干旱-半干旱地区地下水补给方法研究综述

李杰彪，苏锐，田霄，周志超

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

干旱-半干旱地区地下水补给方法研究综述

李杰彪，苏锐，田霄，周志超

（核工业北京地质研究院，中核高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029）

地下水补给是水文地质研究中的一个重要方面。总结了干旱-半干旱地区地下水补给研究的4种方法：①直接测定方法；②物理方法；③同位素方法；④数值模拟方法。并对每种方法的原理、研究现状、优缺点以及适用性等几个方面进行论述，旨在为水文地质方法学研究提供参考。

地下水补给；水文地质；干旱-半干旱；方法学

地下水已成为制约经济发展的重要因素之一，在干旱-半干旱地区显得尤为突出［1］。一个地区地下水的合理开发和科学管理首先要评价地下水的补给条件。“地下水补给是指含水层或含水系统从外界获得水量的过程。补给的研究包括：补给来源、补给条件以及补给量［2］”。地下水补给是地下水资源评价的重要组成部分，是研究水文循环过程的基础，是分析区域地下水分布规律、进行地下水流数值模拟不可缺少的参数。因此，在高放废物地质处置库场址预选和评价中地下水补给研究是一个重要内容。

1 干旱-半干旱地区地下水补给研究方法介绍

干旱-半干旱地区地下水补给的研究对象为地表水、包气带和饱水带。目前，国内、外干旱-半干旱地区地下水补给研究方法主要有：①直接测定方法；②物理方法（零通量面方法、达西方法和地下水位动态方法）；③同位素方法（历史示踪剂、环境示踪剂和人工示踪剂）；④数值模拟方法。干旱-半干旱地区地下水补给研究方法见表1［3］。

1.1 直接测定方法

直接测定方法又称为地中渗透仪方法，就是用埋在土中的地中渗透仪直接测定，通过测量土柱下渗量确定地下水的补给量。

一般认为，最早的地中渗透仪是1976年在英国和瑞士同时开始应用的。国外对地中渗透仪的建造及其在地下水补给中的应用都做了深入的研究。Aboukhaled（1981）对不同类型地中渗透仪的设计、建造以及优、缺点等进行了系统的总结［4］。Gee等（1992）收集了美国汉福德市20多年的地中渗透仪观测数据来研究该区地下水补给的空间变异性。我国这方面起步较晚，自20世纪60年代才开始运用地中渗透仪开展地下水入渗补给和蒸发方面的研究。吴金泉等（1994）在河北某试验场应用地中渗透仪对大气降水入渗补给机理进行了分析［5］。郭会荣等（2007）通过在某均衡试验场地中的渗透仪上开展土壤水流穿透试验，分析灌溉水对地下水的补给方式。

直接测定方法的优点是测量精度高，能够直接测得地下水的补给并且可以长期监测。该方法通常作为估计地下水补给量的基准。存在的不足主要有：①不适用于植被根系埋藏过深的地区；②代表性的问题；③建造和维护都需要很大的人力、物力和财力；④从建造完成到得到真实可靠数据，需要较长的时间。由于这些方面的原因使得其推广受到一定程度的限制。

1.2 物理方法

1.2.1 零通量面方法

零通量面（又称为ZFP）是指土壤中通过该面的水分通量为零的平面或曲面。零通量面方法“就是利用土壤的天然含水率和水势剖面资料，分析水势运动方向，找出零通量面所在的位置，计算地下水补给量［6］”。

Richards（1956）等人首先应用该方法研究土壤水分通量的变化并推导出土壤非饱和导水率，随后该方法被广泛应用在干旱-半干旱地区的地下水补给研究中。Sharma等（1991）运用ZFP方法评价澳大利亚西部半干旱地区包气带中不同深度的地下水补给强度。Flint A L等（2000）用ZFP方法研究美国高放废物处置库场址尤卡山地区，对阶地、山脊、边坡和洼沟4类地貌区用了99个中子测孔，估算大气降水入渗补给。我国于1982年由原地矿部水文地质与工程地质研究所从国外引进了该方法，随后该方法得到了广泛的应用。雷志栋等（1988）利用定位通量法计算潜水入渗补给量和土壤水分蒸发量［7］。邱景唐（1992）对零通量面的类型及其发生、迁移和消失的规律进行了综合分析，并提出了影响零通量面发生变化的主要因素［8］。

零通量面方法的主要优点有：①可通过土壤水分直接测得下渗补给量；②能够追踪连续的补给率及其时空变化。该方法最大的缺点就是有可能出现零通量面消失的情况，如出现单纯的下渗剖面时，由于湿锋面的不断向下推进，零通量面可能消失。当这种情况发生时通常采用达西方法或者水均衡方法。另外，该方法的费用相对比较昂贵且数据采集量很大。该方法适合应用在土壤含水量变化大、水位埋深比较大的地区。

1.2.2 达西方法

达西方法的优点是其计算所需要的参数都可以通过野外观测获得，并且其既适用于饱水带也适用于包气带。其难点在于确定渗透系数的空间分布和获得可靠的水力梯度值。和零通量面方法相比，达西方法的好处就是可以常年使用，不存在“失效期”的问题。

1.2.3 地下水位动态方法

地下水位动态方法是一种传统的以饱水带为研究对象，基于水均衡原理确定地下水补给量的方法，该方法假设地下水位的上升全部是由于补给引起的。Meinzer（1923）、Meinzer和Stearns（1929）最早应用该方法估计地下水的补给量，随后很多学者对该方法进行了更深入的研究。Baumann（1952）发现地下水位随补给的变化依赖于入渗率和入渗历时，及其他一些因素如流域的形状与大小、含水层特性等等。Sophocleous（1991）提出了基于土壤水平衡的复合地下水位动态方法，使估算误差大大减小。Richard W等（2002）对该方法进行了详细描述，并讨论了该方法在裂隙基岩地区中的应用［10］。

这种方法的优点是不需要查明地下水的补给机理，使用方便，参数获取相对简单。由于这些优点使得该方法在干旱-半干旱地区得到了广泛应用。该方法的局限性体现在：①最好应用在短期内地下水水位变化明显的地区；②代表性的问题，即使在同一个地方，不同观测井的地下水位也可能由于地质条件的不同而有较大的差异；③该方法不适用于稳定流条件下；④很难确定给水度。

1.3 同位素方法

20 世纪60年代开始，同位素方法才相继应用于地下水补给研究，由于同位素方法的优越性使其成为干旱-半干旱地区研究地下水补给最为普遍的一种方法。Allison（1988）详细介绍了同位素方法在地下水补给研究中的应用［11］。目前，用于研究地下水补给的同位素示踪剂可以分为3种：历史示踪剂、环境示踪剂和人工示踪剂。

1.3.1 历史示踪剂

历史示踪剂是指历史时期内环境中产生的某些化学物质，或者是因为人类活动生成的物质，或者是核试验产生的放射性物质。目前用于研究地下水补给的主要是由核爆试验产生的放射性同位素3H和36Cl。

Zimmermann等（1967）首先应用土壤中核爆3H的峰值位移，对地下水的补给和蒸发进行了研究。20世纪70～80年代，该方法得到了普遍的应用。Dincer（1974）等根据钻取土心3H的峰值确定了沙特阿拉伯达赫纳沙丘地区的补给量为23mm/a。我国学者也做了大量研究，但主要都集中在黄土包气带中。张之淦等（1990）将核爆3H应用于山西黄土包气带水分运移及降水入渗研究［12］。武清华等（2000）利用土壤包气层实验，研究了3H示踪剂在黄土包气层中的迁移规律。Lin和Wei（2001）于1998年再次对该处包气带进行了环境同位素剖面研究，进一步证实了前者的成果。

由于核爆试验的停止和自身的衰减（半衰期只有12.32 a），目前环境中的3H含量已经很低且3H不易被测定使得该方法的应用受到一定限制。只有在渗透性差、补给强度低或者包气带厚度比较大的地方才适用。

36Cl也是研究地下水补给的优良示踪剂，其主要来源于核试验，并且36Cl在土壤水和地下水中的对流、弥散、扩散过程中其守恒性质优于3H。3H在蒸散发气态下会有所损失，而36Cl在正常条件下完全不挥发，只因水分蒸发损失而增加其在水中的浓度，在包气带中发生积累。Marianne Guerin（2001）应用3H 和36Cl示踪剂对美国高放废物处置场址尤卡山地区包气带中的水分运移情况进行了研究［13］。

1.3.2 环境示踪剂

环境示踪剂方法是研究干旱、半干旱地区地下水补给方面最为广泛的一种方法。该方法具有直接参与地下水循环、不污染环境、成本低廉、不需要大量观测资料以及能够追踪长时间尺度地下水运动等优点。环境示踪剂既适用于包气带也适用于饱水带。常用的环境示踪剂有Cl-、稳定同位素（如D、18O）等。

包气带Cl-示踪的特性最早是由澳大利亚水文地质学家Anderson于1945年提出的。Eriksson等（1969）应用Cl-示踪的特性研究以色列海岸平原地区的地下水补给，由于其忽略海水入侵的影响，因此其准确性未能使人信服。Allison等（1978）经过修正提出了利用包气带Cl-计算地下水补给量的氯质量平衡法（CMB方法）和氯离子剖面法（CPM方法）。Allison（1988）提出了利用Cl-浓度剖面计算入渗补给量的另一种方法：累积法。Subyani和Zekai（2006）在研究沙特阿拉伯地区的地下水补给时将摄动方法引入到CMB方法中，完成了对CMB方法的改进，提高了计算的精度［14］。我国学者也对CMB方法的应用做了深入的研究。陈植华等（1996）对Cl-示踪法在干旱-半干旱地区的应用作了详细介绍。陈宗宇等（2001）利用CMB方法探讨识别包气带剖面所代表的古水文-气候记录的方法，恢复研究区的古水文补给历史［15］。马金珠等（2004）利用CMB方法研究巴丹吉林沙漠地区的800 a以来的地下水补给量及其所反映的气候变化特征［16］。黄天明等（2010）利用改进的CMB方法研究黄土高原地区土地利用变化对地下水补给的影响［17］。聂振龙等（2011）应用CMB方法求得张掖盆地地下水位埋深大于5m时仍存在降水入渗补给。

Cl-示踪剂应用的局限性主要依赖以下几个方面：①氯离子输入来源的多样性；②氯离子背景值的不确定性；③降水入渗补给方式的不确定性；④植被的吸附作用［18］。

稳定同位素D、18O也常用于大气降水入渗补给研究。Thoma等（1978）利用大气降水中18O的季节性变化求解以色列的Pelat沙丘地区的降水入渗量，并与3H求出的结果进行对比，发现结果基本一致［19］。我国学者也开展了这方面的研究：李发东等（2007）应用D、18O示踪剂计算太行山地区的入渗补给量［20］；王福刚等（2007）应用D、18O示踪剂求解河南新乡地区的大气降水入渗补给量，并通过野外地中渗透仪方法和降水入渗系数方法证明了该方法的可靠性。

1.3.3 人工示踪剂

人工示踪剂是指人工注入包气带中的示踪剂。一般被投放到地表或地下一定深度，根据示踪剂峰值的变化来推求入渗补给量。常用的主要有Br-、3H和染色剂。其中染色剂经常用来评价优先流。

国内、外对人工示踪剂在地下水补给中的应用都开展了大量的研究。Rice等（1986）应用Br-示踪剂研究裸地在灌溉和降水条件下的补给强度。Rangarajan等（2000）应用3H作为人工示踪剂选取25个典型代表区确定印度地区的排泄量为24～198 mm/a。陈宗宇等（2003）应用3H示踪剂研究正定试验场的入渗补给强度为0.095 m/a。汪丙国等（2008）运用人工示踪剂Br-、3H确定河北平原地区的入渗补给强度为127.8mm/a。

Sr同位素也可以用于估计地下水补给，其代表的时间尺度从数百年到数千年，该方法在干旱-半干旱地区特别适用。国外对该方法进行了一定的探讨，Maher等（2004）应用Sr同位素研究美国华盛顿州汉福德地区包气带中的渗透速率。我国关于Sr同位素的研究成果很多，但是，关于Sr同位素研究地下水补给方面的报道几乎没有。因此，这一方法在我国具有很大的发展前景［21］。

示踪剂的选择应遵循的原则有：①在包气带中不易被吸收、不发生化学变化；②在环境中背景值低；③测试和操作较简单等。人工示踪剂方法具有定时、定位和定量投放的优点，且不需要测定水文地质参数，花费少。该方法的缺点是其代表的时空尺度有限，不能克服地层在空间上的变化，某些示踪剂易污染环境，并且该方法由于忽视优先流的补给容易使其评价量偏小。

1.4 数值模拟方法

随着计算机技术的发展，数值模拟方法已成为计算地下水补给量的有效方法之一。目前用于计算地下水补给的模型主要有：①包气带水均衡模型（土壤水均衡模型、基于Richards方程的模型）；②流域模型；③地下水流动模型；④流域模型和地下水流动模型相结合的方法［22］。常用的用于包气带水均衡模型的软件主要有：VADOSE/W、HYDRUS、WHI UnSatSuite和TOUGH2等。

国内、外对数值模拟方法从理论到应用都开展了大量研究。Ward Sanford（2002）详细叙述了在地下水流模型的校正和反演过程中利用水力梯度、渗透系数和其他参数等信息预测地下水补给率［23］。O’Reilly（2004）利用土壤水均衡模型估计美国佛罗里达州中部地区的地下水补给量。我国学者雷志栋等（1982）在有限元分析基础上编制了适合于DJ—130机的非饱和一维流动BASIC计算程序。杨建锋（2005）对包气带水和溶质运移数值模型进行了详细的介绍。

数值模拟理论上适用于各种条件的模拟，并且其不受时间尺度和空间尺度的限制，利用该方法还可以预测地下水补给随气候、土地利用以及其他因素的变化。数值模拟最大的难点在于精确获取其中的参数。

2 高放废物地质处置中的地下水补给研究

高放废物地质处置的基本概念是“把玻璃固化后的核废物装入容器，再将其置入地下深部的基岩洞室中，同时以膨润土缓冲回填材料和密封材料回填，即，设置多重屏障以阻止放射性物质释放、迁移和返回生物圈”［24］。因此，放射性废物处置库系统是一个能将废物同人类和环境隔离开来的天然和工程屏障系统。在天然系统内，地下水的运移是放射性核素到达人类环境中最有可能的途径。因而，在选择放射性废物地质处置场址并进行特性评价时，水文地质是必须考虑的一个重要因素。

然而，考虑隔离的时间段超过数千年甚至上万年，国际上普遍使用数学模型来研究整个水文地质系统，而地下水补给量是模型其中的源汇项，也是构成处置库水文地质特性评价的数据基础［25-26］。目前，美国、瑞典和德国等一些有核国家都在进行放射性废物处置库场址研究。这些国家考虑的放射性废物处置的地质环境不同，因而，水文地质系统及对未来行为预测中存在的不确定性也不同，但候选处置场址的特性评价中需要了解的水文地质系统特性的信息是相似的，采用的途径和研究的方法也是相似的。Flint（2002）等在研究美国高放废物处置场址尤卡山地区的入渗补给量时，综合应用了前述的物理方法、经验值方法、环境示踪剂方法以及数值模拟方法，获得了可靠数据［27］。

我国高放废物地质处置库的选址工作，起始于1985年，工作重点在甘肃北山地区，其气候干旱，年降雨量仅为几十毫米，地表水和地下水都十分贫乏［28］。对于预选场址而言具有可利用数据少、水文地质条件复杂以及要求精度高等特点。笔者认为，在我国高放废物处置库选址过程中，对于地下水的入渗补给研究，可以借鉴国外经验，把同位素方法、地下水位动态方法、达西方法和数值模拟方法相结合，以获取可靠数据。同时还应尝试利用新技术、新方法，如：遥感技术、地球物理技术和惰性气体方法等，从不同角度揭示影响地下水入渗补给的因素，为后续建立大尺度概念模型提供科学的参考依据。

3 结语

通过调研大量国内、外资料，总结出干旱-半干旱地区有关地下水补给研究的主要方法：①直接测定方法；②物理方法；③同位素方法；④数值模拟方法。由于每种地下水补给研究方法都有各自相应的优、缺点以及适用性，加上干旱-半干旱地区水文地质条件的复杂性，因此，在选取地下水补给研究方法时需要考虑的原则主要有：研究目的、补给类型/机理、可利用/可获取的数据、准确度、时间/空间以及经费情况等。例如：在人力、物力、财力都比较充足且精度要求比较高时，可以采用地中渗透仪方法；在地下水位埋深大、土壤含水量变化大的地区可以采用零通量面方法；在经费较少、地下水补给机理相对复杂尤其是在存在优先流的情况下，可以考虑地下水位动态方法。在地质条件复杂、研究程度低、经费较少时应优先选用同位素方法；若要估算大尺度的地下水补给，应采用以饱水带为研究对象的方法：物理方法、同位素方法和数值模拟方法；如果要预测万年以后大气降水入渗补给特征，则必须采用数值模拟方法。

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Reviews on study methods of groundwater recharge in arid and sem i-arid regions

LIJie-biao，SU Rui，TIAN Xiao，ZHOU Zhi-chao
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level RadioactiveWaste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Groundwater recharge is an important aspect in the study of hydrogeology.Four study methods of groundwater recharge in arid and semiarid regions were summarized in this paper:they are ①direct measurement methods；②physical methods；③isotopic methods；④numerical modeling methods.The principle，research situation，merits and demerits as well as application were discussed for eachmethod，in order to provide reference for the research of hydrogeologymethodology.

groundwater recharge；hydrogeology；arid and semi-arid regions；methodology

P641

A

1672-0636（2013）03-0168-06

2013-04-08；

2013-05-10

李杰彪（1987—），男，河北冀州人，硕士研究生，水文地质专业，主要从事高放废物地质处置方面的工作。E-mail：hgylijiebiao@126.com

10.3969/j.issn.1672-0636.2013.03.008