华北山前平原区厚包气带次降水入渗补给定量估算

降水入渗补给定量估算对于区域水资源评价具有重要作用。在干旱半干旱地区,年降水入渗补给量通常取决于年内几次集中的降水特性。因而,开展次降水入渗补给机理研究,建立次降水入渗补给量估算方法,有望提高干旱半干旱地区入渗补给量评估的科学性和准确性。本文以华北山前平原地下水深埋区为例,利用中国科学院栾城农业生态系统试验站和河北冉庄水资源实验站实测的土壤含水量、土壤水势、地下水补给量和降水量等长序列资料校准Hydrus-1D模型,模拟日降水入渗补给过程,构建具有物理意义的次降水入渗补给事件划分标准,深入研究华北山前平原地下水深埋条件下次降水入渗补给机理,定量估算次降水入渗补给量,建立次降水入渗补给量和次降水量间的定量关系。研究结果表明:次降水入渗补给量具有较大的变异性,次降水入渗补给量与次降水量或次总有效水量(次降水量+前期200 cm土壤储水量)呈显著相关关系(P<0.01),决定系数(R^(2))达0.801~0.962;但次降水入渗补给系数与次降水量无显著相关关系,这是由于次降水入渗补给系数不能反映降水前期土壤水分条件对补给的影响。因此,在地下水深埋区,不建议利用次降水入渗补给系数来估算次降水入渗补给量。本研究结果对区域地下水资源评价具有重要理论意义。

北方岩溶区降水入渗补给系数及补给机制:以羊庄岩溶水系统为例

为建立北方岩溶区水文地质参数系列,提高岩溶地下水可采资源计算精度,笔者团队于20世纪80年代开始,在山东羊庄封闭式泉排型岩溶水系统开展了岩溶水均衡试验研究,积累了40余年的监测试验数据。根据长期野外水均衡要素观测资料,推导出裸露型、半覆盖型和覆盖型岩溶区降水入渗补给系数计算公式,建立了岩溶区降水入渗补给系数α与降水量P和地下水位埋深D的相关方程,以及可调控的最大降水入渗补给系数系列,揭示了降水入渗补给过程与α变化机制。结果表明:α随水位埋深D的改变而改变,每个降水量P段分别对应一个最大降水入渗补给系数α_(max)和最大降水入渗补给量即补给极限G_(max),相应的水位埋深便是最佳水位埋深D_(critical)。D>D_(critical)时,包气带截留量随着水位埋深的增大而增大,α<α_(max);D<D_(critical)时,地表径流量随着地下水位埋深的减小而增大,α<α_(max)。不同的降水量段对应不同的D_(critical),降水量增大时,对应的α_(max)及D_(critical)也增大。在任意水位埋深时,G_(max)为蓄满产流临界降水量与包气带最大截流量之差。本研究解决了岩溶区降水入渗补给的关键科学问题,即揭示降水入渗补给机制、建立降水入渗补给系数与降水量和水位埋深的定量关系,提升了我国北方岩溶水资源基础性研究水平。

有入渗补给的层状非均质含水层圆岛潜水井流模型

作为圆岛状均质含水层稳定井流模型,经典的Dupuit井流模型既没有考虑普遍存在的降水入渗补给,也不适用于层状非均质含水层系统,有必要加以完善。在考虑降水入渗补给改进Dupuit井流模型的基础上,进一步将其拓展到层状非均质潜水含水层。引入Гиринский(吉林斯基)势函数,根据水均衡原理建立极坐标下的地下水流微分方程,再依边界条件解析得到了相应的流量方程、水位方程和分水岭公式。以双层结构为例,观察30组不同参数条件的典型水位曲线组,发现不同渗透系数的水位曲线交于一点的特殊现象并从理论上给出了证明。解析模型仍引入Dupuit假定,且没有考虑抽水井的井壁“水跃”现象,为判断这些条件对解析公式适用能力的影响,建立轴对称剖面二维流数值模型并做了对比研究。除抽水井附近外,水位解析方程产生的相对误差一般低于4%,在最偏离Dupuit假定的分水岭处,距离和水位的解析误差均小于0.1%。Dupuit假定并没有严重影响解析模型的适用性。

次降雨入渗补给系数评估雨水花园补给地下水可行性及计算方法研究

【目的】近年来雨水花园在海绵城市建设过程中得到了广泛应用,但其对浅层地下水的补给能力尚缺乏系统研究。【方法】通过柱状模拟试验,研究了不同降雨条件下,次降雨入渗补给系数(α)用于评估雨水花园补给地下水潜力的可行性。【结果】结果表明,α可用于评估雨水花园补给地下水潜力,数值变化范围为0.110~0.212,平均值为0.175;降雨重现期、降雨历时、雨型均对α具有重要影响,且随着重现期和降雨历时增加,α逐渐降低,不同雨型条件下,α大小顺序为均匀雨型>双峰雨型>单峰雨型。【结论】HYDRUS-1D模型模拟法和包气带含水率法计算α均具有较好的精度,不同降雨条件下,模型模拟法计算得出的次降雨入渗补给系数(α_(m))的相对偏差(RE)为-1.280%~7.801%,包气带含水率法计算得出的次降雨入渗补给系数(α_(b))的RE为-14.789%~6.660%。由于包气带含水率法容易实施、便于监测,工程实践中可优先考虑采用该方法。上述结果可为定量评估海绵城市建设过程中雨水花园补给浅层地下水潜力提供参考。

河北平原典型小流域降雨入渗补给规律研究

准确计算降雨入渗补给量是评价平原区地下水资源量的基础,传统的年补给系数法未考虑降雨特征、土壤墒情等因素影响,导致评价结果精度不高。本研究以河北平原下博和沧县运西两个典型小流域为例,采用动态分析法研究次降雨的入渗补给过程。结果显示以7 d为时间间隔适合作为划分次降雨的标准,次降雨量加土壤含水量(P+SW)与降雨入渗补给量(Pr)相关性最好,优于次降雨量(P)和次降雨量加前期雨量(P+Pa);动态分析法计算的降雨入渗补给量较传统降雨入渗系数法,精度提高22%~40%,且年补给系数法高估了河北平原区的年地下水补给量。本研究为河北中东部平原准确评价降雨入渗补给量提供了技术参考,对支撑区域的地下水合理开发利用及地下水超采综合治理具有较强的科学和实践意义。

陕北能源区典型沉积物降水入渗补给系数研究

陕北能源区地处我国西北干旱半干旱地区,是黄土与风积沙的过渡区,该区蒸发强烈,降水稀少,地下水作为该区域重要的供水水源,主要接受垂向上的降水补给。为研究黄土与风积沙的降水入渗过程及其降水入渗补给系数,通过野外取样、室内参数测定,并运用Hydrus-1d建立包气带水分运移数值模型,模拟陕北能源区内2种沉积物的水分运移过程。以接近多年平均降水水平的2015年为例,模拟结果显示风积沙地的降水入渗深度超过6.2 m,而黄土地的降水入渗深度很难超过5.0 m,且两者的降水入渗补给系数分别为0.255和0.111。研究结果对准确计算陕北能源区地下水资源量,进而更好地指导区域水资源系统规划、生态环境保护和经济可持续发展具有重要意义。

不同降水及灌溉条件下的地下水入渗补给规律

天然降水和人工灌溉是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水导致华北平原地下水位持续下降,详细分析降水变化规律及灌溉制度的影响有利于深入认识补给及正确评价入渗补给量,对合理开发利用地下水资源具有重要意义。基于实测资料,用HYDRUS软件建立一维变饱和流数值模拟模型,模拟分析了衡水地区近60年在天然降水条件下的垂向入渗补给规律,以及在年周期内灌溉活动对于入渗补给规律的影响。结果表明：研究区多年平均降水入渗补给量为66.6 mm/a;枯水年份降水入渗补给量为30 mm/a,丰水年入渗补给量为120-150 mm/a;年补给量与年降水量具有显著的正相关性;入渗补给系数与降水强度呈负相关关系;入渗补给量随灌溉量的增加而增加,实验条件下小麦底墒水与玉米灌溉对应入渗补给系数较大,实际灌溉中应基于当年降水情况及土壤墒情确定合理的灌水定额。

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。

基于Hydrus-1D模型的大安灌区旱田灌溉入渗补给研究

以吉林省大安灌区为研究对象,在野外调查和资料收集的基础上,借助Hydrus-1D模型,模拟分析了旱田(玉米地)灌溉条件下地下水入渗补给过程。结果表明:模拟期间蒸散发动态变化较大,蒸腾量约为蒸发量的2.18倍,玉米生育期内,土壤水分蒸腾损失约占蒸散发消耗的79.74%,蒸散发在作物生长旺季以蒸腾为主,其它时段则以蒸发为主;旱田灌溉条件下,降水灌溉大量入渗形成土壤水,土壤水与地下水发生双向的、动态的水量频繁交换,模拟中地下水入渗补给量约为33.63 mm,入渗比为5.21%,其与研究区细密的包气带介质岩性有关。研究成果可为进一步开展旱田灌溉合理方案的制定提供科学依据。

地下水数值模拟分析中降水入渗补给强度及渗透系数不确定性评价

由众多因素造成的地下水数值模拟的不确定性,在很大程度上影响了模拟结果的可靠性,因此分析地下水数值模拟的不确定性十分必要。以假想地下水流问题为例,选择降水入渗补给强度和渗透系数为代表参数,采用蒙特卡洛模拟方法,基于拉丁超立方抽样和替代模型,定量分析了源汇项和水文地质参数不确定性对地下水数值模拟结果的综合影响。结果表明,地下水数值模拟源汇项及水文地质参数的不确定性对模拟结果有较大影响,基于概率统计方法对模拟结果做进一步分析,可有效提高结果的可靠程度;模拟结果的不确定性特征既取决于计算点的空间位置,又与模拟时间有关;借助替代模型进行基于蒙特卡洛模拟的不确定性分析,有效节省了计算成本,具有较大的发展潜力。

基于流量衰减分析的次降水入渗补给系数计算方法

次降水入渗补给系数是地下水资源量评价的重要参数,次降水对地下水的入渗补给受气候、地形、地质等多种因素影响。以湖北宜昌香溪河流域雾龙洞地下河系统为例,进行次降水入渗补给系数获取方法的探索。在泉流量衰减规律分析基础上,探索新方法进行次降水入渗补给系数计算,分析其规律特征及影响因素,对计算结果的科学合理性进行验证。研究结果表明:雾龙洞泉流量衰减服从分段指数衰减方程;研究区次降水入渗补给系数受次降水强度及降水前下垫面条件影响。基于泉流量衰减分析计算次降水入渗补给系数方法合理可行,该方法在岩溶水资源评价中有一定的推广应用价值。

氯离子示踪法在河北平原地下水垂向入渗补给量评价中的应用

采用氯离子示踪技术确定干旱-半干旱地区地下水垂向入渗补给量对于揭示地下水补给的空间变化规律,完善地下水资源评价的理论与方法,具有重要理论与现实意义。利用天然环境氯离子示踪法评价了河北平原典型区地下水垂向入渗补给量,结果表明该方法在山前冲洪积平原水位埋深大的淡水区应用效果较好,鹿泉和栾城的补给量分别为44.72mm/a和31.31mm/a,占多年平均降雨量的8.2%和5.8%,以扩散流入渗为主;在中部冲湖积平原和滨海冲积海积平原由于天然环境氯离子浓度背景值高、水位埋深浅以及近海输入氯离子的波动性较大,该方法的应用受到一定程度的限制。

降水入渗补给过程中优先流的确定

优先流是降水、灌溉水等入渗补给地下水的主要形式之一,流速快,流动路径复杂,难以定量描述.针对优先流难以定量描述的问题,以郑州地中渗透仪观测资料为基础,探讨了新乡亚砂土等试筒降水入渗过程及其中的优先流补给量比例.根据土壤的水力性质、气候等资料建立不存在优先流的数值模拟模型来刻画降水入渗补给过程,通过模拟获得的地下水入渗补给量与实测地下水入渗补给量的历时曲线,将大于模拟值的实测值视为优先流的量及确定其在总补给量中所占的比例.结果表明,优先流占总补给量的比例在10%～80%之间;随着土壤粘性增加,优先流所占比例呈增加趋势;随地下水位埋深的增大,优先流所占比例呈逐渐下降趋势.

次降雨入渗补给系数空间变异性研究及模拟

本文分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理,应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异性,建立了协方差函数与方向角的函数关系;对次降雨入渗补给系数进行了Karhunen-Loeve展开,通过求解特征值、特征函数及随机向量模拟次降雨入渗补给系数随机场。分析结果表明,在水平径流微弱、潜水面坡度小的地区,平稳场理论可以有效地描述次降雨入渗补给系数空间分布规律,KL展开法具有优越的收敛速度。

次降雨入渗补给系数的模型研究

讨论了次降雨入渗补给系数的定义及其在地下水资源计算评价中的作用；依据统计理论，评价了次降雨入渗补给系数的一般统计特征；在此基础上，进行该系数的确定性模型研究及其相应的检验，说明了次降雨入渗补给系数的实际分布和伽马模型及威布尔模型具有很好的一致性．

Elman神经网络在平原区降水入渗补给预测中的应用

在概括性地介绍了Elman神经网络的基本原理的基础上,以吉林省中部某平原区降水入渗补给的多年动态变化为例,建立了5-7-1结构的Elman神经网络动态预测模型。模型的检验结果表明,该模型的预测精度较高且能够反映该地区降水入渗补给的周期性变化特征。借此说明Elman神经网络在降雨入渗补给的多年动态变化预测中具有一定的实用价值,为Elman网络在其他领域的动态模拟应用提供参考。

确定干旱—半干旱地区降水入渗补给量的新方法——氯离子示踪法

在干旱—半干旱地区由于入渗水分大部分滞留在包气带中，强烈地蒸发、蒸腾作用导致包气带中土壤水的氯离子浓度改变。氯离子示踪方法从质量守恒角度，通过比较土壤水分的氯离子浓度和降水输入的氯离子浓度大小，可以定量确定降水入渗量和降水入渗补给的历史变化过程。本文介绍了目前国外应用较普遍的氯离子均衡法和氯离子累积法。

基于地统计学的降水入渗补给系数的空间变异特征分析

降水入渗补给系数是水资源评价中重要的参数之一。采用地统计学原理和方法研究了参数的空间变异特征。使用克里金插值法,绘制降水入渗补给系数插值图与地下水埋深图和地形图对比分析。分析表明降水入渗补给系数大小与研究区地形和地下水埋深有关。

降水入渗补给滞时的确定及其在泉流量模拟与预测中的应用

由于岩溶含水系统的调蓄作用,降水入渗补给泉水具有明显的滞后,滞后时间视具体水文地质条件而定。本文以济南泉域为例,利用逐步回归方法确定降水对泉水入渗补给的滞时为一年,说明不仅当年的降水量对泉流量有贡献,前一年的降水量对泉流量也有明显的贡献,并得到了相应的泉流量模拟与预测模型,得到了较好的模拟与预测精度,证明考虑降水入渗补给滞时的泉流量模拟与预测模型比不考虑的模型精度要高。

土地利用变化对茂名市降水入渗补给量的影响

大气降水是地下水补给的主要来源,确定降水入渗补给量对地下水资源管理和规划有着重要意义。以茂名市为研究区,基于Wet Spass分布式水文模型及Geo SOS-FLUS模型,结合GIS技术,估算2010年的降水入渗补给量,分析未来土地利用变化及其对降水入渗补给的影响。结果表明,(1)降水大部分转化为蒸散发量,入渗补给量次之,年平均降水入渗补给量为684.63 mm;不同土地利用类型下,径流量、蒸散发量和降水入渗补给量存在显著差异性,由于城市规划的作用和区域土壤质地的差异,林地、居民用地的降水入渗补给能力较大,高达800 mm,荒地最小。(2)近20年来,居民大量开垦荒地,草地转变为耕地和林地,有利于降水入渗的土地利用类型面积减少,使得降水入渗补给量减少,土地利用变化影响着地下水的水量平衡。(3)到2050年,各类土地利用类型在区域上的分布更加集中,水域面积大量减少,耕地面积普遍大于其他类型土地,导致大部分面积的降水入渗补给量将呈现减少的趋势,全年、丰水期的降水入渗补给量变化较相似,与枯水期的变化相差较大;到2100年则偏向于林地和草地的增加,降水入渗补给量呈增加趋势。可见,在未来一段时期内,茂名市在追求经济高速发展的同时,应加强对生态环境的保护,加大绿化面积,使地下水得到一定量的补给。本研究结果可为茂名市未来土地规划提供一定依据,以进一步加强对地下水的管理和保护。