陳建峰

(山西省水文水資源勘測(cè)局太谷均均衡實(shí)驗(yàn)站,山西 太谷 030800)

降雨入滲補(bǔ)給規(guī)律的分析研究

陳建峰

(山西省水文水資源勘測(cè)局太谷均均衡實(shí)驗(yàn)站,山西 太谷 030800)

淺層地下水資源計(jì)算中,降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)是最基本的參數(shù),而求解參數(shù)關(guān)鍵是確定降雨入滲補(bǔ)給量。從其土壤水下滲機(jī)理,包氣帶蓄水庫(kù)容,降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)方面分析研究,最后得出:包氣帶可容納庫(kù)容是降雨入滲補(bǔ)給量的極限值;降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)因不同巖性、土壤前期含水量、降雨量等因素而變化;降雨入滲補(bǔ)給規(guī)律存在一個(gè)地下水最佳埋深。

下滲;庫(kù)容;降雨入滲補(bǔ)給;降雨入滲系數(shù)

1 土壤水下滲的物理過(guò)程及規(guī)律

1.1 下滲的物理過(guò)程

下滲是指降落到地面上的的雨水從土壤表面滲入土壤的過(guò)程,土壤水分在土壤中運(yùn)動(dòng)受到分子力、毛管力和重力的控制,其運(yùn)動(dòng)過(guò)程也就是在各種力綜合作用下尋求平衡的過(guò)程。分子力、毛管力隨著土壤水分增加而減小,當(dāng)毛管孔隙充水達(dá)到飽和時(shí),水分主要在重力作用下運(yùn)動(dòng)。下滲過(guò)程按水分所受的作用力及運(yùn)動(dòng)特征分為滲漏和滲透階段。

滲漏階段:前期下滲水分主要是在分子力作用下,被土壤顆粒吸附而成為薄膜水,在土壤干燥時(shí),滲潤(rùn)非常明顯,當(dāng)土壤含水量大于最大分子持水量時(shí),滲潤(rùn)消失。滲漏階段后期,下滲水分主要在毛管力、重力作用下,在土壤孔隙中向下作不穩(wěn)定流動(dòng),并逐步填充土壤孔隙,直到全部孔隙為水充滿而飽和。

滲透階段:當(dāng)土壤孔隙被水分充滿而飽和時(shí),水分在重力作用下呈穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。

滲漏是非飽和水流運(yùn)動(dòng),滲透則屬于飽和水流運(yùn)動(dòng)。

1.2 下滲過(guò)程中土壤含水量的垂線分布規(guī)律并,子 滲的物理過(guò)程及規(guī)律

下滲水流在均質(zhì)土壤中垂直運(yùn)動(dòng)的特征,是通過(guò)下滲過(guò)程中土壤含水量分布的水分帶反映的,具體可分為飽和帶,水分傳遞帶,濕潤(rùn)帶、濕潤(rùn)鋒四個(gè)水分帶,見(jiàn)圖 1。

飽和帶:當(dāng)下滲水流滲到 10 cm土層厚時(shí),兩種實(shí)驗(yàn)土壤 (砂壤土及粉砂壤土)表面 1 cm內(nèi)的含水量都接近于飽和含水量,形成一個(gè)飽和帶,無(wú)論浸潤(rùn)深度怎樣增大,這個(gè)飽和帶厚度都不超過(guò) 1.5 cm。

水分傳遞帶:在飽和帶以下,土壤含水量隨深度的增加急劇減小,形成一個(gè)水的過(guò)渡帶,而后土壤含水量基本保持在飽和含水量與田間持水量之間,沿垂線均勻分布,形成一個(gè)水分傳遞帶。隨著供水歷時(shí)的增長(zhǎng)濕潤(rùn)鋒不斷下移,水分傳遞帶不斷向下延伸,而其土壤含水量保持在上述數(shù)值范圍內(nèi),水分傳遞帶的土壤含水量大致在飽和含水量的 60～80%左右,并且這一帶毛管勢(shì)梯度極小,當(dāng)水分滲入足夠深度時(shí),水分的傳輸運(yùn)行主要是重力作用,在均質(zhì)土壤中下滲率接近這個(gè)常值。

濕潤(rùn)帶:是聯(lián)接濕潤(rùn)鋒面與水分傳遞帶的一個(gè)含水量隨深度迅速減少的水分帶。隨濕潤(rùn)鋒的不斷下移,濕潤(rùn)帶也向下移動(dòng),使其下面的干土含水量增加,變成濕潤(rùn)部分。

濕潤(rùn)鋒:在濕潤(rùn)帶的末端,土壤含水量突變,與下層干土有明顯的界面,稱(chēng)濕潤(rùn)鋒。

2 包氣帶土壤蓄水庫(kù)容分析

2.1 包氣帶土壤對(duì)入滲水量的可容納庫(kù)容

包氣帶像水庫(kù)、湖泊一樣起著存儲(chǔ)和調(diào)節(jié)的作用,其調(diào)節(jié)能力受包氣帶巖性、降雨特性、作物類(lèi)別、土壤前期含水量、潛水埋深、蒸發(fā)能力以及植被等因素影響,其范圍為潛水面至地表間的蓄水空間,稱(chēng)為總庫(kù)容?？値?kù)容包括有效庫(kù)容、死庫(kù)容和重力水庫(kù)容。

圖1 下滲過(guò)程中水分分布分帶

有效庫(kù)容是指作物生長(zhǎng)期間可以吸收的那部分土壤水,死庫(kù)容是指作物生長(zhǎng)期的土壤對(duì)作物供水達(dá)到凋萎點(diǎn)時(shí),土壤含水量分布曲線所圍的單位面積。所煥發(fā) 80% 均勻分布,形成一個(gè)水分傳遞帶,重力水庫(kù)容是指飽和含水量與土壤田間持水量曲線之間的單位面積,即:

式中:Ww為重力蓄水庫(kù)容 (mm);θW為土壤飽和含水量(%);θ為毛細(xì)上升帶土壤含水量 (%);θ0為土壤田間持水量 (%);d為地下水埋深 (m);z為毛細(xì)水上升高度 (m);

降雨入滲補(bǔ)給量填滿可容納庫(kù)容,剩余的降雨量不能入滲,因此包氣帶庫(kù)容是降雨入滲補(bǔ)給量的一個(gè)極限值。地下水埋深越大,庫(kù)容越大,這種關(guān)系可用 V(庫(kù)容)-地下水埋深關(guān)系曲線來(lái)表示,見(jiàn)圖 2。

圖2 重力水庫(kù)容-地下水埋深關(guān)系曲線

2.2 入滲水量決定于入滲途中包氣帶土壤所吸收的水量

在降雨入滲補(bǔ)給量的形成過(guò)程中,由于包氣帶土壤具有毛管力和分子力,產(chǎn)生了對(duì)入滲水量的吸收作用,前期土壤含水量越大,土壤具有的吸力越小,土壤下降的吸收量越小,入滲的補(bǔ)給量越大,即前期土壤含水量與降雨入滲補(bǔ)給量成正比關(guān)系。此外由于各種土壤有不同的透水性和吸水能力,例如砂性土壤的顆?？臻g空隙大,透水性強(qiáng),因而入滲強(qiáng)度大,補(bǔ)給量也大。同時(shí)砂性土壤的吸力小,吸收入滲的降雨量也小,因此增加了降雨入滲補(bǔ)給量。

總之地下水埋深越大,包氣帶土層越厚,土壤所吸收的水量越多,下滲水量沿程損失越大,補(bǔ)給地下水的水量就越少。這種規(guī)律可用降雨入滲補(bǔ)給量 P-地下水埋深H曲線關(guān)系圖 3來(lái)描述。

圖3 降雨入滲補(bǔ)給量-地下水埋深關(guān)系曲線

3 降雨入滲補(bǔ)給規(guī)律的分析研究

3.1 不同埋深,不同巖性降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變化規(guī)律

年降雨入滲系數(shù)是指一年內(nèi)通過(guò)包氣帶補(bǔ)給地下水的量與降水量的比值。通過(guò)采用年降雨量為權(quán)重的加權(quán)平均法計(jì)算多年平均降雨入滲系數(shù),繪出曲線如圖 4。

圖4 不同巖性降雨入滲系數(shù)

反映了在不同的巖性條件下,降水入滲系數(shù)隨水位埋深(包氣帶厚度)的增加而減小,降雨入滲系數(shù)在 1m左右達(dá)到最大,1m以下,降雨入滲系數(shù)會(huì)漸減小,并在大于 3m以下趨于穩(wěn)定。在相同的降雨特征和水位埋深條件下,不同巖性的降雨入滲系數(shù)各異,砂質(zhì)土較大、粘性土較小。

3.2 降雨入滲補(bǔ)給最佳地下水埋深和大埋深穩(wěn)定點(diǎn)分析

降雨入滲補(bǔ)給地下水,地下水埋深變化尤其重要,埋深反映了盛水庫(kù)容的大小和土壤所含水分的多少。當(dāng)埋深為零時(shí),即盛水庫(kù)容為零,此時(shí)無(wú)論降雨多大,均無(wú)入滲補(bǔ)給;當(dāng)埋深增加時(shí),盛水庫(kù)容增大,地下水得到了降雨入滲補(bǔ)給,并隨埋深的增加而增大,同時(shí)埋深增大,降雨入滲的損失(土壤缺水量及由于下滲引起的蒸發(fā)損失)也增加,當(dāng)埋深增大到一定數(shù)值后,蒸發(fā)損失和滯留在包氣帶當(dāng)中的水分等于入滲量,地下水就得不到降雨入滲補(bǔ)給,a為零,這樣必然存在一個(gè)降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)最大值和最佳的地下水埋深。

降雨入滲補(bǔ)給最佳地下水埋深:降雨入滲補(bǔ)給系數(shù) a達(dá)到最大時(shí)的地下水埋深。當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谠撝禃r(shí),a值隨地下水埋深的增大而增大;當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥谠撝禃r(shí),a值隨地下水埋深的增大而減小。

降雨入滲補(bǔ)給大埋深穩(wěn)定點(diǎn):降雨入滲補(bǔ)給系數(shù) a不再隨地下水埋深的增大而變化的地下水埋深。一般情況下,地下水埋深大于 5m時(shí),降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)基本不再隨地下水埋深的增大而變化。

4 降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的分析

4.1 年入滲補(bǔ)給與降雨的關(guān)系

天然降降雨過(guò)程基本上以年為周期變化,且主要集中在每年的雨季。當(dāng)?shù)叵滤裆钭銐虼髸r(shí),峰點(diǎn)滯后的時(shí)間將遠(yuǎn)大于年度降雨過(guò)程中能夠形成入滲補(bǔ)給的降雨時(shí)間間隔,由各次降雨引起的入滲補(bǔ)給量的動(dòng)態(tài)波形相互疊加,波峰和波谷疊合使整個(gè)年降雨入滲過(guò)程中只出現(xiàn)一個(gè)補(bǔ)給高峰,間斷的降雨輸入通過(guò)包氣帶的轉(zhuǎn)化就形成了連續(xù)入滲補(bǔ)給的輸出。當(dāng)?shù)叵滤裆顬?1m時(shí),降雨過(guò)程中的各次降雨與其產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給一一對(duì)應(yīng),形成一個(gè)完整的補(bǔ)給過(guò)程,這樣,根據(jù)各次降雨所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)給過(guò)程就能確定其補(bǔ)給量的大小。而當(dāng)水位埋深大于 3m時(shí),入滲補(bǔ)給的滯后時(shí)間延長(zhǎng),各次降雨形成的入滲補(bǔ)給過(guò)程都不獨(dú)立,很難直接確定降雨形成的入滲補(bǔ)給量的大小。當(dāng)水位埋深達(dá)到 7m時(shí),降雨入滲補(bǔ)給峰值可滯后數(shù)月,使整個(gè)的雨季入滲補(bǔ)給過(guò)程只出現(xiàn)一個(gè)補(bǔ)給高峰,年降雨產(chǎn)生的補(bǔ)給、輸出不能在當(dāng)年完成,當(dāng)年降雨入滲補(bǔ)給量的大小不能反映本年降雨所產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給,只能根據(jù)多年補(bǔ)給過(guò)程中補(bǔ)給高峰與年度降雨過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系,確定各次降雨產(chǎn)生的補(bǔ)給量。一般入滲補(bǔ)給量隨降雨的增加而增大。

4.2 年降雨入滲系數(shù)分析

年降雨入滲系數(shù)是指一年內(nèi)通過(guò)包氣帶補(bǔ)給地下水的量與降雨量的比值。不同巖性條件下降雨入滲系數(shù)隨潛水位埋深變化的規(guī)律基本一致,隨埋深增大,年降雨入滲系數(shù)逐漸減小;大于 3 m后,年降雨入滲系數(shù)與埋深無(wú)顯著關(guān)系。在相同降雨特征和水位埋深條件下,不同巖性的降雨入滲系數(shù)各異,砂質(zhì)土較大,粘性土較小,即粉細(xì)砂＞黃土狀亞砂土＞輕亞砂土＞亞粘土＞。

5 結(jié)語(yǔ)

包氣帶可容納庫(kù)容是降雨入滲補(bǔ)給量的極限值。降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)因不同巖性、土壤前期含水量、降雨量等因素而變化。降雨入滲補(bǔ)給規(guī)律存在一個(gè)地下水最佳埋深,此時(shí)入滲量最大,降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)最大;當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥诖舐裆罘€(wěn)定點(diǎn)后,降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)基本趨于穩(wěn)定。

TV 211.1+2

B

1004-1184(2010)03-0030-02

2009-12-22

陳建峰(1965-),男,山西太谷人,工程師,主要從事水均衡實(shí)驗(yàn)研究。