zhì)問(wèn)題之一[1]。如何評(píng)價(jià)水庫(kù)蓄水引起的土壤鹽漬化程度，一直是研究熱點(diǎn)。目前普遍采用的相關(guān)評(píng)價(jià)方法有主成分分析法、電磁感應(yīng)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。上述蓄水土壤鹽漬化易發(fā)性的評(píng)價(jià)只能根據(jù)研究區(qū)內(nèi)有限的地下水位資料進(jìn)行計(jì)算，由于用于預(yù)報(bào)的地下水位數(shù)據(jù)有限，對(duì)于適用地區(qū)在地形、地質(zhì)參數(shù)等方面也有較多約束，評(píng)價(jià)精度較低，適用范圍較小[2-3]。因此較為全面的庫(kù)區(qū)土壤鹽漬化程度易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)等級(jí)劃分等問(wèn)題值得深入研究。

土壤鹽漬化是指水庫(kù)蓄水后，由于地表水補(bǔ)給地下水的水量迅速增大，致使庫(kù)區(qū)周圍的地下水位高于或接近于地面，而使土壤底層或地下水的鹽分隨毛管水上升到地表，水分蒸發(fā)后使鹽分積累在表層土壤的現(xiàn)象[4-5]。因此，庫(kù)區(qū)周圍地下水位埋深是鹽漬化程度的最直觀指標(biāo)；其次，土壤含鹽量也是影響土壤鹽漬化的重要因素，土壤含鹽量也應(yīng)作為鹽漬化程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]；再次，蒸發(fā)降水比對(duì)土壤含鹽量有一定影響，地表蒸發(fā)、入滲是鹽分在土體中運(yùn)動(dòng)的重要驅(qū)動(dòng)力，直接控制著鹽分在土體中的分布和存在狀態(tài)[7-8]，因此蒸發(fā)降水比也是鹽漬化易發(fā)程度評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 本研究提出以地下水位埋深、土壤含鹽量、蒸發(fā)降水比作為土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，以此劃分土壤鹽漬化程度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并以遼河干流控制性水利工程——石佛寺水庫(kù)為例，該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用基于層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）的模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該庫(kù)區(qū)蓄水產(chǎn)生的鹽漬化易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為庫(kù)區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害評(píng)估提供參考。

1評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

土壤鹽漬化是水庫(kù)蓄水后極易發(fā)生的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，如何有效、準(zhǔn)確地表征土壤鹽漬化程度，需要涉及多方面的評(píng)價(jià)。本研究首先通過(guò)分類、集成方法，篩選出有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)各指標(biāo)間的內(nèi)在關(guān)系建立全方位、多視角的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；其次制定了土壤鹽漬化程度的不同等級(jí)及其各指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；最后運(yùn)用基于AHP的模糊綜合評(píng)價(jià)方法來(lái)評(píng)價(jià)土壤鹽漬化程度。

1.1評(píng)價(jià)因子的篩選與確定

土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)體現(xiàn)公平、高效、可持續(xù)這3個(gè)特征，考慮其內(nèi)在的層次性、預(yù)警性、階段性的特殊屬性，利用指標(biāo)屬性分組的方法確定地下水位埋深、土壤含鹽量、蒸發(fā)降水比為土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.1地下水位土壤鹽漬化的發(fā)生有2個(gè)條件：（1）由于地下水中含有一定量鹽分，當(dāng)?shù)叵滤簧咧粮祵痈叨然蛎芩仙粮祵痈叨?，隨著水分蒸發(fā)，鹽分逐漸析出，滯留在土壤中，使土壤含鹽量增大；（2）地勢(shì)低洼，水分無(wú)法及時(shí)排出，待水分蒸發(fā)后，地表留下的鹽分使土壤含鹽量增大[9]。此外，地下水位是根據(jù)地下水位埋深和毛管水上升高度確定的，因此將地下水位埋深和毛管水上升高度確定為地下水位的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中有關(guān)浸沒(méi)評(píng)價(jià)的計(jì)算公式計(jì)算出毛管水上升高度。

1.1.2土壤含鹽量土壤含鹽量是影響土壤鹽漬化的直接因素。土壤含鹽量又分為氯離子含量和礦化度2個(gè)指標(biāo)。礦化度與地下水臨界深度關(guān)系見表1[10]。礦化度是指研究區(qū)域土壤浸提液的含鹽量，運(yùn)用電導(dǎo)率法測(cè)定礦化度。土壤中總含鹽量和氯化鈉含量對(duì)農(nóng)作物有很大影響，以水稻為例，各生育階段耐鹽臨界濃度見表2。通過(guò)對(duì)不同土壤含鹽量的空間變異[11]以及石佛寺地區(qū)的實(shí)際情況分析總結(jié)，從而確定土壤含鹽量與鹽漬化程度之間的關(guān)系。

1.2評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

根據(jù)篩選的土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合研究區(qū)域的地下水位埋深、農(nóng)作物生長(zhǎng)的耐鹽標(biāo)準(zhǔn)和蒸發(fā)降水與土壤鹽化的相對(duì)關(guān)系，制定土壤鹽漬化程度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳見表4。本研究區(qū)域遼寧省沈陽(yáng)地區(qū)的極限蒸發(fā)深度為4.0 m，因此將未發(fā)生鹽漬化的標(biāo)準(zhǔn)定為潛水位大于4.0 m的范圍。研究區(qū)域大部分土壤為粉質(zhì)黏土，毛管水上升高度平均為1.5 m，因此將嚴(yán)重鹽漬化標(biāo)準(zhǔn)定為毛管水上升高度低于1.5 m。根據(jù)地下水位與礦化度的關(guān)系，將未發(fā)生鹽漬化的礦化度標(biāo)準(zhǔn)定為2 g/L。根據(jù)水稻耐鹽濃度標(biāo)準(zhǔn)，將未發(fā)生鹽漬化的氯化物含量標(biāo)準(zhǔn)定為低于0.088%。根據(jù)蒸發(fā)降水比與土壤鹽化的關(guān)系，將未發(fā)生鹽漬化的蒸發(fā)降水比定為1（表4）。

1.3基于AHP模糊綜合評(píng)價(jià)模型

基于AHP模糊綜合評(píng)價(jià)模型是在模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，利用層次分析法在每層指標(biāo)均設(shè)置不同權(quán)重，且在每個(gè)層次、每個(gè)因素對(duì)結(jié)果的影響程度都是量化明確的特點(diǎn)，將層次分析法與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，建立基于AHP的模糊綜合評(píng)價(jià)方法。該方法以多個(gè)指標(biāo)對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)判，兼顧評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次性，使得評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、影響因素之間的聯(lián)系可以更加直觀地得以體現(xiàn)。

2實(shí)例應(yīng)用

2.1研究區(qū)域概況

石佛寺水庫(kù)位于沈陽(yáng)市沈北區(qū)黃家錫伯族鄉(xiāng)和法庫(kù)縣依牛堡鄉(xiāng)，是遼河干流上唯一的控制性水利工程，屬于蓄水滯洪型水庫(kù)，庫(kù)區(qū)范圍如圖1所示。研究區(qū)域?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)半濕潤(rùn)氣候，春季平均氣溫為8.6 ℃，平均降水總量為108.4 mm，平均蒸發(fā)總量為306.6 mm；夏季平均氣溫為 22.6 ℃，平均降水總量為413.0 mm，占年降水總量的 62.1%；秋季平均氣溫為7.9 ℃，平均降水量為127.5 mm，占年降水總量的19.2%；冬季平均氣溫為-10.3 ℃，平均降水總量為15.7 mm，占年降水總量的2.4%。庫(kù)區(qū)底部及周圍地層為第4紀(jì)地層，巖性由中細(xì)砂與礫砂組成，厚度為35～45 m。該地層顆粒比較松散、孔隙率較發(fā)育，是地下水蘊(yùn)藏較豐富的含水層。該含水層中的地下水埋深較淺，與地表水聯(lián)系密切，通過(guò)水庫(kù)的蓄水試驗(yàn)表明，水庫(kù)蓄水后庫(kù)區(qū)及周圍極易發(fā)生浸沒(méi)問(wèn)題，而庫(kù)區(qū)左岸主要為水田區(qū)，庫(kù)區(qū)右岸主要為旱田區(qū)。因此，如何評(píng)價(jià)水庫(kù)蓄水引起浸沒(méi)所產(chǎn)生的土壤鹽漬化程度，評(píng)估其對(duì)農(nóng)田產(chǎn)生的影響，進(jìn)而通過(guò)土壤鹽漬化程度分析，提出切實(shí)可行的控制措施，避免水庫(kù)蓄水產(chǎn)生的土壤鹽漬化等各種環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害十分重要。

2.2鹽漬化程度評(píng)價(jià)

2.2.1評(píng)價(jià)區(qū)域劃分采用網(wǎng)格布點(diǎn)法劃分評(píng)價(jià)區(qū)域。將規(guī)劃區(qū)劃分為等面積網(wǎng)格，在網(wǎng)格中心設(shè)置采樣點(diǎn)，本單元?jiǎng)澐只诮](méi)初判斷確定的浸沒(méi)影響范圍，將該范圍劃分為500 m×500 m的等面積網(wǎng)格，將每個(gè)網(wǎng)格作為1個(gè)評(píng)價(jià)單元，并選擇網(wǎng)格中心點(diǎn)作為該網(wǎng)格特征點(diǎn)，網(wǎng)格內(nèi)區(qū)域評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)均采用該點(diǎn)數(shù)值。

2.2.2計(jì)算參數(shù)獲取[JP3]為了確定地下水位埋深與地面的關(guān)系，以及庫(kù)區(qū)和周邊土壤物理性質(zhì)參數(shù)，進(jìn)行野外蓄水試驗(yàn)。通過(guò)豎管法毛細(xì)水上升高度試驗(yàn)、比重法以及環(huán)刀法試驗(yàn)，計(jì)算出研究區(qū)毛管水上升高度、天然孔隙比和飽和度2.2.3評(píng)價(jià)結(jié)果及分析確定土壤鹽漬化程度評(píng)價(jià)指標(biāo)集。土壤鹽漬化程度（U）={地下水位埋深，土壤含鹽量，蒸發(fā)降雨比}；每個(gè)因素按其性質(zhì)和程度細(xì)分為N個(gè)因子，可表示為如下因子等級(jí)：地下水位={潛水位埋深，毛管水上升高度}；土壤含鹽量={礦化度，氯化物含量}。

根據(jù)研究區(qū)域地下水位埋深和土壤含鹽量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合蓄水試驗(yàn)參數(shù)，按照土壤鹽漬化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用二級(jí)模糊綜合評(píng)判方法對(duì)石佛寺庫(kù)區(qū)土壤鹽漬化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，庫(kù)區(qū)左岸主壩下游西南側(cè)的高坎子地區(qū)、南側(cè)的腰長(zhǎng)河地區(qū)以及東南側(cè)的大丁字泡地區(qū)等大部分地區(qū)呈現(xiàn)嚴(yán)重土壤鹽漬化；遠(yuǎn)離主壩的西南側(cè)龍崗子地區(qū)和東南側(cè)的小鮑家子崗部分地區(qū)呈現(xiàn)輕度鹽漬化，龍崗子地區(qū)以南的小部分地區(qū)未出現(xiàn)鹽漬化現(xiàn)象。庫(kù)區(qū)右岸代家荒地、石家荒地、陳平堡以及李家窩棚的大部分地區(qū)呈現(xiàn)嚴(yán)重土壤鹽漬化現(xiàn)象，魯家窩棚、魏家窩棚以及靠近遼河右岸的團(tuán)山部分地區(qū)呈現(xiàn)輕度鹽漬化現(xiàn)象。

通過(guò)土壤鹽漬化程度評(píng)價(jià)結(jié)果可知，水庫(kù)蓄水將對(duì)石佛寺水庫(kù)周圍大部分地區(qū)造成嚴(yán)重環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，出現(xiàn)嚴(yán)重土壤鹽漬化現(xiàn)象，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裾Ｉ钣幸欢ㄓ绊憽?/p>

3土壤鹽漬化防控方案

為消除水庫(kù)因滯洪蓄水帶來(lái)的土壤鹽漬化地質(zhì)災(zāi)害，設(shè)計(jì)采用深淺組合井的取水方案對(duì)庫(kù)區(qū)周邊的土壤鹽漬化進(jìn)行防控，將抽取的地下水作為沈陽(yáng)市沈北新區(qū)供水水源。因此，在降低地下水位以減少蓄水帶來(lái)的環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的同時(shí)，充分利用了庫(kù)區(qū)水資源。根據(jù)石佛寺水庫(kù)周邊的環(huán)境條件，考慮明沈公路是連接沈陽(yáng)市和黑龍江省明水市的重要交通干道，則以明沈公路路基地面埋深46.5 m為蓄水高度限值。

運(yùn)用Visual Modflow軟件對(duì)取水方案進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果見圖3。

由圖3可見，水庫(kù)左岸主壩下游泄洪閘至前高坎部分地區(qū)有輕度鹽漬化，庫(kù)區(qū)右岸石家荒地、李家窩棚及陳平堡西南部分地區(qū)呈現(xiàn)輕度鹽漬化，其他地區(qū)均未發(fā)生鹽漬化現(xiàn)象。對(duì)比圖3、圖4可以看出，嚴(yán)重土壤鹽漬化和中度土壤鹽漬化范圍大大減少，深淺組合井的布井方案基本解決了庫(kù)區(qū)土壤鹽漬化問(wèn)題。

4結(jié)論

本研究圍繞平原水庫(kù)周邊土壤鹽漬化易發(fā)性評(píng)價(jià)問(wèn)題，通過(guò)指標(biāo)屬性分組法確定以地下水位埋深、土壤含鹽量、蒸發(fā)降水比為評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)體系，結(jié)合研究區(qū)域的實(shí)際情況制定土壤鹽漬化程度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，為土壤鹽漬化易發(fā)程度評(píng)估提供新思路。

根據(jù)制定的土壤鹽漬化評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用AHP模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)石佛寺庫(kù)區(qū)周邊土壤鹽漬化易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

結(jié)果表明，庫(kù)區(qū)周邊均存在不同程度土壤鹽漬化現(xiàn)象，尤其在庫(kù)區(qū)左岸主壩下游和庫(kù)區(qū)右岸陳平堡地區(qū)土壤鹽漬化程度嚴(yán)重。針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果，制定地表-地下聯(lián)合調(diào)控的措施，在控制土壤鹽漬化同時(shí)，為沈北新區(qū)供水，實(shí)現(xiàn)了水資源合理開發(fā)與利用，為解決土壤鹽漬化問(wèn)題提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Kang Y，Chen M，Wan S. Effects of drip irrigation with saline water on waxy maize（Zea mays L.var. ceratina Kulesh） in North China Plain[J]. Agricultural Water Management，2010，97（9）：1303-1309.

[2]Ding J L，Wu M C，Tiyip T. Study on Soil salinization information in arid region using remote sensing technique[J]. Agricultural Sciences in China，2011，10（3）：404-411.

[3]張征云，孫貽超，孫靜，等. 天津市土壤鹽漬化現(xiàn)狀與敏感性評(píng)價(jià)[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，25（4）：954-957.

[4]Acosta J A，Jansen B，Kalbitz K，et al. Salinity increases mobility of heavy metals in soils[J]. Chemosphere，2011，85（8）：1318-1324.

[5]戚隆溪，陳啟生，逢春浩. 土壤鹽漬化的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)研究[J]. 土壤學(xué)報(bào)，1997，34（2）：189-197.

[6]Letey J，Hoffman G J，Hopmans J W，et al. Evaluation of soil salinity leaching requirement guidelines[J]. Agricultural Water Management，2011，98（4）：502-506.

[7]劉延鋒，曹英蘭，歐陽(yáng)正平. 焉耆盆地土壤鹽漬化影響因素的信息統(tǒng)計(jì)分析[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33（3）：23-26，36.

[8]劉慶生，劉高煥，趙軍. 土壤類型、質(zhì)地和土地類型對(duì)土壤鹽漬化水平的指示[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24（1）：297-300.

[9]黃夢(mèng)琪，蔡煥杰，黃志輝. 黃土地區(qū)不同埋深條件下潛水蒸發(fā)的研究[J]. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（3）：233-237.[ZK）]

[10]胡克林，陳海玲，張?jiān)磁?，? 淺層地下水埋深、礦化度及硝酸鹽污染的空間分布特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009（增刊1）：21-25.

[11]劉建軍，程?hào)|娟，于振紅. 土壤氯化鈉含量對(duì)毛管水上升特性影響研究[J]. 節(jié)水灌溉，2011（2）：8-10，14.

[12]何雨江，靳孟貴，劉延鋒，等. 南疆棉田表層土壤鹽分的空間變異特征分析與應(yīng)用[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2010，29（6）：89-93.