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。

黄土高原降水入渗方式与引发滑坡研究——以甘肃黄土地区为例

黄土高原是中国滑坡灾害最为发育的地区,降水是引发黄土滑坡的主要因素之一。黄土包气带厚度大,降水入渗方式与引发黄土滑坡的过程和机理问题长期受到广泛关注。以甘肃黄土地区为例,通过实地调查和综合研究认为,黄土高原地区降水入渗方式多样,受地形地貌、气候和降水类型等因素影响,降水入渗方式与引发滑坡特征之间存在地域性差异。在降水量较小的黄土丘陵区,暴雨所产生的地表径流主要通过落水洞和节理裂隙等宏观优势通道点状短期快速入渗,增大黄土含水率,软化黄土体,降低斜坡稳定性,引发黄土滑坡。在降水量较大的黄土塬、黄土台塬和黄土宽梁区,大气降水、灌溉水主要经由黄土包气带中的孔隙呈面状长期缓慢入渗补给黄土潜水,在丰水年连阴雨可引发群发性黄土滑坡。研究结果对黄土高原降水引发滑坡预警阈值的科学设定具有指导意义。

黄土塬区年降水入渗系数的两种计算方法比较

计算年降水入渗系数对水资源量评价与转化十分重要。本文运用传统水位动态法及改进水位动态法分别计算陕西北部黄土塬区的年降水入渗系数,并通过对比分析得出适宜北方黄土塬区降水入渗系数的计算方法。研究结果表明:根据改进的水位动态法计算得出的黄土塬区降水入渗补给系数为0.063。根据传统水位动态法计算的黄土塬区降水入渗系数变化范围为0.03~0.16,相较之下偏差更大。两种方法所计算的年降水入渗系数结果均得以验证,然而改进的水位动态法计算黄土塬区的结果更加接近验证值,偏差较小,结果更为准确适宜,可为同类黄土地区水资源量研究提供借鉴。

基于氢氧同位素的华北平原降水入渗过程

华北平原地下水浅埋区水循环主要以垂直方向上的入渗、蒸发和蒸腾的方式存在,同位素可以作为一种有效"示踪剂"揭示降水入渗补给地下水的过程。选择华北平原中、东部地下水浅埋区的衡水和沧州为典型实验点,研究不同降水特征、土壤质地和植被条件下入渗过程的差异性。结果表明,土壤非均质条件下(沧州),降水入渗补给过程中伴随着蒸发、植被蒸腾作用以及与土壤前期水分的强烈混合作用,活塞流入渗的同时土壤100 cm深度可能还存在大孔隙优先流;土壤均质条件下(衡水),降水向下均匀入渗,入渗速度较快,土壤水运动以新水基本代替老水的活塞流为主要形式,并经过强烈的蒸发浓缩作用补给地下水。

利用包气带环境示踪剂评估张掖盆地降水入渗速率

降水入渗补给速率是干旱半干旱地区地下水资源评价和保护中的重要参数。长期以来在河西走廊中游盆地地下水资源评价中,一直认为地下水位埋深>5m的地带难以产生降水入渗补给。本文在黑河流域中游的张掖盆地分别选择沙丘区和裸地区,综合运用包气带同位素和水化学信息,开展了降水入渗补给研究。包气带氯质量平衡法结果表明:现代气候条件下,张掖盆地地下水位埋深>5m的地带仍存在降水入渗补给,在沙丘覆盖区,地下水位埋深6.3m时,降水入渗补给速率为13.3～14.4mm/a,入渗系数0.10～0.11;在裸地区,地下水位埋深8.6m时,降水入渗补给速率为16.8～18.4mm/a,入渗系数0.13～0.14。

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。

黄土边坡降水入渗规律及其稳定性研究

由于黄土地区地下水埋藏较深,降水因此成为影响公路黄土边坡稳定性的主要因素。根据饱和-非饱和土的渗流理论,考虑降水入渗的影响,利用有限元的方法,对阎良—禹门口高速公路的黄土边坡在百年一遇降水强度下的入渗规律和稳定性进行了数值模拟,同时根据现场人工降水试验证明:强降水条件下水分入渗的深度有限,一般为表层2m深度范围,且入渗深度随着降水时间的增加而增加,边坡安全系数逐渐减小,但对边坡的整体稳定影响不大;坡面出现冲刷破坏,如果不采用坡面防护措施,随着降水次数增加,将会出现局部破坏,最终导致整体边坡的失稳。而对于失稳状态下的危险边坡或老滑坡,滑坡出现频率与降水强度成正比例,并有一定的滞后性。

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。

陕北沙漠滩区降水入渗与凝结水补给机理试验研究

探明陕北沙漠滩区地下水的主要补给来源和沙漠植物赖以生存的主要水源,通过对榆林西沙地下水的均衡试验站降水入渗资料的分析和凝结水形成机理分析;探明了陕北沙漠滩区不同类型地区的降水入渗特征并推求出凝结水补给的理论计算公式,通过试验对该公式进行了验证;这对该地区地下水的开发利用和水土保持有着重要的指导意义。

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.

不同田间工程措施条件下降水入渗规律的数值模拟

采用数值模拟方法针对北京市主要土壤类型研究了不同工程措施（免耕、深松、免耕覆盖、深松覆盖）条件下的降水入渗问题。在研究过程中，考虑了雨滴打击下地表密实问题，即考虑地表密实的降雨入渗问题。地表密实使土壤入渗能力降低，覆盖可以避免表层土壤密实保持土壤入渗能力。深松可使土壤入渗能力提高，在该实验条件下１２０ｍｉｎ入渗量裸地和覆盖分别可以增加入渗１．７９ｃｍ和２．２８ｃｍ；适宜的松土深度裸地为１５～２０ｃｍ，覆盖为３０ｃｍ。提高降水入渗的田间工程措施为深松覆盖，松土深度３０ｃｍ。

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。

层状非均质包气带渗透性特征及其对降水入渗的影响

不同的岩性界面影响了降水在包气带中的入渗、运移与再分布过程,其影响机制仍是有待研究的学科前沿问题。针对上述问题,基于层状非均质包气带6 m×4 m×5 m样方,开展了多场次自然降水入渗过程的原位试验监测,研究结果表明层状非均质结构对降水入渗过程和速率影响明显:(1)地层分界面处土壤含水率呈现陡降变化特征;(2)220 cm深度以上包气带中土壤含水率对降水入渗响应变化敏感,呈含水率陡变的多峰谷式脉冲响应变化特征,其中20~100 cm地层土壤含水率变化幅度为22.58%~29.76%,120~200 cm地层土壤含水率变化幅度为13.74%~20.74%;220 cm深度以下包气带中土壤含水率对降水入渗响应滞缓,年内呈现平缓单峰响应变化特征,反映了多场次降雨的累积效应,其中220~400 cm地层土壤含水率变化幅度为2.3%~12.15%,430~460 cm地层土壤含水率变化幅度为2.5%~3.41%;(3)层状非均质结构阻滞了水分的运移(湿润锋通过亚砂土-粉砂界面时,平均运移速度由10.53 cm·d^-1下降为0.77 cm·d^-1;湿润锋通过亚砂土-亚粘土界面时,平均运移速度由12 cm·d^-1下降为1.86 cm·d^-1),当岩性界面处水分不断蓄积克服阻力后才能向下运移;受上部界面水分蓄积的影响,下部层状非均质结构的阻滞作用将被减弱甚至不明显。

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。

基于MODCYCLE模型的农田降水入渗补给研究

利用MODCECLE模型对衡水野外试验田田间尺度下地下水的补给规律进行了研究。结果表明:2009年6—10月该典型区无灌溉条件下降水入渗补给量为12.1 mm,占总降水量的2.5%,有灌溉量的试验田块的入渗补给量为75.9mm,占降水和灌溉量之和的13.64%;降水入渗补给曲线呈脉冲状;该地区降水强度大,入渗补给量就大,频率高、降水强度小的降水补给量相对较小;有效供水能力和初始含水率对入渗补给量的影响最为灵敏。

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。

北京怀柔应急地下水源地降水入渗补给时滞性分析

华北平原目前普遍存在包气带增厚引起的地下水补给滞后问题,尤其是在地下水开采强烈地区。以北京怀柔应急地下水源地为研究区,利用交叉相关法(Cross-correlation)对研究区内的降水-水位进行了时滞性分析。研究发现,在2005年-2009年时段内,顺义河南村北河边观测井降水对地下水位的时滞时间为4～6个月;2009年的降水(421.8mm)没有产生超过95%可信度的响应系数,即无明显补给;在研究时间内,降水入渗补给主要与夏季(7月-9月)的降水有关,补给持续时间包括2005年11月-2006年2月、2006年12月-2007年1月、2007年12月-2008年1月、2008年10月-2009年1月,造成该降水补给的对应最大降水量分别为189.4mm(2005年8月)、200.6mm(2006年7月)、160.8mm(2007年7月)、699.5mm(2008年6月)。研究结果对水资源评价具有重要参考价值。

几种水土保持措施对强化降水入渗和减沙的影响试验研究

采用人工降雨方法，较系统地研究了耕作措施、生物措施、田间工程措施、工程整地造林措施对强化降水入渗和减少径流泥沙的影响。