降水入渗补给过程的实验研究

　　摘要：本文根据冉庄实验站实测资料，描述了地下水深埋区降水入渗补给过程。通过1991年8 m蒸渗仪实测资料，说明降水入渗过程中入渗锋面演变情况。地下水大埋深区包气带土壤含水量及降水入渗过程有以下3个特点：1包气带土壤含水量在垂向上具有分带的特点：从地表至1 m为I带，从地下水面至地下水面以上2 m为Ⅲ带，介于I带和Ⅲ带之间为Ⅱ带。2包气带土壤含水量具有季节性变化特征：包气带土壤含水量5月份最小，6～9月份较大。3降水入渗补给具有明显的滞后特征：从发生降水到该次降水对地下水入渗补给过程的结束，需要经历一个时程。包气带愈厚，时程愈长。

　　1 冉庄水资源实验站基本情况

　　冉庄水资源实验站，位于华北平原中部，河北省清苑县冉庄镇，距保定市40 km.地处太行山前，属于温带半湿润性大陆性季风气候区。实验站由实验流域和中心实验场组成，中心实验场内有三个大型地中蒸渗仪，包气带实验区、节水灌溉实验场和项目齐全的气象场。三个地中蒸渗仪面积均为10ｍ2，潜水埋深分别为1 ｍ、2 ｍ和8 ｍ。包气带实验区的面积为50 ｍ2.蒸渗仪和包气带实验区内设有中子仪测管和负压计，观测土壤含水量和土水势。自1987年建成以来，每年都在种植小麦、玉米的情况下进行试验，连续运行15 a，资料基本完整。

　　地中蒸渗仪为回填亚砂土，包气带实验区为原状亚砂土。实验期间实验区地下水埋深5―21 ｍ、多年平均年降雨量500 mm.

　　2 地下水深埋区典型的降水入渗过程

　　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，在冉庄水资源实验站地中蒸渗仪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，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，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1是8 m蒸渗仪1991年降水入渗过程的入渗锋面演变图。1991年5月16日正是小麦生长旺季，全剖面储水量是本年度最小值，5、6月虽有降雨和灌水216.3 mm，但绝大部分消耗于蒸散发，到７月１日储水量只增加41.7 mm.7月上旬降雨116.5mm，基本补充了土壤亏水，7月11日初步形成入渗湿润锋面，锋面位置到达1.4 m.7月11日降雨52.4 mm，7月12日锋面发展到2.0 m.7月20日夜降暴雨140.9 mm，7月21日形成较大的湿润团，覆盖了原来的湿润锋面，发展到3.6 m.7月21日降雨31.8 mm，7月23日锋面运行到4.8 m.7月27日降雨53.9 mm，7月28日储水量达最大值2723.1 mm，有较大的重力水形成，入渗锋面达到6.0 m，蒸渗仪开始承接到入渗补给量。从此以后再没有较大降雨，土壤储水量逐渐减少，进入包气带土壤水疏干补给地下水阶段。到1992年6月1日达到1992年度储水量最小值，包气带土壤水疏干，1991年度的入渗补给过程才告全部结束。疏干后的1992年6月1日与1991年5月16日相比，全剖面储水量还少了68.3 mm.从7月9日形成入渗补给的降雨开始，到7月29日接到入渗补给量，土壤水在8m厚的包气带中运行了20 d，这是有实验资料记录以来入渗速度最快的一次。

　　3 地下水大埋深区包气带土壤含水量和降水入渗补给过程的特点

　　通过冉庄水资源实验站对地中蒸渗仪各深度土壤含水量实测资料分析，发现地下水大埋深区包气带土壤含水量降水入渗补给过程具有如下三个显著特点：

　　3.1 包气带土壤含水量在垂向上具有分带的分布特征

　　在地下水大埋深（地下水埋深大于6 m）条件下，包气带土壤含水量在垂向剖面上明显地分布三个带：

　　从地表面至1 m为Ⅰ带，这一带与大气联系最密切，受日照、气温、湿度、降水和蒸发等气象因素有无作物和作物种类、长势等影响，含水量变化频繁，动态变化幅度大，称为强变动带。土水势可由－20 cm水柱变到－900 cm水柱；土壤含水量可由9.4%（体积含水量—下同）变化到39.0%.从地下水水面至含水量受地下水影响较大的上界面（一般为地下水水面以上2 m）为Ⅲ带，这一带受地下水毛细作用影响，含水量时空变化不大，称为相对稳定带。介于I带和Ⅲ带之间为Ⅱ带。这一带含水量变化幅度较I带小，较III带大，称为弱变动带。包气带含水量和土水势的垂向剖面分布分别见图2、图3；包气带土壤储水量的变化量见表1.从表1可以看出，Ⅰ带每米土壤储水量的变化量可达214.0 mm；Ⅱ带每米土壤储水量的变化量为50.0～92.8 mm；Ⅲ带每米土壤储水量的变化量只有10.7 mm.

　　3.2 包气带土壤含水量具有时程变化特征

　　每年的5月份是小麦生长旺季，作物需水量最多，此时，降水量稀少，包气带土壤含水量是全年的最低时期；在汛期（6～9月份），当发生较大降水时，包气带含水量迅速增加，地下水大埋深条件下，可以从包气带垂向剖面图上观测到重力水团向下运移的现象；当降水过后，要么包气带土壤水向上蒸散发，要么重力水团向下入渗运移，包气带土壤储水量呈逐渐减少趋势（详见图4）。

　　3.3 降水入渗补给具有明显的滞后特征

　　一次有效降水（所谓有效降水，是指该次降水足以造成对地下水的补给），从发生降水到该次降水对地下水入渗补给过程的结束，需要经历一个时程。时程的长短，与包气带岩性和厚度密切相关。据冉庄水资源实验站1 m、2 m和8 m蒸渗仪（岩性均为亚砂土）的观测结果，当包气带厚度为1 m时，发生降水不足1 d就产生对地下水的入渗补给，且很快就达到最大入渗强度值，此后，入渗强度逐渐减弱，几d后，入渗补给过程结束；当包气带厚度为2 m时，发生降水1 d后才产生对地下水的入渗补给，3 d后才达到最大入渗强度值，整个入渗过程需要10 d左右；当包气带为8 m时，无论发生降水至产生对地下水入渗补给的时程，发生降水至达到最大入渗强度值的时程，还是发生降水至整个入渗过程结束的时程，都要更长一些。图5为1991年实测的降水入渗补给过程。从图中可以看出：降水入渗补给具有明显的滞后特征，并且包气带愈厚，滞后的时程愈长。（考试考试网一级建造师编辑整理）