趙雪梅

(山西省永濟(jì)市水資源管理委員會(huì)辦公室,山西永濟(jì) 044500)

1 大氣降水入滲機(jī)理

降雨到達(dá)地面后,一部分以地表徑流的方式流出,另一部分入滲地下稱之為入滲量,但這部分水量并非全部補(bǔ)給了地下水,而是在入滲過程中被土壤的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用所消耗,有的附著于土壤顆粒的表面,余下的一部分才真正補(bǔ)給地下水,形成入滲補(bǔ)給量。

降水入滲過程,可分為三個(gè)階段:

(1)截留階段,降水初期,一部分雨水被植物截留,一部分降到地面,濕潤表層土壤。

(2)下滲階段,隨著雨水繼續(xù)降落,植物截留量達(dá)到最大限度,土壤進(jìn)一步濕潤,含水量增加。當(dāng)表層土壤含水量達(dá)到一定限度時(shí),雨水沿孔隙、裂隙向深部下滲。

(3)產(chǎn)流階段,當(dāng)降雨強(qiáng)度超過下滲速度時(shí),地表開始積水,并沿坡面流動(dòng),充填坑洼,匯入溝河,形成地面徑流。三個(gè)階段既是相互聯(lián)系的,同時(shí),又是交叉進(jìn)行的。

下滲到土壤內(nèi)的雨水,受重力作用,由上部逐漸向深部移動(dòng),包氣帶土壤水,只有在大于田間最大持水量估最大毛管持水量時(shí),才能產(chǎn)生重力水補(bǔ)給地下水。實(shí)際土壤水分特性曲線反映,除了雨后短時(shí)間外,年內(nèi)絕大多數(shù)時(shí)間處于虧水狀態(tài),土壤水分布總趨勢(shì)是上小下大,地下水面處達(dá)到田間最大持水量。缺水量隨埋深增大呈非線性增大,從田間最大持水量到飽和含水量是降水入滲補(bǔ)給的限度,即重力水庫容。隨埋深加大,重力水庫容也增大。

2 影響降雨入滲的因素

大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給,受到多種因素影響,影響結(jié)果綜合反映在地下水位的變化上,影響降雨入滲的主要因數(shù)包括:

2.1 土壤顆粒結(jié)構(gòu)的影響

土壤顆粒大小及排列決定了土壤的滲透性,顆粒越粗,磨圓及分選性越好,滲透性越強(qiáng),濕潤性越強(qiáng),濕潤峰面下移越快,入滲補(bǔ)給量就大,反之入滲補(bǔ)給量小。

2.2 地面坡降的影響

地面坡降越大,易形成地面徑流,人滲補(bǔ)給受到影響,地面平緩地表徑流微弱,成為良好的補(bǔ)給區(qū)。

2.3 土壤理化性質(zhì)的影響

各類土壤一般都含有一定數(shù)量的膠質(zhì)和礦物質(zhì),膠質(zhì)遇水膨脹,阻塞孔隙,阻滯雨水入滲,含膠質(zhì)較多的土壤使入滲量減小。

2.4 雨前地下水埋深的影響

埋深小易形成地面徑流,使入?yún)⒘繙p小,埋深增大,下滲雨量大部分充填于非飽和帶土壤,使補(bǔ)給量逐漸減小,所以存在最佳埋深范圍,在此埋深范圍內(nèi),入滲補(bǔ)給量最大。降水量與缺水量之差(扣除雨期蒸發(fā))稱之為可入滲水量。顯然可入滲水量隨埋深增加而減小。在埋深較小時(shí),盡管有較多可入滲水量,卻受重力水庫容小的制約,多余部分形成地表徑流;在埋深較大時(shí),重力水庫容大于可入滲水量,后者成為制約因素,在某埋深處二者相等,即為降水入滲的最佳埋深,因重力水庫容曲線不變,雨量(可入滲水量)越大,最佳埋深也就加大。

2.5 降雨量及降雨形式的影響

當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥谧罴崖裆顣r(shí),入滲補(bǔ)給量隨雨量的增大而增加,當(dāng)埋深小于最佳埋深時(shí),受地下水庫容制約,易形成蓄滿產(chǎn)流,入滲補(bǔ)給量與降水量成反比關(guān)系。

各種降水形式中以雨對(duì)地下水的補(bǔ)給量最大,其它降水對(duì)地下水補(bǔ)給價(jià)值不大;在各種降雨類型中,霪雨的雨率不大,但雨時(shí)長,雨面廣,對(duì)地下水的補(bǔ)給具有很大意義,細(xì)雨的雨量、雨率皆不大,易被蒸發(fā)所消耗,暴雨的雨率大,但雨時(shí)短,雨水大部分來不及滲入地下水,多呈地表徑流流失。

2.6 雨強(qiáng)的影響

降水強(qiáng)度小于入滲速度時(shí),雨強(qiáng)增大,入滲量增加;反之,入滲量減小。當(dāng)雨強(qiáng)與入滲速度相近時(shí),補(bǔ)給地下水為最佳。

2.7 植被的影響

植被可緩減地表徑流,延長入滲補(bǔ)給時(shí)間,增加入滲補(bǔ)給量,相反,植被使土壤蒸散發(fā)加快,相對(duì)減少人滲補(bǔ)給,其結(jié)果取決于二者起主導(dǎo)作用的一面。

3 降雨入滲補(bǔ)給量分析

3.1 降水入滲補(bǔ)給系數(shù)

降水對(duì)地下水的垂直入滲補(bǔ)給可以用降水入滲補(bǔ)給系數(shù)來表征其強(qiáng)弱,表達(dá)式為:

α=Pr/P

式中:α為降水入滲補(bǔ)給系數(shù);Pr為降水入滲補(bǔ)給量(mm);P為 降水量(mm)。

α又可分為次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和年降水入滲補(bǔ)給系數(shù),α的大小直接反映了不同地下水埋深,不同次降水量,對(duì)地下水的補(bǔ)給差異及變化規(guī)律,同時(shí)也表明不同地層條件及巖性結(jié)構(gòu)與降水入滲補(bǔ)給量的關(guān)系。

3.2 降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的計(jì)算方法

以山西省第二次水資源評(píng)價(jià)為例,降水入滲補(bǔ)給系數(shù)主要用以下方法求取:

3.2.1 相關(guān)圖解法

選取地下水水平徑流微弱的地下水井孔資料,在地下水動(dòng)態(tài)過程線(或動(dòng)態(tài)資料)上摘取次降水量引起的地下水升幅值 Δh次由單井逐次雨量升幅值,即可求得 α年:

式中:μ∑Δh次為年內(nèi)各次降水入滲補(bǔ)給地下水之和;P年為年降水量

由于地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)資料受天然及人類活動(dòng)因素的影響,單井資料難以確定年內(nèi)各次降水引起的地下水位升幅值。選用相同巖性的群井資料,按埋深分級(jí)進(jìn)行分析計(jì)算。以巖性、埋深為參變量點(diǎn)繪有效雨量(P+Pa)與 Δh次關(guān)系圖,其中 P為所取次雨量,Pa為前期影響雨量,計(jì)算式Pa=∑kiP。

式中 P為本次降雨前 i天的雨量;k為遞減系數(shù),一般變化在 0.8～0.9之間,取 k=0.85,i=15(日)。由實(shí)測(cè)資料 P+Pa～Δh相關(guān)圖可見,P+Pa與 Δh呈直線關(guān)系,直線與橫軸(P+Pa)交點(diǎn)設(shè)為 P0。通過實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù)回歸建立關(guān)系:Δh=a+b(P+Pa),借助上述關(guān)系插補(bǔ)實(shí)測(cè)不到的 Δh次。某次降雨(P+Pa)大于 P0時(shí),即入滲補(bǔ)給地下水,小于 P0時(shí),則填充消耗于包氣帶,無入滲補(bǔ)給地下水。

根據(jù)動(dòng)態(tài)資料分巖性逐級(jí)埋深建立水位升幅與降水量關(guān)系。將所求Δh次代入(1)式中得到不同巖性、不同雨量級(jí)、不同埋深級(jí)的降雨入滲補(bǔ)給系數(shù) α年。

在大量點(diǎn)據(jù)計(jì)算的基礎(chǔ)上,考慮到面上的應(yīng)用和系列計(jì)算,點(diǎn)繪 α～P～Δ關(guān)系圖(圖 1為山西省亞沙土 α～P～Δ關(guān)系圖),其關(guān)系與下式擬合較好:

α=aΔbe-cΔ+d(1-e-fΔ)

式中:α為年降水入滲補(bǔ)給系數(shù);Δ為年地下水平均埋深 (m);a、b、c、d、f均為常數(shù)。

圖1 山西省亞沙土α～P～Δ關(guān)系圖

3.2.2 回歸分析法

盆地平原區(qū)除大暴雨外,大部分有效雨量降到地面后,基本上不產(chǎn)流,一次降雨到達(dá)地面后,除消耗于補(bǔ)充包氣帶巖土含水量,使其達(dá)到田間最大持水量外,一部分下滲補(bǔ)給地下水,另一部分消耗于蒸散發(fā)。如前述,Δh次與(P+Pa)在一定雨量內(nèi)呈線性關(guān)系,故在同一巖性、埋深一定時(shí),Δh次與(P+Pa)有如下關(guān)系:

式中:(P+Pa)為有效雨量;P0為臨界雨量;A為待定系數(shù);

臨界雨量 P0即為次降雨對(duì)地下水將要產(chǎn)生補(bǔ)給時(shí)的有效雨量值。通過分析,P0與地下水埋深及前期土壤含水量有關(guān)。經(jīng)點(diǎn)繪亞砂土 P0—Δ關(guān)系曲線,P0與 Δ呈曲線關(guān)系,可建立如下數(shù)學(xué)關(guān)系式:

(1)P0=B1g(1+Δa)

(2)P0=BΔa

式中:B為待定系數(shù);a為待定指數(shù)。

通過對(duì)亞砂土觀測(cè)資料回歸計(jì)算,第一種形式相關(guān)程度高于第二種形式,選擇第一種關(guān)系式代入(2)式,可近似地轉(zhuǎn)化為以地下水埋深 Δ為參變量的相關(guān)關(guān)系,由(2)式得:

Δh=A[(P+Pa)—B 1g(1+Δ1/2)](a=1/2由回歸計(jì)算求得)。

在回歸計(jì)算時(shí),為了消除回歸時(shí)資料帶來的誤差,首先根據(jù)實(shí)測(cè)點(diǎn)據(jù),確定系數(shù) B,而后回歸定解系數(shù) A。

在計(jì)算 Δh與 ∑Δh時(shí),考慮到有效降雨大部分集中在汛期(6～9月),而在地下水埋深較淺時(shí),將蓄滿產(chǎn)流,故當(dāng)計(jì)算值 Δh＞Δ時(shí),取 Δh=Δ;假定為無復(fù)蓄條件,當(dāng) ∑Δh≥Δ時(shí),取 ∑Δh=Δ。通過計(jì)算 Δh,由式(1)即得年降雨入滲補(bǔ)給系數(shù) α年。

3.3 降水入滲補(bǔ)給量

降水入滲補(bǔ)給量指降雨后滲入到土壤并在重力作用下下滲補(bǔ)給地下水的量,其計(jì)算式為:

Q降=α? P? F

式中:Q降為降水入滲補(bǔ)給量;α為降水入滲補(bǔ)給系數(shù);P為計(jì)算區(qū)年平均降雨量;F為計(jì)算區(qū)面積。

總之,大氣降水對(duì)地下水的補(bǔ)給,受到多種因素影響,在地下水開采過程中,降水入滲條件也可能發(fā)生變化,影響其變化的主要因素包括土壤顆粒結(jié)構(gòu)、地面坡降、土壤理化性質(zhì)、地下水埋深、降雨量及降雨形式、雨強(qiáng)、植被等,而降水入滲補(bǔ)給系數(shù)是這些因數(shù)的綜合反映。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)直接表達(dá)了降水對(duì)地下水的垂直入滲補(bǔ)給的強(qiáng)弱,是計(jì)算降水入滲補(bǔ)給最關(guān)鍵的參數(shù)。