降雨人渗补给规律的分析研究

浅层地下水资源计算中,降雨入渗补给系数是最基本的参数,而求解参数关键是确定降雨入渗补给量。从其土壤水下渗机理,包气带蓄水库容,降雨入渗补给系数方面分析研究,最后得出：包气带可容纳库容是降雨入渗补给量的极限值;降雨入渗补给系数因不同岩性、土壤前期含水量、降雨量等因素而变化;降雨入渗补给规律存在一个地下水最佳埋深。     

利用地中渗透仪观测资料进行降雨入渗补给规律分析

利用郑州地下水均衡场地中渗透仪实测资料，分析了降雨入渗补给的年际变化以及入渗补给过程中的滞后现象。通过计算降雨入渗系数，确定了降雨量与入渗量的定量关系，评价了不同降雨量、不同包气带岩性和厚度条件下的入渗补给量。研究表明，地下水埋深较小时，降雨入渗系数随着埋深的增加而增大，1m以下则逐渐减少，3m以下趋于稳定；当包气带岩性单一时，降雨入渗系数随岩性的不同而变化，即砂质土大、粘性土较小，而含有薄层粘土夹层的亚砂土最小。     

滞后补给权函数与包气带的关系

降雨入渗补给潜水存在滞后效应.利用HYDRUS程序建立垂直一维非饱和渗流数值模型,模拟了补给过程对脉冲式地面入渗的响应.根据不同潜水面埋深补给强度的变化过程计算补给权重,获得了滞后补给权函数曲线.模拟结果表明权函数曲线具有单峰形式,随潜水面埋深增加,峰值减小,其出现的时间推迟.相对粗颗粒土壤,缅颗粒土壤产生的权函数峰值较小,出现时间更晚.前人提出的滞后补给权函数经验公式能够近似地刻画单峰曲线形态,在包气带介质颗粒较粗、潜水面埋深较小时比较适用,但是对细颗粒土壤和潜水面埋深较大的情况则存在一定的偏差.土壤类型和含水量的垂向分布,都可以通过对包气带渗透性的控制而影响滞后补给过程.可为研究地下水模型处理动态降雨入渗补给及包气带溶质淋滤过程提供参考.     

滨海盐碱地区包气带中淡水透镜体维持机理

大气降水是滨海盐碱地区浅层地下水的重要补给来源。滨海地区浅层地下水多为咸水且埋藏较浅,在不同包气带岩性渗透性差异下,在大气降水入渗补给过程中,一定时间内潜水面以上一定范围内存在淡水分布,即淡水透镜体,它能局部隔离地下咸水对上层土壤和植物的危害,并在一定程度上供给植物吸收利用。采用自制的室内物理模拟装置,通过控制土层结构,模拟了大气降水入渗补给条件下包气带中淡水透镜体的形成与消退过程,探讨了不同土壤类型中淡水透镜体的维持情况;并利用吸水管模拟客土上所种植物根系吸水,研究了不同吸水量条件下土壤中淡水透镜体的变化规律。结果表明:上层中砂、底层粉砂质黏土的双层土体结构中,淡水透镜体的维持性最好,在降水入渗补给条件下,透镜体形成时间在1500 min左右可达最大厚度(约15 cm),若补给源消失,透镜体完全消退需7500 min,能较长时间地阻隔地下咸水;双层土中模拟形成的稳定淡水透镜体在无补给条件下,能够隔离地下咸水的同时亦能为上层植物提供243.5 mL淡水资源。     

种植条件下降雨灌溉入渗试验研究

基于清水河平原头营和黑城试验场降雨(灌溉)入渗过程土壤水分运移观测试验数据的分析研究,笔者应用能量观点描述了包气带水分运移的分带性、降雨(灌溉)入渗补给地下水的水分条件和地下水入渗补给过程的基本特征。应用蒸散量模型、土壤水分通量模型,计算了作物生长期的蒸发蒸腾量、土壤贮水量的变化量、400cm深度处的土壤水分渗漏量及渗漏系数。从多年的角度分析了深层土壤水分渗漏量、渗漏系数与地下水入渗补给量和补给系数的关系。它对分析降雨(灌溉)入渗对地下水的补给过程和定量分析地下水入渗补给量、入渗补给系数具有重要价值。     

不同作物覆盖对农业区地下水入渗补给的影响分析

灌溉入渗是卫宁平原地下水的主要补给来源,研究不同农作物对地下水的灌溉入渗补给对于准确评价地下水资源量十分重要。本研究基于卫宁平原灌区2个包气带水分运移原位试验点系统观测数据,运用Hydrus-1D软件建立了试验点的包气带水分运移数值模型;设置了单次灌溉量、生长期天数、最大根系埋深和叶面积指数四种影响因子,应用模型分析了其对地下水入渗补给量的影响,计算了不同作物种植期内地下水垂向入渗补给量。结果表明:试验点地下水入渗补给量以灌溉入渗补给量为主。单次灌溉量的大小对地下水垂向入渗补给量的影响最为显著,其次是生长期天数和最大根系埋深,叶面积指数对地下水垂向入渗补给量的影响最小。随着地下水位埋深的增加,农作物种植因子对地下水入渗补给的影响也会增大。不同时期的降雨入渗系数为0.02～0.25;受次降雨量和降雨频率影响差异较大。灌溉入渗系数大小与作物种类关系密切:玉米种植期内的灌溉入渗系数为0.78,茄子种植期内的灌溉入渗系数为0.51,枸杞种植期内的灌溉入渗系数为0.6～0.63。综合考虑研究区作物类型和地下水位埋深(117～267 cm),给出了研究区农田区域在作物单次灌溉量为50～150 mm情况下,对应的灌溉入渗系数参考值。     

降雨入渗补给地下水数值模拟研究

针对在地下水资源评价中入渗补给量采用经验估算存在较大误差的问题,以神东矿区为例,在广泛调查矿区包气带岩性结构并结合野外取样、室内参数测定的基础上,采用数值模拟的方法建立包气带水分运移数值模拟模型,定量模拟矿区内不同地段降雨入渗强度,探讨影响降雨入渗强度的主要因素,计算得出研究区降雨入渗系数大致在0.18~0.27,分析认为影响降雨入渗强度的因素有降雨量、潜水埋深、包气带岩性等。其中在研究区广泛分布的风积沙对地下水资源起到了一定的保护作用。     

应用~2H、~(18)O同位素示踪华北平原石家庄包气带土壤水入渗补给及年补给量确定

采集2个不同深度包气带土壤水2 H、18 O同位素剖面ZK1,ZK2,应用天然稳定同位素2 H、18 O示踪的方法,研究了华北山前冲积平原石家庄地区包气带土壤水入渗补给的历史演化特征。结果显示,研究区内,以0.05m为取样间隔,δ2 H、δ18 O值可以明显指示出大气降水及灌溉水入渗补给时间—剖面深度位置的年际对应关系。ZK2的δ2 H、δ18 O值随着埋深的增大出现周期性的波动,具有分层现象的岩性差异并不明显,说明ZK2剖面以活塞流的入渗方式补给地下水。在0~3.90m深度,δ2 H、δ18 O值显示降水和灌溉水的入渗补给时间为2011年10月至2001年11月。18 O峰值位移法计算补给量的结果显示,降水、灌溉水通过包气带补给地下水的垂向运移速度为38.5~65.0cm/a,年均入渗补给量为131.3~185.3mm。同时,对比2003年及2005-2007年降水量数据,说明少雨年份农业灌溉用水量的大小对当地地下水的入渗补给量起着关键性作用。     

黑河中游不同灌溉方式下地下水入渗补给特征研究

降水和人工灌溉是黑河中游浅层地下水重要的补给来源。长期以来入渗补给量评价采用经验参数法,但没有成熟的监测方法和实证数据。采用人工溴示踪法研究黑河中游不同灌溉条件和不同深度条件下的地下水入渗补给规律。结果表明:研究区大气降水条件下包气带溴离子含量峰值年均运移距离为21.25 cm,年平均入渗补给量为11.93 mm,入渗补给系数为0.1;大水漫灌条件下包气带溴离子含量峰值年均运移距离为86.51 cm,年平均入渗补给量为148.7 mm,入渗补给系数为0.16;小水漫灌条件下包气带溴离子含量峰值年均运移距离为46.35 cm,年平均入渗补给量为 53.81 mm,入渗补给系数为0.07;滴灌条件下年包气带溴离子含量峰值年均运移距离为41.72 cm,年平均入渗补给量为52.6 mm,入渗补给系数为0.11。人工溴示踪剂应投放在包气带水分单向入渗下行区,一般西北内陆盆地在地表3 m以下为宜。此研究成果可为黑河流域地下水资源评价提供实证参数,对西北内流盆地地下水水资源量与合理开发利用的科学认识具有重要意义。     

西北内陆盆地降水入渗补给季节性变化——以新疆昌吉地下水均衡试验场为例

西北内陆盆地降水稀少,一年中有较长时间的冻结期,了解其降水入渗补给规律的季节性变化对于准确评估其地下水资源量和解释气候变化对其地下水补给的影响非常重要。采用新疆昌吉地下水均衡试验站27套地中蒸渗仪1992—2015年试验资料,应用拉依达法则筛选出长系列观测资料中的异常值,结合昌吉试验场相关气象要素观测资料划分西北内陆盆地冻结期、冻融期和非冻结期的时间区间,分析不同时期影响降水入渗补给地下水的主要因素;计算不同时期多年平均降水入渗补给量占多年平均年降水入渗补给量的百分比,确定不同季节对年降水入渗补给的重要性;依据多年平均降水入渗补给量随潜水埋深的变化规律,确定冻融期、非冻结期不同土质降水入渗的最佳潜水埋深。结果表明:在试验条件下,砂卵砾石和细砂非冻结期最佳潜水埋深为0.5 m,轻黏土非冻结期最佳潜水埋深0.1 m;细砂冻融期最佳潜水埋深为1.0 m,砂卵砾石冻融期最佳潜水埋深为0.5 m,轻黏土冻融期最佳潜水埋深为0.1 m;冻结期地下水位埋深对土壤入渗能力的影响十分明显,潜水埋深和降水入渗补给量之间没有显著的线性关系;冻融期是西北内陆盆地浅埋型地下水降水入渗补给的重要时期,冻结期是西北内陆盆地深埋型地下水降水入渗补给的重要时期。     

Van Genuchten模型参数对降水入渗数值模拟的敏感性

详细分析不同评价指标下的van Genuchten方程参数敏感性,对于深入认识参数物理意义、合理确定参数值、提高降水入渗数值模拟准确性具有重要意义.用HYDRUS软件建立一维变饱和水分运移模型,以实际补给量、补给过程曲线和极限蒸发深度作为评价指标,采用单因素扰动分析法对van Genuchten方程各参数敏感性进行理论分析,进而选取多组参数实例,分析同一岩性类别下,不同土样土壤水力参数差异及其对入渗补给模拟结果的影响.结果表明:形状系数 (n)、土壤进气值的倒数 (α) 与极限蒸发深度呈负相关关系,是影响极限蒸发深度的显著因素;饱和含水率 (θ_s)、n、饱和渗透系数 (K_s) 对于入渗补给影响的敏感性较高,三者在实际土样粒径分布、干密度和孔隙性的共同影响下发生同向变动.合理的参数敏感性分析及数值模拟调参过程需结合土壤参数的物理意义来开展.      

Modeling root water uptake when calculating unsaturated flow in the vadose zone and groundwater recharge

This paper considers models of the transpiration root water uptake and principles for substantiating their parameters when calculating unsaturated flow in the vadose zone and estimating infiltration groundwater recharge. The possible use of generalized parameters for different landscape and soil conditions is substantiated based on analyzing the natural patterns of water balance formation in the vadose zone and the sensitivity of transpiration models. Recommendations are given for selecting the models of transpiration water uptake and substantiating their parameters, which enables one to minimize the errors in estimating infiltration groundwater recharge.     

西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度

鉴于包气带蒸发的水分是从地表散失,故查明裸土蒸发规律对研究包气带水分蒸发、潜水蒸发问题具有重要意义。为了查明西北干旱内陆盆地区裸土蒸发强度规律,通过开展裸土含水率观测、包气带负压观测等野外原位试验,结合气象资料,对包气带剖面流场特征进行分析,采用有限差分法对裸土蒸发强度进行计算。结果表明：依据包气带水分在垂向上迁移的不同状态,将裸土区包气带剖面划分为水分向上传输带和水分向下迁移带2个带;西北内陆干旱盆地裸土包气带极限蒸发深度为1.2 m;受外界蒸发能力和包气带向上输水能力交替控制作用,盆地内裸土蒸发出现在4月下半月至9月下半月,其中4月下半月至5月裸土蒸发强度最大,平均蒸发强度达0.56 mm/d;裸土蒸发强度平均仅占水面蒸发强度的3.5%,最大达6.7%。     

Soil column experiments to quantify vadose zone water fluxes in arid settings

For the determination of groundwater recharge processes in arid environments, vadose zone water fluxes and water storage should be considered. To better understand and quantify vadose zone processes influencing groundwater recharge, a soil column experimental setup has been developed that mimics arid atmospheric conditions and measures water and temperature fluxes in high temporal and spatial resolution. The focus of the experiment was on the determination of water infiltration, redistribution, evaporation and percolation under non-isothermal conditions. TDR rod sensors and a specific TDR “Taupe” cable sensor were used for water content measurements and allowed the infiltration fronts to be traced over the whole column length. Applying single irrigations of different amount and intensity showed the applicability of the experimental setup for the measurement of water movement in the unsaturated soil column.     

Conversion relationship of rainfall-soil moisture-groundwater in Quaternary thick cohesive soil in Jianghan Plain,Hubei Province,China

The scientific field test site of rainfall-soil moisture-groundwater conversion in Dabie Mountain Area–Jianghan Plain is located in the northern region of the Jianghan Plain, the transition zone between the Dabie Mountain Area and Jianghan Plain. It’s a great field test site to study the material and energy exchange among rainfall, soil moisture, and groundwater of the Earth ’s critical zone in subtropical monsoon climate plain areas. This paper analyzed the connection between rainfall and volume water content (VWC) of soil at different depths of several soil profiles, and the dynamic feature of groundwater was discussed, which reveals the rainfall infiltration recharge of Quaternary Upper Pleistocene strata. The results show that the Quaternary Upper Pleistocene aquifer groundwater accepts a little direct rainfall recharge, while the lateral recharge is the main supplement source. There were 75 effective rainfall events among 120 rainfall events during the monitoring period, with an accumulated amount of 672.9 mm, and the percentages of effective rainfall amount and duration time were 62.50% and 91.56%, respectively. The max evaporation depth at the upper part in Quaternary cohesive soil was no less than 1.4 m. The soil profile was divided into four zones: (1) The sensitive zone of rainfall infiltration within 1.4 m, where the material and energy exchange frequently near the interface between atmosphere and soil; (2) the buffer zone of rainfall infiltration between 1.4 m and 3.5 m; (3) the migration zone of rainfall infiltration between 3.5 m and 5.0 m; and (4) the rainfall infiltration and groundwater level co-influenced zone below 5.0 m. The results revealed the reaction of soil moisture and groundwater to rainfall in the area covered by cohesive soil under humid climate in Earth ’s critical zone, which is of great theoretical and practical significance for groundwater resources evaluation and development, groundwater environmental protection, ecological environmental improvement, drought disaster prevention, and flood disaster prevention in subtropical monsoon climate plain areas.     

黄河冲积平原灌溉入渗研究

黄河冲积平原面积广大,农田灌溉频繁,灌水量大,在地下水资源评价时对灌溉入渗系数取值困难。本文在现场灌溉入渗试验的基础上,分析包气带岩性及结构、水位埋深、灌溉水量对灌溉入渗系数的影响,总结提出了多种条件下灌溉入渗系数的取值范围。在单位灌水量40～60m3／亩和水位埋深小于4m、4～8m、大于8m的井灌区中,当包气带岩性为粉土、粉砂时,灌溉入渗系数可分别取值0．21～O．10、0．10—0．05、0．05～0;当包气带岩性夹有粉质粘土层时,灌溉入渗系数可分别取值0．15～0．09、0.09—0．05、0．05～0。在单位灌水量较大的渠灌区,灌溉入渗系数可按单位灌水量的增大倍数而增加,由此为黄河冲积平原区地下水补给量计算中灌溉入渗系数的确定提供了依据。     

利用EARTH模型计算河北栾城地下水垂向补给量

准确计算地下水的垂向入渗补给量是合理评价和利用地下水资源的基础.EARTH模型是一种集中参数的水文模型,可刻画水流在包气带中的运移过程,弥补黑箱模型的不足.以中国科学院栾城农业生态试验站的地下水位观测资料以及气象资料为基础,综合运用降水、蒸发、土壤水、地下水动态观测资料,利用EARTH模型计算了河北平原地下水垂向入渗补给量.计算结果表明,2003年1月1日至2005年8月31日期间,栾城农业生态试验站在降水量1404.1 mm、灌溉量1050.0 mm的条件下地下水入渗补给量为487.2 mm,平均年入渗补给量为182.6 mm, 占降水和灌溉总量(2454.1 mm)的19.9%.在模拟结果的基础上,对不同年份的降水量(含灌溉)和入渗补给量分布的对比分析表明,河北栾城地下水补给滞后现象明显,在研究时间段内峰值滞后18～35 d.     

内蒙古鄂尔多斯西北土壤水流动示踪实验及自流井群补给源讨论

降水模拟实验证明,鄂尔多斯北部沙土层单次降水入渗最大深度小于1 m,降水在土壤中受到蒸发后排泄到大气中。实验证实,只有当土壤含水率达到最大田间持水率,吸附在土颗粒表面的薄膜水才能克服电磁引力转化为重力水,在重力的作用下继续下渗。鄂尔多斯北部的年降水量小而蒸发量大,降水入渗土壤不能形成累积效应,无法形成连续下渗的重力水流。同位素示踪分析表明,土壤水主要来源于地下潜水,结合土壤含水率与TDS分析证实,地下水是通过薄膜水与蒸发-凝结方式补给到土壤水中,薄膜水从高温区向低温区流动,对于等温的薄膜水而言,薄膜水从厚层向薄层流动。同位素分析表明,都思兔河流域的河水、泉水、井水、湖泊、土壤水接受相同的外源水补给。鄂尔多斯盆地降水比地表水与地下水明显富集重同位素,不符合补给区降水同位素特征。鄂尔多斯盆地地下水分水岭与基底断裂带重合,据此推断,外源水以深循环方式通过基底断裂带补给鄂尔多斯盆地,在干旱地区形成自流井群。