基于沙层厚度对土壤水分及地下水影响的研究

李春龙

(辽宁省农村水利建设管理局，沈阳 110003)



基于沙层厚度对土壤水分及地下水影响的研究

李春龙

(辽宁省农村水利建设管理局，沈阳 110003)

摘要：辽西北沙漠化地区沙地水分有其独特的运动变化规律，深入研究土壤水分及沙地地下水运动变化规律，掌握沙地水分动态变化情况，对保护当地有限的水资源、提高水资源的利用效率具有重要现实意义。对固沙植物的选种、防风固沙、退化生态系统的修复，开发利用沙地资源，发展沙地产业及沙地治理的生态经济模式具有重大理论意义。

关键词：干沙层；土壤水分；地下水；蒸发

0前言

大量研究表明：沙地土壤干沙层能有效抑制深层土壤水分的蒸发，但是，对于不同厚度干沙层对土壤水分蒸发的影响研究不多，本研究采用了微型蒸渗仪(Micro-lysimeters，简写为MLS)对辽西北地区进行了不同厚度干沙层对沙土蒸发影响的试验研究，并对地下水运动变化进行研究，以填补沙地水分运动变化研究的空白。

2试验设计与方法

蒸发试验在室外利用自制的微型蒸渗仪中进行。微型蒸渗仪由一端透水的多孔铁皮筒制成，铁皮厚0.8mm，铁皮筒直径为10 cm，高分别为25 cm、30 cm、35 cm、40 cm。根据试验区存在的干沙层实际厚度变化，分别设置0 cm、5 cm、10 cm、15 cm 4个厚度的干沙层，不覆盖干沙层的为对照。每个处理3次重复，共计12个铁皮筒。用感量为0.01g电子秤称重。每天的蒸发量用称重法进行观测。在12个铁皮筒中分别装入4.522kg干沙子，分别灌水至饱和，然后覆上不同厚度的干沙子，进行称重。首次称重后，将所有铁皮筒放回直径10.5 cm的外套筒内，以保持试验条件与周围实际的小环境相同及操作方便，防止漏雨和沙子吹入，设有遮雨棚和小围栏。整个试验过程均为自然蒸发，为减少土壤水分微循环造成试验误差，每天7:00和19:00进行称重。试验从2015年6月9日开始，8月3日结束，历时56 d[1]。

选取6月20日、7月10日、7月20日、7月30日和8月3日的试验数据(表1)进行分析，随着干沙层厚度的增加，蒸发量逐渐降低。8月3日没有干沙层覆盖的MLS蒸发量最大，为3.47mm；干沙层厚度为5 cm的MLS，蒸发量为1.91mm，比对照减少45%；干沙层厚度10 cm的，蒸发量为1.12mm，比对照减少68%；干沙层厚度为15 cm的，蒸发量最小，为0.53mm,比对照减少85%。具体观测结果详见表1，不同厚度干沙层的蒸发量比较情况详见图1。

表1　不同厚度干沙层的蒸发量　mm

图1不同厚度干沙层的蒸发量比较

以上分析可以看出，干沙层的逐渐发育对土壤水分的蒸发有明显的抑制作用。从表2中可以得出，5 cm厚度的干沙层平均蒸发抑制率为46.66%，10 cm，15 cm分别为74.55%和87.11%。而且是干沙层厚度越大，对蒸发的抑制作用越强。不同干沙层对蒸发的抑制率，见表2。

3沙地土层厚度与地下水水位变化的关系

降水量的增加应该有利于地下水资源的补充和植被的生长，抑制沙漠化的发展。但是，近几十年来，中国一些沙漠化地区植被日趋退化、沙漠化愈演愈烈。其原因，已从社会、经济和环境方面做过一些研究。但沙地土层厚度对地下水资源动态缺乏长期定位观测，使得沙地土层厚度对地下水资源变化及其与气候变化和沙漠化发展的关系缺乏足够认识。因此，研究沙地地下水水位的变化规律，绘制观测期内降雨与地下水水位变化的直观图，分析地下水位与降雨及沙漠化的相互关系，对沙漠化地区地下水的开发、利用及保护具有重要意义。

表2　不同厚度沙层的蒸发抑制率　%

3.1试验设计与方法

在试区内沙地布置地下水观测井16眼，每年的4—10月每隔5 d观测1次地下水水位变化情况，11月—翌年3月每隔15 d观测1次，降雨前后进行加测。从2014年6开始，至2015年12月连续18个月进行了观测，采用人工观测法[2-5]。

3.2地下水水位的动态变化分析

3.2.1地下水水位的日间变化

沙地土层厚度的地下水位随着降水量的变化而变化。研究表明，降水量是影响沙地土层厚度地下水水位变化的主要环境因子，呈显著正相关。从图2和图3看出，由于没有降雨，随着地表蒸发和植物蒸腾耗水的变大，4月5—10日地下水位下降9 cm，平均下降率为1.8 cm/d，是观测期内地下水位下降的最大值。8月5—10日，随着降雨量的增加，地下水上升了13 cm，平均上升率为2.6 cm/d，是观测期内上升的最大值。2015年2月10日地下水埋深为3.64m，到3月1日上升了7 cm，这可能是由于气温回升，冰雪开始融化，水分下渗引起的。随后，地下水位持续下降，到4月10日地下水位下降了9 cm，变化了16 cm。这可能是由于随着气温的升高，植物开始生长，蒸腾耗水所致。至4月10日后，随着降雨量的增多，沙地土层厚度地下水水位总体上呈现上升趋势[6]。

图2　沙地地下水位变化过程线和升降值

图3　2014年沙地降雨量变化过程线

3.2.2地下水水位的月间变化

沙地土层厚度地下水位的年内变化与降雨的年内变化具有显著的正相关性。该区地下水位年变化范围在2.85～3.64 m。年内地下水位平均埋深3.35m，最小埋深在11月为2.85m，最大埋深在2月为3.64m，相差79 cm。次最大埋深在6月为3.63 m，次最小埋深在10月为2.92 m。1—4月，由于降水量较低，地表蒸发和植物蒸腾耗水逐渐增大，地下水水位呈下降趋势[7]。随着5—8月降雨的增多，受降雨补给影响，从6月份开始地下水位持续上升，5月份地下水埋深为3.62m，到12月份地下水水位上升了77 cm，地下水埋深为2.85m，平均上升率11 cm/m。从图3可以看出，地下水位的年内变化与降雨的年内变化具有相关性。2015年降雨的2个高峰值点使地下水位也出现了两个向上波动的峰值点，但有一定的滞后性。2015年5月降雨较大，为108.7mm，1个月后地下水位上升12 cm；2015年8月降雨最大，为168.8mm，1个月后地下水为上升了23 cm，3个月后地下水为上升了34 cm。

研究表明：在辽西北地区的沙地，降水是地下水补充的主要来源，地下水位变化与当年降水量的相关系数较低，而与前1 a或前2 a的降水量相关系数较高。

4结语

干沙层厚度的发育是沙地地下水水分下渗、蒸发和凝结共同作用的结果。干沙层土壤含水量一般在0.1%～0.7%，但该层含水量变动很大，在降雨之后含水量迅速升高，雨停之后很快蒸发和下渗，测定期内含水量变幅为0.3%～6.5%。干沙层的厚度随时间和空间的变化而变化。干沙层在沙地中四季存在，春季干早，风速较大，降雨少，干沙层较厚；夏季进入雨季，干沙层受降水影响变化频繁，干沙层厚度较小，但在夏季连续无雨的日子里，可能达到最厚。研究干沙层厚度对土壤水分蒸发以及地下水的影响，就是研究沙地土壤水分的分布状况及各层土壤含水量的变化，旨为在有限的水资源条件下，提高土壤水的利用率，发挥沙地有限水的最大效益，恢复植被，保持沙地生态系统的平衡提供理论依据。

参考文献：

[1]刘新平,张铜会,赵哈林,等.流动沙丘干沙层厚度对土壤水分蒸发的影响[J].干旱区地理，2006(04)：523-526.

[2]刘戈力.地下水与水环境[J].水利规划与设计，2003(01)：27-31.

[3]李新荣,马凤云,龙立群,等.沙坡头地区固沙植被土壤水分动态研究[J].中国沙漠，2001(03)：217-222.

[4]孙丰.滩地监测方案设计与分析[J].水利规划与设计，2014(01)：83-87.

[5]张军红,吴波.干旱、半干旱地区土壤水分研究进展[J].中国水土保持，2012(02)：40-44.

[6]施文永.福建东山岛地下水资源管理与保护对策[J].水利技术监督，2004(05)：30-33.

[7]赵子平,许晓红.干旱对生态环境的影响及对策[J].水利技术监督，2009(03)：30-33.

Study of Sandy stratum Thickness Effects on Soil Moisture and Groundwater

LI Chun-long

(Liaoning Provincial Rural Water Conservancy Construction Management Bureau，Shengyang 110003，China)

Abstract：Moisture of sandy land has special movement change law in the desertification area in the northwestern Liaoning. The paper researches further the movement change law of soil moisture and groundwater in sandy land. To grasp the dynamic change of groundwater of sandy land has important meaning in protecting local limited water resources and increasing the use effect of water resources，meanwhile，there are great theoretical significance for selecting seed of sand binder，preventing wind and fix sand，protecting local limited water resources，restoring the degraded ecosystem，developing and using sandy land，developing the ecological economy of sandy industry and sandy land regulation.

Key words：dry sandy stratum；soil moisture；groundwater；evaporation

文章编号：1007-7596(2016)02-0008-03

[收稿日期]2015-10-28

[作者简介]李春龙(1977-)，男，山东烟台人，高级工程师。

中图分类号：S152.7

文献标识码：A