齊子萱，周金龍，季彥楨，孫 英，王新中，鄭玉蓮

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

地下水補給研究是地下水資源評價、水資源可持續(xù)利用、水資源管理的基礎(chǔ)，也是建立地下水模型的關(guān)鍵[1]。地下水補給研究中降水入滲補給量的計算精度直接關(guān)系到區(qū)域水資源評價的精度[2]。降水入滲補給量的大小受很多因素控制，如土地利用類型、降水因素(包括降水強度、降水歷時和降水量)、包氣帶厚度及巖性、地形等[3]。因此降水入滲補給規(guī)律在不同時間和空間尺度上有較大差異[4]。

Dripps和Bradbury[5]構(gòu)建了一個土壤-水平衡模型，評價美國威斯康星州北部鱒魚湖盆地1996—2000年地下水補給的時空分布，結(jié)果表明在建立模型時忽視地下水補給在時間和空間上的變異性會導(dǎo)致區(qū)域水資源管理、污染物運移研究的模型得出的結(jié)果和預(yù)測無效；劉泓志等[6]采用克里金插值法繪制了降水入滲補給系數(shù)插值圖和地下水埋深圖，與地形圖進行對比，分析發(fā)現(xiàn)降水入滲補給系數(shù)大小與研究區(qū)地形和地下水埋深相關(guān)；曹穎等[7]利用遙感技術(shù)，通過構(gòu)建基于專家經(jīng)驗知識的評價系統(tǒng)和模型，評價分析北京市各區(qū)降水入滲補給條件的空間分異性，結(jié)果表明地層巖性與地質(zhì)構(gòu)造因子是影響降水入滲補給條件的重要因素；張施躍等[8]提出了一種基于土地利用類型，結(jié)合GIS和VBA編程技術(shù)計算大氣降水入滲補給量的PIRCL方法，以廣州市廣花盆地為例，用此方法與水量平衡法計算的多年平均降水入滲補給量進行對比，結(jié)果表明兩種方法計算結(jié)果相近，只需要區(qū)域遙感數(shù)據(jù)、區(qū)域降水量數(shù)據(jù)和對應(yīng)時段地下水位動態(tài)利用PIRCL方法可以計算出大氣降水入滲補給量，該方法可以節(jié)省大量的工作量；郗鴻峰等[9]通過分析凍結(jié)期和凍融期地下水位動態(tài)的變化特征及其與相關(guān)環(huán)境要素的對應(yīng)關(guān)系，確定了實例研究場地內(nèi)凍融期的融雪入滲補給系數(shù)僅為非凍結(jié)期大氣降水入滲系數(shù)1/2左右，但其研究成果受限于研究場地的特征以及研究時段內(nèi)的氣象條件，代表性尚不充分。目前國內(nèi)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(chǔ)的比較多，通過長系列數(shù)據(jù)分析相關(guān)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)和埋深之間關(guān)系擬合的線性經(jīng)驗公式較多，但由于資料時間序列短，擬合經(jīng)驗公式適用性較差。從空間尺度上探討降水入滲補給規(guī)律變化的研究比較多，從時間尺度上部分研究仍集中在割裂的探討某個季節(jié)的氣候特征對年降水入滲補給的影響，少有研究關(guān)注降水入滲補給地下水的季節(jié)性分布，特別是在寒冷干旱地區(qū)，由于氣候和植被的季節(jié)性差異，降水入滲補給規(guī)律的變化十分明顯[10]。了解降水入滲補給規(guī)律的季節(jié)性變化對于準(zhǔn)確評估寒冷干旱地區(qū)地下水資源量和解釋氣候變化對其地下水補給的影響非常重要[11]。因此，本文利用新疆昌吉地下水均衡試驗場(以下簡稱“昌吉試驗場”)1992—2015年長系列降水入滲觀測資料，劃分西北內(nèi)陸盆地凍結(jié)期、凍融期和非凍結(jié)期，分析不同時期降水入滲補給地下水的主要影響因素，確定不同季節(jié)對地下水補給的重要性，為應(yīng)對氣候變化條件下西北內(nèi)陸盆地地下水資源評價和合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

昌吉試驗場地處新疆昌吉市北郊，位于新疆天山北麓平原區(qū)頭屯河沖洪積扇前緣西側(cè)，是西北內(nèi)陸盆地平原區(qū)大型綜合試驗站，于1992年開始運行。昌吉試驗場所在區(qū)域的水文地質(zhì)圖，見圖1。天山北麓平原區(qū)南部山前傾斜平原含水層主要為卵礫石組成的單一結(jié)構(gòu)潛水，孔隙發(fā)育，透水性良好；北部風(fēng)積平原含水層為以砂礫石和砂、粉細砂組成的雙層結(jié)構(gòu)潛水-多層結(jié)構(gòu)承壓水[12]。昌吉試驗場氣候特征為典型的內(nèi)陸干旱氣候，晝夜溫差大，多年平均氣溫7.9 ℃，多年平均降水量為204.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 857.9 mm。場區(qū)內(nèi)包氣帶巖性以粉質(zhì)砂土、粉質(zhì)亞黏土為主，夾0.30～1.65 m厚的粉細砂層和0.25～0.35 m厚的含礫中細砂層和砂礫石層。試驗場2016年平均潛水位埋深為21.09 m。

圖1 昌吉地下水試驗場所在區(qū)域水文地質(zhì)簡圖(根據(jù)文獻[13]修改)Fig.1 Regional hydrogeological map near the Changji Groundwater Balance Test Station

1.2 試驗概況

昌吉試驗場模擬剖面入滲補給觀測設(shè)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)。本文選用橫截面積為2.0 m2的皿筒27 個，該尺寸皿筒中土壤巖性有砂卵礫石、細砂和輕黏土3 種，具體組合方案見表1。降水入滲補給量測試儀器為清華大學(xué)水利系水資源實驗室研制的馬氏瓶，精度為0.003～0.025 mm；觀測時間為每日北京時間8:00和20:00。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)昌吉試驗場1999—2010 年的降水入滲觀測資料進行分析。氣象觀測項目包括：氣溫、地溫、凍土和雪深。觀測時間為每日北京時間8:00、14：00和20：00，其中地溫觀測深度為0，5，10，15，20，40，80，160，320 cm。

表1 降水入滲試驗方案

1.3 數(shù)據(jù)處理

為避免1999—2010年長系列降水入滲觀測數(shù)據(jù)中的異常值影響，本文采用拉依達3σ準(zhǔn)則進行預(yù)處理，并剔除異常值，每次剔除異常值后，其余數(shù)據(jù)應(yīng)該重新計算σ值，以新的σ值為基礎(chǔ)，再次判別異常值是否存在，直至無異常值為止[14]。拉依達準(zhǔn)則公式為：

(1)

式中：X——需要判別的數(shù)據(jù)；

σ——需要判別數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍結(jié)期、凍融期和非凍結(jié)期劃分及氣象因素分析

氣溫和地溫兩個氣象要素每年的變化趨勢基本保持不變，且已有研究表明，氣溫和地溫的變化趨勢基本一致[15]。由于4—10月西北內(nèi)陸盆地氣溫和地溫均在0 ℃以上，可以定義4—10 月為西北內(nèi)陸盆地的非凍結(jié)期。

圖2 2005—2010年昌吉實驗場逐日氣溫及地溫變化Fig.2 Daily air and soil temperature change of the Changji Experimental Station from 2005 to 2010

為具體劃分西北內(nèi)陸盆地平原區(qū)凍結(jié)期和凍融期的分布時間，選取氣溫和地溫在0 ℃以下的月份進行研究?？紤]到該地區(qū)晝夜溫差大的特點，選取昌吉試驗場2005年11月1日—2010年3月31日近5 年每日08:00與14:00的實測氣溫和地溫數(shù)據(jù)分析。通過實測氣溫和地溫變化散點圖(圖2)可以看出，08:00氣溫和14:00氣溫在11 月—翌年2月多保持在0 ℃以下，08:00最低氣溫可達-34 ℃，14:00 最低氣溫可達-31.7 ℃，1月上旬是西北內(nèi)陸盆地氣溫最低的時段。通過近5 年0 cm土層08:00 和14:00 地溫變化過程線(圖2c～2d)可以看出，除11 月上旬14:00 有少部分地溫在0 ℃以上，11月—翌年2月在08:00 和14:00地溫均處于0 ℃ 以下，與氣溫的變化規(guī)律基本一致，因此將11月—翌年2月定義為西北內(nèi)陸盆地的凍結(jié)期。

3月08:00氣溫多保持在0 ℃以下，但14:00氣溫大部分保持在0 ℃以上，且晝夜溫差較大。受晝夜溫差的影響，3 月0 cm地溫在08:00和14:00的變化趨勢與氣溫的變化趨勢一致，3 月0 cm處地溫在 08:00 多處于0 ℃以下，在14:00基本處于0 ℃ 以上，土壤表現(xiàn)為明顯的晝?nèi)谝箖鰻顟B(tài)，因此將3 月定義為西北內(nèi)陸盆地的凍融期。

無論是凍結(jié)期還是凍融期，凍結(jié)層的形成與融化影響著土壤剖面的水分運移，而地溫和氣溫是影響凍土凍結(jié)和融化的主要因素，凍結(jié)期土壤最大凍結(jié)深度和土壤的平均凍結(jié)速率與穩(wěn)定的日平均負(fù)氣溫和負(fù)地溫有密切的關(guān)系[16-17]。以2009—2010年凍結(jié)期和凍融期不同土壤埋深條件下14:00氣溫和地溫的變化過程線(圖3)可以看出，凍結(jié)期和非凍結(jié)期0 cm處的地溫均保持在0 ℃以下，且氣溫的變化趨勢和0 cm處地溫變化趨勢一致，隨著土壤埋深的增大，80，160，320 cm 處地溫也逐漸增大，320 cm處地溫基本穩(wěn)定在17 ℃。表層土壤受氣象要素影響較為顯著，隨著土壤埋深增大，地溫逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 2009—2010年昌吉試驗場凍結(jié)—凍融期不同土層地溫和氣溫逐日變化Fig.3 Daily variation in air and soil temperature in different soil layers during the freeing-thaw period of the Changji Experimental Station from 2005 to 2010

2.2 非凍結(jié)期降水入滲規(guī)律分析

前人對非凍結(jié)期降雨入滲的影響因素[18-19]、機理[20-21]等方面做了大量研究。試驗條件下，影響非凍結(jié)期降雨入滲的主要因素有：降雨量、地下水位埋深、包氣帶巖性和雨前包氣帶土壤含水率[22]。1999—2010 年非凍結(jié)期多年平均降水量僅為138.8 mm。由細砂非凍結(jié)期降水量和不同潛水位埋深降水入滲補給量之間的關(guān)系(圖4)可以看出，非凍結(jié)期降水量和降水入滲補給量有顯著的線性關(guān)系，該時期的降水入滲補給量隨降水量的增大而增大，同一非凍結(jié)期相同降水量條件下，隨著地下水位埋深增大，降水入滲補給量減小。

圖4 細砂非凍結(jié)期降水量和降水入滲補給量的關(guān)系Fig.4 Relationship between precipitation and recharge in fine sand during the non-freezing period

從1999—2010 年4—10月非凍結(jié)期不同巖性條件下多年平均降水入滲補給量隨埋深變化過程線(圖5)可看出，相同潛水位埋深條件下，不同土質(zhì)降水入滲補給量從大到小為：砂卵礫石>細砂>輕黏土。表明非凍結(jié)期地下水位埋深相同時，巖性越粗，包氣帶水分虧缺量越小，越有利于降雨入滲補給。3 種巖性在非凍結(jié)期潛水埋深較淺時都存在一個峰值埋深，當(dāng)潛水埋深小于該峰值埋深時，降水入滲補給量隨埋深的增大而增大；當(dāng)潛水埋深大于該峰值埋深時，降雨入滲補給量隨埋深的增大而減小，并逐漸趨于穩(wěn)定。非凍結(jié)期峰值埋深的變化規(guī)律和年降水入滲補給中的最佳地下水位埋深變化規(guī)律相似。年降水入滲補給中的最佳地下水位埋深是指在一定的年降水特征和巖性條件下，入滲補給量最大時的水位埋深。本文引入非凍結(jié)期最佳地下水位埋深概念評價該時期降水入滲量的峰值埋深[23]。非凍結(jié)期砂卵礫石最佳地下水位埋深為0.5 m，細砂最佳地下水位埋深為0.5 m，輕黏土最佳地下水位埋深0.1 m。

圖5 1999—2010年非凍結(jié)期(4—10月)不同土質(zhì)多年平均降水入滲補給量隨埋深變化圖Fig.5 Changing process of the annual average replenishment of infiltration from precipitation with depth in different soils during the non-freezing period from 1999 to 2010

2.3 凍結(jié)期降水入滲規(guī)律分析

凍結(jié)期土壤水分運移特征與非凍結(jié)期土壤水分運移特征有著明顯的差異，其過程十分復(fù)雜，在凍結(jié)期土壤凍結(jié)層剖面形成過程中，土壤的水分運動呈上滲型，土壤中的部分氣態(tài)水和液態(tài)水會向凍結(jié)層下界面靠近并凝結(jié)使凍結(jié)層下界面積聚一部分水量[24]。土壤初始含水率、下墊面條件，土壤溫度和土壤結(jié)構(gòu)等都是影響凍結(jié)土壤水分入滲的重要因素，已有研究表明垂向上凍結(jié)土壤的入滲能力明顯小于非凍結(jié)土壤的入滲能力[25-26]。西北內(nèi)陸盆地凍結(jié)期長達4 個月，降水以降雪的形式出現(xiàn)，受到表層凍結(jié)土壤的影響，凍結(jié)期降水量對地下水無入滲補給。但由于降水入滲補給過程存在明顯的時間滯后性，包氣帶深層地溫高，土壤處于未凍結(jié)狀態(tài)，包氣帶殘余的部分水量會繼續(xù)發(fā)生運移，產(chǎn)生入滲補給量。從昌吉試驗場1999—2010 年凍結(jié)期降水入滲補給量統(tǒng)計表(表2)可以看出，凍結(jié)期潛水埋深0～1 m條件下3種土質(zhì)降水入滲補給量幾乎為0.00 mm，潛水埋深1～2 m條件下降水入滲補給量均小于0.50 mm，表明凍結(jié)期潛水埋深0～2 m 條件下3種土質(zhì)均不利于地下水補給。細砂和砂卵礫石潛水埋深2～4 m條件下降水入滲補給量仍小于1.0 mm，潛水埋深大于4.0 m時才產(chǎn)生明顯的入滲補給量。輕黏土潛水埋深大于2.0 m條件下，降水入滲補給量均大于1.00 mm，產(chǎn)生明顯的入滲補給并保持穩(wěn)定。對比3 種土質(zhì)，明顯產(chǎn)生入滲補給量時，相同地下水位埋深條件下，砂卵礫石>細砂>輕黏土。由凍結(jié)期多年平均降水入滲補給量占多年平均年降水入滲補給量的比例(表3)可以看出，細砂、砂卵礫石和輕黏土分別在潛水埋深為5.0，7.0，7.0 m時的凍結(jié)期多年平均降水入滲補給量分別占多年平均年降水入滲補給量的54.84%、45.61%和64.95%。結(jié)果表明，凍結(jié)期地下水位埋深對土壤入滲能力的影響十分明顯，潛水埋深和降水入滲補給量之間并沒有顯著的線性關(guān)系。和非凍結(jié)期降水入滲規(guī)律不同，凍結(jié)期潛水埋深較大時，包氣帶殘余含水量高，土壤入滲能力強，有利于深埋型地下水補給。相同潛水埋深條件下，巖性越粗，降水入滲補給量越大，這和非凍結(jié)期降水入滲規(guī)律相同。凍結(jié)期是深埋型地下水降水入滲補給的重要時期。

表2 凍結(jié)期降水入滲補給量統(tǒng)計表

表3 凍結(jié)期多年平均降水入滲補給量占多年平均年降水入滲補給量的比例

2.4 凍融期降水入滲規(guī)律分析

1999—2000年和2008—2009年凍結(jié)、凍融期降雪量分別為1999—2010年凍結(jié)、凍融期降雪量的最大值和最小值。選取昌吉試驗場1999—2000年、2008—2009年數(shù)據(jù)分析凍土和積雪的發(fā)育與消失過程，由圖6可見降雪量不影響凍融期積雪和凍土的消融時間，凍土和積雪的形成是一個緩慢的過程，起初厚度有起伏，總的趨勢是逐漸增厚然后保持穩(wěn)定。但其融化過程是一個迅速的過程，融化時間遠小于發(fā)育時間，1999—2000年積雪和凍土融化過程僅用了14 d，2008—2009年融化過程僅用了16 d。伴隨積雪和凍土的消融過程凍結(jié)層下界面也開始融通，受到凍土、積雪的形成與消融和凍結(jié)層下界面積聚的一部分水量的影響，凍融期地下水補給的下墊面條件與凍結(jié)期和非凍結(jié)期的差異很大。

圖6 凍土層和積雪厚度變化過程Fig.6 Freezing and thawing processes of the frozen soil layer and accumulated snow

圖7 1999—2010年凍融期(3月)不同巖性多年平均降水入滲補給量隨埋深變化過程線Fig.7 Changes in the annual average replenishment of infiltration from precipitation with depth in different soils during the thawing period from 1999 to 2010

1999—2010年凍融期不同土質(zhì)多年平均降水入滲補給量隨埋深變化過程線見圖7。凍融期降水入滲補給量隨潛水埋深增大到一個峰值，繼而急劇下降，該峰值埋深可認(rèn)為是3種土質(zhì)凍融期降水入滲補給地下水的最佳潛水埋深。細砂、砂卵礫石和輕黏土凍融期最佳潛水埋深分別為1.0,0.5,0.1 m。由凍融期多年平均降水入滲補給量占多年平均年降水入滲補給量的比例(表4)可看出，潛水埋深較淺時，細砂、砂卵礫石和輕黏土在潛水埋深為1.0，1.0，0.5 m時的凍融期多年平均降水入滲補給量分別占多年平均年降水入滲補給量的64.49%、77.32%和50.82%，結(jié)果表明西北內(nèi)陸盆地凍融期是淺埋型地下水降水入滲補給的重要時期[23]。

表4 凍融期多年平均降水入滲補給量占多年平均年降水入滲補給量的比例

3 結(jié)論

(1)西北內(nèi)陸盆地非凍結(jié)期為4—10月，凍結(jié)期為11—翌年2月，凍融期為3 月。表層土壤受氣象要素影響顯著，其地溫波動幅度和相關(guān)氣象要素波動幅度一致，凍融期土壤表現(xiàn)為晝?nèi)谝箖鎏卣鳌?/p>

(2)非凍結(jié)期降水量和降水入滲補給量有顯著的線性關(guān)系，該時期獲得的降水入滲補給量隨著降水量的增大呈增加趨勢。非凍結(jié)期地下水位埋深相同時，巖性越粗，包氣帶水分虧缺量越小，越有利于降水入滲補給。在非凍結(jié)期潛水埋深較淺時3種巖性地層都存在一個峰值埋深，當(dāng)潛水埋深小于該峰值埋深時，降水入滲補給量隨埋深的增大而增大；當(dāng)潛水埋深大于該峰值埋深時，降雨入滲補給量隨埋深的增大而減小并逐漸趨于平穩(wěn)。砂卵礫石、細砂和輕黏土非凍結(jié)期最佳潛水埋深分別為0.5，0.5，0.1 m。

(3)和非凍結(jié)期降水入滲規(guī)律不同，凍結(jié)期潛水埋深較大時，包氣帶殘余含水量高，土壤入滲能力強，有利于深埋型地下水補給，凍結(jié)期是深埋型地下水降水入滲補給的重要時期。

(4)凍融期降水入滲補給量隨潛水埋深增大到一個峰值，繼而急劇下降，該峰值埋深可認(rèn)為是3種巖性凍融期降水入滲補給地下水的最佳潛水埋深。細砂、砂卵礫石和輕黏土凍融期最佳潛水埋深分別為1.0，0.5，0.1 m。凍融期是淺埋型地下水降水入滲補給的重要時期。