降雨入滲補給規律的分析研究

陳建峰

(山西省水文水資源勘測局太谷均均衡實驗站,山西 太谷 030800)

降雨入滲補給規律的分析研究

陳建峰

(山西省水文水資源勘測局太谷均均衡實驗站,山西 太谷 030800)

淺層地下水資源計算中,降雨入滲補給系數是最基本的參數,而求解參數關鍵是確定降雨入滲補給量。從其土壤水下滲機理,包氣帶蓄水庫容,降雨入滲補給系數方面分析研究,最后得出:包氣帶可容納庫容是降雨入滲補給量的極限值;降雨入滲補給系數因不同巖性、土壤前期含水量、降雨量等因素而變化;降雨入滲補給規律存在一個地下水最佳埋深。

下滲;庫容;降雨入滲補給;降雨入滲系數

1 土壤水下滲的物理過程及規律

1.1 下滲的物理過程

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程,土壤水分在土壤中運動受到分子力、毛管力和重力的控制,其運動過程也就是在各種力綜合作用下尋求平衡的過程。分子力、毛管力隨著土壤水分增加而減小,當毛管孔隙充水達到飽和時,水分主要在重力作用下運動。下滲過程按水分所受的作用力及運動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,滲潤非常明顯,當土壤含水量大于最大分子持水量時,滲潤消失。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定流動,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:當土壤孔隙被水分充滿而飽和時,水分在重力作用下呈穩定運動。

滲漏是非飽和水流運動,滲透則屬于飽和水流運動。

1.2 下滲過程中土壤含水量的垂線分布規律并,子 滲的物理過程及規律

下滲水流在均質土壤中垂直運動的特征,是通過下滲過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,濕潤帶、濕潤鋒四個水分帶,見圖 1。

飽和帶:當下滲水流滲到 10 cm土層厚時,兩種實驗土壤 (砂壤土及粉砂壤土)表面 1 cm內的含水量都接近于飽和含水量,形成一個飽和帶,無論浸潤深度怎樣增大,這個飽和帶厚度都不超過 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,形成一個水的過渡帶,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,形成一個水分傳遞帶。隨著供水歷時的增長濕潤鋒不斷下移,水分傳遞帶不斷向下延伸,而其土壤含水量保持在上述數值范圍內,水分傳遞帶的土壤含水量大致在飽和含水量的 60～80%左右,并且這一帶毛管勢梯度極小,當水分滲入足夠深度時,水分的傳輸運行主要是重力作用,在均質土壤中下滲率接近這個常值。

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

濕潤鋒:在濕潤帶的末端,土壤含水量突變,與下層干土有明顯的界面,稱濕潤鋒。

2 包氣帶土壤蓄水庫容分析

2.1 包氣帶土壤對入滲水量的可容納庫容

包氣帶像水庫、湖泊一樣起著存儲和調節的作用,其調節能力受包氣帶巖性、降雨特性、作物類別、土壤前期含水量、潛水埋深、蒸發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,稱為總庫容?？値烊莅ㄓ行烊?、死庫容和重力水庫容。

圖1 下滲過程中水分分布分帶

有效庫容是指作物生長期間可以吸收的那部分土壤水,死庫容是指作物生長期的土壤對作物供水達到凋萎點時,土壤含水量分布曲線所圍的單位面積。所煥發 80% 均勻分布,形成一個水分傳遞帶,重力水庫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為重力蓄水庫容 (mm);θW為土壤飽和含水量(%);θ為毛細上升帶土壤含水量 (%);θ0為土壤田間持水量 (%);d為地下水埋深 (m);z為毛細水上升高度 (m);

降雨入滲補給量填滿可容納庫容,剩余的降雨量不能入滲,因此包氣帶庫容是降雨入滲補給量的一個極限值。地下水埋深越大,庫容越大,這種關系可用 V(庫容)-地下水埋深關系曲線來表示,見圖 2。

圖2 重力水庫容-地下水埋深關系曲線

2.2 入滲水量決定于入滲途中包氣帶土壤所吸收的水量

在降雨入滲補給量的形成過程中,由于包氣帶土壤具有毛管力和分子力,產生了對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,入滲的補給量越大,即前期土壤含水量與降雨入滲補給量成正比關系。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,因而入滲強度大,補給量也大。同時砂性土壤的吸力小,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,補給地下水的水量就越少。這種規律可用降雨入滲補給量 P-地下水埋深H曲線關系圖 3來描述。

圖3 降雨入滲補給量-地下水埋深關系曲線

3 降雨入滲補給規律的分析研究

3.1 不同埋深,不同巖性降雨入滲補給系數變化規律

年降雨入滲系數是指一年內通過包氣帶補給地下水的量與降水量的比值。通過采用年降雨量為權重的加權平均法計算多年平均降雨入滲系數,繪出曲線如圖 4。

圖4 不同巖性降雨入滲系數

反映了在不同的巖性條件下,降水入滲系數隨水位埋深(包氣帶厚度)的增加而減小,降雨入滲系數在 1m左右達到最大,1m以下,降雨入滲系數會漸減小,并在大于 3m以下趨于穩定。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各異,砂質土較大、粘性土較小。

3.2 降雨入滲補給最佳地下水埋深和大埋深穩定點分析

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

降雨入滲補給最佳地下水埋深:降雨入滲補給系數 a達到最大時的地下水埋深。當地下水埋深小于該值時,a值隨地下水埋深的增大而增大;當地下水埋深大于該值時,a值隨地下水埋深的增大而減小。

降雨入滲補給大埋深穩定點:降雨入滲補給系數 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,降雨入滲補給系數基本不再隨地下水埋深的增大而變化。

4 降雨入滲補給系數的分析

4.1 年入滲補給與降雨的關系

天然降降雨過程基本上以年為周期變化,且主要集中在每年的雨季。當地下水埋深足夠大時,峰點滯后的時間將遠大于年度降雨過程中能夠形成入滲補給的降雨時間間隔,由各次降雨引起的入滲補給量的動態波形相互疊加,波峰和波谷疊合使整個年降雨入滲過程中只出現一個補給高峰,間斷的降雨輸入通過包氣帶的轉化就形成了連續入滲補給的輸出。當地下水埋深為 1m時,降雨過程中的各次降雨與其產生的入滲補給一一對應,形成一個完整的補給過程,這樣,根據各次降雨所對應的補給過程就能確定其補給量的大小。而當水位埋深大于 3m時,入滲補給的滯后時間延長,各次降雨形成的入滲補給過程都不獨立,很難直接確定降雨形成的入滲補給量的大小。當水位埋深達到 7m時,降雨入滲補給峰值可滯后數月,使整個的雨季入滲補給過程只出現一個補給高峰,年降雨產生的補給、輸出不能在當年完成,當年降雨入滲補給量的大小不能反映本年降雨所產生的入滲補給,只能根據多年補給過程中補給高峰與年度降雨過程的對應關系,確定各次降雨產生的補給量。一般入滲補給量隨降雨的增加而增大。

4.2 年降雨入滲系數分析

年降雨入滲系數是指一年內通過包氣帶補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隨潛水位埋深變化的規律基本一致,隨埋深增大,年降雨入滲系數逐漸減小;大于 3 m后,年降雨入滲系數與埋深無顯著關系。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各異,砂質土較大,粘性土較小,即粉細砂＞黃土狀亞砂土＞輕亞砂土＞亞粘土＞。

5 結語

包氣帶可容納庫容是降雨入滲補給量的極限值。降雨入滲補給系數因不同巖性、土壤前期含水量、降雨量等因素而變化。降雨入滲補給規律存在一個地下水最佳埋深,此時入滲量最大,降雨入滲補給系數最大;當地下水埋深大于大埋深穩定點后,降雨入滲補給系數基本趨于穩定。

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1004-1184(2010)03-0030-02

2009-12-22

陳建峰(1965-),男,山西太谷人,工程師,主要從事水均衡實驗研究。