基于水盐入渗的南疆城市道路柔性基层水损害及防治措施研究

发布时间：2016-07-21 15:38

第 1 章   绪论 

1.1   研究背景及意义 
水资源短缺已然成为了一个全球性的问题，制约着各国经济和社会发展，尤其在发展中国家及落后国家，这一问题日益凸显。我国用世界 8%的淡水资源养育了世界五分之一的人口，人均占有量仅为世界人均水量的四分之一，是世界 13 个贫水国之一[1]。目前，随着经济社会的发展，，水资源供需矛盾日益突出，由此引发的各种生态环境问题也日益加剧。因此，解决好水资源的供需矛盾问题，实现我国水资源的合理分配及高效利用是实现我国经济社会及生态可持续发展的重要保证。 据统计，我国水资源可利用率（实际利用水资源量与可利用水资源量之比）小于 70%，约有全国总用水量的七成被用于农业生产，而用于灌溉的水量占农业用水量的九成多[1]。我国目前的灌溉水利用率仅为 0.45 左右，与发达国家的 0.8 左右的水平还具有很大的差距，尤其在我国西部地区，由于农业基础设施不完善，其灌溉水利用率更低。新疆地处我国西北干旱地区，全年高温少雨，是典型的水资源匮乏地区之一。水资源作为支撑新疆生态环境的基础，其可持续发展利用对保护新疆生态环境、促进新疆跨越式发展具有重要作用。因此需重视水资源开发利用，从全局多角度关注新疆水资源问题[2]。膜下滴灌技术作为一种高效的节水灌溉技术已在新疆大规模推广与应用，研究膜下滴灌条件下土壤水分时空运移与分布特征，有利于发展干旱区精准农业，同时对当地水土资源的可持续利用有着重要的作用。 
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1.2   国内外研究进展
土壤水盐运移规律是指土壤中盐分和水分在土体中的时空分布及运移特性。土壤水分不但能溶解和输送土壤盐分，而且其含量、相态及迁移的方式间接对盐分运动产生影响。关于农田土壤水盐运移理论的研究，国外学者起步较早并取得了一些重要成果。关于这一问题的探索，从开始的土壤水分研究到土壤溶质运移研究经历了比较漫长的过程。土体中水分运动理论起始于 Darcy 定律，Richard 第一次利用该理论研究了非饱和土壤中水分运移特性，并推导出相应的土壤水分运动基本方程。自从 Buckingham 将能量概念引入土壤水分研究，并针对非饱和土壤水的运移进行偏微分方程建模后，多孔介质内水流基本方程被建立，从此，土壤水分进入了定量研究的阶段[16]。由于水分是盐分运移的载体，因此土壤溶质运移方程是在土壤水分运动方程的基础之上建立的。鉴于土体中水分和盐分迁移具有一定的协同性，因此，在进行具体问题研究时，不能孤立这两种物质的动态变化。由此，水盐耦合运移理论不断受到诸多学者的关注[17]。Slichte 在 1905 年就指出，溶质在土壤中的运动速率并非是相同的；Synge 和 Martin 在 40 年代就曾提出色层分离理论，该理论进一步证明了 Slichte 的假设，即：不同溶质在通过多孔介质时其运动速率间存在一定的差别。Amundson(1952)[18-19]Nielsen 和 Biggar(1961，1962) [20]通过一系列相关研究，定义了一种新的理论-易混合置换理论。该理论提出溶质迁移是扩散、对流及弥散等的共同作用结果。Bresler 与 Gardner 曾广泛评述了土壤与溶质间的相互作用关系[21]。 
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第 2 章   研究区概述及理论基础 

2.1   研究区概述 
试验区位于新疆生产建设兵团农八师 121 团，该团位于天山北麓，准噶尔盆地南缘，古尔班通古特大沙漠西南边缘，地处欧亚大陆腹地(44°46′55″N，85°32′50″E，平均海拔 337.1m)，属于石河子垦区下野地灌区，该灌区控制 121、122 两个团场，地处玛纳斯河下游，具体地理位置如图 2-1 所示。特殊的地理位置导致该地区常年干旱少雨，夏季炎热，极端最高气温 43.1℃，其降雨主要集中在每年的 7、8 月份，年平均降雨量为 141.8mm，年蒸发量为 1826.2  mm；冬季寒冷，极端最低气温-42.3℃，年降雪量较大，降雪平均厚度达 35cm 左右。该地区年均日照数约为 2862h，无霜期平均为 167d，具有典型的大陆性荒漠气候的特点，非常适合棉花种植。研究区所在的 121 团总面积约为 704.74km2，其中可耕地面积达 0.5×105ha，主要种植作物有棉花、玉米、小麦、葡萄、“炮台红”西甜瓜及打瓜等。由于该团属于下野地灌区（图 2-1），区内土壤盐渍化程度比较严重，经实地调查发现，区内未开垦的盐碱荒地的土壤含盐量高达 30～150g·kg-1[9]，其中表层 40cm 土层平均含盐量高达 25～70g·kg-1。 
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2.2   理论基础
这里所说的“区域化”是指某一研究对象表现出一定的空间分布特征。一般情况下，区域化现象主要用区域化变量进行描述。在自然界，大部分事物都呈现出一定的区域化分布特征，例如：某一矿物的空间分布，生态学中的物种种群的空间分布，土壤学中的重金属元素、养分、盐分等的空间分布等，这些对象的研究都离不开区域化变量理论。Matheron（1963）将区域化变量定义为：与普通随机变量不同的是，区域化变量是普通随机变量与位置有关的函数，它是普通随机变量在某一特定区域内特定点的取值，是空间坐标的函数。对于某一空间点的变量而言，其取样之前为纯随机变量，但是取样后就是一个普通的三元函数值。这一理论同概率论与数理统计学中定义的普通随机变量的概念一样。从纯数学角度来看，区域化变量是一个与空间位置有关的函数，此函数具有不确定性，所以不能直接用数学方法去研究它。区域化变量既具有结构性，又具有随机性。例如在空间相邻两点x和 xh（h为空间距离）处的样本值 Z (x)与 Z ( x? h)具有某种程度的自相关，且这种自相关程度依赖于 h 的大小与变量特征。在分析某一特定对象时，该变量又表现出一定程度的限制性，一定水平的连续性和一定程度的各项异性[42]。为了能够用数学模型定量描述区域化变量，G.Mathron在 60 年代提出了空间协方差函数（Covariance Function）和变异函数（Variograms），尤其是变异函数能同时模拟区域化变量的随机性和结构性，从而为严格的数学方法解决区域化变量的随机性和结构性提供了基础。 
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第 3 章  膜下滴灌棉田生育期土壤水分时空分布特征 ....20 
3.1   膜下滴灌棉田生育期土壤水分随时间变化特征......... 20 
3.2   膜下滴灌棉田生育期土壤水分空间变异规律..... 22 
3.3   膜下滴灌棉田生育期土壤水分随机模拟及不确定性分析......... 31 
3.4   膜下滴灌棉田生育期土壤水分相关关系分析..... 35 
3.5   本章小结......... 37 
第 4 章  膜下滴灌棉田生育期土壤盐分时空变化特征 ....40 
4.1   膜下滴灌棉田生育期土壤盐分随时间序列变化特征......... 40 
4.2   膜下滴灌棉田生育期土壤盐分空间变异规律..... 45 
4.3   膜下滴灌棉田生育期土壤盐分随机模拟及不确定性分析......... 54 
4.4   膜下滴灌棉田生育期土壤盐分相关关系分析..... 67 
4.5   本章小结......... 69 
第 5 章  膜下滴灌棉田非生育期温度与土壤盐分时空分布特征 ....72 
5.1   试验方法......... 72 
5.2   数据处理......... 72 
5.3   结果与分析..... 72
5.4   本章小结......... 78 

第 5 章   膜下滴灌棉田非生育期温度与土壤盐分时空分布特征 

由于非生育期土壤温度变化会导致土壤中水分及盐分的重新分配。研究非生育期外界气温，土壤温度及土壤水盐运移间的相互关系，对于防治春季土壤次生盐渍化有重要的现实意义。本研究选取了非生育期膜下滴灌棉田内气温、地温及土壤水分和盐分等因素作为研究对象，旨在分析以上因素在非生育期内的相互作用关系。 

5.1   试验方法 

为分析土壤温度对土壤盐分运移的影响，本文所用温度数据来自于当地国家级气象站（气象站代号为：51352），此站与试验区相隔 200m 左右，所测温度为 0cm、5cm、10cm、15cm、20cm、40cm、80cm、160cm、320cm，共计 9 个土层。温度计量时间间隔为 1 小时，每天 24 小时连续监测，最后取平均值作为当日平均温度。本课题组于 2012年 11 月至 2013 年 3 月专门针对试验区相邻 4 块棉田土壤盐分进行了跟踪监测。试验采用人工土钻取土，每月中旬取样一次，共计取样 5 次，每次取样都用 GPS 精确定位取样点位置，以便下次取样能在该点附近进行。取样深度为 0～10、10～20、20～40、40～60、60～90、90～120、120～150cm，共计 7 个土层，每个取样点取三个重复，每次取样 84 个，每次所取土样带回试验室化验。利用烘干法测土壤含水率，然后将烘干土壤磨碎、过 2mm 筛，并按水土比 5:1（蒸馏水 90 ml，土 18 g）制取土壤浸提液，利用 DDS～308A 型电导率仪测定溶液的含盐量值。 

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结论 

本论文在分析总结前人研究资料的基础上，结合前后近 5 年的长期连续监测数据、近一个监测年的连续监测数据及两次大尺度网格取样数据针对研究区土壤水分及盐分的时空分布特征进行了分析研究。其研究结果真实可靠，对于干旱绿洲区利用膜下滴灌技术改良利用盐碱地、防治与评价土壤次生盐渍化及发展精准农业有重要的现实意义。 本论文主要结论及研究成果如下： 
（1）在生育期内，土壤含水率在深度方向呈现出明显的带状分布特征；  0～150cm土壤剖面存在稳定含水率高值区，其位置基本保持在棉花根系所在的 30～70cm 土层范围内，说明试验区现行膜下滴灌灌溉制度能够保证棉花的根系大部分时间处于良好的水环境，保证棉花在生育期的正常需水。 
（2）经典统计学分析发现，在生育期始末，土壤含水率均呈现出随深度的增加而增大的趋势；生育期初各土层含水率值均大于生育期末对应的值；各土层水分呈现中等偏弱变异特征。而在生育期始末，土壤盐分均值呈现随深度增加而不断增大趋势，对于<60cm 土层，其含盐量值均小于 6 g·kg-1，属于轻度盐渍化土壤，而在>60cm 土层中，其土壤盐分值均>6 g·kg-1，属于中度盐渍化土壤。除表层 0～20cm 土层外，其余各土层盐分值均呈现中等偏强的变异性，且各土层盐分变异系数呈现出生育期末大于生育期初的特征，这主要与当地灌溉制度、地下水位等因素有关。 
（3）地统计学分析发现，试验区土壤含水率可以用球状模型、指数模型较好拟合；而土壤盐分分布结构可用指数模型及高斯模型较好拟合。在<60cm 土层中，土壤含水率呈现出中等强度的空间相关性；而>60cm 土层中，含水率呈现出强烈空间相关性。而对于盐分而言，在生育期初，空间相关性呈现出随深度的增大而逐渐减小的趋势；而在生育期末，该值呈现出相反的变化趋势。其中<40cm 土层，呈现强烈空间相关性；而>40cm土层范围，土壤盐分呈现中等空间相关性。 
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参考文献(略)

本文编号：74361