降雨入渗补给系数变化规律研究

陈建峰

(山西省水文水资源勘测总站，山西 太谷 030800)

1 实验概述

实验区位于山西省太谷县山间盆地—太原盆地中部。东经112°30′，北纬37°26′。海拔高程783～773 m。包气带土壤岩性以细纱、粉细纱、亚砂土、亚粘土为主。气候属于大陆性半湿润季风气候区。多年平均气温9.9℃。多年平均年降水量412.6 mm。多年平均年水面蒸发量1 037.3 mm(E601型)。设有地中蒸渗仪25套，测筒器口面积0.5 m2，地下水埋深0.5～5 m(0.5 m间隔)。其中亚砂土9套，极细砂9套，细砂7套。在有无作物条件下进行实验。另外设有20 m2(4×5 m)模拟池，面积为7.72 km2的均衡区。1991年以来积累了多年观测资料。

2 降水入渗补给机理分析

2.1 降水入渗补给过程

降水入渗补给过程是降水到达地面后，一部分被蒸散发，另一部分以地面漫流形式汇入河道形成地表水，再一部分被表层土壤吸收。被表层土壤吸收的这部分降水，在土壤含水量实测资料中表现为表层土壤含水量迅速增大，当土壤含水量超过田间持水量时，多余的水分形成重力水团并逐渐向下运移。在重力水团向下运移过程中，一部分水分在大气蒸发力的作用下，通过作物和上覆土壤与大气交换，另一部分水分沿程不断地填充包气带孔隙，多余的重力水团继续向下运移，直至到达地下水面，补给地下水。图2为土壤含水量剖面动态曲线，表明降水过后重力水团下移的土壤含水量剖面的分布过程。

2.2 降水入渗补给机理分析

降水落到地面渗入包气带土壤，通过包气带土壤补给潜水，这一过程称为降水入渗补给过程，补给到潜水的这部分水量称为降水入渗补给量。降水入渗补给量除以相应时段的降水量称为降水入渗补给系数。降水入渗补给量随埋深的变化取决于包气带的两个条件：一个是包气带土壤可容纳的重力水库容，即田持含水量与饱和含水量之间的库容量，随土壤深度增大，重力水库容增大；另一个条件是可入渗水量的变化，可以用降水量减去雨期蒸发和沿程损失来表示。所以降水入渗补给，沿着重力水库容曲线随埋深的增大而增大，当可入渗水量与重力水库容相等时，达到与降水量相应的最大入渗量，这时的埋深称为最佳埋深。埋深再增大时，由于沿程损失随着埋深的增大逐渐减少，入渗补给量随埋深增大而减小的越来越缓，到一定埋深时即趋于稳定。

图1 固定地下水位自动排水—补偿式蒸渗计示意图

图2 土壤含水量剖面图

3 降雨入渗补给系数计算

3.1 次降雨入渗补给系数

最简单的降水入渗情况为：降水降落地面后产生下渗，由于非饱和带的调蓄作用，将有一定的水量转化为土壤水，而这个水量中超过非饱和带田间持水量的那部分水才有可能形成对地下水的入渗补给。由此可知，并不是所有的降水都能对地下水产生补给，即只有当降水量大于一定数值(临界值)后才能补给地下水。降水入渗补给量的表达式为：

(1)

式中：Pr为降水对地下水(潜水)的入渗补给量(mm)；P为降水量(mm)；P0为临界降水量(mm)；α′为与非饱和带岩性及含水状态等有关的系数。

由于临界降水量受前期水量大小、降水强度、非饱和带岩性及含水状态、地下水埋深等因素的影响而变化，因此次降水入渗补给系数定义如下：

(2)

式中：α次为次降水入渗补给系数；Pa为前期影响水量(mm)；其他符号意义同前。

依据降水入渗补给系数的定义，测出每次(每场)降水补给到达地下水的水量即可得出次降水入渗补给系数。次降水入渗补给系数受众多因素影响，变化规律很难掌握，不便在实际运用，故它只是作为推求年降水入渗补给系数的基础。

3.2 前期影响水量分析

前期影响水量在非饱和带中的分布见图3。

从图3可以看出：土壤水分剖面中的前期影响水量，可通过实验方法计算。用蒸渗计实验数据可表示如下：

(3)

图3 前期影响水量水分剖面图

前期影响水量是反映土壤初始含水量状态的参量，一般利用前期的降水数据来计算，实际计算中常划分一个合适的时段作为计算时段，一般情况下以日为单位，即将本次(或本场)之前降水距本次降水日数作为时间单位，前期影响水量在时间上也同样构成一个系列，计算公式为：

(4)

式中：pa为本次降水的前期影响水量(mm)；pa1，pa2，pan-1，pan分别为本次降水之前各次降水对本次降水产生的前期影响水量(mm)；Ka为前期影响水量时段(日)衰减系数；n为计算前期影响水量的时段(日)数

前期影响水量计算中衰减系数值与非饱和带的物理性质等因素有关，一般情况下可根据不同土层及岩性取一个定值。根据太谷均衡实验站1992-2002年间降水与蒸渗计资料计算的各岩性平均值见表1。

表1 前期影响水量时段(日)衰减系数表

利用(4)式计算前期影响水量时，还要考虑计算前期水量的时段数(即日数)n，这是因为其前期降水距离越远，它的等效水量就越小，因此只要考虑一定长度时段(日数)的降水即可，一般情况下最大可取15到20日即可，即取n≦15～20 d。

3.3 年降雨入渗补给系数

年降水入渗补给系数为年内所有场次降水对地下水入渗补给量总和与年降水总量的比值，其表达式为：

(5)

式中：α年为年降水入渗补给系数；pri为场次降水入渗补给量(mm)；p为年降水量(mm)；n为年内降水场次数

通过对1991-2016年实验资料的综合分析，编制不同岩性α-P-Z降水入渗补给系数综合表，表2～表4。

4 降雨入渗补给系数变化规律

4.1 不同岩性a-p-z关系曲线分析

绘制各种岩性不同降水量级的多年均值曲线(图4～图6)。降水入渗补给系数随不同岩性、不同埋深规律性明显，具有明显的最佳埋深点和渐趋稳定点。实测降水入渗补给系数值呈带状分布，随不同年份雨程的变化而变动。

表2 亚砂土降水入渗补给系数成果表

表3 极细砂降水入渗补给系数成果表

表4 细砂降水入渗补给系数成果表

图4 不同岩性a-p-z关系曲线(P=200～300mm)

图5 不同岩性a-p-z关系曲线(P=300～400mm)

4.2 降雨入渗补给系数变化规律

4.2.1 年入渗补给与降雨的关系

天然降雨过程基本上以年为周期变化，且主要在每年的雨季。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1～2 m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3～4 m 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7 m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。

图6 不同岩性a-p-z关系曲线(P=400～500mm)

4.2.2 降雨入渗系数变化规律分析

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4 m后, 年降雨入渗系数与埋深关系变化较小。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。

5 结语

本文阐述了降雨在不同岩性、不同深度、不同降雨特征条件下的降雨入渗补给系数变化范围值，从而对降雨入渗补给系数变化规律研究，降雨入渗系数砂质土较大，粘性土较小，降雨入渗补给系数在其水分运动过程中存在一个地下水最佳埋深，地下水位最佳埋深之上,有较大的库容,可接受更多的降雨补给,降雨入渗补给系数达到最大，此后降雨入渗补给系数基本趋于定值,这个最佳的地下水埋深是5 m左右。