对平原地区降雨入渗补给地下水的模拟试验研究方法

o。-第2卷第4期地理研究Vl2No。4198312ee.,年月GEOGRAPHICALRESEARCHD1983平原地区降雨入渗补给地下水的模拟试验研究方法任鸿遵杨克定(中1tl科学院池理研究所)提要一‘。降雨入渗补给最在平原地区约占地下水急补给鼠的50一80%本文呆旧人工降雨模拟试验的方,,二,法从分析降雨入渗水分运动特点着手寻求在不同的仁壤和地下水埋深的条件下入渗总量与降雨量、降雨强度以及,,土壤前期含水量等要素的关系拜根据蓄满入渗补给的原理计算人渗总量中,,补给地下水的部分同时又洛卜述方法得出的结果与其它方法计算的结果及地下水动态资料进行厂对比。一,,我国东部J阔的平原区是全国文化经济发达的地区之一其对水资源的需求量大保i正性强,地下水。,资源是这些地区重要的水资源地下水的来源是多方面的根据华北平原和京津渤地,5。8。一区的初步计算降雨人渗补给量约占总补给量的一%可见平原地区地「水资撅的评价中,降雨人渗补给量的计算具有重要意义..前:1;2人在达方面的研究方法概括起来主要有动态资料分析法地中渗透仪测定.。,、、;313,法水量平衡法两种方法是利用观测得到的降水径流蒸发或地下水动态资.。,一一,!i,料经分析计算得出降雨入渗补给池下水量日前八护各l勺计算的前提不(资料精度不所以计算结果差异较大。如无外界J几优,则动态分析法被认为是简易而可靠的方法一渗透仪法则是,二、一种试验研究的方法它考虑了l壤性质地卜水埋藏深度以及降雨量等囚素的影,‘,响日l亘接观测到入渗补给2星的大小足日前国内外研究卜原地区土壤水分运动的重要手.,,,,段但山{观测筒条件与实地条件相差较大同时试验设施费川夫观测周期长门前全卜}仪有数处,l汁料多在j一3年之间.所以不能尽快地涡足生产的需要,,,;』t为此本文提出利川人l几降雨模拟试脸的方法从分析降雨人渗水分运动特点肴手、、。求降雨人渗补给最与其影响要素的关系通过黑龙护l几省补和大甸子河北省南宫山东六禹,。城等地区的i尤验取牙斗了定的效果一、试验原理一与方法,,对一次降雨米说片仁要出路是产生地面径流和人渗进人土壤两项即P二y十F则F二P一Y才‘义15台2气1Jll3}j巧父j·};,2983羊峨少i}2’{’{父到修改私 4期任鸿遵等:平原地区降雨人渗补给地下水的模拟i式验研究方法:-;式中P降雨量Y一地面径流最F——降雨人渗量根据这,,一原理我们可以在研究区内采川人工降雨的方法来模拟天然降雨的雨型、强,度和降水量的大小并测出相应的地表径流,二一。量通过式FPY即可算出入渗量由于入渗,到土壤中的水分义有两个出路一是满足土壤·。中亏缺水分的需要,另是补给地下水所以,人渗过程中,土壤水分不断发生变化,土,,壤水分的变化又影响土壤水分的运动因此_图1人I二在试验中还必须对土壤水分进行监测。降雨器及场地布置示意图我们所J二水使用的人降雨器及场地布设如.,2,;1供水桶检压箱输水管}2。图所示整个仪器重旱约公斤(电动机除4.跟踪式水位Jl;二喷水管,支架,,。)27.:,,外模拟试验面积为平方米柳1流碘题截水桶电劝扣:。.’试验中应沈意以下儿点!凤创;1负压计,.、、!_首先应对计算区的地貌土壤地下F191Diagran飞ofartificialrainfal,,nsruenanexerenarr-水等条件进行勘测根据所得资料进行分区1tmtdPimt,,然后选定试验点为了使试验结果较为理想敌了l旦e下1飞ent往往需要布设数个或数十个试验点〔‘〕.一〔,名平原区土壤水分以维运动为主2〕故在试验中要消除侧渗的影响试验地块布,,,设时可用油毡或塑料布围住上体共深度应取到地下水毛管i舌动层上限为好如能将上体,,,,底部封死拜模拟灭然地下水位的状况那就更为理想但及然状态下大面积的试验中土,故本试验假。体个部封死是很困难的定每场试验的地下水位是个常数.、、:1式验取得以下数据:负压计读降雨量径流量数以及土壤含水量的变化资料(一般力i式验前、试验中及试验结束各取土·次)。.4当求一个,,较大面积的入渗补给时各个分区的关系式是不一样的所以应先分区进,。行计算然后将各分区的数值累加即得全区的数值、二入渗补给地下水的从本特点通过试验,我们观测到:降雨入渗补给地下水的特点为.]fp,入渗率与时间的关系单位时间内人渗到土壤中的水量为入渗率()在降雨,,,,入渗过程中入渗率随时间而递减最终达到稳定这就是通常所说的入渗曲线(图2)进入到稳定入渗阶段,。时便形成对地下水的补给地下水补给速度,(q)等于稳定入渗本(f)共友小与J.壤前期含水率关系不大({闯由地理所刘昌明、洪·连鑫同志设计。 地理研2卷,2)一f“,于降雨强度j戊正此(图3)0.6呆呆姗裤澳哎勺勺‘‘0.一忍廿匀,‘.即5%加0时何‘分)图2人渗曲线(禹城).F192sehenleofinfiltration(YuCheng)图3稳定(人渗率一雨强关系曲线中和甸子地)..F193Relations,liPbetweelltherateof艺降雨强度与入渗补给的关系在入5teadyinfiltrationandtherateof渗过程中降雨强度与不同的入渗率的组合可以Pri(,iPitatjon(ZhongHeDienTze形成土壤水分入渗补给的不同特点(图[)一anLd)1、:,()当Af时降雨全部入渗篆·.·、--...__.一-__架,一,不产生地表径流但近地面土壤层水分增加多。fp逐步形成,也表饱和层此时他l。接近于无限蘑大逐步减小。(pfs,3)当A户f>时人渗能力继续减·,少,减少到降雨量中的部分渗人七壤另。部分形成地表径流19.人渗补给关系图图4降雨强度与(南宫)。=f、,s,(4)当A乡f入渗能)]减小至fF.4RelationshiPb七tweentherateof,二s。土壤全部饱和地下水的补给强度qf实、PreciPitatlo了1andthesuPPly01,s,际L在降雨强度为常量的情况下(A>f)i:lfi]rratio,1(NanGon只)2)(,则(3)(4)过程往往先后l片现叠加,(。起来就是一个完整的曲线z)(3)(4)过程则分别代表r人渗三个阶段.。3负压力与时间的关系在非饱和带,土壤水分的压力为负压力人渗水分主要在负压。,,力和重力作用下呈锋面形式向下运动我们知道负压力与上壤含水量成反比随着入渗水分的向下运动,土壤层中不同位置的,,土壤含水量逐步增加共负压相应减小形成负压随时5。,,间递减的规律(图)由图可看出每一根曲线都有两个转折点第一个点是锋面到达的,;,时间此时上壤含水量接近田间持水量第二二个点则是土壤水分达到饱和的时间以后负压。,,,:,植趋近于稳定由此我们可以认为在降雨人渗的过程中土壤水分11川至下逐步饱和,,,,当达到地下水中毛管活动层卜限时上壤全部饱和负压消夫敢力起七份作用开始补给 :一4期任鸿遵等平原地区降雨入渗补给地F水的模拟试验研究方法87地下水,我们把这“一过程简称为地下蓄”满补给过程.l‘r。厂旧耘婚攫疥哈一啥屠旧禅跳旧嗜e刽二日E“月J..|卜产协/门l/少l图5不同深度的负压变化过程线(禹城).勺且.Fg5DiagramofwaterPotentialinde-ffere,ItdePth、(YuCheog)写砚浦百百稚百燕二飞蔺〕刃劝三、降雨入渗补给地下水计算公式的分析,〔根据以卜对上壤水分入渗过程的分析可以把上壤水分剖面变化概化为以下图形3〕(图“‘2.,市片丫嚼一一_~毛动层州日日:!}盯一一哪理~翌一生地卜水位}一一一尸卜片一一火a)入裕它花‘L)形成锌面(e一)钾面—f运行勺们锌一流到达毛竹活l尽{咔圈一.土坡水分部面变化示意图。,、0一初始含永量0一饱和含水尾.F196Diaramof5011mois*ureProfileg。inirial1110lsre.saturateosture0一tU0一dmi,,、66b)(:)图中(表明径流产生前的入渗剖面此时入渗量F)为卜二。一。51F(00)L(l):又根据达西定律q=f,二一K(0)(2一l2一Z,小小)/2(2)K(:;;z;s,式中的非饱和水传牙系数小总水头地面以下距离Z:一21=L,=O,2=一S,十—;—。,我们定地表水头小则小(Lh)h为湿润锋面处的负压力又知地表未产斗径流时,f,=A,则式2):(可写为A=K,(h+L51,,)/L(3)F;、51=:将(l)中L(05一。代入(3)中得0) 88地理研咒一竺、·、。,F=h(O一‘AK:一‘0)/于二:。T一是径流始时间丹(石)人KS、、,。,由于(饱和水传份系数)0等均是与仁壤性质有关的常数e与A可以实测故利,。用式(4)和(5)即可得出地表径流开始前的人渗总量和地表产流开始时间当地表产流后图6(c6),,)和(d也可用与仁类似的方法进行求解拜可得出/、、‘,二K(。):+h|一一Fs。)一f一(6)二p,,。二6、神,用‘的关系式分离变进行积分可得出、,入渗量‘F,但式(,:f二们中K与h是,土壤性质及含水量有关的较复杂的函数所以上式应用于大而积的入渗计算卜分繁,。一:琐有时甚至无法做到故以下采用另简化方法分析之e二:一。,·t由图6()与〔;(d)可得F(00)L+K(7)t了i,:,,s式中为地下水开始补给的时间()就一定的土壤和地下水位{li污0LK均是常,。,、,:缺e是一个变登而t取决于降雨量降雨强度以及0杭由!分折可将式(7)写戍如:下雨数形式,,,F=f(PA0)(8),,,,。根据试验对于沙性上壤而高由于重力作用较强毛细作用较弱故侮次雨前的O叭相差不大,也不是一个主要影响因素,则式8)义可简化为:(F=f(P,A)(9),s对(9)进行复相关分析并假定该画数关系人三任为线性关系,可写成:F=a+bP+eA(10)式中a、b、。为待定的系,数根据最小二乘方兴60,=解的原理利用南宫的实测责料可计算出b成留40.;。二一.c.自即2气17贝垃a二F一bP一A=川洲将晚沪人、20a,,cb代入(一。)贝11一...一1F=20:36+门6门P一之3片人(I曰501,tlt5o一山破(之冲.。—以卜复相关分祈的相关系数为089该式的儿,,何图形系一平面即以F为纵坐标P为横座图7降雨毅一人渗量一雨强关系图(南宫)标,A为参数的·红毛l直线(图7),该组直线.r197Rola一ionshiPbetwe‘nPreeiPitat分。。。,A簇fS,“的卜限为伟线当I讨均符合45线的·-andinfi】rration:一nder、ariouseo规律,。即降水全部入渗武线与满座标的支点1月1tio。、oftherainrate(NanGong)表明某一雨强下,不产生入渗冲给的雨聂俏。一,。,对于不同的地下水埋深情况可得出不同的数学关系式就钻性!:而言山于毛细作用 1期任鸿遵等:平原地89区降雨人渗补给地下水的模拟试验研究方法,。,。,较强故每次雨前的0值相差也较大可考虑四耍素的复相关分析但在实际计算中往往由,,。。于次要因素考虑太多反而影响计算精度故粘性土壤可将0代替A进行分析由于分析方,。法大体一致不再累叙一,5一。二F;。有了入渗量即可由式F一(00)L得出补给地下水毅但由于饱和层中的重力,所以:水在雨停后仍耍补给地下水上式实际应写为F;=F一。一(0田0)L(12)如用上壤含水率表示则。··F;=F一一p)‘L1刊13)(P田/(式中田二田间持水量;二一最;p田=田间持水率;p。=土壤初始含水e公降雨人渗补给地下水;r=。土壤容重〔4〕率、四计算结果及其分析.,拜经分析计算得出:},我们在三处进行的试验如下结果黑龙江省中和大甸子土壤.,一为黑,1上5色亚粘上地下水位一米得降雨入渗补给系数(入渗补给地下水鼠与降水漪之此)..,..,..a=。1:2山东禹城试验区,土壤为亚砂土地下水位25一30米得。=。25;3河.,土壤为粉细砂,地下水位生5米,得a={,别从以卜。值随土壤颗粒的北南宫地下水库一。粗细而变化的规律来看是合理的,,共二当不受人工开采等外界条件卜扰时地卜水动态分析法所计算的结果可作为比较丈,J蒙(表!)妻1成果比较表.seo50Tab1Compars互onoftheresultmpar三只l!I东禹城!0.25刁匕京地理所{0.2,山东鲁北〔程局在类似地区分析北京地理所河北南宫{0.31一北京地理所}0.32一0.33河北地理所窦2计算补给t与地下水位抬升他比较表.oar、onooureoaonTab2CmPiftheresultsbyleultiwit盈飞theriseofgroundwaterlevel-_-一一----地“二一“一:一禹--⋯宜⋯一一竺:时I闭{79‘乒7月“日79年7月‘7卜,“”年“月“日,8”‘于几c月2”日“”;,8少J‘5月一”。衬“月‘日8”年“一月“,降雨入渗补。.._..。43836039449420024这}132给值(毫米)地下水位抬.。。05.。06040504升值(米) 日.20地理研兜卷l,由表可以看出利用人工降雨模拟试验的方法与常用的地下水功态分析法所得结果十分接近。,;,,其三由于降雨人渗补给量是平原地区地l水补给的主要来源因此计算所得的入渗补给量应与实际观测的地下水的抬升是相互一致的,而,比计算的入渗补给量越大地下水的,,:抬升植也应越高表2就上述问题给出了较满意的结果结语利用人工降雨模拟试验的方法来研究降雨入渗土壤水分运动及补给地下水的计算是一个新的尝试,共优点主要是:.。,1由于是在实地进行的试验所以试验条件更接近于天然状况:.以土壤水分运动的特点作为基础,所以计算较好地反映了人渗的物理过程。.。3不受天然,降水变化的影响可在短期内获取大量资料.。4投资少,野外应用方便虽然,,我们在三个不同地点的试验中取得了较为满意的结果但由于野外条件十分复杂我们尚未针对各种条件的不同组合进行试验,不但资料需要进一步积累,同时理论上和方法上也有待于进一步的完善和提高。参考文献、:,〔1〕魂忠义任鸿遵南宫地下水库降雨入渗土壤水分运动及对地下水补给量的计算水文地质上,。程地质(i)1951年:,,。刘昌明南水北调水量平衡变化的几点分析地理科学2(名)1982年..,..,,“.〔3〕RGMeinCLLarsonModelinginfiltrationduringasteadyrainWaterR。*卜",,.uree,Researeh9(2)1973..,,。AA:19〔4〕罗杰土壤水分状况的研究方法中国工业出版社65年 :4期任鸿遵等平原地区降雨入渗补给地下水的模拟试验研究方法牙工ANEXPERIMENTALSTUDYOFTHERECHARGEOFGROUNDWATERBYRAININFILTRATIONINTHEPLAINSRenHongzunYangKeding(nstituteofGeograhPy,AeademiaS,n;eaI)AbstraetRainInfiltration15themainsourcetoreehargegroundwaterinthePlainregions,andoetotarecareeoero.ueres-50%一80%fthlhgmfoitMhearehworkaboutthishasbeendonebymanyauthors,andabundantinfor-.二ationhasbeenobtainedThemaormethodsforthissubeetarerend」j一T...analysis,2Lysimeterand,3WaterbalaneeanalysisEaehofthemhas.1tsownadvantageanddisadvantagenorertoroveteaoveetos,tesuationethoorrainIdimPhbmhdhimlmdfinfiltrationwasadoPtedinthisPaPer,ThefunctionofF=f(P,A)wasestab-1ishedtroughexPeriments,thengroundwaterreehargefromtheinfiltrationh··ofrainwascalculatedfromtheequationFg二F一印rH10八/There:F=amountofinfiltrationP二amountofPriciPitaionA=rateofPreeiPitaionFg=groundwaterreehargefromtheinfiltrationofrain甲=defieitof5011moisture么r=weightineubieunits.H=dePthofdefieitof5011moistureTheeomParisonoftheresultsbyourmethodwithaetualobservationshows.goodagreement.ethodandstePsofexPerimentswasalsointroduoedinthisPaPerM