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。     

西北地区沙丘凝结水形成机制及对生态环境影响初步探讨

西北地区沙漠及荒漠化地区，包气带的水分来源除来自大气降水外，还来自凝结水，凝结水对包气带中水分的保存、运移及荒漠植被生态起到至关重要的作用。作者在甘肃省河西走廊高台县西的流动沙漠边缘的半固定沙丘上，采用TSCⅡ智能化土壤水分快速测试仪，SN2202数字温度计、CENTER1300相对湿度仪进行了凝结水观测试验。对沙丘表层0～30cm范围内的气温、地表温度、地温和含水量进行连续观测，每2h观测一次，试验历时5d。试验结果表明，在西北沙漠、荒漠化地区有凝结水存在，它的形成不仅对包气带中水分的保存及分布起着重要的作用，并且对维系荒漠化地区的植被生态系统的稳定至关重要。并对凝结水形成机制进行了初步探索；初步确定，日气候变化造成的地表温度与地温温差是凝结水形成的主控因素，包气带中的含水量分布则控制着凝结水的多寡，凝结水主要出现在干沙层与湿润砂层界面上。     

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.     

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。     

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,     

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。     

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%。     

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。     

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。     

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.     

Geochemistry of sediment moisture in the Badain Jaran desert: Implications of recent environmental changes and water-rock interaction

Unsaturated zone pore water has the potential to record history of recharge, palaeoenvironment, pollution movement and water-rock interaction as it percolates through and moves towards the water table. In this study, two 6-m cores from the Badain Jaran desert (NW China) were collected to explore this potential using directly extracted moisture. Pore waters in these unsaturated zone sediments (1–5% moisture by wet weight) were directly extracted using immiscible liquid displacement and then analysed for major anions, cations and trace elements. Results show enrichment in pore water chemistry in the top 1–2 m where strong temperature and moisture fluxes occur. The enrichment in cations relative to chloride is primarily due to silicate mineral dissolution during infiltration. High nitrate and low iron concentrations indicate the overall oxidizing environment, which allows the mobility of oxyanions, such as uranium, arsenic and chromium. The trace elements show enrichment in the upper zone of fluctuation where chemical gradients are strong, but with lesser reaction lower in the profile. The calculated groundwater recharge rates using the chloride mass balance are negligible in this arid region between 1.5 and 3.0 mm/year. The modern rainfall infiltration signature contrasts with that of the underlying groundwater body, which has a distant, regional recharge signature.This reconnaissance study demonstrates the potential for a new geochemical approach to studying geochemical processes in the unsaturated sediments in semi-arid environments due to both natural and human influences. The use of directly extracted water, rather than extraction by dilution (elutriation), facilitates an improved understanding of hydrological and geochemical processes in the unsaturated zone and into the capillary fringe at the water table, because it avoids potential chemical changes induced during elutriation.     

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。     

盐渍土水-热场耦合效应与盐胀变形试验

为了研究西北干旱地区盐渍土在自然气候条件下的水-热场变化特征与盐胀变形规律,在4.5 m深试验坑内埋设了若干套竖向变形观测设备、含水率和温度传感器,对坑内不同深度土层的温度场、水分场和盐胀变形随季节性变化状况进行了为期1 a的动态监测和分析研究。结果表明：0.6 m以上土层相较于其他土层对气候温度变化的响应更加积极、温差变化幅值也更大,且土层间的温差幅值随降温期的不断深入而增大;土体含水率变化主要受降水、蒸发和温度梯度的耦合影响, 0.4 m以上土层水分的变化幅度较其他土层而言更为显著,土层水分迁移沿深度方向表现出分带现象;盐胀变形主要受温度和水分迁移的影响,盐胀变形主要发生在距地表1.0 m土层深度内,主要发展时间在当年11月至次年2月之间。     

浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究

西北荒漠化地区,包气带中的水分除来自大气降水外,还来自凝结水。凝结水对维持荒漠地区的植被生态环境起到至关重要的作用,而凝结水的形成机制又反映在包气带地温与含水量的昼夜动态过程中。文中报告了室外沙坑浅层包气带地温与含水量观测的实验结果。土壤含水量变化采用原位测试的方法观测,避免了传统称重法产生的干扰和不确定性。实验中对深度0~30cm范围的土壤温度进行了高密度观测。结果表明,温度梯度对水汽的运移起到主控作用,温度梯度方向向下,土壤含水量增加,反之,含水量减少。通过热传导方程对土壤中的传热过程进行分析,得到傅立叶级数表示的温度波方程,用于预测不同深度土壤响应地表条件而产生的温度变化。实验中还对近地表微气象以及土壤负压等因素进行了观测。     

氯离子守恒法确定土壤生态蓄水量

通过实验测得降水及土壤水的氯离子浓度,依据化学守恒原理,即降水与包气带土壤水中氯离子的质量守恒关系,计算出长春市丘陵、台地、阶地3类不同地貌区土壤一年内所得水量,该水量为土壤生态蓄水量。将土壤生态蓄水量与土壤的田间持水量、作物的生态需水量进行对比分析,评述了三者之间的关系。阐明土壤生态蓄水量不仅能客观反映土壤中的水分含量情况,也能对植被生态需水量的满足情况给予客观评价。     

Soil moisture potential and water content in the unsaturated zone within the arid Ejina Oasis in Northwest China

Three soil profiles were selected in the Ejina Oasis, northwest China, to determine water content profiles and evolution of soil moisture potentials in the unsaturated zone within the arid area. The total soil moisture potentials have been monitored for about 3 months in 2001 at different depths in the soil profiles. The occurrence and movement of water in the unsaturated zone was analyzed using the zero flux plane (ZFP) method. It is shown that convergent ZFPs and divergent ZFPs may occur at depths between 0.5 and 3.0 m, and that the depth of the ZFPs was controlled by the root zone of plants growing on the land surface. Profiles of the total soil moisture potentials were observed to be coincident with those of the water contents at the three experimental sites. The total soil moisture potential showed a slight increasing trend and the ZFPs tend to vanish from summer to winter as the water extraction by roots decreased. Evapotranspiration through vegetation has an important bearing on the water content and the total potential in the unsaturated zone.     

浅层包气带水汽昼夜运移规律及其数值模拟研究

西北干旱、半干旱地区,浅层包气带水分通量主要由水汽组成,而水汽在运移过程中产生的能量转换和质量迁移是地表质能平衡计算不可缺少的重要源汇项。在野外进行一个沙坑实验,发现土壤水在中午(12:00—15:00)达到最大值(10cm深度,5.9~6.1cm3/cm3;30cm深度,11.9~13.1cm3/cm3),而在凌晨(02:00—05:00)出现最小值(10cm深度,4.4~4.5cm3/cm3;30cm深度,10.4~10.8cm3/cm3)。为进一步验证该实验条件下的土壤水运移及分布规律,考虑了土壤水、汽、热耦合运移的HYDRUS-1D模型被用来对实验过程进行模拟,模拟结果与实测结果吻合较好。为描述土壤水分昼夜运移模式,笔者将土壤水耦合运移的时间信息和空间信息进行同步分析;并根据土壤水运移的不同驱动力,分别对温度梯度、基质势梯度作用下的液态水及汽态水通量进行了分析。     

考虑非饱和浸润区的改进Green-Ampt模型

经典Green-Ampt入渗模型计算简单,广泛应用于土壤入渗问题的研究,但在湿润锋处理上采用明显的干湿分离界面,存在一定的理论假设。鉴于此,基于饱和区−非饱和浸润区分层模型,结合达西定律,推导出入渗过程中饱和区厚度与非饱和浸润区厚度关系的理论公式,提出了水分剖面理论模型,消除了饱和区厚度和浸润区厚度的关系假设。在此基础上,建立了考虑土壤水分剖面形状和非饱和浸润区等效参数的改进Green-Ampt模型,并采用试验和有限元数值仿真对该模型进行了验证,结果表明：该模型有很高的精度,对不同类型的土有很好的适应性。同时该模型求解简单,参数物理意义明确,便于工程应用。     

西北地区额济纳绿洲非饱和带水分和盐分分布

在西北地区黑河流域下游的额济纳绿洲选择3个土壤剖面采集不同深度土壤样品和潜水样品进行测试,并在野外观测非饱和带不同深度的水土势变化。结果表明,SO4^2-是非饱和带土壤和地下水中的主要离子成分,土壤和地下水呈偏碱性。土壤易溶离子含量随深度大体上呈减少趋势。绿洲非饱和带发育有收敛型和发散型零通量面,自夏季至冬季,零通量面变得不清晰直至消失。在非饱和带中,土壤易溶盐含量、含水量和总水土势随深度的变化趋势基本相同,植物根系的吸收对水分和盐分的垂直分布有着重要的影响。     

非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究

黄土强度受含水状态的影响作用较为显著,其随含水状态的周期性变化而变化,进而引起一系列病害。为研究非饱和黄土中水蒸气和温度的扩散运移规律,通过室内填筑模型试验,在重塑黄土中通入高温高压水蒸气,分析了非饱和重塑黄土中水蒸气和温度扩散运移规律。试验结果表明:在非饱和重塑黄土中,水蒸气扩散范围近似为椭球形;水蒸气扩散速率沿径向逐渐减小,增加蒸气压,蒸气扩散速率、扩散范围和增湿程度都将增大;蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃ ·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃ ·min-1;土体密度越大,水蒸气扩散时受到土颗粒的阻碍越大,随着水蒸气径向扩散距离增大,这种阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。