青土湖周边地下水变动对土壤水盐分布及运移影响研究

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我国西北干旱区蒸发强烈、降雨稀少,地下水造成土壤水分、盐分以及植被分布的重要因素。近几年的人工输水工程使得内陆河流下游的尾闾湖输水量增加,导致周边地下水位和植被发生了显著变化。因此,迫切需要研究地下水位变化对土壤水、盐的影响规律,为该地区生态环境变化评估提供科学依据。本文在国家重点研发计划项目课题“生态脆弱区地下水合理开发及生态功能退变防控机制与基础研究”(2017YFC0406101)资助下,选择石羊河流域下游青土湖周边绿洲与荒漠过渡区为研究区,通过野外样品采集以及定点观测,结合室内实验,研究了绿洲区与荒漠植被过渡区土壤剖面水盐分布特征及其主要影响因素和定量表述式;探究土壤水分来源及其受陆面蒸发和地下水影响程度;建立了土壤水汽热耦合模型,模拟土壤水汽运动规律,确定了青土湖周边不同覆被、水盐和潜水蒸发状态下地下水临界埋深。主要结论如下:(1)青土湖周边土壤盐碱化类型属于氯化物—硫酸盐土壤和钠型盐碱土,土壤剖面盐分聚集呈现为下列分布形态:在绿洲区主要为平均型,荒漠过渡区主要为表聚型(0~20cm)和中聚型(20~60cm)。土壤盐分S随地下水矿化度m与埋深h之间的比值呈现指数型关系式(S=aebm/h);随着m/h值的增大,绿洲区盐分聚型从平均型到中聚型,荒漠过渡区从平均型到中聚型再到表聚型的方式过渡;维持绿洲(芦苇)和荒漠典型植被(如白刺)生长的条件为:土壤表层含盐量分别不超过2 g/kg、6 g/kg,维持土壤水分分别不小于20%和10%时,地下水适宜埋深分别为1.15~1.4m和2.37~4.55m。研究结果为该地区生态地下水位调控和植被恢复提供科学依据。(2)青土湖周边绿洲至荒漠过渡区,随着湖水入渗补给地下水强度逐渐减弱,地下水埋深加大,土壤水变化受地下水影响作用减弱,进而增大陆面蒸发的影响深度。通过建立土壤水、地下水同位素随埋深变化关系,推求出潜水蒸散发的极限埋深为1.6~1.85m,该深度以内土壤水变化受陆面蒸发和地下水埋深控制,且该深度接近绿洲和荒漠交界处地下水埋深。(3)根据建立的土壤水-汽-热耦合模型,利用定点大气、土壤水、地下水观测资料,对模型参数进行率定,模拟水、汽、热传输过程。得出青土湖地区水量平衡公式需考虑的土壤水分不仅来源于降水、地下水,还应包括水汽凝结项(占降雨量的14.3%)。液态水运动主要受基质势驱动,由于监测样点为非均质土壤剖面,各土层基质势差异较大,液态水运动复杂,湿润的壤砂土层向其他干燥土层补给,土壤剖面底层(潜水面以上45cm)液态水运动受地下水位变动影响。温度主要影响气态水运动,20cm以上土壤层水汽通量昼夜变化较大,水汽通量占比45%,温度影响气态水运动的极限深度在1.6~1.8m之间,此深度内水汽通量占总通量的24%。水汽热耦合模型计算的青土湖地区地下水蒸发的极限埋深为1.8m,土壤水汽运动抑制了土壤内部的蒸发。
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