陳建峰

(山西省水文水資源勘測總站，山西 太谷 030800)

1 實驗概述

實驗區(qū)位于山西省太谷縣山間盆地—太原盆地中部。東經(jīng)112°30′，北緯37°26′。海拔高程783～773 m。包氣帶土壤巖性以細(xì)紗、粉細(xì)紗、亞砂土、亞粘土為主。氣候?qū)儆诖箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)。多年平均氣溫9.9℃。多年平均年降水量412.6 mm。多年平均年水面蒸發(fā)量1 037.3 mm(E601型)。設(shè)有地中蒸滲儀25套，測筒器口面積0.5 m2，地下水埋深0.5～5 m(0.5 m間隔)。其中亞砂土9套，極細(xì)砂9套，細(xì)砂7套。在有無作物條件下進(jìn)行實驗。另外設(shè)有20 m2(4×5 m)模擬池，面積為7.72 km2的均衡區(qū)。1991年以來積累了多年觀測資料。

2 降水入滲補(bǔ)給機(jī)理分析

2.1 降水入滲補(bǔ)給過程

降水入滲補(bǔ)給過程是降水到達(dá)地面后，一部分被蒸散發(fā)，另一部分以地面漫流形式匯入河道形成地表水，再一部分被表層土壤吸收。被表層土壤吸收的這部分降水，在土壤含水量實測資料中表現(xiàn)為表層土壤含水量迅速增大，當(dāng)土壤含水量超過田間持水量時，多余的水分形成重力水團(tuán)并逐漸向下運(yùn)移。在重力水團(tuán)向下運(yùn)移過程中，一部分水分在大氣蒸發(fā)力的作用下，通過作物和上覆土壤與大氣交換，另一部分水分沿程不斷地填充包氣帶孔隙，多余的重力水團(tuán)繼續(xù)向下運(yùn)移，直至到達(dá)地下水面，補(bǔ)給地下水。圖2為土壤含水量剖面動態(tài)曲線，表明降水過后重力水團(tuán)下移的土壤含水量剖面的分布過程。

2.2 降水入滲補(bǔ)給機(jī)理分析

降水落到地面滲入包氣帶土壤，通過包氣帶土壤補(bǔ)給潛水，這一過程稱為降水入滲補(bǔ)給過程，補(bǔ)給到潛水的這部分水量稱為降水入滲補(bǔ)給量。降水入滲補(bǔ)給量除以相應(yīng)時段的降水量稱為降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。降水入滲補(bǔ)給量隨埋深的變化取決于包氣帶的兩個條件：一個是包氣帶土壤可容納的重力水庫容，即田持含水量與飽和含水量之間的庫容量，隨土壤深度增大，重力水庫容增大；另一個條件是可入滲水量的變化，可以用降水量減去雨期蒸發(fā)和沿程損失來表示。所以降水入滲補(bǔ)給，沿著重力水庫容曲線隨埋深的增大而增大，當(dāng)可入滲水量與重力水庫容相等時，達(dá)到與降水量相應(yīng)的最大入滲量，這時的埋深稱為最佳埋深。埋深再增大時，由于沿程損失隨著埋深的增大逐漸減少，入滲補(bǔ)給量隨埋深增大而減小的越來越緩，到一定埋深時即趨于穩(wěn)定。

圖1 固定地下水位自動排水—補(bǔ)償式蒸滲計示意圖

圖2 土壤含水量剖面圖

3 降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)計算

3.1 次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)

最簡單的降水入滲情況為：降水降落地面后產(chǎn)生下滲，由于非飽和帶的調(diào)蓄作用，將有一定的水量轉(zhuǎn)化為土壤水，而這個水量中超過非飽和帶田間持水量的那部分水才有可能形成對地下水的入滲補(bǔ)給。由此可知，并不是所有的降水都能對地下水產(chǎn)生補(bǔ)給，即只有當(dāng)降水量大于一定數(shù)值(臨界值)后才能補(bǔ)給地下水。降水入滲補(bǔ)給量的表達(dá)式為：

(1)

式中：Pr為降水對地下水(潛水)的入滲補(bǔ)給量(mm)；P為降水量(mm)；P0為臨界降水量(mm)；α′為與非飽和帶巖性及含水狀態(tài)等有關(guān)的系數(shù)。

由于臨界降水量受前期水量大小、降水強(qiáng)度、非飽和帶巖性及含水狀態(tài)、地下水埋深等因素的影響而變化，因此次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)定義如下：

(2)

式中：α次為次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)；Pa為前期影響水量(mm)；其他符號意義同前。

依據(jù)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的定義，測出每次(每場)降水補(bǔ)給到達(dá)地下水的水量即可得出次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。次降水入滲補(bǔ)給系數(shù)受眾多因素影響，變化規(guī)律很難掌握，不便在實際運(yùn)用，故它只是作為推求年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的基礎(chǔ)。

3.2 前期影響水量分析

前期影響水量在非飽和帶中的分布見圖3。

從圖3可以看出：土壤水分剖面中的前期影響水量，可通過實驗方法計算。用蒸滲計實驗數(shù)據(jù)可表示如下：

(3)

圖3 前期影響水量水分剖面圖

前期影響水量是反映土壤初始含水量狀態(tài)的參量，一般利用前期的降水?dāng)?shù)據(jù)來計算，實際計算中常劃分一個合適的時段作為計算時段，一般情況下以日為單位，即將本次(或本場)之前降水距本次降水日數(shù)作為時間單位，前期影響水量在時間上也同樣構(gòu)成一個系列，計算公式為：

(4)

式中：pa為本次降水的前期影響水量(mm)；pa1，pa2，pan-1，pan分別為本次降水之前各次降水對本次降水產(chǎn)生的前期影響水量(mm)；Ka為前期影響水量時段(日)衰減系數(shù)；n為計算前期影響水量的時段(日)數(shù)

前期影響水量計算中衰減系數(shù)值與非飽和帶的物理性質(zhì)等因素有關(guān)，一般情況下可根據(jù)不同土層及巖性取一個定值。根據(jù)太谷均衡實驗站1992-2002年間降水與蒸滲計資料計算的各巖性平均值見表1。

表1 前期影響水量時段(日)衰減系數(shù)表

利用(4)式計算前期影響水量時，還要考慮計算前期水量的時段數(shù)(即日數(shù))n，這是因為其前期降水距離越遠(yuǎn)，它的等效水量就越小，因此只要考慮一定長度時段(日數(shù))的降水即可，一般情況下最大可取15到20日即可，即取n≦15～20 d。

3.3 年降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)

年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)為年內(nèi)所有場次降水對地下水入滲補(bǔ)給量總和與年降水總量的比值，其表達(dá)式為：

(5)

式中：α年為年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)；pri為場次降水入滲補(bǔ)給量(mm)；p為年降水量(mm)；n為年內(nèi)降水場次數(shù)

通過對1991-2016年實驗資料的綜合分析，編制不同巖性α-P-Z降水入滲補(bǔ)給系數(shù)綜合表，表2～表4。

4 降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變化規(guī)律

4.1 不同巖性a-p-z關(guān)系曲線分析

繪制各種巖性不同降水量級的多年均值曲線(圖4～圖6)。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)隨不同巖性、不同埋深規(guī)律性明顯，具有明顯的最佳埋深點(diǎn)和漸趨穩(wěn)定點(diǎn)。實測降水入滲補(bǔ)給系數(shù)值呈帶狀分布，隨不同年份雨程的變化而變動。

表2 亞砂土降水入滲補(bǔ)給系數(shù)成果表

表3 極細(xì)砂降水入滲補(bǔ)給系數(shù)成果表

表4 細(xì)砂降水入滲補(bǔ)給系數(shù)成果表

圖4 不同巖性a-p-z關(guān)系曲線(P=200～300mm)

圖5 不同巖性a-p-z關(guān)系曲線(P=300～400mm)

4.2 降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變化規(guī)律

4.2.1 年入滲補(bǔ)給與降雨的關(guān)系

天然降雨過程基本上以年為周期變化，且主要在每年的雨季。當(dāng)?shù)叵滤裆钭銐虼髸r，峰點(diǎn)滯后的時間將遠(yuǎn)大于年度降雨過程中能夠形成入滲補(bǔ)給的降雨時間間隔，由各次降雨引起的入滲補(bǔ)給量的動態(tài)波形相互疊加，波峰和波谷疊合使整個年降雨入滲過程中只出現(xiàn)一個補(bǔ)給高峰，間斷的降雨輸入通過包氣帶的轉(zhuǎn)化就形成了連續(xù)入滲補(bǔ)給的輸出。當(dāng)?shù)叵滤裆顬?～2 m時，降雨過程中的各次降雨與其產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給一一對應(yīng)，形成一個完整的補(bǔ)給過程，這樣，根據(jù)各次降雨所對應(yīng)的補(bǔ)給過程就能確定其補(bǔ)給量的大小。而當(dāng)水位埋深大于3～4 m 時，入滲補(bǔ)給的滯后時間延長，各次降雨形成的入滲補(bǔ)給過程都不獨(dú)立，很難直接確定降雨形成的入滲補(bǔ)給量的大小。當(dāng)水位埋深達(dá)到7 m時，降雨入滲補(bǔ)給峰值可滯后數(shù)月，使整個的雨季入滲補(bǔ)給過程只出現(xiàn)一個補(bǔ)給高峰，年降雨產(chǎn)生的補(bǔ)給、輸出不能在當(dāng)年完成，當(dāng)年降雨入滲補(bǔ)給量的大小不能反映本年降雨所產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給，只能根據(jù)多年補(bǔ)給過程中補(bǔ)給高峰與年度降雨過程的對應(yīng)關(guān)系，確定各次降雨產(chǎn)生的補(bǔ)給量。一般入滲補(bǔ)給量隨降雨的增加而增大。

圖6 不同巖性a-p-z關(guān)系曲線(P=400～500mm)

4.2.2 降雨入滲系數(shù)變化規(guī)律分析

年降雨入滲系數(shù)是指一年內(nèi)通過包氣帶補(bǔ)給地下水的量與降雨量的比值。不同巖性條件下降雨入滲系數(shù)隨潛水位埋深變化的規(guī)律基本一致，隨埋深增大，年降雨入滲系數(shù)逐漸減小;大于4 m后, 年降雨入滲系數(shù)與埋深關(guān)系變化較小。在相同降雨特征和水位埋深條件下，不同巖性的降雨入滲系數(shù)各異，砂質(zhì)土較大，粘性土較小，即粉細(xì)砂>黃土狀亞砂土>輕亞砂土>亞粘土。

5 結(jié)語

本文闡述了降雨在不同巖性、不同深度、不同降雨特征條件下的降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變化范圍值，從而對降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變化規(guī)律研究，降雨入滲系數(shù)砂質(zhì)土較大，粘性土較小，降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)在其水分運(yùn)動過程中存在一個地下水最佳埋深，地下水位最佳埋深之上,有較大的庫容,可接受更多的降雨補(bǔ)給,降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)達(dá)到最大，此后降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)基本趨于定值,這個最佳的地下水埋深是5 m左右。