李昊旭，邵景力，崔亞莉，馬小波

(1.中國地質大學(北京)水資源與環(huán)境學院，北京 100083； 2.寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質勘察院，寧夏 銀川 750011)

降水、灌溉水通過非飽和帶垂向入滲進入含水層的過程屬于地下水的直接補給[1]，是大多數(shù)地區(qū)地下水資源的重要組成部分。影響地下水垂向入滲的因素很多，而在農業(yè)區(qū)，地表植被覆蓋以農作物為主，作物的種植種類成為農田地下水垂向入滲補給的主要影響因素之一。植被覆蓋對地下水入滲補給的影響已有較多研究，但以天然植被居多，如Abdul R Bah等人對降雨、植被和土壤特征對地下水入滲補給的影響進行了研究[2]，尹立河等人對干旱區(qū)植被蓋度增加對降水入滲補給地下水的影響進行了研究[3]，楊峰研究了毛烏素沙地植被影響下包氣帶水分運移規(guī)律[4]。對農田作物的研究主要以小麥和玉米為主，如林丹用溴示蹤劑計算了冬小麥夏玉米對地下水入滲補給量的影響[5]。

目前，地下水垂向入滲補給量的計算方法很多，如蒸滲儀法[6]、零通量法[7]、水均衡法[8]、達西定律法[9]、示蹤劑法[10]和數(shù)值模擬法[11]。盡管數(shù)值模擬法存在一些問題，但綜合對比各種計算方法的特點和適用條件，模擬非飽和帶水流仍是計算入滲補給量最為有效的方法[12-13]，具有更好的合理性和可操作性。

本文基于寧夏中衛(wèi)平原兩個包氣帶水分運移原位試驗數(shù)據，運用HYDRUS-1D軟件模擬不同地表覆蓋情況下的土壤水分運移；計算不同作物生長期內地下水垂向入滲補給量，并分析單次灌溉量、最大根系埋深、生長期天數(shù)和葉面積指數(shù)4個農作物種植因子對地下水垂向入滲補給情況的影響。

1 試驗數(shù)據與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

衛(wèi)寧平原位于寧夏回族自治區(qū)，地處西北內陸，屬引黃灌溉區(qū)，具有典型的中溫帶干旱區(qū)大陸性氣候特征，年平均降雨量僅為173.64 mm，年蒸發(fā)高達1 477.53 mm。衛(wèi)寧平原包氣帶巖性上部以壤土為主，下部為砂礫石層，大部分區(qū)域包氣帶厚度為1～5 m。資料顯示，衛(wèi)寧平原地下水循環(huán)以垂直交替為主[14-15]，包括大氣降水入滲補給和灌溉入滲補給的垂向補給量約占衛(wèi)寧平原地下水補給資源量的66%[16]，蒸發(fā)排泄是平原區(qū)地下水的主要排泄途徑[17]。

1.2 野外試驗及數(shù)據獲取

本次研究在衛(wèi)寧平原的東部和西部建立了中衛(wèi)和中寧兩個試驗點(圖1)。試驗點設置于農田區(qū)，各包括裸地和植被兩個試驗組。試驗點地下水位埋深較淺，一般為0.3～2.6 m。

本次試驗在2 m厚的包氣帶剖面上埋設了DLS系列負壓計[18]、土壤溫度記錄儀、DLS土壤水采樣器，在試驗點附近設置SM1型雨量器、AM3型蒸發(fā)皿和地下水位觀測孔。其中，每個試驗點埋設土壤水負壓計30支(裸地組和植被組各15支)、DLS土壤水采集器8支、土壤溫度記錄儀探頭6支。試驗主要觀測了土壤水負壓值、地下水位、土壤溫度、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和降水量。中衛(wèi)試驗點包氣帶剖面研究深度為2 m，中寧試驗點包氣帶剖面研究深度為2.6 m。具體設備埋設情況見圖2。

本次試驗觀測期為2013年6月15日—2014年10月31日，土壤水負壓值和地下水位埋深在觀測期內每天早8:00進行觀測，土壤溫度每2個小時自動觀測并記錄。氣象數(shù)據主要來自當?shù)氐臍庀笳?，部分?shù)據用試驗點測量的降雨量進行修正。試驗點在觀測期內種植了3種不同的作物，分別為玉米、茄子和枸杞。其中，玉米是當?shù)氐湫图Z食作物，茄子是當?shù)爻Ｒ娛卟俗魑铮坭绞钱數(shù)貜V泛種植的特色經濟作物。試驗中，3種作物的生長期天數(shù)由實測得到，枸杞的最大根系埋深由實測得到，玉米和茄子的最大根系埋深根據當?shù)剞r民經驗估測取值。由于試驗條件所限，作物的葉面積指數(shù)根據前人在相關植被生長研究中的測定值取得[19]，基本符合當?shù)刈魑锏纳L情況。農作物灌溉為渠水漫灌，灌溉量由當?shù)剞r民估測得到。作物種植情況如表1所示。

為了確定包氣帶巖性及其參數(shù)，分別對兩個試驗點不同深度的包氣帶土壤進行取樣。土壤各粒組含量采用密度計法進行測定，并依據美國農業(yè)部的土壤定名標準[20]，對試驗點各層位土壤進行定名。

表1 試驗點作物種植情況Table 1 Crop planting at the experiment stations

圖1 試驗點位置圖Fig.1 Location of the in situ experiments

圖2 試驗點土壤剖面及監(jiān)測設備布置圖Fig.2 Soil profiles and Layout of the monitoring devices layout at the experiment sites

1.3 數(shù)值模擬

1.3.1數(shù)學模型和數(shù)值模擬方法

試驗點均位于農田區(qū)域，上邊界地表受降雨、漫灌以及蒸發(fā)的影響，模型的上邊界采用可積水的大氣邊界。地下水位埋深較淺，土壤水分運移受地下水位影響，模型下邊界設定為變水頭邊界。

變飽和帶水流的控制方程為理查德方程：

(1)

式中：θ——含水率；

h——負壓水頭；

t——時間；

z——埋藏深度；

K——土壤非飽和導水率；

S——考慮根系吸水的源匯項。

在本次研究采用HYDRUS-1D軟件對試驗點的土壤水分運移進行模擬[21]。根據兩個試驗點的土壤樣品分析結果和地下水位動態(tài)變化，將中衛(wèi)試驗點模擬剖面厚度定為2 m，模型空間上分為8層；中寧試驗點模擬剖面厚度定為2.6 m，模型空間上分為9層。模擬時間見表1。兩個試驗點在垂向上均按1 cm等間距進行空間剖分。時間剖分方式采用變時間步長法。

1.3.2非飽和土壤水分特征參數(shù)

在模擬中，van Genuchten-Mualem模型被用于描述土壤含水量與負壓水頭之間的關系[21]：

(2)

式中：θr——殘余含水率；

θs——飽和含水率；

α——空氣進氣值的倒數(shù)；

Ks——飽和導水率；

n——孔隙的大小分布指數(shù)；

l——孔隙連通參數(shù)；

Se——有效飽和度。

模型中土壤水分特征曲線采用HITACHI-CR21GⅢ型高速離心機進行測定，并利用RETC軟件，采用van Genuchten方程進行擬合，確定了相關參數(shù)。飽和導水率采用BS-STXS11-1型飽和滲透系數(shù)測定裝置，用變水頭方法進行測定。實測結果見表2?？紤]到中寧試驗點包氣帶巖性滲透性強，且試驗點地下水位埋深小，模擬中其土壤參數(shù)取值為HYDRUS-1D軟件數(shù)據庫中的砂土的經驗參數(shù)。

1.3.3根系吸水

本次研究中，應用根系生長和根系分布模型來描述根系吸水過程，即在式(1)中源匯項S(h)被定義為單位時間單位土壤體積根系吸水量。考慮不同植被特

表2 試驗點實測土壤特征參數(shù)Table 2 Measured soil characteristic parameters of theexperiment sites

點，采用Feddes等[22]公式建立玉米組吸水模型，利用S形根系吸水模型[21]描述茄子組和枸杞組吸水過程：

S(h)=α(h)Sp(4)

Sp=b(z)Tp(5)

式中：Sp——潛在根系吸水率；

Tp——潛在蒸騰率；

b(z)——標準化根系吸水分布函數(shù)；

α(h)——土壤水負壓值的函數(shù)(0 ≤α≤ 1) ，描述根系吸水對水分脅迫響應。

1.3.4潛在蒸散量

在大氣邊界條件的模擬中，需要先獲得地表和植被的潛在蒸散量。本次研究選取Hargreaves 公式[23]估算蒸發(fā)蒸騰量：

(6)

式中：Ra——地外輻射/(mm·d-1)或(J·m-2·s-1)

Tm——日平均氣溫/℃；

TR——日最大氣溫差/℃。

根據FAO有關植被潛在蒸散量的計算[23]，潛在蒸散量表示為：

ETp=Kc·ET0(7)

式中：Kc——植被蒸散系數(shù)。

研究中，植被組的植被蒸散系數(shù)參考了FAO關于玉米、茄子和灌木漿果類植物的相關系數(shù)[23]。

根據Beer定律，將通過植被冠層截取的太陽輻射從能量平衡中分劃出來[21]：

Ep=ETp·e-k·LAI(8)

Tp=ETp(1-e-k·LAI) (9)

式中：Ep——潛在蒸發(fā)量/LT-1；

LAI——葉面積指數(shù)；

k——植被消光系數(shù)，取值為經驗參數(shù)0.463[21]。

2 結果與討論

2.1 擬合效果分析

本次模擬運用參數(shù)反演模型結合人工調整參數(shù)的方法優(yōu)化θr、θs、α、n和Ks等參數(shù)，結果見表3。模型擬合了模擬期兩個試驗點包氣帶土壤剖面上15個不同深度的實測土壤水負壓值共120組。圖3給出了2013年中衛(wèi)試驗點埋深20 cm、60 cm和160 cm處的土壤水負壓值擬合情況。由圖可見，模型擬合效果較好，并且埋深較大處的擬合效果好于埋深較小處。

為了定量評價模型擬合效果，研究采用Nash效率系數(shù)(NSE)和確定系數(shù)(R2)兩個評價指標進行評價[24]。本文選取部分觀測期內模型擬合的誤差參數(shù)見表4?？梢姡乇砗吐裆钶^淺處的土壤水負壓值由于受外界影響較多擬合效果略差，模擬誤差隨埋深增大而減小?？傮w看，模型反映了該地區(qū)包氣帶水分運移的規(guī)律。

兩個試驗點包氣帶的土壤水分均衡情況見表5。從包氣帶對地下水的凈補排情況看，中衛(wèi)試驗點2013年玉米種植期內地下水通過包氣帶受到降雨和灌溉的補給，2014年茄子種植期內地下水通過包氣帶以蒸散發(fā)的方式排泄進入大氣，中寧試驗點在兩年模擬期內地下水均受到補給。在模擬期內兩個試驗點的包氣帶水分儲存量變化均為負均衡。

2.2 地下水灌溉入滲補給影響因素分析

(1)場景設置

為了更好地對比各個因素對地下水垂向入滲補給量的影響，本文以中寧試驗點的包氣帶巖性和2014年觀測期的氣象條件為前提建立基準模型，模擬期為2014-04-15—2014-10-31。以中寧試驗點在2014年觀測期內的平均地下水位埋深167 cm為基準地下水位埋深。綜合參考試驗點所種植的三種作物的生長特征和灌溉模式，將單次灌溉量設為100 mm，共灌溉7次，最大根系埋深設為60 cm，生長期天數(shù)設為130 d，葉面積指數(shù)取值1～3。模型中不考慮植被蒸散系數(shù)的影響，蒸散系數(shù)取值為1。為了避免地下水位波動對不同作物因子情況下地下水垂向補給結果的影響，模擬中將模型下邊界設為定水頭邊界。并分別對各影響因子進行不同增減率的處理，對比地下水垂向入滲補給量的變化。結果見表6和圖4。

圖3 中衛(wèi)試驗點2013年埋深20 cm、60 cm和160 cm土壤水負壓值觀測值和模擬值對比圖Fig.3 Fitting effect of the observation and simulation soil water pressure heads at the depth of 20 cm, 60 cm, 160 cm at the Zhongwei experiment site

試驗點埋深/cm巖性θrθsα/(cm-1)nKs/(cm·d-1)中衛(wèi)試驗點0～20壤土0.07 0.40 0.007 0 1.52 7.47 20～400.07 0.40 0.005 1 1.13 8.56 40～60砂壤0.05 0.39 0.011 4 2.20 42.20 60～80粉黏壤0.09 0.44 0.001 0 1.08 25.00 80～110砂壤0.04 0.39 0.005 6 1.79 33.15 110～1500.07 0.43 0.001 0 1.84 19.99 150～175粉壤0.08 0.43 0.010 0 1.68 61.26 175～2000.08 0.50 0.070 0 1.10 65.02 中寧試驗點0～300.05 0.40 0.007 5 1.45 8.00 30～75粉壤0.05 0.40 0.005 0 1.45 5.00 75～1150.05 0.40 0.007 5 1.45 5.00 115～140壤土0.06 0.41 0.006 0 1.59 18.69 140～150砂壤0.04 0.38 0.038 6 1.53 65.56 150～170粉壤0.07 0.46 0.005 9 1.63 15.13 170～190壤土0.05 0.39 0.010 4 1.50 18.63 190～200粉壤0.07 0.44 0.005 1 1.63 14.24 200～260砂卵礫石0.05 0.43 0.050 0 2.68 712.80

表4 模型擬合效果Table 4 Fitting effect of the simulations

表5 試驗點包氣帶水分均衡Table 5 Moisture balance of the vadose zones atthe experiment sites

注：地下水凈補排量中，正值為補給量，負值為排泄量。

(2)地下水位埋深

研究區(qū)地下水位埋深較淺，包氣帶厚度的變化對地下水垂向入滲補給量的影響明顯。本文以基準地下水位埋深167 cm為基礎，參考觀測期內試驗點水位埋深變化，分別模擬了地下水位埋深117 cm、167 cm、217 cm和267 cm情況下，單次灌溉量、最大根系埋深、生長期時間和葉面積指數(shù)對地下水垂向補給情況的影響。

由表6可見，隨著包氣帶厚度的增加，水分更多會滯留在包氣帶中，從而導致地下水接受的入滲補給量隨地下水位埋深增大而減少。

表6 不同作物因子對地下水入滲量影響情況Table 6 Effect of different crop factors on groundwater recharge via infiltration

(3)單次灌溉量

單次灌溉量的變化直接影響了入滲補給水源的變化。由表6可見,單次灌溉量變?yōu)?0 mm(-50%)時，地下水入滲補給量減少315.7 mm，相當于減少75.46%；單次灌溉量變?yōu)?50 mm(+50%)時，地下水入滲補給量增加336.33 mm，相當于增加80.4%。由圖4a可見，地下水入滲補給量隨單次灌溉量的增大而增加。

(4)最大根系埋深

由表6和圖4b可見，基準條件下，最大根系埋深變?yōu)?0 cm(-50%)時，地下水入滲補給量減少5.69 mm，相當于減少1.36%；最大根系埋深變?yōu)?0 cm(+50%)時，地下水入滲補給量增加4.98 mm，相當于增加1.19%。地下水入滲補給量隨植被最大根系埋深的增大而增加。這是由于包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，使得植被有氧呼吸受抑制，影響根系水分吸收，因而，植被根系生長范圍越大，地下水接受的入滲補給量越大。

(5)生長期天數(shù)

由表6中可見，基準條件下，生長期天數(shù)變?yōu)?5天(-50%)時，地下水入滲補給量減少8.13 mm，相當于減少1.94%；生長期天數(shù)變?yōu)?95天(+50%)時，地下水入滲補給量增加0.5 mm，相當于增加0.12%。地下水入滲補給量隨生長期天數(shù)的增加而增加，但變化幅度較小。這主要由于試驗點地下水補給量以灌溉為主，而包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，抑制了植被根系吸水，使植被生長期內的地下水入滲補給量更大。

當生長期天數(shù)增長率大于20%時，入滲補給量不再隨生長期天數(shù)的變化而變化(圖4c)。這是由于灌溉主要集中在夏季和初秋，后期降雨量較小，未能對地下水入滲補給量產生影響，因此，生長期增加至143天后入滲補給量不再變化。

圖4 入滲補給量在不同地下水位埋深下對各個作物因子變化的響應結果Fig.4 Response of groundwater recharge via infiltration to different crop factors under different groundwater depths

(6)葉面積指數(shù)

由表6和圖4(d)所示，基準條件下，葉面積指數(shù)變?yōu)?.5～1.5(-50%)時，地下水入滲補給量減少4.32 mm，相當于減少1.03%；葉面積指數(shù)變?yōu)?.5～4.5(+50%)時，地下水入滲補給量增加2.63 mm，相當于增加0.63%。地下水入滲補給量隨葉面積指數(shù)的增大而緩慢增加。這是由于葉面積指數(shù)增加，減少了植被的棵間蒸發(fā)量，而試驗點包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，抑制了植被的根系吸水量和騰發(fā)量，因此，葉面積指數(shù)的增大使得地下水入滲補給量增加。

(7)綜合影響分析

不同地下水位埋深情況下，分析4種影響因子對地下水入滲補給量的影響?？砂l(fā)現(xiàn)，在不同地下水位埋深情況下，地下水入滲補給量的大小均與單次灌溉量呈正相關。而在地下水位埋深為117 cm、167 cm時，地下水入滲補給量的變化與最大根系埋深、生長期天數(shù)和葉面積指數(shù)大致呈正相關，在地下水位埋深為217 cm和267 cm時大致呈負相關，見圖4。

這是由于地下水位埋深在117 cm和167 cm時，包氣帶厚度較小，漫灌(100 mm)使根系層土壤呈近飽和狀態(tài)，使得植被有氧呼吸受抑制，植被產生水分脅迫

現(xiàn)象，影響根系水分吸收，因而，植被生長越旺盛，地下水接受的入滲補給量越大；地下水位埋深在217 cm和267 cm時，包氣帶厚度變大，漫灌(100 mm)不再使根系層土壤飽和，植被根系的吸水和蓄水作用凸顯。因而，植被生長越旺盛，地下水接受的入滲補給量越小。

由表4可見，這4個作物因子的增減所造成的地下水入滲補給量的變化程度各不相同。其中，單次灌溉量對地下水垂向入滲補給量的影響最為顯著，其次是生長期天數(shù)和最大根系埋深，葉面積指數(shù)對地下水垂向入滲補給量的影響最弱。并且隨著地下水位埋深的增大，不同作物因子對地下水入滲補給量的影響更加顯著。

2.3 灌溉和降雨入滲系數(shù)分析

本研究對兩個試驗點的三種不同作物種植情況下的地下水入滲補給量和入滲補給系數(shù)進行了計算，結果見表7。

結果表明，植被組與裸地組的入滲系數(shù)相差較小。在種植玉米和枸杞的情況下，植被組的灌溉入滲系數(shù)稍大于裸地組，在種植茄子的情況下，植被組的灌溉入滲系數(shù)稍小于裸地組。這主要是由于試驗點地下水位埋深小，種植玉米和枸杞所需單次灌溉量較大，大量水分使土壤呈近飽和狀態(tài)，植被產生水分脅迫抑制根系吸水，從而水分更多入滲補給地下水。而種植茄子所需單次灌溉量較小，水分進入包氣帶，植被的根系蓄水作用阻礙了水分的下滲，從而使植被組地下水補給量小于裸地組。

表7 不同時期地下水垂向入滲補給情況Table 7 Groundwater recharge via vertical infiltration during different periods

試驗點不同時期的降雨入滲系數(shù)差異較大，這是由于不同時期的降雨量、降雨頻率和土壤含水率均有不同?？傮w上，2014年的降雨入滲系數(shù)大于2013年，并且降雨入滲系數(shù)相比灌溉入滲系數(shù)要小得多。

中衛(wèi)試驗點在玉米種植期內，灌溉次數(shù)少，單次灌溉量大，入滲系數(shù)也相對較大；在茄子種植期內，灌溉次數(shù)多，單次灌溉量小，入滲系數(shù)也相對較小。而中寧試驗點在觀測期內一直種植枸杞，兩年的灌溉入滲系數(shù)相近?？梢姡捎诓煌r作物的生長特征和灌溉模式不同，其灌溉入滲系數(shù)也相差較大。并且在相同包氣帶巖性、灌溉模式和氣象條件下，有作物生長與無作物生長情況下的灌溉入滲系數(shù)的差異相對較小，由此可得出，灌溉模式對灌溉入滲系數(shù)的影響大于作物生長特征。

由表7可見，種植玉米情況下的地下水垂向入滲補給強度最大，枸杞次之，種植茄子情況下的地下水入滲補給強度最小。這與三種作物的單次灌溉量大小關系相對應，驗證了單次灌溉量大小與地下水入滲補給量呈正相關關系，其對地下水入滲補給量的影響顯著。

由于試驗點地下水入滲補給量以灌溉入滲為主，并且單次灌溉量大小對地下水入滲補給量影響明顯大于其他3個作物因子。因此，在僅考慮單次灌溉量大小的條件下，對試驗點灌溉入滲系數(shù)進行分析。在地下水位埋深為117 cm情況下，單次灌溉量50 mm時，灌溉入滲系數(shù)為0.5左右，單次灌溉量150 mm時，灌溉入滲系數(shù)為0.8左右，在地下水位埋深為167 cm情況下，單次灌溉量100 mm時，灌溉入滲系數(shù)為0.6左右，其結果分別與茄子種植期、玉米種植期和枸杞種植期內的灌溉入滲系數(shù)近似。

因此，在研究區(qū)地下水資源評價中，可以結合當?shù)氐叵滤宦裆詈妥魑飭未喂喔攘織l件來確定研究區(qū)灌溉入滲系數(shù)(表8)。

表8 不同地下水位埋深條件下單次灌溉量與灌溉入滲系數(shù)關系Table 8 Relationship between the single irrigation amount and coefficients of recharge from irrigation underdifferent groundwater depths

3 結論

(1) 根據野外原位試驗觀測數(shù)據，用HYDRUS-1D軟件對2013、2014年觀測期內的中衛(wèi)、中寧兩個試驗點的包氣帶水分運移進行模擬，根據Nash效率系數(shù)(NSE)和確定系數(shù)(R2)兩個評價指標顯示擬合效果較好。

(2) 通過對不同作物影響因子的分析得出，試驗點單次灌溉量的大小對地下水垂向入滲補給量的影響最為顯著，其次是生長期天數(shù)和最大根系埋深，葉面積指數(shù)對地下水垂向入滲補給量的影響最小。隨著地下水位埋深的增加，農作物種植因子對地下水入滲補給的影響也會增大。

(3) 種植玉米情況下的地下水垂向入滲補給強度最大，枸杞次之，種植茄子情況下的地下水入滲補給強度最小。根據單次灌溉量大小對灌溉入滲系數(shù)的影響最為顯著，并綜合考慮作物灌溉模式和地下水位埋深117～267 cm，給出了研究區(qū)農田區(qū)域在單次灌溉量為50～150 mm情況下對應的灌溉入滲系數(shù)參考值。