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.     

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,     

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。     

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。     

包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的应用

在干旱半干旱地区,包气带的溶质和同位素剖面不但可以提供较长时间尺度上的地下水补给信息,而且记录了过去气候变化与环境变化信息。本文基于学科组近10年的研究成果,以鄂尔多斯盆地为例（包括南部的黄土高原和北部的沙漠高原）,将包气带和饱和带结合起来,利用多种环境示踪技术,提升了包气带在干旱半干旱地区地下水研究中的潜力,并将其应用到地下水补给历史重建、地下水补给机制确定、植被变化对地下水补给影响评价和地下水污染物全过程示踪中。研究表明,由于在干旱半干旱地区,包气带较厚且补给量有限,地下水和现今的浅表水文过程未达到水力平衡,如在沙漠高原西部,近2 500 a降水尚储存在包气带13 m以浅,地下水是4 000 a以前补给的,其水化学特征与浅部包气带水差异巨大;而在黄土高原,补给量较大,但包气带巨厚,年降水仍需要几十到上百年时间入渗到地下水（但并不意味着没有补给,其土壤水在包气带中平均入渗速率为0.1~0.3 m·a-1）,包气带浅部溶质含量较深部和地下水中的高;典型黄土塬区的地下水均不含氚,地下水年龄在几百到上万年。黄土内部层状均匀的土壤质地特征和相对较老的地下水年龄揭示的均匀活塞流入渗是黄土塬区浅层地下水补给的主要方式。黄土高原退耕还林还草和沙漠区植被恢复导致地下水补给呈现不同程度的减少,反映在包气带上表现为溶质含量的增加,可用于定量化确定地下水补给量的变化。本文强化了包气带在干旱半干旱地区地下水补给研究中的作用,在未来地下水资源评价、地下水污染全过程刻画中应得到重视。     

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     

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。     

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。     

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。     

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。     

冻结-冻融过程中水分运移机理

为研究冻结-冻融过程中水分运移机理,在天山北麓平原通过人为控制潜水不同埋深条件下的模拟试验和田间土壤水分运移观测试验,分析了土壤水势分布和土壤含水量分布特征,发现冻结过程不同潜水埋深条件下的土壤水分运移机理、土壤水与潜水之间的相互转化关系有明显差异.在冻结过程中,潜水浅埋条件下,冻结层下界面与潜水面之间土壤水分运移状态呈上渗型,土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时引起潜水蒸发损耗使潜水位下降,表现出地下水向土壤水转化的基本特征.潜水深埋区,土壤水分运移状态呈上渗-入渗型,同样土壤水向冻结层下界面处运移、积累,同时潜水得到一定的入渗补给并使潜水位上升,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融过程中对于不同潜水埋深,由原来各自的土壤水分运移状态均逐渐转变为入渗型,形成潜水入渗补给,表现为土壤水向地下水转化的特征.冻融期是土壤水资源、地下水资源形成的重要时期,对于干旱少雨的西北地区而言,冻融水的形成、运移和入渗补给地下水具有重要的生态环境意义.     

浅析包气带土壤水分势能

研究大气水、地表水、土壤水、地下水四水转化过程,直接关系到国民经济的发展,是开发利用水资源必不可少的一步。包气带土壤水分运动是这一过程中尤为重要的一个环节。阐明包气带土壤水分运动规律,土壤水分入渗、蒸发机理,确定入渗、蒸发量及其影响最大深度,其中起决定性作用的是土水势。本文对包气带土壤水分势能动态规律及其影响因素,从以下三方面加以分析。     

地下水包气带溶质采样新技术

地下水包气带中溶质包括可溶性盐分、土壤气体和微生物等,其中的盐分溶解在土壤水中,气体组分和空气一起在包气带孔隙中弥漫,而微生物在土壤水分和固体颗粒界面上繁衍生息。本文集中介绍这个特殊环境中包气带溶质的采样方法、采样装置和样品保护措施,从而为包气带溶质运移、转化和富集规律的研究奠定基础。     

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。     

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。     

利用环境示踪剂估算滹沱河冲洪积扇地下水天然补给

包气带是降水补给地下水的一个主要环节,是了解补给变化的地质信息载体。以滹沱河冲洪积扇河北省正定试验场包气带剖面为研究对象,利用环境示踪剂(氚和氯)方法,估算了该区地下水近三十多年来的天然补给强度。研究结果表明:近30年来天然降水平均补给强度约为0.089m/a,在天然条件下该区降水垂直运移速度约为0.6m/a,其变化趋势主要受降水量变化影响,并表现出一定的滞后性。     

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。     

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.     

用中子水分仪研究降雨补给地下水过程中土壤水分的变化

本文主要介绍利用包气带和饱水带连系在一起的物理模型,通过中子水分仪对土壤水分含量变化过程的测定,研究降雨入渗补给地下水的机制。 中子水分仪是研究土壤水分运动的理想仪器。据测定,试验系统所提供的起始土壤水分的垂向分布,是由饱水带,支持毛管水带、田间持水量带和表层缺水带等四个区段构成的。此种模型在地下水位埋藏较浅的平原地区具有普遍意义。 试验结果表明,降雨的初渗主要发生在表层缺水带。在此范围内,即使降雨强度不变,含水率也在逐步增加,直至超过田间持水率。稳渗则发生在处于田间持水量状态的区段,土壤水分含量的增加,说明入渗水流是以锋面运动的形式均匀缓慢地向下移动的。当入渗锋面到达支持毛管水带之后,不待完成全区段的土壤含水率增加过程,就发生了地下水位抬升和水平流动。可见,入渗锋面到达支持毛管水带上缘之时就是降雨入渗直接补给地下水的开始。次降雨量降了产生地表径流和补充不足田间持水量的亏缺部分外,其余入渗水量都将成为地下水的补给量。所以,产生入渗补给的首要条件是降雨量必须大于土层缺水量。实际补给量的多少,则与土壤前期含水量、地下水埋藏深度、降雨特性等因素有关。