盐碱黑土水力行为与溶质再分布对雨水源头控制的启示

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Hydraulic behavior and solute redistribution of saline-alkali black soil: Implications for stormwater source control

　　

： 海绵城市建设已被广泛推广，作为缓解城市内涝、减少地表径流、增强雨水滞留和提升城市水文韧性的有效策略。源头控制设施（source-control facilities），包括生物滞留系统（bioretention systems）、下沉式绿地、植草沟（grassed swales）、渗透沟和透水铺装，旨在源头或近源头处拦截和调控降雨，以减少径流并增强局部水分滞留。其水文性能在很大程度上取决于下伏土壤的入渗、滞留和排水能力。因此，土壤水力特性，尤其是饱和导水率（saturated hydraulic conductivity, Ks）、土壤水分保持行为和非饱和导水率（unsaturated hydraulic conductivity），对于评估基于入渗的源头控制设施性能具有重要意义。 大庆代表了寒区海绵城市建设中受土壤盐渍化和浅层地下水影响的典型挑战案例。该区域位于松嫩平原西部，具有降水量低、蒸发强烈、地形平坦、盐碱土分布广、地下水埋深浅以及季节性冻融等特点。区域年均降水量约为456 mm，而年蒸发量约达1639 mm。这些水文气候和地貌条件使大庆极易发生盐分积累和次生盐渍化。在此类环境中，源头控制设施可能改善雨水滞留和局部水资源涵养，但增强的入渗也可能通过活化可溶性盐分、改变土壤水力条件并潜在影响浅层地下水动态，从而扰动土壤-水分-盐分平衡。因此，盐碱地区海绵城市设施的性能不应仅以径流削减或入渗增强来评估；土壤水力特性的变化、降雨入渗、盐分再分布以及地下水响应同样需要纳入考量。 饱和导水率通常被用作土壤入渗能力的基本指标。在盐渍化和钠质土壤中，导水率可能随土壤化学条件和反复干湿交替而发生显著变化。离子组成的变化可改变颗粒间相互作用、黏粒分散或絮凝以及孔隙连通性。盐度和钠化度是相关但有所区别的土壤退化过程，过量钠可通过改变黏粒相互作用和团聚体稳定性影响土壤结构。反复干湿交替可能进一步改变团聚体稳定性、胀缩行为和细颗粒分布，从而影响优先流路径和导水率。这些过程的强度取决于土壤性质和溶液化学条件，其具体贡献无法仅从导水率推断。然而，反复水分波动期间导水率的变化可能导致设施初期运行和后续降雨事件中出现不同的水文响应。除饱和导水率外，非饱和水力性质对于描述源头控制设施中的降雨入渗和水分再分布至关重要。实践中，生物滞留系统、下沉式绿地及其他入渗设施中的土壤通常经历交替的非饱和、近饱和和暂时饱和状态，而非持续饱和。在此条件下，土壤水分保持曲线（soil water retention curve）描述含水量与基质吸力之间的关系，而非饱和导水率函数则决定土壤在不同水分条件下传导水分的能力。这些参数共同影响初始入渗响应、储水能力、排水速率和降雨后水分持续时间。因此，水分保持和非饱和导水率的变化可能提供饱和导水率单独无法捕捉的信息。Van Genuchten参数通常用于描述土壤水分保持行为，当与饱和导水率结合时，可通过van Genuchten-Mualem模型估算非饱和导水率，从而为表征一系列土壤水分条件下的水分传导提供统一框架。 降雨驱动的淋洗是影响盐碱地区海绵城市设施运行的另一个关键过程。降雨入渗过程中，进入土壤剖面的水分可溶解并运移可溶性盐分，导致盐分在土柱内再分布并可能向地下水向下迁移。降雨量、前期土壤含水量和土壤水力性质共同影响水分和溶质运移的深度与时间。有限的入渗可能将水分和溶质再分布限制在浅层土壤中，而持续的水分输入可将这些变化延伸至更深处。然而，在导水率较低的土壤中，即使表层发生显著变化，溶解组分仍可能滞留在中间层位。理解水力传导与垂向溶质再分布之间的耦合关系，对于大庆等地下水埋深较浅的区域尤为重要。 已有研究主要从水文调节、径流控制、污染物去除和设施配置等方面评估海绵城市设施。其他研究考察了盐度或干湿循环对土壤水力性质的影响。然而，关于Na2CO3引起的饱和与非饱和水力性质变化与后续连续降雨期间水分和溶质再分布之间关系的研究仍然有限。这一关系对于判断入渗水分能否高效迁移通过土壤剖面，抑或水力退化是否促进水分和溶质在中间深度滞留至关重要。 据此，本研究考察了大庆黑土在三种Na2CO3添加水平下的行为。在0–4次干湿循环后测定饱和导水率以表征水分传导变化，同时测定土壤水分保持曲线并利用van Genuchten-Mualem模型估算非饱和导水率。补充进行了四种连续降雨深度下的土柱实验，以考察土壤水分、电导率（EC）分布及土壤剖面和下层砾石层水中的溶质再分布变化。本研究旨在：（1）量化Na2CO3添加和反复干湿循环对饱和导水率的影响；（2）表征土壤水分保持和估算非饱和导水率的变化；（3）描述连续降雨期间的水分和溶质再分布，并讨论其对浅层地下水区域雨水源头控制的启示。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

海绵城市建设作为缓解城市内涝、减少地表径流、增强雨水滞留和提升城市水文韧性的有效策略，已在全球范围内得到广泛推广。源头控制设施（source-control facilities），包括生物滞留系统（bioretention systems）、下沉式绿地、植草沟（grassed swales）、渗透沟和透水铺装等，旨在源头或近源头处拦截和调控降雨。这些设施的水文性能在很大程度上取决于下伏土壤的入渗、滞留和排水能力，因此土壤水力特性，尤其是饱和导水率（saturated hydraulic conductivity, K_s）、土壤水分保持行为和非饱和导水率（unsaturated hydraulic conductivity），成为评估设施性能的关键指标。

大庆市位于松嫩平原西部，是寒区海绵城市建设的典型挑战案例。该区域年均降水量约456 mm，而年蒸发量高达约1639 mm，加之地形平坦、盐碱土广泛分布、地下水埋深浅以及季节性冻融条件，使其极易发生盐分积累和次生盐渍化。在此类环境中，源头控制设施虽可能改善雨水滞留，但增强的入渗也可能通过活化可溶性盐分、改变土壤水力条件并潜在影响浅层地下水动态，从而扰动土壤-水分-盐分平衡。因此，盐碱地区海绵城市设施的性能评估不应仅关注径流削减或入渗增强，还需综合考虑土壤水力特性变化、降雨入渗过程、盐分再分布以及地下水响应。

已有研究多从水文调节、径流控制、污染物去除和设施配置等角度评估海绵城市设施，或单独考察盐度、干湿循环对土壤水力性质的影响。然而，关于Na₂CO₃引起的饱和与非饱和水力性质变化与后续连续降雨期间水分和溶质再分布之间关系的研究仍然不足。这一关系对于判断入渗水分能否高效迁移通过土壤剖面，抑或水力退化是否促进水分和溶质在中间深度滞留，具有重要的工程指导意义。

二、研究内容与主要方法

研究人员以大庆市龙凤区黎明湖公园采集的砂质壤土（sandy loam）为研究对象，该土壤按USDA质地分类系统划分，基本性质为：比重G_s=2.55，砂粒65.08%，粉粒25.98%，黏粒8.94%，可溶性盐含量2.48 g/kg，有机质45.9 g/kg，pH 9.2。为消除背景可溶性盐分影响，土壤经去离子水洗涤三次后风干，再按干土质量比添加0%、0.5%和2.0%的分析纯Na₂CO₃，密封平衡老化约10天后使用。

研究采用的主要技术方法包括：一是干湿循环处理，将压实至干密度1.28 g/cm³的土样在39%和5%两个含水量上限与下限之间进行0–4次循环，模拟反复降雨-蒸发过程；二是饱和导水率测定，采用变水头渗透仪法（falling-head permeameter method），依据GB/T 50123–2019标准，每种处理设置3个重复试样，共45次测量，结果校正至20°C标准温度；三是土壤水分保持曲线测定，采用滤纸法（filter-paper method），依据ASTM D5298–16标准，以Whatman No. 42无灰定量滤纸为介质，在10个目标含水量水平下平衡15天后根据校准方程计算土壤吸力，进而获得水分保持曲线；四是利用van Genuchten-Mualem模型结合饱和导水率估算非饱和导水率；五是土柱淋溶实验，在四种连续降雨深度条件下考察土壤水分、电导率（EC）分布及溶质在土柱剖面和下层砾石层水中的再分布。

三、研究结果

Na₂CO₃添加和干湿循环对饱和导水率的影响。研究通过变水头渗透实验发现，Na₂CO₃添加显著降低了土壤饱和导水率，且随添加量增加降低幅度增大。反复干湿循环进一步加剧了饱和导水率的下降，表明Na₂CO₃引起的钠碱条件与干湿交替的耦合作用可导致土壤水分传导能力的持续退化。

土壤水分保持和估算非饱和导水率的变化。通过滤纸法测定土壤水分保持曲线并利用van Genuchten-Mualem模型估算非饱和导水率，研究发现Na₂CO₃添加改变了土壤水分保持行为，估算的非饱和导水率表明盐碱化土壤在非饱和状态下的水分传导能力明显弱于未添加Na₂CO₃的对照土壤，说明水力退化不仅体现在饱和状态，也延伸至非饱和状态。

连续降雨下的水分和溶质再分布。土柱实验结果表明，连续降雨引起浅层土壤电导率下降，而溶质在更深层位积累。在低导水率条件下，溶解性盐分即使表层发生显著淋洗变化，仍可滞留在中间层位，难以高效向下迁移至砾石层和地下水。

四、讨论与结论

研究结果表明，Na₂CO₃添加和干湿循环共同导致饱和导水率下降，非饱和水力传导能力也相应减弱。连续降雨过程中，盐碱化土壤中入渗水分和溶质的垂向迁移受到限制，溶质倾向于在中间深度积累而非到达深层地下水。这一发现对于浅层地下水区域的雨水源头控制具有重要启示：在盐碱土条件下，海绵城市设施不仅面临入渗能力退化的风险，还可能因溶质在浅部和中间层位滞留而产生潜在的盐分积累问题。因此，盐碱地区源头控制设施的设计与评估需综合考虑土壤水力退化与溶质再分布的耦合效应，而不能仅以径流削减或入渗增强作为唯一评价标准。