包气带土壤颗粒大小对饱和带地下水产流的影响研究

2019-04-17强思远母小苗姚帅刘唐琼李若晴

科学与技术 2019年18期

强思远母小苗姚帅刘唐琼李若晴

摘要：地下水径流是流域产流中非常重要的一部分，目前对流域产流的研究大多专注于流域下垫面性质对地面及浅层壤中水径流的影响。本文描述的是，研究不同上层土壤颗粒大小对饱和带地下水产流影响的模拟降水-径流实验，使用示踪剂（NaCl）建立相似降雨条件下径流电导率（EC值）的比例曲线，探究饱和带含水层中的水在降雨过程中对径流贡献的变化。实验结果表明在一次暴雨事件中，上层土壤颗粒的粒徑越小，补给河道的径流中饱和带含水层水所占的比例就越大，壤中流现象也随上层土壤粒径变小而消失。本实验可以帮助我们理解地下水与地表水之间的交互作用，有利于水质管理，水土保持等工作的发展。

关键词：模型实验；示踪剂；粒径；地下水；含水层；交互

引言

地下水与地表水的交互是指两者在数量与质量之间的联系，几乎所有的地表水，如河流、湖泊、湿地和河口都与地下水相互作用。在许多情况下，地表水体从地下水系统中获得水和溶质，在其他情况下，地表水体是地下水补给的来源，并控制地下水水质的变化。（Hirsch，2013）

影响地下水与地表水交互的因素有很多，如地形，气候，岩土性质等。

在非降雨期，地表水体主要依靠地下水补给以维持水流，地下水流是含水层补给地表水的主要形式[1]。当流域降雨时，雨水下渗会使土壤含水量发生变化，影响地表水体与地下水之间的水力平衡。在降水时，地下水与地表产流同时补给地表水体，而地下水对地表水体的补给比例不仅与降雨量，降雨强度有关，也受到上方包气带土壤性质的影响，当包气带含水量达到田间持水量后，重力成为土壤水运动的主要驱动力，当饱和含水层具有一定倾斜角度时，重力会驱动土壤向位置较低的地表水体补给。经典的产流理论将土壤性质统一描述为下渗能力，包括粒径，分选性，粘滞性[2]。在这些性质中，土壤的粒径或孔隙大小是决定土壤下渗能力的重要部分。

对于地下水与地表水交互的研究，国内外已经有了不少先例。魏思宇[3]通过GMS软件建立了克鲁克湖区的水文地质概念模型，分析了该地区水均衡情况。李忠媛[4]（2017）从水动力学机制概念入手，研究了湿地区域地表水和地下水的实际交互过程。俄亥俄州水资源部门证明了两者间的水力联系与相对水位的关系[5]，在近些年，温度和环境示踪剂等工具也被应用在了研究中，比如氡-222 和氦-4的利用[6].在人工降雨的应用上，谢申琦[7]通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响，陈荣荣等人[8]通过人工降水设备模拟单次不同降水量降水事件，分析了降水事件后土壤CO2短期内的脉冲释放表现出的“Birch效应”。王长庭[9]等通过模拟降水的梯度和自然条件下通过遮雨布来控制降水量的减少进行条件下植物群落优势植物种群生长发育特征的测定，胡堃在对华北地区石质山坡产流模型的研究[10]中兼顾了雨强不同但雨量相近，以及雨强相近而历时不同的原则，模拟强度在0. 3m～ 2.3m/min之间的降雨。通过翻斗式自记雨量计测量负压计和片状TDR（ECH20），并用CR10X数据采集器，获得时间步长的水势和土壤含水量动态变化数据。

为了进一步研究地下水与地表水的交互，本文通过模拟降水-径流实验，探究在降雨时包气带土壤粒径的改变对地下水补给地表水数量的影响

1.实验设计与材料

1.1实验设备

本实验采用“desktop”模拟流域装置（如图一），包括一套降雨系统，土样箱，数据收集和处理系统。

1）降雨系统：包括雾化喷头，支架，流量计和供水管

2）土样箱：长100cm，宽50cm的具有一定坡脚的透明箱，在土样箱出口有上下两排出水口，用以区分地面与地下径流。

3）水箱：用于收集径流并测量EC值和流出的径流的体积。

其中，降雨量，总径流量和径流EC值由软件TracerDAQPro收集并保存为excel数据用于进一步的处理

1.2 土样选择及处理

本实验所选土壤分别为粒径为0.02-0.2mm的较细砂（来自吉吉纳普（西澳大利亚））和0.2-2mm的中粗粒砂[11]（来自珀斯周边地区）。其中较粗颗粒孔隙度经测量为0.4，初始土壤含水量1.59。

实验一：

①首先将粗粒砂样倒入土样箱，保持表面水平，覆盖下层排水孔但低于上层排水孔，与上层排水孔保持一定距离。在本实验中粗粒土样体积为7961cm?。

②对土样施加浓度为10pp+的NACL溶液，直至土样完全饱和。需溶液体积为：3184cm?，计算方式如下[12]：

③待土样饱和后，将一层透水麻布覆于其上。这一步是为了使这一层砂样达到刚好饱和的状态，模拟饱水带中的含水层，并用以分割土层并阻滞盐分交换。

④将同样的粗粒土置于麻布之上，平铺，表面水平并与上层排水孔平行，紧邻排水孔。这一步是模拟包气带，当两层土壤放置好后可以观察到上层土壤因毛管力作用出现上升毛管水。

实验二：

前三步皆重复实验一

第四步，将细粒土置于麻布之上，要求同实验一第四步，以此形成对照组。

1.3实验过程

①将土样设置完成后，提前打开TracerDAQPro，开始记录数据。

②打开水龙头，开始降雨。

③从首次出现径流开始计时，上下两排的出水口均有水排出。排出的水在水箱口混合并测量EC值，流入水箱20分钟后关闭水龙头，停止降水。

④待径流不再流出时停止计时，收集有关实验数据。

2.数据处理

注：本实验所有数据采样间隔均为0.25s，以编号为横坐标

2.1 降雨

由图可见，相比实验二，实验一的降水提前结束了30s。由于人工操作，我们可以看到两次实验降雨的流量有细微差别，实验一平均强度为0.32L/min，实验二为0.22L/min，换算成雨强分别为1.06mm/s和0.743mm/s，两者相差约0.3mm/s，皆超过暴雨红色预警标准。

这些差别反映了细微降雨强度和总降雨量的不同，但由于降雨设施采用喷雾式设计，降雨对下垫面的动力特征改变并无差别，同时根据蓄满产流理论，当土壤饱和后径流的激发与降雨强度无关[13]，在本实验中因为土壤体积的限制上层土壤也提早达到饱和状态。这些差别并不会对实验结果，也就是总径流中地下水所占比例造成質的影响，若结论有异，说明有其他的因素（土壤粒径）的改变影响了径流的激发机理并且作用效果更加明显。当然，雨量的差别也在一定程度上确实削弱了本实验的影响力。

2.2 径流量

在对图像的分析中，我们认为混合径流中EC值的下降表明来自降雨的径流成分增加，EC值上升甚至超过土壤中饱和盐水的EC值代表径流溶解了土壤中原有的盐分。而在实验一的初始阶段，我们发现EC值有短暂的下降趋势，综合前两条分析，EC值下降是因为降雨产生径流，并且与土壤没有充分接触。在实验中我们并没有观察到初期的地表排水，说明在初期，有一种以降水为主，但是通过地下排出的径流形式，这与壤中流非常相似。而在实验二初始阶段并未出现EC值的明显下降，说明是因为细粒土壤毛管力较大，实验二初期所有降雨都被土壤吸收，而在实验一中由于上层土壤持水性差，在实验开始时产生了壤中流现象。

3结果分析

从实验的结果中，我们发现了一些不同寻常的现象：实验二所用土壤粒径较小，孔隙也相应较小，在分选性，磨圆度等性质相似的情况下，渗透能力要小于实验一中的粗粒土壤[14]。如果表层土壤渗透能力较弱，根据产流理论，雨水的下渗量将会减少从而产生更多的地面径流，但实验结果表明存在另一种因素使雨水在渗透能力弱的土壤中下渗更多，导致含水层的水排出。通过分析，我们认为这种因素是上层土壤毛细力的改变。也就是说，由粒径变化带来的毛细作用的增加比渗透系数对降雨的下渗的影响更大。地表水上的毛细力增强，增加了降雨的入渗[10]，下渗的水向下迁移，使含水层中更多的饱和盐水通过地下水径流的形式排出。

4 结论

1）本实验证明包气带土壤粒径是影响饱水带含水层补给地表水体水量的重要因素，通过土壤孔隙大小的改变，粒径越小，总径流量越小，地下水所占的比例越高。这对山坡地区防治水土流失、水质管理具有一定指导作用。

2）同样的，土壤颗粒分选性、排列方式、土壤质地和降雨强度同样会有类似的影响，需要进一步的实验验证。

3）在细粒土中由于毛细作用的增强，较难产生壤中流等现象，说明不仅与下层土壤有关，上层土壤的持水性也会影响径流的激发机制，当土壤分层时更容易出现壤中流的现象。

5存在问题

1）本文仅就人工降雨条件下，上层土壤粒径对地下水与径流交互的影响及其作用机理做了分析研究，但在相似准则上不够明确，其实际物理意义难以推广，用于其他土壤条件变化等问题，仍有待于待进一步研究确定。

2）实验存在控制变量不统一的问题，需要更精准的实验设计。

参考文献

[1]Hirsch，R.M. Groundwater and Surface-Water Interactions. 2013.

[2]王新峰.《水文地质学基础》（第六版）[J].水文地质工程地质，2011，38（03）：30.

[3]魏思宇. 柴达木盆地克鲁克湖区地下水与地表水交互关系研究[D].中国地质大学（北京），2018.

[4]李忠媛.地表水-地下水交互机制研究[J].黑龙江水利科技，2017，45（02）：4-6+32.