黃土與古土壤入滲特征及地下水富集條件

黃土與古土壤入滲特征及地下水富集條件

包氣帶中多層黃土地下水資源量和水資自20世紀(jì)80年代以來，該研究取得了許多重要的研究成果。黃土層土壤水、地下水來源、水入滲運(yùn)輸特點(diǎn)。現(xiàn)已認(rèn)識到黃土地下水主要來源于大氣降水,賦存類型為孔洞-裂隙水和孔隙水。在一定程度上解決了黃土包氣帶水分來源、運(yùn)移和賦存空間等一些問題,但關(guān)于包氣帶中多層黃土地下水富集的具體層位和規(guī)律、對含水層與隔水層類型、含水空間發(fā)育強(qiáng)弱、差異原因與古氣候變化的關(guān)系研究少。過去對黃土和其中的地下水的研究是以黃土作為沉積物而開展研究的,沒有認(rèn)識到黃土實(shí)際上是土壤。這一研究對揭示黃土地層土壤水與地下水運(yùn)移特點(diǎn)、富集規(guī)律、富存類型等均具有重要意義。在國外,雖然對土壤滲透性和黃土進(jìn)行許多研究,但多是側(cè)重地表土壤滲透性和黃土對氣候變化的記錄方面,對黃土剖面水分入滲運(yùn)移規(guī)律研究較少。根據(jù)對西安白鹿塬任家坡剖面第5層古土壤之上黃土地層滲透性的大量滲水實(shí)驗(yàn),并結(jié)合孔隙度、磁化率、CaCO3含量等幾項(xiàng)反映土壤物理性質(zhì)指標(biāo)的分析測定,探討黃土地層土壤水、地下水富集條件、富集規(guī)律及其控制因素等問題,為開發(fā)利用黃土地下水提供科學(xué)依據(jù)。1一般研究區(qū)域和實(shí)驗(yàn)場所的選擇1.1白鹿塬區(qū)地下氣象白鹿塬位于西安東郊,西北-東南走向,東北側(cè)為灞河,西南側(cè)為浐河,海拔一般為610～780m,最高803.9m。白鹿塬長約28km,寬6～10km,面積約為263km2,是西安附近最大的黃土塬,地處關(guān)中平原南部邊緣,近鄰秦嶺,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫13.1℃,降水量600mm。塬北與灞河高差260～350m,塬南與浐河高差150～200m。白鹿塬區(qū)出露的地層主要是第三系河湖相沉積和第四系黃土堆積。由于塬邊斜坡高差不同,出露地層也有差異,灞河一側(cè)斜坡高差大,從全新統(tǒng)到第三系均有出露;浐河一側(cè)僅有第四紀(jì)地層出露,白鹿塬潛水類型為黃土層孔隙裂隙潛水。含水層為下更新統(tǒng)的午城黃土(Q1)及中更新統(tǒng)的離石黃土(Q2)。白鹿塬區(qū)主要接受大氣降水補(bǔ)給,塬面平坦開闊,有利于降雨入滲。1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果的選取和入滲實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與采樣剖面處在關(guān)中平原的中南部(圖1),距西安市中心約18km。位于灞橋區(qū)狄寨鎮(zhèn)北約3km的任家坡附近。剖面中黃土地層出露清楚,L1～S5土層發(fā)育很好,在黃土高原南部具有很好的代表性,各層厚度見表1。研究表明,L1～S5是在距今約1萬～50萬年之間發(fā)育的。運(yùn)用滲水實(shí)驗(yàn)研究黃土水理性質(zhì)是本文研究的重點(diǎn),實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選在出露好的L1～S5層位。為對比及減少實(shí)驗(yàn)的誤差,在每個(gè)層位上選擇2～4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),最后選擇實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近的兩組數(shù)據(jù)作為最終結(jié)果。對厚度大的土層實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選在該土層的中部,厚度小的土層,為了保證滲水過程只發(fā)生或主要發(fā)生在該層中把實(shí)驗(yàn)點(diǎn)選擇在頂部。由于坡向不同也可能造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不一致,所以把實(shí)驗(yàn)點(diǎn)都選擇在陰坡,避免陽光直射引起較強(qiáng)水分蒸發(fā)。另在L1～S5層位的每層采集4～6個(gè)孔隙度測定樣品,并以10cm間隔采集CaCO3和磁化率測定樣品樣,共采集CaCO3和磁化率測定樣品300個(gè)。入滲實(shí)驗(yàn)采用了目前通用的雙環(huán)入滲法。具體操作是在選定點(diǎn)表面挖出一個(gè)直徑1m左右的近圓形平坦面,將高20cm、直徑30cm和60cm的兩個(gè)圓形鐵環(huán)放置在待實(shí)驗(yàn)土層平坦面上,并將鐵環(huán)下端埋入土層5cm,最后在坑底鋪墊一層3～5cm、直徑約1cm的細(xì)礫石,以防止加水時(shí)沖擊土層而影響水的入滲。雙環(huán)放好后,向兩環(huán)內(nèi)同時(shí)加水至5cm高度,并標(biāo)注記號,作為以后每次實(shí)驗(yàn)加水的標(biāo)準(zhǔn)刻度。之后記錄每5分鐘、10分鐘、20分鐘入滲的水量,實(shí)驗(yàn)過程中始終保持水面在標(biāo)準(zhǔn)刻度上。當(dāng)最后連續(xù)3個(gè)20分鐘入滲的水量都相同時(shí),說明入滲速率已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),即可結(jié)束實(shí)驗(yàn)。CaCO3含量用氣量法測定,磁化率用磁化率儀測定。2結(jié)果2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果的特點(diǎn)對西安白鹿塬任家坡剖面L1～S5及S4結(jié)核層11個(gè)層位進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),每個(gè)層位實(shí)驗(yàn)重復(fù)2～4次,我們對各層為的現(xiàn)將重復(fù)性較好的22組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)介紹如下。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的變化特點(diǎn)可知,入滲過程的前10分鐘一般很快,之后入滲變慢,在140～170分鐘達(dá)到入滲穩(wěn)定狀態(tài)。黃土層入滲率一般較古土壤層高(圖2,圖3)。我們將前10分中的入滲率作為初滲率,并按照初滲率、穩(wěn)定前平均入滲率和穩(wěn)定入滲率代表性數(shù)據(jù)列于(表2)。2.2土壤入滲特征根據(jù)白鹿塬滲水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用如下3種入滲經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合?？妓辜涌煞?Koctakob)公式:f(t)=at-b,式中f(t)為入滲速率(mm/min),t為入滲時(shí)間(min),a、b為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。霍頓(Horton)公式:f(t)=fc+(f0-fc)e-kt,式中f0和fc分別為初滲率和穩(wěn)滲率,k為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),t為入滲時(shí)間(min)。通用經(jīng)驗(yàn)公式:f(t)=a1+b1t-n,式中a1、b1和n均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù),t為入滲時(shí)間(min)。通過用以上3種入滲公式進(jìn)行回歸分析,得出表3中的結(jié)果。從表3中可以看出,白鹿塬任家坡剖面實(shí)驗(yàn)曲線用考斯加可夫公式擬合時(shí)的a值變化范圍較大,為1.530～21.085,它與黃土初始含水率和土壤容重有關(guān);b值變化范圍為0.270～0.952,它反映了入滲率遞減狀況,b值越大,入滲率隨時(shí)間減小越快,反之相反。因此,在任家坡剖面中,L5的入滲率遞減最快,L4的入滲率遞減最慢。用霍頓公式擬合時(shí),f0～fc變化在0.672～6.72之間,L2的初滲率和穩(wěn)滲率相差最大。通用經(jīng)驗(yàn)公式中a1實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于穩(wěn)滲率,也表明S3的穩(wěn)滲率最大。S1、L3、L5層的入滲實(shí)驗(yàn)曲線與考斯加可夫公式擬合以及L2、L4層的入滲實(shí)驗(yàn)曲線與霍頓公式擬合都較好。通用經(jīng)驗(yàn)公式與各層入滲實(shí)驗(yàn)曲線的擬合都很好,適用于描述50萬年來發(fā)育的黃土和古土壤層的入滲規(guī)律,所以一般情況下多選用該公式對入滲實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合。不同土層的入滲參數(shù)(經(jīng)驗(yàn)公式中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù))的差異主要是由于土層性質(zhì)不同引起的。對于研究水循環(huán)過程和農(nóng)田灌溉而言,人們關(guān)心的主要是經(jīng)驗(yàn)公式中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的具體采用數(shù)值,為此,我們通過計(jì)算獲得了三個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式各個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差(表4)。這個(gè)結(jié)果對水文和農(nóng)業(yè)部門在應(yīng)用黃土入滲經(jīng)驗(yàn)公式(不能夠判斷黃土層特性)有重要參考價(jià)值,其中的均值可以作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的具體取值,標(biāo)準(zhǔn)差能夠用來估計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果的可能離散范圍。2.3不同土層土壤孔隙度的變化空隙度是描述土壤為空氣所占據(jù)的空間多少的一個(gè)重要指標(biāo),也是黃土地下水富集的一個(gè)必要條件,其大小由黃土孔隙、裂隙、孔洞等決定。當(dāng)具有充足含水空間的土層中有地下水的補(bǔ)給和隔水層發(fā)育時(shí),就能形成地下水富集層。經(jīng)過對44個(gè)土壤空隙度樣品的測定(圖4)可知,所研究的10層土壤的平均空隙度是46.21%,其中,5層黃土平均空隙度為47.37%,5層古土壤的平均空隙度為45.06%,兩者相差約2.31%。不同黃土層和不同古土壤層孔隙度差異較大(表5),如L5與S4兩者相差6.80%。空隙度測定結(jié)果指示黃土層含水空間比古土壤層發(fā)育好。2.4caco3含量變化對白鹿塬任家坡剖面300個(gè)樣品的CaCO3測定得知,整個(gè)剖面的CaCO3含量變化范圍為0～20.72%,自上而下含量變化明顯(圖4,表5)。結(jié)果表明,黃土層中CaCO3含量較高,古土壤粘化層中CaCO3含量很低(圖4),黃土和古土壤的過渡層CaCO3含量也較低。CaCO3含量變化是指示氣候環(huán)境變化的重要指標(biāo)。如后所述,CaCO3含量能為確定黃土與古土壤水理性質(zhì)產(chǎn)生原因提供重要依據(jù)。由白鹿塬任家坡剖面磁化率測定結(jié)果(圖4)可知,黃土層低頻磁化率分布范圍在44～241.5(10-6SI)之間,高頻磁化率分布范圍在41～225.6(10-6SI)之間。古土壤層低頻磁化率分布范圍在98.5～356.3(10-6SI)之間,高頻磁化率分布范圍在92～315.5(10-6SI)之間。剖面中磁化率變化特點(diǎn)是古土壤層高,過渡層也較高,黃土層低(圖4),差別顯著。磁化率能夠敏感指示氣候環(huán)境的變化,可為我們查明黃土與古土壤水文地質(zhì)性質(zhì)差異的原因提供重要依據(jù)。3討論3.1古土壤層位的入滲特征根據(jù)我們所做入滲實(shí)驗(yàn)資料可知,黃土與古土壤穩(wěn)定入滲率差異明顯。一是穩(wěn)定入滲率的差異,在所研究的L1、L2、L3、L4和L5黃土的穩(wěn)定入滲率或滲透系數(shù)較大,分別為1.27mm/min、2.33mm/min、0.50mm/min、1.52mm/min和1.84mm/min,5個(gè)層位平均值為1.49mm/min。S1、S2、S3、S4和S5古土壤滲透性較弱,穩(wěn)定入滲率較小,分別為1.49mm/min、0.79mm/min、1.34mm/min、0.71mm/min和0.21mm/min,5層平均值為0.91mm/min。計(jì)算表明,所實(shí)驗(yàn)的5層黃土平均穩(wěn)定入滲率比5層古土壤大0.58mm/min。對比白鹿塬任家坡剖面L1～S5各層的平均入滲速率和滲透系數(shù)可知,從L1到S5入滲速率和入滲系數(shù)總體呈現(xiàn)減小的趨勢(圖5),但也存在異常變化,主要表現(xiàn)是L3、S3的入滲率和入滲系數(shù)很小,之下的層位又增大。古土壤層中S1入滲速率最大,S5最小。S4結(jié)核層的平均入滲速率和滲透系數(shù)是所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)中最小的。3.2結(jié)構(gòu)的差別黃土與古土壤入滲過程長短存在一定的差異,古土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲率需要的時(shí)間比黃土層要長,黃土層達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間一般為80～140min,古土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間一般為120～160min。古土壤達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間比黃土層明顯長主要是由結(jié)構(gòu)差別引起的。古土壤的結(jié)構(gòu)不如黃土層均一,主要表現(xiàn)為古土壤棱柱狀結(jié)構(gòu)發(fā)育好。在西安白鹿塬,古土壤棱柱體長度多在20～40cm之間,橫切面直徑一般為1～2cm,棱柱體之間為垂向的微裂隙。黃土層結(jié)構(gòu)差異小,該區(qū)的黃土具有團(tuán)粒狀和團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu),裂隙很少,比古土壤結(jié)構(gòu)明顯均一。不均一的土層結(jié)構(gòu)使得水分入滲時(shí)快時(shí)慢,導(dǎo)致土層達(dá)到穩(wěn)定入滲需要的時(shí)間較長(圖2,圖3)。3.3黃土層中的不斷工商水文環(huán)境分布和土壤條件的關(guān)系黃土層含水空間類型包括粒間孔隙,植物根孔與動物蟲孔隙大孔隙和宏觀垂向裂隙。在這幾類含水空間中,粒間孔隙是最小一類孔隙,也是最主要的含水空間。粒間孔隙通常在顯微鏡下才能觀察到。植物根孔與動物蟲孔在黃土含水空間含量中占第二位,它們是通常所說的大孔隙,其中以根孔為主,蟲孔少量。根孔多呈垂向分布,長度多為20～40cm,直徑多在0.5～2mm之間。黃土層中的宏觀垂向大裂隙長度一般為2～4m,寬度多為2～3cm,間距多為2～3m。由于宏觀垂向裂隙數(shù)量很少,它不是黃土中含水空間的主要類型。含水層的特點(diǎn)是含水空間發(fā)育好,所以含水空間發(fā)育好的黃土利于構(gòu)成含水層。由于黃土中粒間孔隙和植物根孔是黃土含水空間中占優(yōu)勢的類型,所以下面我們主要討論這兩類含水空間的形成因素。因?yàn)辄S土是沙塵暴搬運(yùn)的粉塵經(jīng)過成壤作用形成的,它的發(fā)育過程處在非常有利的土壤化的環(huán)境中碳酸鹽褐色土,黃土的本質(zhì)是土壤,所以黃土層中的含水空間實(shí)際上是土壤的含水空間。研究表明,關(guān)中平原地區(qū)黃土的主要土壤類型是灰鈣土、黑壚土、碳酸鹽褐色土。因此,黃土層含水空間形成因素實(shí)際上是灰鈣土、黑壚土、碳酸鹽褐色土的含水空間形成因素。土壤發(fā)育的因素有五種但主要是氣候與植被,這是黃土含水空間形成的主要因素。在灰鈣土、黑壚土和碳酸鹽褐土的發(fā)育區(qū)為干旱與半干旱偏冷氣候,年降水量在350mm左右,年平均氣溫為7～10oC,植被主要由草本植物和少量木本植物構(gòu)成的草原和森林草原。因此,降水量少的干旱與半干旱氣候是黃土粒間孔隙含水空間形成的主要因素。本文中的CaCO3含量與磁化率測定顯示黃土形成于相對冷干的氣候條件下。在這種氣候條件下,粘土化作用弱,粉砂顆粒之間缺少粘土膠結(jié)物和化學(xué)膠結(jié)物,導(dǎo)致粉砂顆粒間微小孔隙型含水空間的發(fā)育。黃土層中的植物根孔類的含水空間顯然是草本與木本根系生長作為動力產(chǎn)生的。黃土形成后會受到重力作用的影響,但由于本文研究的土層位于黃土剖面的上部,受重力作用小,不是主要的因素。3.4粘土化作用的古土壤隔水性因子分析黃土地層中的古土壤比黃土空隙度低,滲透系數(shù)小,這是其具有隔水性和能夠成為隔水層的主要原因。古土壤層空隙度低的主要原因是其粘粒含量高,粉砂含量比黃土少。粘粒含量的增加和其膠結(jié)作用使得古土壤空隙度降低,從而導(dǎo)致隔水性增強(qiáng)。因此,產(chǎn)生粘土物質(zhì)的因素就是古土壤隔水性產(chǎn)生的因素。大量研究表明,黃土中的古土壤發(fā)育在較溫濕的森林草原和森林植被條件下,較高的溫度和較多的降水是發(fā)生粘土化作用的根本原因。本文的CaCO3含量與磁化率測定表明,古土壤CaCO3含量很低,磁化率高,顯示古土壤發(fā)育在溫濕氣候條件下。因此,較高的溫度和較多的降水是產(chǎn)生古土壤隔水性的因素。4黃土層入滲規(guī)律綜上所述,可得出以下結(jié)論:(1)西安白鹿塬任家坡剖面L1～L5黃土層平均穩(wěn)滲速率為1.49mm/min,S1～S5古土壤層平均入滲速率為0.91mm/min,表明黃土層滲透性比古土壤強(qiáng)。CaCO3結(jié)核層的穩(wěn)滲速率最小。(2)西安白鹿塬任家坡剖面L1～L5黃土層達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間較短,通常在80～140min之間,而古土壤層達(dá)到穩(wěn)定入滲的時(shí)間較長,一般120～160m