太湖流域平原区非饱和带降雨入渗规律分析

可 灏， 王船海， 叶小川， 宋 晨， 雷振远， 陈 钢

(河海大学 水文水资源学院， 江苏 南京 210098)

太湖流域为典型平原区，河网交错密布，湖泊星罗棋布，拥有发达的水系。其地表水、土壤水和地下水之间交换频繁，准确模拟该区域产汇流能够为平原区产汇流模拟提供理论依据与经验参考[1-2]。

土壤水运动作为产汇流模型研究中最复杂、关键的模块，对水文、农田水利、水土保持、农业土壤等领域有着重要理论指导意义，并受到了国内外学者的重视[3-6]。随着计算机技术、精密仪器技术、遥感技术以及数值模拟理论的发展，土壤水运动方程的建立、模拟和完善方面取得了丰富成果。

降雨入渗过程分析与模拟是土壤水运动研究的重要内容，但其研究主要集中在干旱半干旱地区如黄土高原以及农业生产方面[7-8]。此外，国内关于降雨入渗的研究仍以概念性模型为主，缺少对实际物理因素的考虑，如入渗滞后作用、雨型复杂、土壤不均匀等，并不能完全适用于平原区。由于平原区野外实测资料的缺乏，现有模型的适用性检验及改正成为约束平原区降雨入渗规律发展的瓶颈[9-10]。

1 研究现状

目前国内关于降雨入渗的研究，多应用在边坡稳定性和干旱半干旱地区的水资源规划管理等，在太湖流域平原区非饱和带方面的研究较少，如徐晗等[11]用基于水力渗透曲线的有限元模型模拟雨水下渗非饱和土边坡过程，白盛愿等[8]在黄土丘陵半干旱区的米脂实验站观测、分析自然降雨下土壤水分入渗深度。此外，针对降雨入渗过程的分析多为定性的研究和描述，在定量模拟方面存在一定的空白。蒋定生等[12]曾在分析Kostiakov和Horton入渗公式的基础上，结合黄土高原大量实测资料总结了黄土高原土壤在积水条件下的入渗公式，具有一定参考意义。

平原区由于野外降雨观测资料的缺乏，现有研究的模型多为概念性模型，缺少一定物理意义，其在平原区降雨入渗的适用性上有待评估。目前已经在太湖流域非饱和带建立了常州市金坛水文实验基地，该基地可进行野外观测并积累了可用于土壤水运动研究的实测资料，为研究进行提供了条件。

2 试验区概况

红旗圩(HQW)试验基地位于江苏省常州市金坛区朱林镇，该区地层多为第四系松散沉积物，主要由泥灰岩和钙质泥岩组成，厚度约30 m，总面积为1 008 m2，地表高程为2.4～3.8 m。土壤质地为粉质黏壤土，平均密度为1.36 g/cm2，平均饱和导水率为46.63 mm/h，饱和体积含水率为45.0%，有机质质量比为14.78 g/kg，具体位置和土地利用情况如图1所示。

图1 实验区位置概况与土地利用示意图

3 研究内容

试验区能够实时测量气温、降雨、蒸发、多层土壤含水率、浅层地下水位，并将数据传送回服务器，对2016年实测数据整编，分析了包括全年降雨从划分的26次降雨中选取的5场典型降雨在内共计6场降雨过程，有关分析过程如下。

3.1 土壤含水量对降雨响应规律

2016年全年的土壤水动态变化过程中，变化幅度定义为变化量与初始值之比，以反映含水量受降雨影响的变化程度。土壤表层(10 cm、20 cm处)的含水量与降水的趋势变化非常接近，受降水影响产生的波动较大，10 cm、20 cm处含水量的最高变化幅度分别为102.9%、53.3%。40 cm、60 cm处土壤含水量变化过程基本相同，幅度较小，而100 cm处基本上不发生波动。随着降水量的增加，整体土壤含水量变化幅度明显增大，大暴雨级别对应幅度小于暴雨级别，原因是发生大暴雨前的土壤含水量为0.414，远高于发生暴雨时的0.319，因此相对变幅变小。这也说明，土壤含水量对不同量级降水的响应也和初始土壤含水量有关。

3.2 地下水对降雨响应规律

由全年的地下水动态变化过程分析可知，地下水受降雨影响明显，呈现显著的季节性变化，水位在冬春季节较夏秋季节较低，其变化受到雨量、雨强、持续时间等因素的影响。降水量级在中雨及以上时才会引起地下水的波动，小雨量级的降水以补充土壤为主。各降水量级，从小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的场次降雨，引起的地下水位变化量分别为0.02 m、0.08 m、0.54 m、0.11 m、0.48 m。总体看，随着降水量的增加，地下水变动幅度明显增大，暴雨场次对应地下水变化量仅为0.11 m，原因为初始潜水埋深为0.264 m，接近地表，因此变化量受到了限制，这也佐证了地下水变化与初始地下水水位有关的观点。

3.3 Spearman秩相关系数分析

采用Spearman秩相关分析系数作为降雨各特征值之间相关关系的检验标准[13]，对2016年全年降雨过程进行划分得到26场次降雨过程，分别统计和计算历次降雨的次降水量、降雨历时、入渗量、土壤水库容等特征值。进行全年范围内计算结果如表1所示，包括入渗量与地下水涨幅、初始地下水埋深、土壤水库容、降水量、降雨历时、平均雨强、最大雨强的相关系数。

由表1可知，入渗量与地下水涨幅、初始地下水埋深和土壤水库容呈显著正相关，其Spearman秩相关系数分别为0.822、0.780和0.704。

表1 全年入渗量相关关系分析结果

地下水主要由降雨入渗量补给，发生降雨时地下水水位的变动是降雨入渗量大小的直观反映，因此入渗量和地下水涨幅呈明显正相关。初始地下水埋深指降雨开始前地下水水面到地表的距离，初始地下水埋深越高，说明地下水水位越低，该区域干旱程度越深。入渗量与初始地下水埋深的正相关，说明在干旱状态下表层土壤对地下水补给作用有限，其地下水水位维持较高水平主要来自于降雨入渗量的补给。

土壤水库容也称为入渗能力，指次降雨发生前土壤所能容纳的最大水量，与土壤干旱程度呈正比，入渗量和次降水量及其他降雨要素等没有显著相关关系，说明太湖流域平原区土壤水接近饱和状态，降雨发生前期的部分降水量以下渗的形式损失，中期及后期的大部分降水量以径流的形式损失，较之降水量与径流深的相关关系更明显，这暗示着实验区内土壤含水量达到饱和是产生径流的重要前提条件，研究区的产流机制以蓄满产流为主。

为进一步分析不同干旱程度下入渗量和其他入渗特征值之间的相关关系，将全年26场次降雨的土壤水库容按降序排列后，取接近土壤水库容中位数的整数50，以此为标准划分为2组数据，分别以湿润组(Ip<50 mm)、干旱组(Ip≥50 mm)命名。相关分析结果如表2所示。

表2 湿润、干旱两组入渗量相关关系分析结果

分析可知：干旱组的入渗量与降雨相关性显著，相关系数高达0.988，而湿润组的相关性不显著，相关系数为0.305；湿润组的入渗量与土壤水库容相关性显著，说明土壤水库容约束降雨对地下水的补给，土壤越接近饱和越明显。要想进一步精确模拟降雨入渗过程，可以考虑建立耦合干旱、湿润两种状态的非饱和带降雨入渗模型。

4 结 论

(1)土壤水变化量、涨幅随土壤深度增加而减小，随降水量增加，整体的涨幅增加；在发生同样降水量情况下，土壤含水量涨幅与瞬时雨强的大小和持续时间有关。

(2)地下水变化量、涨幅和降水量、瞬时雨强及持续时间、初始潜水埋深等因素有关；降雨停止后，地下水恢复或接近原有水平的快慢与地下水位有关。当降水量级为大暴雨时，如瞬时雨强较大、持续时间短时，潜水埋深变化曲线呈双峰甚至多峰型。如瞬时雨强变化均匀且持续时间长，其变化曲线不呈现前述情况。

(3)实验区降雨发生前期的部分降水量以下渗的形式损失，中期及后期的大部分降水量以径流的形式损失，这说明太湖流域平原区的产流机制很可能以蓄满产流为主。

(4)干旱状态下入渗量与降雨相关性显著，与土壤水库容相关性不显著，而湿润状态下相关性不显著；湿润状态下则反之，因此建立耦合干旱和湿润两种状态下的入渗模型对精确模拟入渗过程具有重要参考意义。