齊子萱， 周金龍， 季彥楨， 孫 英， 王新中， 鄭玉蓮

(1.新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆水文水資源工程技術研究中心， 新疆 烏魯木齊 830052； 3.新疆昌吉州地質環(huán)境監(jiān)測站， 新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡稱“新疆”)是我國內陸省份，水資源短缺問題已經成為其可持續(xù)發(fā)展進程中面臨的關鍵問題[1]。地下水作為水資源中的重要組成部分，是人類生活和工農業(yè)生產的重要水源。地下水的研究在解決供水、排水和土壤鹽漬化的防治等方面具有實際意義[2]。入滲補給研究已經成為干旱、半干旱地區(qū)地下水研究的主要問題之一，準確評價地下水的補給量或補給資源是制定水資源規(guī)劃和地下水可持續(xù)利用方案的基礎。分析干旱區(qū)降水入滲規(guī)律，對于深入分析干旱區(qū)入滲補給過程、正確評價水資源量、合理開發(fā)水資源具有重要意義。

目前國內外干旱、半干旱地區(qū)研究地下水補給的方法主要有：直接測定方法(地中蒸滲儀方法)、物理方法(零通量面方法、達西方法和地下水位動態(tài)方法)[3-5]、同位素方法(歷史示蹤劑、環(huán)境示蹤劑和人工示蹤劑)[6-8]和數(shù)值模擬方法[9-11]等，每種方法都有其適用性[12]。其中直接測定方法又稱為地中滲透儀方法，該方法通常作為估計地下水補給量的基準，其優(yōu)點是測量精度高，能夠長期監(jiān)測并且直接測得地下水的補給量[13]。李亞峰等[14](2007年)利用冉莊8.0m定埋深地中滲透儀的觀測資料研究降水入滲補給量隨埋深的變化規(guī)律，并揭示了最佳埋深和穩(wěn)定點的形成機理。郭會榮等[15](2007年)使用地中蒸滲儀開展土壤水流穿透試驗，結果表明在自然降雨條件下亞黏土中優(yōu)勢流明顯，粉細砂中以活塞流為主。楊曉俊[16](2009年)利用3個實驗站的地中蒸滲儀實測資料，確定降水入滲補給系數(shù)隨降水量的變化一般呈反“S”曲線。李金柱[17](2009年)利用3個實驗站地中蒸滲儀的實測降水入滲資料，綜合分析了影響降水入滲補給系數(shù)變化的主要因素及其變化規(guī)律。目前國內外使用地中蒸滲儀方法研究降水入滲規(guī)律的試驗以短期觀測資料為基礎的比較多，通過長系列數(shù)據(jù)分析相關參數(shù)的少，用短期觀測資料對研究區(qū)年降水入滲系數(shù)和埋深之間的關系擬合的線性經驗公式較多，但由于資料的時間序列短，擬合的經驗公式適用性較差。

本文以新疆昌吉地下水均衡試驗場(以下簡稱“昌吉試驗場”)地中蒸滲儀長系列觀測數(shù)據(jù)(1992-2015年)為基礎，分析影響降水入滲補給的主要因素，確定最佳埋深點和穩(wěn)定點，建立擬合程度更高、適用埋深更廣、可直接應用于新疆天山北麓平原區(qū)的年降水入滲補給系數(shù)和潛水埋深間的經驗公式。

2 昌吉試驗場基本概況

昌吉試驗場位于天山北麓的頭屯河下游沖-洪積扇中、上部，是專門進行潛水水均衡及包氣帶水分運移規(guī)律試驗研究的基地。該試驗場于1992年開始運行，入滲補給觀測設施為地滲儀觀測系統(tǒng)，共有42個皿筒(其中2.0 m2皿筒29個，0.3 m2皿筒10個，4.0 m2皿筒3個)，場區(qū)內包氣帶巖性以粉質砂土、粉質亞黏土為主，夾粉細砂層、細砂層和砂礫石層。本文所用試驗皿筒均無作物種植(裸地)。試驗場氣候特征為典型的內陸干旱氣候，晝夜溫差大，多年平均氣溫7.9°，多年平均降水量204.9 mm，多年平均蒸發(fā)量1 857.9 mm，每年的11月至翌年3月為凍結期，凍土深度為110～149 cm。昌吉試驗場的自然地理位置對研究干旱區(qū)地下水資源量和水循環(huán)具有很強的代表性。

通過整理地中蒸滲儀1992-2015年實測資料，發(fā)現(xiàn)地中蒸滲儀在1992-1998年因土體處于自然釋水的密實階段，觀測的降水入滲補給量偏大；2011-2015年儀器出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象，觀測資料連續(xù)性較差；1999-2010年的觀測資料連續(xù)性較好，且其平均降水量(211.5 mm)與1992-2015年的平均降水量(204.9 mm)相近。因此本文主要依據(jù)試驗場1999-2010年的降水入滲觀測資料進行分析。

3 降水入滲補給過程分析

2003年年降水量(229.0 mm)與1992-2015年多年平均降水量(204.9 mm)相近，1999年年降水量(291.3 mm)為1992-2015年年降水量最大值，2001年年降水量(173.4 mm)低于1992-2015年多年平均降水量。砂卵礫石地層巖性粗，降水入滲補給量相對較大，描述降水入滲補給過程更加清晰。本文選取1999、2001和2003年地中蒸滲儀砂卵礫石地層數(shù)據(jù)分析降水入滲補給過程。

砂卵礫石地層1999、2001和2003年雨季降水量和不同水位埋深條件下的入滲補給量歷時曲線見圖1～3。分析圖1～3可看出，在水位埋深為2.0 m時，降水過程形成的波峰波谷和入滲補給過程形成的波峰波谷在時間上一一對應，表明在水位埋深較淺時，降水能及時補給地下水，根據(jù)各次降水對應的補給過程能確定各次降水產生的補給量大小。當水位埋深大于2.0 m時，相對于降水過程，入滲補給過程的波峰波谷滯后，各次降水產生的入滲過程發(fā)生重合，因此無法依據(jù)實測入滲補給過程確定降水形成的入滲補給量大小。這主要是由于天然降水過程基本上以年為周期變化，干旱區(qū)因降水量較小，一年內有較長時間的凍結期，降水入滲補給過程主要出現(xiàn)在每年的4～10月(非凍結期)，入滲補給量包括春季融凍期、凍結期內的積雪融化產生的補給量和降水產生的補給量。當?shù)叵滤裆钶^大時，峰值滯后的時間將遠大于在融雪和降水過程中能夠形成入滲補給所需要的時間間隔，各次降水引起的入滲補給過程中出現(xiàn)的波峰波谷在同一時間上相互疊加，使年降水入滲補給出現(xiàn)一個補給高峰。

對比1999、2001、2003年降水入滲補給過程，1999年最大次降水量為40.1 mm(8月14日)，2001年最大次降水量為12.8 mm(10月18日)，2003年最大次降水量為43.4 mm(7月13日)。1999、2001和2003年水位埋深2 m時降水入滲補給量峰值出現(xiàn)的時間與最大次降水量的時間對應(圖1～3)，隨著潛水埋深的增大，該3個年份水位埋深5和7 m降水入滲補給量峰值出現(xiàn)的時間均發(fā)生滯后，潛水埋深5 m時滯后時間為1～2個月，潛水埋深7 m時滯后時間為2～3個月。1999、2001和2003年的年降水量大小具有代表性，但并未影響降水入滲補給滯后現(xiàn)象的出現(xiàn)，而最大次降水量出現(xiàn)的時間節(jié)點影響降水入滲補給量峰值出現(xiàn)的時間，潛水位埋深的大小決定峰值滯后的時間長短。因此，年降水總量的大小并不直接影響降水入滲補給的滯后規(guī)律，降水類型和潛水埋深是影響降水入滲補給滯后現(xiàn)象和滯后時間長短的主要原因，隨著潛水埋深的增大，降水入滲補給峰值滯后的時間可長達1～3個月。

圖1 昌吉試驗場砂卵礫石地層1999年雨季降水量和不同埋深條件下實測降水入滲補給量

圖2 昌吉試驗場砂卵礫石地層2001年雨季降水量和不同埋深條件下實測降水入滲補給量

4 影響降水入滲因素分析

大氣降水補給地下水的影響因素眾多，大體可分為氣候、地質、地形植被、土地利用等。本試驗條件下，影響降水入滲補給的因素可分為降水因素和水文地質因素。降水因素包括降水量、降水強度和降水的時間分布，其中降水量為主要因素；水文地質因素包括潛水位埋深、包氣帶巖性和雨前包氣帶土壤含水率[18]。

4.1 降水量

4.1.1 年入滲補給量與降水量的關系 為探討不同地層巖性和不同潛水埋深條件下入滲補給量與降水量的關系，選取砂卵礫石地層深埋深5.0 m和細砂地層淺埋深0.5 m降水入滲資料進行分析，1999-2010年砂卵礫石地層5.0 m埋深下及細砂地層0.5 m埋深下入滲補給量與降水量的關系見圖4和5。由圖4和5可看出，對于不同巖性地層在不同潛水埋深條件下，年降水入滲補給量與降水量均有明顯的線性關系，即年降水入滲補給量隨著降水量的增大而增大。砂卵礫石地層潛水埋深為5.0 m，由于該水位埋深較大，入滲補給的滯后時間較長，年降水量產生的補給不能在當年完成，當年補給量的大小不能代表這一年降水所產生的入滲補給量的大小。細砂地層潛水埋深為0.5m，由于該水位埋深較淺，年降水量峰值出現(xiàn)的時間節(jié)點和年降水入滲補給量在當年峰值出現(xiàn)的時間節(jié)點發(fā)生重合，年降水量產生的補給能夠在當年完成，當年補給量的大小可以代表這一年降水所產生的入滲補給量的大小。

4.1.2 潛水年入滲補給量與不同等級降水量年合計值的時差相關分析 細砂地層時差相關分析結果見表1。由表1可看出，潛水埋深2.0～6.0 m年入滲補給量與當年小于15.0 mm的不同等級降水量年合計值的相關性較好，與前1、2 a小于15.0 mm的不同等級降水量無顯著相關性；潛水埋深3.0～6.0 m年入滲補給量與當年大于等于15.0 mm等級降水量有顯著相關性；潛水埋深3.0 m年入滲補給量與前2 a的15.0～20.0 mm等級降水量存在顯著相關性；潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補給量與當年或前1、2 a大于等于20 mm等級降水量均無顯著相關性。

圖3 昌吉試驗場砂卵礫石地層2003年雨季降水量和不同埋深條件下實測降水入滲補給量

圖4 1999-2010年砂卵礫石地層5.0 m埋深下入滲補給量與降水量的關系

砂卵礫石地層時差相關分析結果見表2。由表2可看出，潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補給量與當年小于15.0 mm不同等級降水量相關性較好，與前1、2 a小于15.0 mm不同等級降水量無顯著相關性；潛水埋深2.0 、4.0 m和6.0～7.0 m年入滲補給量與當年15.0～20.0 mm等級降水量相關性較好，與前1 a的15.0～20.0 mm等級降水量無顯著相關性；潛水埋深2.0 m年入滲補給量與前2 a的15.0～20.0 mm等級降水量相關性較好；潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補給量與當年或前1、2 a大于等于20.0 mm不同等級降水量均無顯著相關性。

輕黏土地層時差相關分析結果見表3。由表3可看出，潛水埋深4.0～5.0 m年入滲補給量與當年小于15.0 mm不同等級降水量年合計值相關性較好；潛水埋深2.0 m年入滲補給量與前2 a的15.0～20.0 mm等級降水量年合計值存在顯著相關性；潛水埋深5.0 m年入滲補給量與當年15.0～20.0 mm等級降水量年合計值的相關性較好；潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補給量與當年或前1、2 a大于等于20.0 mm等級降水量均無顯著相關性。

圖5 1999-2010年細砂地層0.5 m埋深下入滲補給量與降水量的關系

降水等級/mm滯后年限D/a相關分析結果水位埋深/m2.03.04.05.06.07.0≥1.00r0.8170.8930.9920.8930.6340.315r/rα1.4181.5501.7201.5501.1000.5470r0.6530.8860.9130.9060.7040.219r/rα1.1341.5381.5851.5731.2200.380≥5.01r0.0730.1310.0440.0780.2120.349r/rα0.1210.4480.0730.1300.3520.5800r0.7510.9020.8790.8820.8780.492r/rα1.3041.5661.5301.5301.5240.854≥10.01r0.1820.1240.0140.0840.1440.227r/rα0.3020.2060.0230.1400.2380.3770r0.5230.7940.7280.7990.6000.262r/rα0.9081.3201.2651.3901.0400.455≥15.01r0.0320.1700.0260.0260.0010.171r/rα0.0530.2830.0430.0430.0020.2832r0.4200.6550.5970.4730.5690.288r/rα0.6651.0400.9930.7490.9000.4560r0.1690.4470.3550.4120.5330.169r/rα0.2930.7760.6160.7150.9250.294≥20.01r0.0170.2920.3620.0330.1390.017r/rα0.0290.4850.6000.0550.2310.0282r0.3340.3790.3700.3510.2250.334r/rα0.5290.6000.5860.5560.3560.528

注：(1)D為降水入滲補給系數(shù)的滯后年限，D=0時，降水當年入滲補給潛水；D=1時，降水滯后1 a補給潛水；D=2時，降水滯后2 a補給潛水；(2)rα為α=0.05時的臨界相關系數(shù)值。下同。

表2 砂卵礫石地層潛水年入滲補給量與不同等級降水量時差相關分析結果

4.2 潛水位埋深

潛水位埋深對降水入滲的影響主要取決于兩個因素：一個是非飽和帶重力水庫容，其量可以用土壤持水度與田間持水量之差來表示；另一個因素是入滲水量隨水位埋深變化的沿程損失(又稱可入滲水量)[14]。由于包氣帶重力水庫容和可入滲水量這兩個條件與包氣帶巖性和包氣帶厚度密切相關，因此降水入滲補給量的大小受包氣帶巖性和潛水位埋深的影響。

依據(jù)昌吉試驗場1992-2015年24 a降水量資料計算降水頻率，選取1999年(豐水年Pm=4.0%)、2001年(枯水年Pm=80.0%)、2010年(平水年Pm=44.0%)降水入滲量以及1999-2010多年平均降水入滲量繪制Pr-Δ關系圖見圖6。從圖6中可以看出，1999、2001和2010年降水入滲補給量隨地下水埋深的變化趨勢與多年平均降水入滲補給量隨地下水埋深的變化趨勢相一致，且四者的降水入滲補給量都在潛水位埋深0.5 m時到達峰值，所以就砂卵礫石地層而言，最佳地下水位埋深為0.5m，當?shù)叵滤裆钚∮谠撝禃r，降水入滲補給量隨埋深的增大呈增加趨勢，當?shù)叵滤裆畲笥谠撝禃r，降水入滲補給量隨埋深的增大呈減小趨勢然后逐漸趨于穩(wěn)定。

4.3 包氣帶巖性

一般情況下，巖性越粗重力水庫容越大；巖性越細，重力水庫容越小[17]。在不同巖性中定水位埋深條件下，細砂地層的水分虧缺量大于輕黏土地層。不同巖性入滲補給量隨埋深變化對比見圖7，由圖7可看出，埋深相同時細砂地層的入滲補給量大于輕黏土地層。因此包氣帶巖性的水分虧缺量越大，降水入滲時補給地下水的能力越強。對于不同巖性地層在潛水埋深一定時，降水入滲補給量的排序為：輕黏土地層<細砂地層<砂卵礫石地層。不同包氣帶巖性潛水年入滲補給量均存在最佳潛水埋深且在最佳埋深上下的變化規(guī)律相同，細砂地層最佳潛水埋深為0.5 m，輕黏土地層最佳潛水埋深為0。

表3 輕黏土地層潛水年入滲補給量與不同等級降水量時差相關分析結果

圖6砂卵礫石地層1999、2001、2010和1999-2010多年平均的Pr-Δ關系圖 圖7 不同巖性地層入滲補給量隨埋深變化對比圖

5 降水入滲補給系數(shù)綜合分析

5.1 年降水入滲補給系數(shù)

年降水入滲補給系數(shù)(α)是指1 a內潛水所獲得的降水入滲補給量與年降水量的比值[19]。依據(jù)地中蒸滲儀1999-2010年觀測數(shù)據(jù)計算砂卵礫石地層、細砂地層和輕黏土地層的年降水入滲補給系數(shù)α見表4。由表4可看出，當巖性和潛水位埋深條件不同時，降水入滲補給系數(shù)α也不同。降水特征和潛水位埋深條件相同時，降水入滲補給系數(shù)α從大到小的順序為：砂卵礫石地層>細砂地層>輕黏土地層。3種巖性的降水入滲補給系數(shù)α均在其最佳埋深點處有最大值，細砂地層和砂卵礫石地層降水入滲補給系數(shù)α在潛水埋深0.5 m時最大，輕黏土地層降水入滲補給系數(shù)α在潛水埋深為0時最大。降水入滲補給系數(shù)α在最佳埋深點兩端的變化趨勢和降水入滲補給量在最佳埋深點兩端的變化趨勢相同。當潛水埋深大于最佳潛水埋深時，α逐漸減小并趨于穩(wěn)定，存在一個穩(wěn)定埋深。穩(wěn)定埋深沒有一個絕對的值，但通過實測資料可看出，在降水入滲補給系數(shù)α逐漸減小的過程中，α的變化量也不斷減小，例如細砂地層大于6.0 m時，降水入滲補給系數(shù)α的變化量小于0.008，因此可以認為細砂地層大于6.0 m時，降水入滲補給系數(shù)趨于穩(wěn)定。

表4 1999-2010年各巖性不同潛水埋深潛水年降水入滲補給系數(shù)α統(tǒng)計表

5.2 最佳地下水埋深和埋深穩(wěn)定點分析

最佳地下水埋深是指在一定的年降水特征和巖性條件下，依據(jù)年降水入滲補給系數(shù)隨地下水埋深的變化規(guī)律建立α-Δ關系曲線，年降水入滲補給系數(shù)最大時所對應的埋深[17]。不同巖性對應不同的最佳地下水位埋深。影響最佳地下水埋深的因素主要有：包氣帶重力水庫容、可入滲水量大小及它們與地下水埋深之間的定量關系，其中最重要的是包氣帶巖性及其結構特征、年降水量及其時空分配特征[19]。根據(jù)昌吉地下水均衡試驗場地中滲透儀1999-2010年觀測資料確定最佳潛水埋深。

埋深穩(wěn)定點是指在一定年降水特征和巖性條件下，依據(jù)年降水入滲補給系數(shù)隨地下水埋深的變化規(guī)律建立α-Δ關系曲線，在α-Δ關系曲線上，降水入滲補給系數(shù)不再隨地下水埋深的增大而減小時臨界點埋深的大小。降水入滲補給系數(shù)埋深穩(wěn)定點的存在機理為：當?shù)叵滤裆钭銐虼髸r，地下水基本無法形成蒸散發(fā)，在僅有毛細力的作用下地下水也無法向上運移被植物根系吸收，在重力水頭的作用下重力水團只能向下運移。所謂降水入滲補給量隨地下水埋深逐漸減小趨于穩(wěn)定的位置，即為蒸散發(fā)量從表層到深層逐漸減小趨近于零的位置[16]。

5.3 年降水入滲補給系數(shù)經驗公式

采用以降水量為權重的加權平均法計算多年平均降水入滲補給系數(shù)，如表4所示。在細砂地層、砂卵礫石地層、輕黏土地層最佳埋深點存在的條件下，由于多年平均降水入滲補給系數(shù)在最佳埋深點后的變化趨勢符合指數(shù)函數(shù)的分布特征，根據(jù)1999-2010年多年平均降水入滲補給系數(shù)，擬合出年降水入滲補給系數(shù)和水位埋深間的指數(shù)型經驗公式，其適用范圍為：砂卵礫石地層和細砂地層埋深為0.5～6.0 m，輕黏土地層埋深為0.0～6.0 m。與昌吉試驗場2002年建立的年降水入滲補給系數(shù)與水位埋深間的線型經驗公式[15]對比可以發(fā)現(xiàn)，依據(jù)最佳潛水埋深和穩(wěn)定潛水埋深建立的指數(shù)型經驗公式擬合程度更高，可適用的埋深范圍更廣。

1999-2010年昌吉試驗場降水入滲補給系數(shù)與潛水埋深間的指數(shù)型經驗公式為：

砂卵礫石地層：

α=0.3159e-0.178x

(1)

(n=8,r=0.907,r0.05= 0.707,r0.01=0.834)

細砂地層：

α=0.3973e-0.333x

(2)

(n=8,r=0.885,r0.05=0.707,r0.01=0.834)

輕黏土地層：

α=0.1243e-0.214x

(3)

(n=9,r=0.926,r0.05=0.666,r0.01=0.798)

5.4 討論

前文已述及影響大氣降水補給地下水的因素有很多，確定干旱半干旱地區(qū)地下水補給的研究方法也有很多，除了上文所提及的幾個主要影響因素，計算成果的精度甚至還取決于地中蒸滲儀的觀測方法和觀測精度，但本文選取的樣本足夠多，時間尺度足夠長，最后得出的統(tǒng)計規(guī)律可以較準確地反映出干旱區(qū)降水入滲補給規(guī)律。本文計算的多年平均降水入滲補給系數(shù)和擬合的經驗公式依據(jù)的是地中蒸滲儀觀測資料，地中蒸滲儀是定水位觀測，但自然狀態(tài)下，降水到達潛水面時，會引起潛水面的抬升。當在潛水面較淺的情況下，會使包氣帶的土壤水庫蓄水能力降低從而限制降水入滲，試驗條件下計算的降水入滲補給系數(shù)要比實際值偏大。相關部門在應用本文的研究成果時需注意經驗公式和年降水入滲補給系數(shù)的適用范圍，并且所研究的地滲儀系統(tǒng)中的皿筒并無作物種植，在應用到地下水補給資源計算的過程中，需考慮有作物種植和不同種類作物種植條件下降水入滲補給系數(shù)的變化。本文所確定的不同巖性地層的最佳地下水位埋深和穩(wěn)定埋深可以作為地下水位調控的重要依據(jù)，對于新疆天山北麓平原區(qū)地下水開發(fā)利用具有一定的實際意義。

6 結 論

(1)相對于降水過程，降水入滲補給存在著明顯的延遲滯后現(xiàn)象。降水類型和潛水位埋深是影響降水入滲補給滯后現(xiàn)象和滯后時間長短的主要因素，隨著潛水埋深的增大，降水入滲補給峰值滯后時間可長達1～3月。

(2)影響降水入滲補給地下水的因素主要有年降水量、潛水位埋深和包氣帶巖性。當降水量增大時降水入滲補給量也隨之增大。降水入滲補給量在潛水埋深一定時從大到小的順序為：砂卵礫石地層>細砂地層>輕黏土地層。

(3)當?shù)叵滤裆钚∮谧罴褲撍裆顣r，降水入滲補給量隨埋深的增大呈增加趨勢，當?shù)叵滤裆畲笥谧罴褲撍裆顣r，降水入滲補給量隨埋深的增大呈減小趨勢，最后趨于穩(wěn)定。砂卵礫石地層和細砂地層最佳潛水埋深為0.5 m，輕黏土地層最佳潛水埋深為0；砂卵礫石地層、細砂地層和輕黏土地層穩(wěn)定潛水埋深為6.0 m。

(4)用降水量為權重的加權平均法計算多年平均降水入滲補給系數(shù)，依據(jù)最佳潛水埋深和穩(wěn)定潛水埋深建立的降水入滲補給系數(shù)與潛水埋深的指數(shù)型經驗公式擬合程度更高，可適用的潛水埋深范圍更廣。