降雨入渗补给规律的分析研究

2010-01-27陈建峰

地下水 2010年2期

关键词：包气补给量库容

陈建峰

(山西省水文水资源勘测局太谷均均衡实验站,山西太谷 030800)

降雨入渗补给规律的分析研究

陈建峰

(山西省水文水资源勘测局太谷均均衡实验站,山西太谷 030800)

浅层地下水资源计算中,降雨入渗补给系数是最基本的参数,而求解参数关键是确定降雨入渗补给量。从其土壤水下渗机理,包气带蓄水库容,降雨入渗补给系数方面分析研究,最后得出:包气带可容纳库容是降雨入渗补给量的极限值;降雨入渗补给系数因不同岩性、土壤前期含水量、降雨量等因素而变化;降雨入渗补给规律存在一个地下水最佳埋深。

下渗;库容;降雨入渗补给;降雨入渗系数

1 土壤水下渗的物理过程及规律

1.1 下渗的物理过程

下渗是指降落到地面上的的雨水从土壤表面渗入土壤的过程,土壤水分在土壤中运动受到分子力、毛管力和重力的控制,其运动过程也就是在各种力综合作用下寻求平衡的过程。分子力、毛管力随着土壤水分增加而减小,当毛管孔隙充水达到饱和时,水分主要在重力作用下运动。下渗过程按水分所受的作用力及运动特征分为渗漏和渗透阶段。

渗漏阶段:前期下渗水分主要是在分子力作用下,被土壤颗粒吸附而成为薄膜水,在土壤干燥时,渗润非常明显,当土壤含水量大于最大分子持水量时,渗润消失。渗漏阶段后期,下渗水分主要在毛管力、重力作用下,在土壤孔隙中向下作不稳定流动,并逐步填充土壤孔隙,直到全部孔隙为水充满而饱和。

渗透阶段:当土壤孔隙被水分充满而饱和时,水分在重力作用下呈稳定运动。

渗漏是非饱和水流运动,渗透则属于饱和水流运动。

1.2 下渗过程中土壤含水量的垂线分布规律并,子渗的物理过程及规律

下渗水流在均质土壤中垂直运动的特征,是通过下渗过程中土壤含水量分布的水分带反映的,具体可分为饱和带,水分传递带,湿润带、湿润锋四个水分带,见图 1。

饱和带:当下渗水流渗到 10 cm土层厚时,两种实验土壤 (砂壤土及粉砂壤土)表面 1 cm内的含水量都接近于饱和含水量,形成一个饱和带,无论浸润深度怎样增大,这个饱和带厚度都不超过 1.5 cm。

水分传递带:在饱和带以下,土壤含水量随深度的增加急剧减小,形成一个水的过渡带,而后土壤含水量基本保持在饱和含水量与田间持水量之间,沿垂线均匀分布,形成一个水分传递带。随着供水历时的增长湿润锋不断下移,水分传递带不断向下延伸,而其土壤含水量保持在上述数值范围内,水分传递带的土壤含水量大致在饱和含水量的 60～80%左右,并且这一带毛管势梯度极小,当水分渗入足够深度时,水分的传输运行主要是重力作用,在均质土壤中下渗率接近这个常值。

湿润带:是联接湿润锋面与水分传递带的一个含水量随深度迅速减少的水分带。随湿润锋的不断下移,湿润带也向下移动,使其下面的干土含水量增加,变成湿润部分。

湿润锋:在湿润带的末端,土壤含水量突变,与下层干土有明显的界面,称湿润锋。

2 包气带土壤蓄水库容分析

2.1 包气带土壤对入渗水量的可容纳库容

包气带像水库、湖泊一样起着存储和调节的作用,其调节能力受包气带岩性、降雨特性、作物类别、土壤前期含水量、潜水埋深、蒸发能力以及植被等因素影响,其范围为潜水面至地表间的蓄水空间,称为总库容。总库容包括有效库容、死库容和重力水库容。

图1 下渗过程中水分分布分带

有效库容是指作物生长期间可以吸收的那部分土壤水,死库容是指作物生长期的土壤对作物供水达到凋萎点时,土壤含水量分布曲线所围的单位面积。所焕发 80% 均匀分布,形成一个水分传递带,重力水库容是指饱和含水量与土壤田间持水量曲线之间的单位面积,即:

式中:Ww为重力蓄水库容 (mm);θW为土壤饱和含水量(%);θ为毛细上升带土壤含水量 (%);θ0为土壤田间持水量 (%);d为地下水埋深 (m);z为毛细水上升高度 (m);

降雨入渗补给量填满可容纳库容,剩余的降雨量不能入渗,因此包气带库容是降雨入渗补给量的一个极限值。地下水埋深越大,库容越大,这种关系可用 V(库容)-地下水埋深关系曲线来表示,见图 2。

图2 重力水库容-地下水埋深关系曲线

2.2 入渗水量决定于入渗途中包气带土壤所吸收的水量

在降雨入渗补给量的形成过程中,由于包气带土壤具有毛管力和分子力,产生了对入渗水量的吸收作用,前期土壤含水量越大,土壤具有的吸力越小,土壤下降的吸收量越小,入渗的补给量越大,即前期土壤含水量与降雨入渗补给量成正比关系。此外由于各种土壤有不同的透水性和吸水能力,例如砂性土壤的颗粒空间空隙大,透水性强,因而入渗强度大,补给量也大。同时砂性土壤的吸力小,吸收入渗的降雨量也小,因此增加了降雨入渗补给量。

总之地下水埋深越大,包气带土层越厚,土壤所吸收的水量越多,下渗水量沿程损失越大,补给地下水的水量就越少。这种规律可用降雨入渗补给量 P-地下水埋深H曲线关系图 3来描述。

图3 降雨入渗补给量-地下水埋深关系曲线

3 降雨入渗补给规律的分析研究

3.1 不同埋深,不同岩性降雨入渗补给系数变化规律

年降雨入渗系数是指一年内通过包气带补给地下水的量与降水量的比值。通过采用年降雨量为权重的加权平均法计算多年平均降雨入渗系数,绘出曲线如图 4。

图4 不同岩性降雨入渗系数

反映了在不同的岩性条件下,降水入渗系数随水位埋深(包气带厚度)的增加而减小,降雨入渗系数在 1m左右达到最大,1m以下,降雨入渗系数会渐减小,并在大于 3m以下趋于稳定。在相同的降雨特征和水位埋深条件下,不同岩性的降雨入渗系数各异,砂质土较大、粘性土较小。

3.2 降雨入渗补给最佳地下水埋深和大埋深稳定点分析

降雨入渗补给地下水,地下水埋深变化尤其重要,埋深反映了盛水库容的大小和土壤所含水分的多少。当埋深为零时,即盛水库容为零,此时无论降雨多大,均无入渗补给;当埋深增加时,盛水库容增大,地下水得到了降雨入渗补给,并随埋深的增加而增大,同时埋深增大,降雨入渗的损失(土壤缺水量及由于下渗引起的蒸发损失)也增加,当埋深增大到一定数值后,蒸发损失和滞留在包气带当中的水分等于入渗量,地下水就得不到降雨入渗补给,a为零,这样必然存在一个降雨入渗补给系数最大值和最佳的地下水埋深。

降雨入渗补给最佳地下水埋深:降雨入渗补给系数 a达到最大时的地下水埋深。当地下水埋深小于该值时,a值随地下水埋深的增大而增大;当地下水埋深大于该值时,a值随地下水埋深的增大而减小。

降雨入渗补给大埋深稳定点:降雨入渗补给系数 a不再随地下水埋深的增大而变化的地下水埋深。一般情况下,地下水埋深大于 5m时,降雨入渗补给系数基本不再随地下水埋深的增大而变化。

4 降雨入渗补给系数的分析

4.1 年入渗补给与降雨的关系

天然降降雨过程基本上以年为周期变化,且主要集中在每年的雨季。当地下水埋深足够大时,峰点滞后的时间将远大于年度降雨过程中能够形成入渗补给的降雨时间间隔,由各次降雨引起的入渗补给量的动态波形相互叠加,波峰和波谷叠合使整个年降雨入渗过程中只出现一个补给高峰,间断的降雨输入通过包气带的转化就形成了连续入渗补给的输出。当地下水埋深为 1m时,降雨过程中的各次降雨与其产生的入渗补给一一对应,形成一个完整的补给过程,这样,根据各次降雨所对应的补给过程就能确定其补给量的大小。而当水位埋深大于 3m时,入渗补给的滞后时间延长,各次降雨形成的入渗补给过程都不独立,很难直接确定降雨形成的入渗补给量的大小。当水位埋深达到 7m时,降雨入渗补给峰值可滞后数月,使整个的雨季入渗补给过程只出现一个补给高峰,年降雨产生的补给、输出不能在当年完成,当年降雨入渗补给量的大小不能反映本年降雨所产生的入渗补给,只能根据多年补给过程中补给高峰与年度降雨过程的对应关系,确定各次降雨产生的补给量。一般入渗补给量随降雨的增加而增大。

4.2 年降雨入渗系数分析

年降雨入渗系数是指一年内通过包气带补给地下水的量与降雨量的比值。不同岩性条件下降雨入渗系数随潜水位埋深变化的规律基本一致,随埋深增大,年降雨入渗系数逐渐减小;大于 3 m后,年降雨入渗系数与埋深无显著关系。在相同降雨特征和水位埋深条件下,不同岩性的降雨入渗系数各异,砂质土较大,粘性土较小,即粉细砂＞黄土状亚砂土＞轻亚砂土＞亚粘土＞。