地下水补给方法研究综述

赵佳辉 李一鸣 陈宝辉

[摘要]地下水补给是水循环重要过程，选择正确的方法评价地下水补给量对水资源的管理与开发利用具有重要意义。将地下水补给方法分为物理法、示踪法和数值模拟法，总结了地下水补给方法的优缺点，为计算地下水补给提供参考。

[关键词]地下水补给；水分运移；评价方法

[中图分类号]P641 [文献标识码]A

地下水具有分布范围广、水质优良、水量稳定等优点使其成为社会发展重要基础。由于过度开采地下水，部分地区已造成地下水资源衰竭、地面沉降、生态环境退化等严重后果。为平衡生态保护与社会发展关系，建设环境友好型社会，实现社会经济的可持续发展，计算地下水补给量，制定合理的地下水开发利用方案迫在眉睫。地下水通过包气带接受大气降水、灌溉水的补给，而水分在包气带中运移缓慢复杂，精确评价地下水补给量越来越收到学者的重视。目前，地下水补给方法研究众多，根据研究方法性质主要分为物理法、示踪法和数值模拟法。本文将从这三种类型将各种研究方法原理、优缺点进行论述。

1 物理法

1.1 地下水位动态法

地下水动态法以水均衡为基础，假设水位的上升是由于补给量到达潜水引起的，该方法运用广泛。Richard（2002）根据地下水动态算出地下水补给量与排泄量，并指出影响潜水水位波动的因素有蒸散发、大气压强以及水分入渗过程中引起包气带空气的压缩等。Sharda等（2006）根据印度古吉拉特邦地下水动态计算出降水入渗补给量占年降水量的7.5%。杨甜（2017）对次降雨后地下水动态进行分析，得到不同降雨强度下次降水量入渗补给系数。

地下水動态法计算简单，资料获取相对容易，适用于埋深浅、地下水位变动较大、水分补给速率大于地下水径流速度的区域。难点在于给水度的确定以及观测井地下水位动态能够代表整个流域的动态。

1.2 零通量面法

零通量面法是通过观测包气带中含水率或负压，计算出总水势，确定总水势极大值或极小值位置。总水势极大值点为发散型零通量面，即水分远离零通量面运移；总水势极小值点为聚合性零通量面，即水分远离零通量面运移。邱景唐（1992）提出了影响零通量面的主要因素有降水、地下水埋深、植被根系。范琦（2006）等通过观测灌溉后包气带形成的零通量面计算出灌溉回归系数为0.09。张光辉（2007）等通过分析降雨入渗过程中当包气带变厚但小于潜水蒸发极限深度时，地下水补给量减少。胡现振（2014）运用通量法计算出卫宁平原裸地与玉米地的蒸发量以及入渗量。

当长时间的降水，包气带水分全部向下运移时，零通量面法不再适用。此外，长时间监测土壤水分或负压成本较高，安装仪器后需要较长时间使观测点土壤达到自然状态。该方法只能计算小空间尺度下的地下水补给量，适用于地下水埋深较大地区。

1.3 达西法

在极限蒸发深度以下，土壤水分不受蒸发影响向下运移，其入渗速率可表示为如下：

式中，为土壤体积含水率；为土壤非饱和渗透系数；h为土壤负压；H为总水头；z为空间坐标。

土壤在多次湿脱水的过程中水土曲线改变引起非饱和渗透系变化。林丹（2014）等通过压力膜仪对河北正定包气带原状土样进行水土曲线测试，得到土壤在多次湿脱水后，水土曲线变陡。达西法的难点在于精确确定土壤的非饱和渗透系数和水头梯度。该方法在包气带较厚地区可以代表较大面积的地下水补给量。

2 示踪法

示踪法是基于水分运移携带示踪剂，通过监测示踪剂浓度峰值运移计算水分入渗过程计算补给量，计算公式如下：

式中，为土壤体积含水率；为示踪剂浓度峰值运移的距离；为采样时间间隔。

根据示踪剂的特点将示踪剂分为环境示踪剂和人工示踪剂。环境示踪剂主要有Cl-、D、O18、36Cl等，人工示踪剂主要有Br-、3H和染色剂。由于示踪法测试和操作简单，许多学者采用该方法计算地下水补给量。Qin等（2011）在张掖盆地分别用CFCs、O18、D、3H作为示踪剂评价灌溉对地下水的补给，结论认为该地区地下水补给由1980年以前的老水和1980年以后的新水组成，并认为在半干旱地区入渗水蒸发强烈，CFCs作为估算灌溉回归量示踪剂效果好于O18、D。聂振龙（2011）等利用环境同位素Cl-守恒得到张掖盆地地下水埋深大于5m时，地下水仍接受大气降水补给，并计算出地下水埋深6.3M时，降水补给速率为13.3～14.4mm/a，入渗系数为0.10～0.11。谭秀翠（2013）等用人工溴失踪法对比了无灌溉和有灌溉的地区的地下水回归量，计算出该地区评价地下水补给量为126.10mm。程立平（2016）等用氢氧同位素技术分析了长武黄土塬区地下水补给存在优先流，并探讨了土地利用类型变化对地下水补给的影响。

3 数值模拟法

随着计算机的普及和数值法的发展，土壤水分运移研究进入数值模拟阶段，主要的数学模型由Hydrus、SWAP、SWAT、EARTH、WetSpass等。张志杰（2011）等采用SWAP模型计算出内蒙古河套灌区作物生育期的灌溉补给系数为0.15。霍思远（2015）等通过Hydrus模拟得到华北平原多年平均降水入渗补给量为66.6mm/a。欧阳威（2015）等在河套平原建立了SWAT模型得到灌溉和降雨对灌区内补给比例。谭秀翠（2016）等根据2005～2008年栾城的降水灌溉资料，建立Hydrus模型计算出平均补给系数为0.13。Achraf（2017）等在加夫萨流域建立WetSpass水文模型，将模型计算的总补给量与总径流量的值与气候方法计算的值进行拟合，通过WetSpass模型计算出该地区的年平均降水量为1833mm，其中有42.8%的降水对地下水进行补给。

数值模拟可以计算不同条件下的补给量，但需要实测资料对模型进行识别验证。利用模型还可以预测不同因素（如包气带岩性、气象条件、土地利用类型等）变化对地下水不计量的影响。该方法难点在于模型所需参数的可靠性。

4 展望

以上三种类型评价方法各有自己的优点与限制，用不同的方法对地下水补给进行验证可提高计算精度和可靠度，但这些方法都无法反应大尺度地下水补给的空间变异性，而遥感技术可以反映大尺度补给变化特征。李鹏（2017）等基于水量平衡方法利用遥感技术反演出北京市降雨量、蒸散发量和径流量，计算出降水补给量。张施跃、束龙仓（2017）等将降水入渗系数与遥感技术结合，计算出广花盆地不同土地利用类型下的降水入渗补给系数。目前，遥感技术方法不够完善，但遥感技术的继续发展，利用遥感技术估计地下水补给量成为重要的研究方向。

[参考文献]

[1] 雷志栋，杨诗秀，谢森传.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.

[2] Richard W. Healy · Peter G. Cook. Using groundwater levels to estimate recharge[J]. Hydrogeology Journal，2002（10）：91-109.

[3] V.N. Sharda，R.S. Kurothe，D.R. Sena. Estimation of groundwater recharge from water storage structures in a semi-arid climate of India[J].Journal of Hydrology，2006，329：224-243

[4] 杨甜.河北省平原区降水入渗补给系数分析[D].咸阳：西北农林科技大学，2017.

[5] 邱景唐.非饱和土壤水零通量面的研究[J].水力学报，1992，5（4）：27-32.

[6] 范琦，王骥.包气带增厚条件下地下水补给规律研究[J].水文地质工程地质，2006（3）：21-24.

[7] 张光辉，费宇红.降水补给地下水过程中包气带变化对入渗的影响[J].水力学报，2007，38（5）：611-616.

[8] 胡现振.卫宁平原包气带水分运移试验研究[D].北京：中国地质大学，2014.

[9] 林丹，靳孟贵，马斌，等.包气带增厚区土壤水力参数及其对入渗补给的影响[J].地球科学--中国地质大学学报，2014，39（6）：760-767

[10] Qin D J，Qian Y P. Assessing impact of irrigation water on groundwater recharge and quality in arid environment using CFCs， tritium and stable isotopes， in the Zhangye Basin， Northwest China[J].Journal of Hydrology，2011：194-208

[11] 聂振龙，连英立，段宝谦，等.利用包气带环境示踪剂评估张掖盆地降水入渗速率[J].地球学科，2011，32（1）：117-122

[12] 谭秀翠，杨金忠.华北平原地下水补给量计算分析[J].水科学进展2013，24（1）：73-80

[13] 程立平，刘文兆，李志，等.长武黄土塬区土地利用变化对潜水补给的影响[J].水科学进展，2016，27（5）：670-678

[14] 张志杰，杨树青，史海滨，等.内蒙古河套灌区灌溉入渗对地下水的补给规律及补给系数[J].农业工程学报，2011，27（3）：61-66.

[15] 霍思远，靳孟贵.不同降水及灌溉条件下的地下水入渗补给规律[J].水文地质工程地质，2015，42（5）：6-21

[16] 欧阳威，黄浩波，张璇，等.基于SWAT模型的平原灌区水量平衡模拟研究[J].灌溉排水学报，2015，34（1）17-22

[17] 谭秀翠，王刚，王华敬.地下水补给量计算及包气带岩性影响分析[J].灌溉排水学报，2016，35（6）：76-80

[18] Achraf Melki，Khodayar Abdollahi， Rouhallah Fatahi. Groundwater recharge estimation under semi arid climate： Case of Northern Gasfsa watershed， Tunisia[J].Journal of African Earth Sciences，2017，04（20）：37-46

[19] 李鵬，许海丽，潘云，等.北京市平原区地下水补给量计算方法对比研究[J].水文，2017，37（2）：31-35

[20] 张施跃，束龙仓，闵星，等.基于土地利用类型的大气降水入渗补给量计算吉林大学学报，2017，47（3）：860-867