趙 麗，尹 華

（吉林省水文水資源局，吉林 長春 130022）

土壤水鹽運(yùn)移的理論問題起源于Darcy定律，固體熱傳導(dǎo)方程的發(fā)現(xiàn)為土壤溶質(zhì)遷移研究提供了依據(jù).自Buckingham把能量概念引入到土壤水研究，用偏微分方程描述非飽和土壤水的運(yùn)移，建立了多孔介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)的基本方程，才開始了土壤水分的定量研究［1］.

隨著土壤水鹽運(yùn)移機(jī)理研究的不斷發(fā)展，各種定量描述水鹽運(yùn)動(dòng)的模型也相繼問世.伴隨計(jì)算機(jī)的程序化、自動(dòng)化發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜的田間土壤水鹽運(yùn)移的研究也越來越深入.在鹽分運(yùn)移方面，主要通過鹽分運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行模擬計(jì)算，并把取得的成果應(yīng)用于鹽堿地改良實(shí)踐中，近年來相繼建立了各種模型進(jìn)行這一領(lǐng)域的計(jì)算和預(yù)測［2］.

1 自然環(huán)境

松原灌區(qū)位于松嫩平原西部，東臨第二松花江，西至霍林河，北與查干湖接壤，南至大布蘇鎮(zhèn)，涉及松原市的前郭縣、乾安縣、寧江區(qū)和白城市的大安市.灌區(qū)地處干旱、半干旱氣候帶，多年平均降雨量為462.4mm，多年平均蒸發(fā)量為900mm，地理位置為東經(jīng)123°30′51″～124°59′59″、北緯44°45′12″～45°22′22″.灌區(qū)內(nèi)地形平坦開闊，土地資源十分豐富，湖泊洼地星羅棋布；湖泡水質(zhì)多數(shù)較差，礦化度較高，多為微咸水、咸水.

松原灌區(qū)是哈達(dá)山水利樞紐的主要配套工程，更是吉林省增產(chǎn)百億斤商品糧能力建設(shè)的重點(diǎn)工程.建設(shè)松原灌區(qū)，對(duì)緩解吉林省西部地區(qū)農(nóng)業(yè)干旱缺水問題具有重要意義.工程總投資56.46億元，設(shè)計(jì)工期7年.灌區(qū)共分前郭、乾安、大安龍海等3個(gè)灌片的12個(gè)子灌片.灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積19萬hm2，農(nóng)業(yè)灌溉多年平均需引水量為10.31億m3.

松原灌區(qū)范圍總土地面積34.11萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積為19萬hm2，其中，水田8.73萬hm2，旱田1.60萬hm2，天然草場2萬hm2.灌區(qū)建成后，將成為東北地區(qū)最大的灌區(qū)和國家新的重要商品糧基地.灌區(qū)運(yùn)行后，也將帶來一系列的環(huán)境問題，其中灌區(qū)包氣帶鹽分含量、濃度的變化，就是其中之一.

2 模型概化

灌區(qū)建成運(yùn)行后，對(duì)于地下水環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定影響，特別是回滲水入滲地下，包氣帶中鹽分將會(huì)進(jìn)入潛水含水層中.本文利用數(shù)學(xué)模型對(duì)大安龍海、大布蘇、水字、洪字、余字、有字、戎字、紅星、前郭等9個(gè)子灌區(qū)運(yùn)行后地下水包氣帶中污染物進(jìn)行預(yù)測和分析.

2.1 模型建立條件

假設(shè)土壤表層在洗鹽后下滲的回歸水不再溶解土壤表層的鹽分，地下水位能夠控制在引起次生鹽漬化的極限埋深以下，每年冬春的返鹽來自于包氣帶內(nèi)的殘余水分和鹽分，以毛管水和膜狀水向上運(yùn)動(dòng).各子灌片水平方向上為均質(zhì)各向同性，模型為垂向二維流.

模型使用有限單元法求解，預(yù)測包氣帶中的鹽分進(jìn)入潛水層之前的濃度變化情況.

2.2 數(shù)學(xué)模型

水流控制方程采用修改過的Richards方程的對(duì)流－彌散方程，進(jìn)行數(shù)值求解：

式中：θ為土壤體積含水率；h為水頭高度；k為水力傳導(dǎo)系數(shù)；s為根系吸水項(xiàng)；θr為殘余土壤含水率；θs為飽和土壤含水率；n，m為經(jīng)驗(yàn)參數(shù).

初始條件：

式中：z為空間坐標(biāo)，原點(diǎn)在地面，向下為正；h為負(fù)壓水頭高度（cm）；

鹽分運(yùn)動(dòng)基本方程：

式中：D為水動(dòng)力彌散系數(shù)；c為溶質(zhì)濃度；s為被吸附的固相濃度；q為土體中水的流速；ρ0，ρb為流體密度；λ1，λ2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，與土壤質(zhì)地和結(jié)構(gòu)有關(guān).

初始條件：

式中：z為空間坐標(biāo)，原點(diǎn)在地面，向下為正；c為土壤溶液溶質(zhì)濃度（g／cm3）.

上述方程中模型參數(shù)選自文獻(xiàn)［2］.

2.3 模型離散及參數(shù)

垂向剖分為三層，第一層為耕作層；第二層為死土層，即滲透性較差的堿化層；第三層為受鹽堿影響較小的包氣帶.模型主要參數(shù)見表1.

表1 模型中主要參數(shù)

續(xù)表1

3 預(yù)測結(jié)果

計(jì)算公式程序選自文獻(xiàn)［2］，文獻(xiàn)［3］對(duì)此計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證.

由于植物根部對(duì)氮磷元素的吸收和其形態(tài)轉(zhuǎn)化作用，導(dǎo)致氮磷的損失，加之包氣帶對(duì)氮磷的吸附作用，所以不與鹽分同步遷移.回滲水進(jìn)入到潛水含水層之前的濃度預(yù)測結(jié)果見表2.

表2 模型預(yù)測結(jié)果

4 預(yù)測結(jié)論分析

從模擬結(jié)果可見，灌溉回歸水的下滲過程中，由于包氣帶具有一定的吸附作用，以及回歸水在包氣帶下滲過程的混合和溢出作用，使得包氣帶對(duì)回滲水鹽分濃度的升高產(chǎn)生了一個(gè)緩沖作用，因此回滲水進(jìn)入地下潛水面時(shí)，并不以回歸水的濃度峰值直接進(jìn)入包氣帶，而是在時(shí)間上有延遲；進(jìn)入地下水時(shí)其濃度峰值比回歸水濃度峰值有所降低，在時(shí)間上延遲了3～5a，然后濃度逐漸降低.總體上來說，包氣帶對(duì)回滲水鹽的濃度能起到“緩沖延遲”作用，如果包氣帶較薄，則這個(gè)混合緩沖作用將明顯弱于包氣帶較厚的情形［4］.

地表及包氣帶上層的鹽分來自區(qū)域內(nèi)部，并不是由灌區(qū)之外輸送而來，且總鹽量是有限的.灌區(qū)運(yùn)行之后，地下潛水的循環(huán)方式發(fā)生了改變.從區(qū)外每年引來11.39億m3的水量（礦化度（平均質(zhì)量濃度）為165mg／L，對(duì)灌區(qū)鹽分影響不大），同時(shí)人工開采回灌和灌區(qū)配套排水溝渠等水利工程設(shè)施的合理運(yùn)用，不僅可以對(duì)地表高濃度的鹽分有一個(gè)淋洗作用，而且可有效地降低地下潛水位，同時(shí)加快潛水循環(huán)更新的速度，使得地下潛水、包氣帶及包氣帶表層的鹽分將有一個(gè)空間再分配過程［2］.

灌區(qū)運(yùn)行以后，地下潛水中的鹽分將有一個(gè)緩慢上升的過程，5～6a，鹽分上升達(dá)到峰值，平均上升500～600mg／L；然后，隨著回滲水的水質(zhì)好轉(zhuǎn)，地下潛水水質(zhì)還將有一個(gè)緩慢好轉(zhuǎn)過程，礦化度將在第10年左右，開始低于現(xiàn)狀值.灌區(qū)運(yùn)行后，由于本區(qū)包氣帶和含水層的強(qiáng)吸附作用，磷的污染不易發(fā)生.潛水氨氮濃度會(huì)有所增加，污染程度加重.同時(shí)，由于本區(qū)居民不以潛水為生活飲用水，雖然地下潛水全鹽和氨氮含量會(huì)增加，但不會(huì)影響區(qū)域居民生活飲用水水源.

5 地下水環(huán)境保護(hù)措施

5.1 水位水質(zhì)監(jiān)測

項(xiàng)目建設(shè)期間和項(xiàng)目運(yùn)行期間，應(yīng)合理布置監(jiān)測孔位，每個(gè)灌片不少于3個(gè)監(jiān)測孔，監(jiān)測地下潛水層和承壓水層的水位和水質(zhì)，每日記錄地下水位，每周記錄地下水水質(zhì)變化情況，包括總鹽、重碳酸根、鈉、鈣、氯和硫酸根離子含量，以防止?jié)撍贿^高引起次生鹽漬化問題.

5.2 合理設(shè)計(jì)，穩(wěn)定運(yùn)行

要保證各項(xiàng)工程措施配置合理，包括引水渠、排水渠和人工開采回灌等各項(xiàng)設(shè)施設(shè)計(jì)合理、布局準(zhǔn)確，且能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn).

5.3 合理有效地使用化肥和農(nóng)藥

推廣綠色農(nóng)業(yè)，合理施用農(nóng)藥化肥，以地定量，減少農(nóng)藥化肥流失量，控制農(nóng)業(yè)退水對(duì)灌區(qū)淺層地下水的污染.由于農(nóng)業(yè)退水中農(nóng)藥和化肥殘留物是造成湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的主要原因之一，因此還要預(yù)防農(nóng)業(yè)退水對(duì)附近湖泊、泡塘富營養(yǎng)化的影響.

5.4 嚴(yán)格控制地下水開采

地下水過度開采也是導(dǎo)致地下水水質(zhì)惡化的原因之一.由于過度開采會(huì)導(dǎo)致地下水水位下降，甚至形成局部地下水漏斗，以至于地面沉降和塌陷，破壞了原有地下水的補(bǔ)徑排平衡關(guān)系，造成地下水水質(zhì)惡化，因此當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T應(yīng)制定區(qū)域地下水壓采、水源配置、地下水人工補(bǔ)給、地下水生態(tài)修復(fù)等方案內(nèi)容，科學(xué)管理地下水的開發(fā)利用和保護(hù).

5.5 建立灌區(qū)地下水監(jiān)控體系

完善地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)GPS監(jiān)測與分層、分類監(jiān)測自動(dòng)化，提高監(jiān)測成果時(shí)效性和科學(xué)性，科學(xué)掌握地下水水位動(dòng)態(tài)變化及其水質(zhì)的變化過程，適時(shí)調(diào)整地下水開采量和開采計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)管理.

6 結(jié)語

松原灌區(qū)是吉林省的重要灌區(qū)，是保證吉林省增產(chǎn)百億斤糧食的重要工程.在保證高效增產(chǎn)的同時(shí)，也要注意保護(hù)好灌區(qū)地下水環(huán)境，采取可行和穩(wěn)妥的有效措施，切實(shí)保護(hù)好珍貴的地下水資源，使得人類生產(chǎn)與自然環(huán)境和諧、健康、可持續(xù)發(fā)展.

［1］楊會(huì)峰.次生鹽漬化地區(qū)包氣帶水鹽運(yùn)移試驗(yàn)及地下水位動(dòng)態(tài)調(diào)控研究［D］.北京：中國地質(zhì)科學(xué)院，2011.

［2］馬廣慶.吉林省西部松原灌區(qū)水田開發(fā)對(duì)地表水和土壤環(huán)境的影響［D］.長春：吉林大學(xué)，2010.

［3］孫立強(qiáng).松原灌區(qū)蘇打鹽堿土泡田過程鹽分釋放規(guī)律室內(nèi)模擬研究［D］.長春：中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，2010：6.

［4］尹華，劉文，吳延?xùn)|，等.長春市淺層地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及變化趨勢分析［J］.東北師大學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，41（2）：173－174.