包氣帶土壤顆粒大小對飽和帶地下水產(chǎn)流的影響研究

強(qiáng)思遠(yuǎn) 母小苗 姚帥 劉唐瓊 李若晴

摘要：地下水徑流是流域產(chǎn)流中非常重要的一部分，目前對流域產(chǎn)流的研究大多專注于流域下墊面性質(zhì)對地面及淺層壤中水徑流的影響。本文描述的是，研究不同上層土壤顆粒大小對飽和帶地下水產(chǎn)流影響的模擬降水-徑流實(shí)驗(yàn)，使用示蹤劑（NaCl）建立相似降雨條件下徑流電導(dǎo)率（EC值）的比例曲線，探究飽和帶含水層中的水在降雨過程中對徑流貢獻(xiàn)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在一次暴雨事件中，上層土壤顆粒的粒徑越小，補(bǔ)給河道的徑流中飽和帶含水層水所占的比例就越大，壤中流現(xiàn)象也隨上層土壤粒徑變小而消失。本實(shí)驗(yàn)可以幫助我們理解地下水與地表水之間的交互作用，有利于水質(zhì)管理，水土保持等工作的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：模型實(shí)驗(yàn)；示蹤劑；粒徑；地下水；含水層；交互

引言

地下水與地表水的交互是指兩者在數(shù)量與質(zhì)量之間的聯(lián)系，幾乎所有的地表水，如河流、湖泊、濕地和河口都與地下水相互作用。在許多情況下，地表水體從地下水系統(tǒng)中獲得水和溶質(zhì)，在其他情況下，地表水體是地下水補(bǔ)給的來源，并控制地下水水質(zhì)的變化。（Hirsch，2013）

影響地下水與地表水交互的因素有很多，如地形，氣候，巖土性質(zhì)等。

在非降雨期，地表水體主要依靠地下水補(bǔ)給以維持水流，地下水流是含水層補(bǔ)給地表水的主要形式[1]。當(dāng)流域降雨時(shí)，雨水下滲會(huì)使土壤含水量發(fā)生變化，影響地表水體與地下水之間的水力平衡。在降水時(shí)，地下水與地表產(chǎn)流同時(shí)補(bǔ)給地表水體，而地下水對地表水體的補(bǔ)給比例不僅與降雨量，降雨強(qiáng)度有關(guān)，也受到上方包氣帶土壤性質(zhì)的影響，當(dāng)包氣帶含水量達(dá)到田間持水量后，重力成為土壤水運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)飽和含水層具有一定傾斜角度時(shí)，重力會(huì)驅(qū)動(dòng)土壤向位置較低的地表水體補(bǔ)給。經(jīng)典的產(chǎn)流理論將土壤性質(zhì)統(tǒng)一描述為下滲能力，包括粒徑，分選性，粘滯性[2]。在這些性質(zhì)中，土壤的粒徑或孔隙大小是決定土壤下滲能力的重要部分。

對于地下水與地表水交互的研究，國內(nèi)外已經(jīng)有了不少先例。魏思宇[3]通過GMS軟件建立了克魯克湖區(qū)的水文地質(zhì)概念模型，分析了該地區(qū)水均衡情況。李忠媛[4]（2017）從水動(dòng)力學(xué)機(jī)制概念入手，研究了濕地區(qū)域地表水和地下水的實(shí)際交互過程。俄亥俄州水資源部門證明了兩者間的水力聯(lián)系與相對水位的關(guān)系[5]，在近些年，溫度和環(huán)境示蹤劑等工具也被應(yīng)用在了研究中，比如氡-222 和氦-4的利用[6].在人工降雨的應(yīng)用上，謝申琦[7]通過人工模擬降雨試驗(yàn)分析了雨強(qiáng)對生物結(jié)皮坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，陳榮榮等人[8]通過人工降水設(shè)備模擬單次不同降水量降水事件，分析了降水事件后土壤CO2短期內(nèi)的脈沖釋放表現(xiàn)出的“Birch效應(yīng)”。王長庭[9]等通過模擬降水的梯度和自然條件下通過遮雨布來控制降水量的減少進(jìn)行條件下植物群落優(yōu)勢植物種群生長發(fā)育特征的測定，胡堃在對華北地區(qū)石質(zhì)山坡產(chǎn)流模型的研究[10]中兼顧了雨強(qiáng)不同但雨量相近，以及雨強(qiáng)相近而歷時(shí)不同的原則，模擬強(qiáng)度在0. 3m～ 2.3m/min之間的降雨。通過翻斗式自記雨量計(jì)測量負(fù)壓計(jì)和片狀TDR（ECH20），并用CR10X數(shù)據(jù)采集器，獲得時(shí)間步長的水勢和土壤含水量動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)。

為了進(jìn)一步研究地下水與地表水的交互，本文通過模擬降水-徑流實(shí)驗(yàn)，探究在降雨時(shí)包氣帶土壤粒徑的改變對地下水補(bǔ)給地表水?dāng)?shù)量的影響

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與材料

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用“desktop”模擬流域裝置（如圖一），包括一套降雨系統(tǒng)，土樣箱，數(shù)據(jù)收集和處理系統(tǒng)。

1）降雨系統(tǒng)：包括霧化噴頭，支架，流量計(jì)和供水管

2）土樣箱：長100cm，寬50cm的具有一定坡腳的透明箱，在土樣箱出口有上下兩排出水口，用以區(qū)分地面與地下徑流。

3）水箱：用于收集徑流并測量EC值和流出的徑流的體積。

其中，降雨量，總徑流量和徑流EC值由軟件TracerDAQPro收集并保存為excel數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的處理

1.2 土樣選擇及處理

本實(shí)驗(yàn)所選土壤分別為粒徑為0.02-0.2mm的較細(xì)砂（來自吉吉納普（西澳大利亞））和0.2-2mm的中粗粒砂[11]（來自珀斯周邊地區(qū)）。其中較粗顆粒孔隙度經(jīng)測量為0.4，初始土壤含水量1.59。

實(shí)驗(yàn)一：

①首先將粗粒砂樣倒入土樣箱，保持表面水平，覆蓋下層排水孔但低于上層排水孔，與上層排水孔保持一定距離。在本實(shí)驗(yàn)中粗粒土樣體積為7961cm?。

②對土樣施加濃度為10pp+的NACL溶液，直至土樣完全飽和。需溶液體積為：3184cm?，計(jì)算方式如下[12]：

③待土樣飽和后，將一層透水麻布覆于其上。這一步是為了使這一層砂樣達(dá)到剛好飽和的狀態(tài)，模擬飽水帶中的含水層，并用以分割土層并阻滯鹽分交換。

④將同樣的粗粒土置于麻布之上，平鋪，表面水平并與上層排水孔平行，緊鄰排水孔。這一步是模擬包氣帶，當(dāng)兩層土壤放置好后可以觀察到上層土壤因毛管力作用出現(xiàn)上升毛管水。

實(shí)驗(yàn)二：

前三步皆重復(fù)實(shí)驗(yàn)一

第四步，將細(xì)粒土置于麻布之上，要求同實(shí)驗(yàn)一第四步，以此形成對照組。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

①將土樣設(shè)置完成后，提前打開TracerDAQPro，開始記錄數(shù)據(jù)。

②打開水龍頭，開始降雨。

③從首次出現(xiàn)徑流開始計(jì)時(shí)，上下兩排的出水口均有水排出。排出的水在水箱口混合并測量EC值，流入水箱20分鐘后關(guān)閉水龍頭，停止降水。

④待徑流不再流出時(shí)停止計(jì)時(shí)，收集有關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.數(shù)據(jù)處理

注：本實(shí)驗(yàn)所有數(shù)據(jù)采樣間隔均為0.25s，以編號為橫坐標(biāo)

2.1 降雨

由圖可見，相比實(shí)驗(yàn)二，實(shí)驗(yàn)一的降水提前結(jié)束了30s。由于人工操作，我們可以看到兩次實(shí)驗(yàn)降雨的流量有細(xì)微差別，實(shí)驗(yàn)一平均強(qiáng)度為0.32L/min，實(shí)驗(yàn)二為0.22L/min，換算成雨強(qiáng)分別為1.06mm/s和0.743mm/s，兩者相差約0.3mm/s，皆超過暴雨紅色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)。

這些差別反映了細(xì)微降雨強(qiáng)度和總降雨量的不同，但由于降雨設(shè)施采用噴霧式設(shè)計(jì)，降雨對下墊面的動(dòng)力特征改變并無差別，同時(shí)根據(jù)蓄滿產(chǎn)流理論，當(dāng)土壤飽和后徑流的激發(fā)與降雨強(qiáng)度無關(guān)[13]，在本實(shí)驗(yàn)中因?yàn)橥寥荔w積的限制上層土壤也提早達(dá)到飽和狀態(tài)。這些差別并不會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也就是總徑流中地下水所占比例造成質(zhì)的影響，若結(jié)論有異，說明有其他的因素（土壤粒徑）的改變影響了徑流的激發(fā)機(jī)理并且作用效果更加明顯。當(dāng)然，雨量的差別也在一定程度上確實(shí)削弱了本實(shí)驗(yàn)的影響力。

2.2 徑流量

在對圖像的分析中，我們認(rèn)為混合徑流中EC值的下降表明來自降雨的徑流成分增加，EC值上升甚至超過土壤中飽和鹽水的EC值代表徑流溶解了土壤中原有的鹽分。而在實(shí)驗(yàn)一的初始階段，我們發(fā)現(xiàn)EC值有短暫的下降趨勢，綜合前兩條分析，EC值下降是因?yàn)榻涤戤a(chǎn)生徑流，并且與土壤沒有充分接觸。在實(shí)驗(yàn)中我們并沒有觀察到初期的地表排水，說明在初期，有一種以降水為主，但是通過地下排出的徑流形式，這與壤中流非常相似。而在實(shí)驗(yàn)二初始階段并未出現(xiàn)EC值的明顯下降，說明是因?yàn)榧?xì)粒土壤毛管力較大，實(shí)驗(yàn)二初期所有降雨都被土壤吸收，而在實(shí)驗(yàn)一中由于上層土壤持水性差，在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)產(chǎn)生了壤中流現(xiàn)象。

3結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中，我們發(fā)現(xiàn)了一些不同尋常的現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)二所用土壤粒徑較小，孔隙也相應(yīng)較小，在分選性，磨圓度等性質(zhì)相似的情況下，滲透能力要小于實(shí)驗(yàn)一中的粗粒土壤[14]。如果表層土壤滲透能力較弱，根據(jù)產(chǎn)流理論，雨水的下滲量將會(huì)減少從而產(chǎn)生更多的地面徑流，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明存在另一種因素使雨水在滲透能力弱的土壤中下滲更多，導(dǎo)致含水層的水排出。通過分析，我們認(rèn)為這種因素是上層土壤毛細(xì)力的改變。也就是說，由粒徑變化帶來的毛細(xì)作用的增加比滲透系數(shù)對降雨的下滲的影響更大。地表水上的毛細(xì)力增強(qiáng)，增加了降雨的入滲[10]，下滲的水向下遷移，使含水層中更多的飽和鹽水通過地下水徑流的形式排出。

4 結(jié)論

1）本實(shí)驗(yàn)證明包氣帶土壤粒徑是影響飽水帶含水層補(bǔ)給地表水體水量的重要因素，通過土壤孔隙大小的改變，粒徑越小，總徑流量越小，地下水所占的比例越高。這對山坡地區(qū)防治水土流失、水質(zhì)管理具有一定指導(dǎo)作用。

2）同樣的，土壤顆粒分選性、排列方式、土壤質(zhì)地和降雨強(qiáng)度同樣會(huì)有類似的影響，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3）在細(xì)粒土中由于毛細(xì)作用的增強(qiáng)，較難產(chǎn)生壤中流等現(xiàn)象，說明不僅與下層土壤有關(guān)，上層土壤的持水性也會(huì)影響徑流的激發(fā)機(jī)制，當(dāng)土壤分層時(shí)更容易出現(xiàn)壤中流的現(xiàn)象。

5存在問題

1）本文僅就人工降雨條件下，上層土壤粒徑對地下水與徑流交互的影響及其作用機(jī)理做了分析研究，但在相似準(zhǔn)則上不夠明確，其實(shí)際物理意義難以推廣，用于其他土壤條件變化等問題，仍有待于待進(jìn)一步研究確定。

2）實(shí)驗(yàn)存在控制變量不統(tǒng)一的問題，需要更精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]Hirsch，R.M. Groundwater and Surface-Water Interactions. 2013.

[2]王新峰.《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》（第六版）[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011，38（03）：30.

[3]魏思宇. 柴達(dá)木盆地克魯克湖區(qū)地下水與地表水交互關(guān)系研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)（北京），2018.

[4]李忠媛.地表水-地下水交互機(jī)制研究[J].黑龍江水利科技，2017，45（02）：4-6+32.

[5]Ohio Department of Natural Resources Division of Water. Surface Water and Groundwater Interaction. 1997.

作者簡介：強(qiáng)思遠(yuǎn)，男，生于1998年11月，漢族，山東濟(jì)寧人，中國礦業(yè)大學(xué)，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

母小苗，女，生于1997年3月，漢族，內(nèi)蒙古包頭人，中國礦業(yè)大學(xué)，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

姚帥，男，生于1996年4月，漢族，河南駐馬店人，中國礦業(yè)大學(xué)，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

劉唐瓊，女，生于1999年9月，漢族，安徽安慶人，中國礦業(yè)大學(xué)，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

李若晴，女，生于1999年2月，漢族，海南澄邁人，中國礦業(yè)大學(xué)，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

【基金項(xiàng)目】本文系中國礦業(yè)大學(xué)2018年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：201810290025

（作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)）