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.     

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。     

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。     

试论洛川黄土塬区包气带水分的赋存与运移

当前在开发利用地下水的同时,包气带水分的赋存与运移问题及其对地下水的形成与补给作用,引起了人们的关注。大家知道,饱和带与包气带是地下水同一连续系统中的两个部分,二者不可分割。包气带中水分下渗,其数量与速率决定了地下水的储量与动态,反之,地下水的变化影响着包气带水分剖面及其运移条件。尤其是黄土地区特定的自然地理条件下,     

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。     

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。     

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。     

鄂尔多斯盆地风沙滩地区包气带水分运移特征研究

以鄂尔多斯盆地包气带水盐运移综合剖面试验资料为依据,运用土壤水分能量的观点分析鄂尔多斯盆地风沙滩包气带水分运移特征表明:(1)包气带水分运移大致可以分为三个带,0.8 m深度以内为土壤-大气水分积极交换带,0.8～2.8 m为水分入渗的过渡带与调节区,2.8 m以下至潜水面为水分传导带;(2)上细下粗层状包气带岩性结构不利于降雨入渗补给,上粗下细层状包气带岩性结构有利于降雨入渗补给。     

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。      

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。     

Advances in Moisture Migration in Vadose Zone of Dryland and Recharge Effects on Groundwater Dynamics

The vadose zone is the zone in between the land surface and above the groundwater table at vertical profile with partial water saturation and under the unsaturation condition, which constitutes the connections among atmospheric water, surface water and groundwater. Soil moisture migration in the vadose zone is a rather complicate process, which controls the rates of groundwater depletion and recharge, and has close hydraulic connections with highly frequent water transfers on the interfaces among the irrigation farmland, sand dunes, wetlands, lakes, and other landscape types. Recent development on soil moisture migration simulations and the application of tracer techniques, geophysical techniques and other geological methods in the vadose zone research, the factors affecting soil moisture migration and groundwater recharge,and soil moisture migration effects on moisture exchange between different landscapes were reviewed in this paper. Several suggestions on the future research were presented here: ① An intense field observation and research database should be initiated and constructed to determine the soil hydraulic parameters, and quantify the influence of moisture migration in vadose zone on the groundwater recharge; ② The proposed observations and researches should learn from the “Critical Zone Observatory”, and focus on the coupling of the soil moisture migration, solute transport and groundwater recharge.     

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.     

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。     

厚层非饱和黄土中优势流和活塞流的讨论

厚层黄土中包气带水的运动方式一直存在争议。一种认为是活塞流,另一种认为是优势流,也有人认为两者并存。本文通过现场观测和两个模型试验,揭示活塞流是包气带中水分的特有的运移方式;基于非饱和土的土水特征,进一步证明优势流仅存在于饱和土中。自然界的黄土多处于非饱和状态,因此活塞流是黄土包气带中水的主要运移方式,而优势流是暂态和局部的,仅出现在降雨时期的浅层饱和区,或者低洼的汇水区。黄土中的垂直节理、卸荷裂隙、动物洞穴和植物根孔等优势通道是地表汇流的排水通道,而不是地下水的补给通道。     

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。     

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.     

斜坡非饱和带低渗透岩石结构体风化前锋扩展过程

非饱和带低渗透岩石结构体风化前锋扩展是斜坡灾害孕育过程中的关键环节之一。到目前为止,化学风化领域的研究成果主要集中在高水-岩比的饱和环境下单矿物及矿物成分单一的碳酸盐岩的风化动力学方面,非饱和环境下的岩石风化研究还主要限于风化产物的特性描述方面。斜坡非饱和带低渗透岩石结构体风化前锋扩展是一种高度复杂的THMC过程。由于在溶解对象、溶解液及溶解过程的水动力-水化学环境等方面存在的显著差异,既有的地质材料风化动力学成果为探索这一复杂过程提供了理论储备,但还不能阐明其核心机理。斜坡非饱和带低渗透岩石结构体风化前锋的扩展过程研究不仅可以加深人们对斜坡灾害孕育的理解,为灾害预报-预警及其控制提供理论依据,同时可以促进岩石-岩体力学及浅表生水文地球化学等相关学科的交叉与发展。     

包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响

为探讨包气带深部增厚区土壤水力参数变化对入渗补给过程的影响,采用压力膜仪对河北正定深部包气带(8.0~21.0 m)10个原状土样进行水分特征曲线测试,利用RETC软件中Mualem-van Genuchten导水率模型对其拟合,获取含水率与非饱和导水率的关系曲线,并根据达西法对其进行分析讨论.结果表明:场地包气带深埋区的非饱和导水率为25~240 mm/a.当某一埋深历史水位下降速度越快,该埋深处相同含水率情况下土壤非饱和导水率越大,说明对应土层的入渗补给强度越大;因包气带厚度增大使原来位于饱水带的层状非均质土层转变为包气带,潜水位波动下降过程中深部包气带土层因排水压密作用,使得土壤水力特性发生变化,进而影响垂向入渗补给过程.