0 前言

滨海盐碱地区地下淡水资源匮乏是制约滨海盐碱地区植被生长的主要瓶颈。我国大部分盐碱地区都在盐碱土上覆盖客土种植耐盐碱植物，结合排盐工程进行盐碱地治理。但客土抬高了地面，相对降低了地下水位。一般通过暗管排盐来控制地下水位，使客土能够长期处于淡化状态；此外,耐盐碱植物的种植也可进一步提高土壤除盐效果^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]}。天津滨海地区地势平坦,在大气降水过程中，入渗水分对地表土壤淋洗脱盐，其中一部分降水以地表径流方式流走，还有一部分会垂向入渗，在包气带中形成一些大小不等的淡水透镜体，特别是在能汇集雨水的地形低洼处，最易形成淡水透镜体。这些浅层淡水透镜体可以局部隔离地下咸水，防止地下咸水对上层土壤植物造成危害，还可以为植物生长提供水分^[8]。利用数值模拟模型对淡水透镜体进行研究已屡见不鲜，如：Kolja等^[9]利用Ghyben-Herzberg公式对沿海含水层中咸淡水界面的位置及淡水透镜体的厚度进行了预测分析；Hocking等^[10]利用格林函数计算出淡水透镜体的几何边界，并模拟了人工补给和抽取条件下淡水透镜体的变化情况；霍思远等^[11]利用数值模型模拟了包气带弱渗透性黏土透镜体对降雨入渗补给的影响。但目前对于淡水透镜体室内模拟实验的研究还较少。物理模拟实验具有实验条件容易控制的优势，笔者采用自制的模型装置，通过控制土层结构，研究不同土壤类型包气带中淡水透镜体的维持情况，以期对解决滨海盐碱地区地下淡水资源匮乏问题进行有益的探索。

1 实验方案

在实际野外环境中，影响淡水透镜体形成与维持的因素很多，其中最主要的影响因素有以下几点：1)水文地质特征，主要包括土质类型、土壤物理性质等，其中孔隙度是透镜体外形的主要影响因素，渗透系数是透镜体厚度的主控因素；2)大气降水入渗特征。

降水入渗补给是淡水透镜体主要和普遍存在的补给源，因此本次实验以降水入渗作为淡水透镜体的补给来源。Fetter^[12]研究了滨海潜水含水层中咸淡水之间的关系，假设淡水与咸水之间有一个明显的分界线，提出了确定咸淡水突变界面位置的数学公式。本文均质土壤介质中含水层淡水透镜体厚度和降水入渗补给强度之间的表达式即由Fetter公式^[12]通过计算得出：

实验在图 1所示的模拟装置中进行，由有机玻璃砂箱、入渗补给装置和地下水模拟装置三部分组成。砂箱长1.0 m，宽0.1 m，高0.8 m，沿长度方向两端各有一长0.05 m、宽0.1 m、高0.8 m的地下水调节室，地下咸水可通过挡板上的小孔进入砂箱，用以控制地下水位；砂箱上方安置入渗补给装置，用以模拟降水；砂箱侧面均匀分布圆形观测孔，用以随时监测淡水透镜体的动态。实验中电导率采用ECTestr 11+笔试电导率仪测定。

图 1 实验装置图 Fig. 1 Experimental device

图选项

实验中选用中砂和粉砂质黏土作为模拟介质，模拟土层厚度为70 cm。填充前将中砂和粉砂质黏土进行烘干并各自均匀混合，填充时依照《土工试验规程》^[13]每填装5 cm厚度便进行压实处理，使填充后的砂层和黏土层可以近似认为是理想的均匀介质。装填按照不同土层结构分成三种情形：全中砂层结构、全粉砂质黏土层结构、上层中砂和下层粉砂质黏土的双层土结构。其中双层土结构中砂厚40 cm、粉砂质黏土厚30 cm。填充完成后参照《土工试验规程》^[13]进行孔隙度、渗透系数、给水度等参数的测定，测定结果见表 1。 弥散系数采用一维土柱穿透试验进行测定，从底部通过蠕动泵注入500 mg/L的氯化纳溶液，出水的电导率采用HQ40D哈希仪测定，应用美国盐土实验室开发的CXTFIT软件^[14]对一维土柱的溶质运移进行模拟并计算出相应土壤参数。

实验中的地下咸水由淡水加氯化钠配制而成，密度为1.042 g/cm，氯化钠溶液质量浓度为12 g/L，其电导率经过测定为25.6 mS/cm。实验时将配制好的地下咸水从砂箱两侧地下水调节室注入模拟装置，保持地下咸水埋深为60 cm。淡水透镜体与地下咸水存在一分界面，在此定义氯化钠质量浓度为1 g/L时作为咸淡水的分界面^[15]，测定此时界面电导率为2.97 mS/cm。土壤含盐量对电导率的影响比含水量对电导率的影响显著得多^[16]。在本实验所处含盐量范围内，忽略含水量的影响，土壤含盐量与电导率近似呈线性关系，因此采用电导率作为判定淡水透镜体的边界参数：将电导率低于2.97 mS/cm作为淡水透镜体；2.97～25.6 mS/cm作为透镜体与地下咸水的过渡带。通过入渗补给装置模拟降水入渗补给，保持入渗补给强度0.4、0.8、1.0、1.4 m/d，稳定后通过观测孔测定土壤电导率，绘制淡水透镜体电导率等值线图，描述淡水透镜体变化特征。

2.1.1 淡水透镜体厚度与降水入渗补给强度的关系

实验发现，淡水透镜体厚度与降水入渗补给强度近似呈线性关系，入渗补给强度越大，淡水透镜体形成的厚度越大。由图 2可知，在入渗补给强度为1.4 m/d时，双层土中淡水透镜体厚度达到了16.8 cm，中砂土中为16.0 cm，粉砂质黏土中仅为14.3 cm。这说明，在相同入渗补给条件下，双层土最有利于形成淡水透镜体，入渗水分能够较好地通过上层砂土进入深层土；加之底部粉砂质黏土的低渗透性，能够较好地保存入渗水分，因此在粉砂质黏土层形成较厚的透镜体。

图 2 淡水透镜体厚度与入渗补给强度关系 Fig. 2 Relationship between freshwater lens thickness and infiltration intensity

图选项

在1.4 m/d的入渗补给强度下，淡水透镜体厚度变化如图 3、图 4所示。由图 3可见，初期淡水透镜体形成较快，厚度增长明显。这主要是由于在初期透镜体厚度较小，入渗水分进入咸水中所遇阻力较小，因此入渗水分可以迅速形成透镜体，并且透镜体厚度迅速增大。后期透镜体与地下咸水近似达到平衡状态(图 3)。这说明入渗水分很难克服咸水阻力进入透镜体，大部分沿着潜水面渗入地下咸水中，无法真正进入透镜体；当透镜体与地下咸水达到动态平衡时，淡水透镜体保持稳定厚度。当降水入渗补给消失时，由于咸水密度大于淡水透镜体，在二者交界处咸水张力大于淡水，地下咸水开始进入淡水透镜体，进行反噬作用。由图 4可知：反噬开始时淡水透镜体厚度下降较快，这是由于在初始阶段咸水与透镜体二者交界面较大，弧度较大，相应所产生的界面张力也较大，咸水能迅速入侵淡水透镜体，导致透镜体厚度迅速降低；随着透镜体体积减少，二者交界面表面张力有所减少，咸水入侵速度减缓，淡水透镜体消退速度减慢。

图 3 砂土(a)、粉砂质黏土(b)、双层土(c)中淡水透镜体生成情况 Fig. 3 Formation of the freshwater lens in sand (a)，clay sand upper (b) and clay sand lower (c)

图选项

图 4 砂土(a)、粉砂质黏土(b)、双层土(c)中淡水透镜体消退情况 Fig. 4 Regression of the freshwater lens in sand (a)，clay sand upper (b) and clay sand lower (c)

图选项

通过观察发现：在砂土中，淡水透镜体的形成时间较短，达到动态平衡所需时间稳定在300 min左右，在入渗补给停止后淡水透镜体的消退时间同样较短，透镜体厚度从最大值变为0所需时间基本处在700 min左右，不能较长时间地隔离上层土壤与地下咸水；在粉砂质黏土中，淡水透镜体不易形成，达到稳定大约经历了3 000 min，但在形成之后，由于粉砂质黏土的低渗透特性，淡水透镜体能够维持较久，淡水透镜体消退时间大概为8 000 min左右，能够较长时间隔离地下咸水与上层土壤，为植物提供水分；在双层土中，透镜体厚度在1 500 min左右达到峰值，形成的透镜体厚度均大于砂土和粉砂质黏土模型，且淡水透镜体存在时间较长，从初始状态到完全消退经历大约7 500 min，能够较长时间地隔离地下咸水与上层土壤，起到良好的隔盐阻盐效果，并且在透镜体存在时能够向上层土壤输送水分，为植物的生长提供水分。 2.1.3 实验观测值与模拟值的对比分析

从图 2、3、4可以看出：在双层土和砂土介质中淡水透镜体厚度的物理模拟观测值与Fetter模拟值较为一致，淡水透镜体厚度可用Fetter模型进行预测分析；而在粉砂质黏土介质中观测值与模拟值存在较大差异。这主要是由于粉砂质黏土渗透系数低所导致的^[17]。在Fetter模型中，入渗量的计算为全部的降水入渗补给量，而在实际物理模拟中，由于粉砂质黏土的低渗透系数，入渗水分不能完全入渗补给淡水透镜体，导致实验观测值远远小于模型预测值。

为了研究植物根系吸水过程中包气带淡水透镜体的变化规律，在土层中心布设一吸水管模拟植物根系吸水，探讨在无补给入渗条件下，不同吸水量条件下淡水透镜体的变化情形。

在双层土中，淡水透镜体稳定形成后，整个淡水透镜体的状况通过电导率进行观测，透镜体的空间分布状况见图 5。电导率在2.97 mS/cm以上的是淡水透镜体区域，在2.97～25.60 mS/cm之间的区域为咸淡水的过渡区域，该区域盐分随深度增加逐渐增加。

图 5 稳定淡水透镜体外形 Fig. 5 Shape of freshwater lens in stable

图选项

当吸取淡水时，淡水透镜体厚度不断减少，由于地下咸水的密度远远大于淡水，咸淡水过渡带逐渐向上提升，形成锥状。当吸水量为0.31 mL/s时，淡水透镜体外形参见图 6a，此时吸取量较小，对淡水透镜体形状影响不大。随着吸水量不断增大，咸水面逐渐被抬高，咸淡水过渡带逐渐变窄，锥体体积不断增大(图 6b、c)。当吸水量达0.49 mL/s时，吸水管中开始出现咸水，淡水透镜体被咸水击穿(图 6d)，此时累计吸水量达到243.5 mL。

图 6 不同根系吸水量下淡水透镜体外形 Fig. 6 Shape of freshwater lens under different water absorption of plant roots

图选项

1)在淡水透镜体的形成过程中，其厚度与降水入渗补给强度近似成正比。在相同入渗补给条件下，双层土最有利于形成淡水透镜体。

2)双层土最有利于淡水透镜体的维持，在1 500 min左右可达最大厚度15 cm，完全消退需7 500 min，能够较长时间阻隔地下咸水，且Fetter数值模型能够较好地模拟出其淡水透镜体厚度的变化。

3)在双层土中能形成一定厚度的稳定的淡水透镜体，它在隔离地下咸水的同时能为上层植物提供243.5 mL的淡水供其生长。

综上，在区域范围内通过大气降水能在土壤包气带中形成一定规模的淡水透镜体，为上层植物生长提供一定量的淡水资源，且在上层中砂下层粉砂质黏土的土壤结构中淡水透镜体维持得最佳。这为解决滨海盐碱地区地下淡水资源匮乏提供一种途径。因此，在以后的研究中，可进一步在真实场地构建大范围实验平台，研究自然条件下淡水透镜体的形成和维持情况及上层植物的生长情况。