干旱区包气带土壤水分运移及其对地下水补给研究进展

包气带是指地表到地下水之间垂直剖面中土壤孔隙没有被水充满、水分处于非饱和状态的区域,是地表水进入地下水的通道。包气带土壤水分运移过程不仅影响到地下水补给,而且与相邻景观之间存在水力联系。评述了干旱区包气带土壤水分运移模拟、地球化学示踪技术、地球物理技术在包气带土壤水分运移研究中的应用、影响包气带土壤水分运移及对地下水补给的因素、包气带水分运移对景观间水分交换的影响等方面的研究进展,提出在未来的研究中,应加强包气带土壤水分运移参数的试验观测及数据库建立、加强包气带土壤水分运移及其对地下水补给的研究,应借鉴地球关键带研究的思路,开展包气带土壤水分运移、溶质运移、地下水补给耦合研究。     

包气带增厚条件下地下水补给规律研究

伴随人类活动影响的不断增大,地下水位持续下降,包气带厚度增大,改变了地下水的补给条件.为阐明在巨厚包气带中水分运移规律,在河北栾城实验站进行了包气带水分运移监测试验.通过对监测数据的计算和分析,揭示了大水漫灌条件下,灌溉水在包气带中湿润峰和零通量面（ZFP）的运移和形成规律,计算了灌溉水回归补给地下水的水量,并利用达西公式进行验证.试验结果客观准确地反映了在当前人类剧烈活动影响下,包气带中水分运移规律及灌溉水补给地下水的情况,同时通过对包气带水分运移情况进行监测,取得了包气带水分运移的翔实资料和灌溉参数,对于促进农业节水灌溉有重大的现实意义.     

北京典型地区灌溉条件下包气带水分运移特征研究

以张家湾包气带水盐运移试验场灌溉试验资料为依据,运用土壤水分能量观点,分析了灌溉条件下包气带水分运移特征。试验结果表明,在一定灌溉量下包气带水分运移具有明显的分带特征以及灌溉水明显运移到达的深度;在一定灌溉量条件下,灌溉后地下水位上升微小,灌溉补给地下水量较小,并通过非饱和水流达西定律计算了向下入渗补给量。     

黄土塬区包气带水分运移特征研究

在我国西北黄土高原的黄土塬、黄土台塬区赋存有较丰富的黄土潜水,大气降水垂直入渗是其主要补给来源,但对水分赋存和运移的空间通道认识尚有不足。文章基于董志塬、渭北黄土台塬的地貌、地层结构等水文地质条件、地下水利用动态和相关试验资料,结合黄土扫描电镜图像处理与统计分析,对黄土塬区黄土潜水和包气带水分运移的孔隙特征、过程进行了探讨并分带。研究认为孔隙是黄土地下水的主要赋存、运移的空间通道,其最小渗透等效孔径约为12μm。由孔隙发育的马兰黄土构成的黄土包气带垂向结构组合有利于大气降水的入渗,包气带孔隙中的水分运移非常微弱缓慢,但较为连续均匀。黄土包气带可划分为气候影响带、储存调节带、缓慢运移带和毛细接收带4个带,除上部气候影响带外,其余三带处于基本稳定的水分运移动平衡状态。研究成果可为全面系统地认识黄土塬区包气带水分运移特征提供参考和借鉴。     

礼泉黄土原地下水观测试验场简介

陕西礼泉西庄头试验场是省一水三分队和礼泉县地下水工作队两家协作建立的。目的在于,通过对包气带水分运移的观测,探索在不同岩性、不刚水位埋深和不同气象水文条件下水分的入渗规律,获取较为可靠的灌水入渗系数,初步建立水分运移数学模型。     

包气带水分运移问题讲座(一)——包气带水分运移基本方程

包气带(非饱和土壤)水分运移是当前一系列学科,如水文地质学、水文学、农田水利学、土壤物理学和渗流力学等研究的一个重要课题。 浅层地下水的开发利用对工农业生产具有重要作用。降雨、灌溉水和地表水的入渗是浅层水的主要补给来源,潜水的蒸发则是地下水的主要消耗途径,而土层的给水度又是决定潜水含水层储存和调蓄能力的重要因素。所有这些参数的确定都与包气带水分运动     

层状非均质结构包气带入渗过程单相流与两相流数值模拟对比研究

包气带水分入渗过程受多种因素的影响。定量研究层状非均质岩性结构和入渗速率对其影响,有助于解决根据不同条件选择单相流模型或水气二相流模型模拟包气带水分入渗过程的问题。结合填埋场等场地地层条件及污废水入渗特征,分别建立了“上细下粗”和“上粗下细”包气带层状非均质岩性结构水分入渗单相流和水气二相流模型,探讨不同层状非均质岩性结构条件下模型的适用性。在“上粗下细”岩性结构模型基础上,进一步探究入渗速率对水气两相运移结果的影响。基于论文模型研究表明:（1）在包气带岩性结构为“上细下粗”的条件下,气相的影响基本可以忽略,可直接采用单相流模型对包气带水分运移进行模拟;在“上粗下细”岩性结构和本次模型设定的底部压力保持不变及污废水泄漏前场地未接受降水入渗补给等条件下,当包气带上下层介质渗透率比值大于16倍时,气相会对水相运移产生明显影响,且下层介质渗透率越小、上下层介质渗透率比值越大,单相流与两相流的运移结果差别越大,需要采用水气二相流模型模拟包气带水分运移。（2）在包气带“上粗下细”岩性结构条件下,入渗速率越大,气相对水流入渗的阻滞作用越明显,此时包气带水分运移模拟应采用水气二相流模型。     

巴丹吉林沙漠包气带水垂向分布和下渗的Monte-Carlo模拟评估

包气带土壤性质具有强烈的空间变异性,显著影响包气带水的分布特征和运移过程,在巴丹吉林沙漠这种包气带巨厚而观测困难的地区尤其值得重视.通过收集包气带不同深度水分观测资料和水力参数测试成果,采用前人提出的水分特征曲线参数的对数正态分布模型和互相关模型,对巴丹吉林沙漠风积砂的变异特征进行了Monte-Carlo模拟,发现稳定下渗带能够自由流动的水分体积含量低于5%.在此基础上重建土水势的垂向分布,发现稳定下渗带的水力梯度接近于1,基本满足重力作用控制的自由下渗条件.以残余含水率为独立随机变量,基于Richards方程对不同下渗强度条件的包气带含水率分布进行了Monte-Carlo模拟,通过与观测统计特征对比得到下渗强度的合理取值范围.结果表明,包气带水下渗强度最有可能取值范围是30～41 mm/a,且低于10 mm/a和高于50 mm/a的可能性都很小.包气带水的随机模拟方法为研究巴丹吉林沙漠地下水补给提供了新的视角.     

包气带中温度变化对水分分布影响的实验研究

笔者在高180cm、宽50cm的砂槽中,做了温度对水分运移影响的模拟试验。试验结果表明,在包气带一定深度以下,孔隙相对封闭,孔隙内液态水与气态水处于动态平衡,相对湿度接近或达到饱和状态。在此条件下,砂柱内温度场的任何微小变化都会导致孔隙系统内的水分发生蒸发或凝结。当包气带内温度场发生变化时,气态水在温度梯度作用下,向最低温度界面运移,蒸发或是凝结取决于最低温度界面的性质。在不发生聚集的开放性界面上出现蒸散,消耗包气带内水分。在聚集性封闭界面上则出现凝结,使包气带内水分增加。在温度场控制下,包气带中气态水凝结或蒸发是水分运移的另一重要形式,它在一定程度上决定着水分的分布状态,尤其在温差巨大的地区,这种作用显得十分重要。     

包气带硝酸盐分布的差异性及其形成机理:以正定、栾城为例

在地表等量氮输入条件下,包气带中硝酸盐含量分布是其抗污染能力的直接表征。阐明不同包气带中硝酸盐分布的差异并分析其成因对于评价下覆含水层的硝酸盐污染脆弱性、保护地下水资源免遭硝酸盐污染,具有重要意义。本文基于太行山山前冲洪积扇上栾城和正定两个16m深包气带硝酸盐含量数据,指出两个剖面上包气带中硝酸盐分布特征的差异性。分析研究区的施肥历史、大气降水的入渗补给强度及土壤有机质含量,认为包气带水分运移速度和反硝化能力是导致包气带硝酸盐分布差异的两个关键因素。在分析N同位素测试技术进步的基础上,指出利用同位素技术对包气带中的反硝化能力的定量化研究有望取得新进展。     

沙漠包气带水分运移机理研究

针对沙漠包气带的特点,运用中子仪—负压计—地温计联合观测法,对试验场典型地段水位埋深分别为lm,2m,3m的包气带含水量、水分势能和温度场进行了长期野外实地观测,并总结出相应的日变化、季节变化规律,分析了降水、蒸发等气象因素对包气带水分的影响过程,从而得出沙漠包气带水分运移机理及运移规律。为红砂岗矿区水源地水资源评价提供了科学依据。      

基于VSF的非饱和-饱和带耦合过程的三维水流数值模拟

包气带作为"四水转化"的关键带,在地下水流与溶质运移模拟中起着重要作用。VSF是一款基于MODFLOW-2000开发的用于模拟非饱和-饱和带水分变化和运移过程的数值模拟程序。本文首先介绍了VSF程序的设计原理与结构,并重点介绍了VSF区别于MODFLOW-2000的用以概化非饱和带水分运移和边界条件设置的子程序包模块,包括Richards方程渗流(REF)、浸润面(SPF)、地表滞水(PND)、地表蒸发(SEV)和植物根区蒸散发(RZE)等子程序包。本文以REF、SPF、PND和SEV等子程序包为例,将VSF与MODFLOW-2000耦合应用于一个非饱和-饱和带水流运移过程的模拟算例。结果表明,VSF可与MODFLOW耦合实现饱和带水位与非饱和带饱和度的同步计算,并能刻画模型中单元格饱和状态的变化过程,其多种实用的边界条件可提供较为全面的模拟条件,是模拟实际包气带-饱和带耦合问题的有效工具。     

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。     

毛乌素沙地植被与地下水关系

以植被的种群和盖度、地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量等指标,研究毛乌素沙漠腹地地区植被与地下水的关系,确立了研究区优势植被沙蒿（Artemisia）、沙柳（Salix psammophila）和苔草（Carex）的适生地下水埋深、包气带含水率、地下水矿化度和包气带含盐量。研究表明：地下水埋深、包气带含水量对植被种群影响非常敏感,而地下水矿化度和包气带含盐量则为不敏感指标。另外,地下水埋深对以地下水为水分来源的植被盖度较为敏感,而总盖度为不敏感指标。     

垃圾渗漏液在包气带及含水层中的联合运移模拟

近年来,全国各地新建了大量的垃圾填埋场,其中多有不符合垃圾处理处置场地建设规范的,垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险也逐年凸显,这就要求对后续垃圾填埋场建设时,在环评阶段做好垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染风险预测,为垃圾填埋场地下水污染预防设施的设计与建设提供指导。本文探索了垃圾渗滤液在包气带和含水层中的联合运移模拟,首先利用Hydrus建立包气带模型,模拟垃圾渗滤液中氨氮在包气带中的迁移转化,在此基础上用Visual Modflow软件建立地下含水层模型,对比渗滤液经过包气带过滤和没经过包气带过滤两种情景下的污染范围和程度。模拟结果显示,包气带和含水层联合运移模拟渗滤液泄漏后的运移途径和路线,更接近渗滤液进入含水层的实际情况。     

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。     

包气带—含水层地下水污染风险评估研究进展

包气带—含水层作为地表水和地下水之间水循环和溶质迁移的重要介质,是地球科学领域中的研究热点。以包气带—含水层中地下水污染风险评估为综述对象,从包气带—含水层地下水污染现状出发,总结了包气带—含水层的污染现状、表征、渗流与溶质迁移及其影响关键参数研究等方面的进展,最后分析包气带—含水层地下水污染风险评估存在的问题及今后的研究方向,指出尤其应重点考虑基于逾渗阈值开展地下水污染风险评估研究。     

西北地区地下水的地质生态环境调节作用研究

针对西北干旱区特定的生态环境条件 ,通过凝结水对沙生植物作用的分析以及地下水位埋深对植物生长和土壤盐渍化影响的分析 ,探讨了地下水对生态环境的控制作用 ,认为地下水埋深及包气带水分运动状况 ,是主要生态环境指标 ,保持合理的生态地下水位是防治植物死亡和土地荒漠化的关键 ;维持适度的地下水位埋深 ,可以控制土壤水盐运移和均衡 ,达到改良土壤和改善地质生态环境的目的。文中还探讨了塔里木河和玛纳斯河流域水资源开发利用对生态环境的影响。     

季节冻土对包气带水分迁移的影响

采用智能化土壤墒情监测仪,对东北吉林集安季节冻土带进行地温和含水率观测,历时一个水文年。通过分析不同深度地温、含水率随时间的变化,研究地温场变化、降水入渗等因素对水分迁移的影响。寒季,气温急剧下降,地温随深度增加而增高,气态水在包气带上部的低温带凝结,当凝结速率大于渗透速率时,含水率不断增加,水分蓄积。季节冻土形成后,孔隙水以固态水的形式储存,是包气带上部水分主要的聚集期。暖季,地温随深度增加而降低,气态水向下运移凝结,即使降水入渗量很大也不会引起水分蓄积。因此,温度场控制着气态水凝结方向,是引起包气带内水分运移的重要影响因素之一。     

地下水浅埋区土壤水的矿化度变化规律及其影响因素浅析

土壤水的研究对农田水利、水文地质、生态与环境等都具有很重要的意义 ,本文概略介绍了在黄河三角洲地区开展包气带水分运移试验研究过程中 ,野外获取土壤水的方法及设备。在对水样分析结果进行总结的基础上 ,对试验点土壤水的矿化度变化规律及其影响因素进行了初步的分析。主要结论为 ,在地下水浅埋区 ,地下水与土壤水矿化度变化关系密切 ;蒸发作用与蒸腾作用对土壤水矿化度的影响效果是不同的 ,蒸发作用使上层土壤水的矿化度加大 ,而植被在其生长期降低土壤水的矿化度 ;地下水、植被和土壤性质是影响土壤水矿化度的重要因素