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包气带变化及其对地下水补给的影响

林丹  
【摘要】:地下水是华北平原的主要供水水源,主要接受降雨入渗补给。近几十年来,由于工农业及居民用水的双重作用,长期超采地下水(尤其是山前地带)导致浅层含水层水位埋深增大,出现大面积降落漏斗,引起包气带厚度增大,进而使得垂向入渗补给过程变得更为复杂。华北平原是我国重要的棉粮基地,农业用水占总用水量的70%以上。很多地区农业用水浪费严重,灌溉水量超过作物需求,导致灌溉回水成为该地区垂向入渗补给的重要组成部分。地下水补给研究在国内外干旱-半干旱地区(包括华北平原)已开展过很多,但包气带变化条件下入渗补给的复杂过程及补给评价的不确定性依然是我们面临的难题或挑战。 准确合理地评价华北平原垂向入渗补给,对制定地下水合理开发利用方案和合理的灌溉制度、寻找灌溉-开采的平衡点、防止地下水位继续下降、保护该地区的地下水资源具有重要意义;同时,获得的补给速率可以为今后华北平原区域地下水模拟提供输入数据。 为此,本文以包气带水文学、溶质运移理论等为支撑,在搜集研究区前人研究数据及研究结果的基础上,综合采用野外调查、室内外实验、分析测试等方法研究因长期超采引起的包气带变化及其对补给的影响,主要包括以下三部分内容: (1)通过一组长达7个月的非饱和-饱和带场地灌溉示踪实验,利用Tecplot软件将监测数据进行三维可视化,定性分析野外包气带中水流和溶质运移规律;同时根据时间矩分析法定量分析水分及溶质在三维非均质包气带中的入渗及运移规律。 (2)选取因长期超采地下水的华北山前平原(石家庄地区)和中部平原(衡水地区)作为研究区开展地下水垂向入渗补给研究,综合利用质量平衡法、人工溴示踪法、非饱和达西法和一维非饱和流数值模型评价研究区垂向入渗补给,同时收集前人的研究结果作对比分析,并将各种方法评价的结果进行相互验证,以提高补给评价的可信度。 (3)综合以上补给评价结果,讨论包气带变化(厚度增大、结构变化)和外界因素变化(土地利用、极端气候)对垂向补给的影响。 通过上述研究得到以下主要结论: (1)非饱和-饱和带非均质场地灌溉示踪实验 在低渗透性透镜体存在的非均质介质中,相对稳定的氯离子会产生明显的绕流现象;而氚的绕流现象不明显,即水流基本保持活塞流下移;但当示踪剂(氯离子)连续输入时间较短时,示踪剂向下运移规律并不能真实反映水流的真实运移特征。分析各控制点的穿透曲线可以得出,由于氯离子的轻微吸附作用使得氯离子峰值到达时间要比氚晚;上部低渗透性透镜体的存在对下部控制点的穿透时间影响不大,即上部低渗透性透镜体的存在对潜在补给的评价影响较小,故采用人工示踪剂评价潜在补给比较可信。分析淋洗曲线知若场地存在较多低渗透性透镜体,会使得氯离子的回收率偏低,导致利用氯离子质量平衡法计算的潜在补给速率比实际情况偏低。从整体上看,若非均质场地中高渗透性孔隙介质连通性较强,水分及溶质基本以活塞流形式下移。 (2)多方法对比评价地下水垂向补给 采用离子质量平衡法评价石家庄地区的垂向入渗补给得:F-、Cl和S042-适用于不灌溉林地的入渗补给评价,其补给速率依次为16.9、18.8和19.4mm/a。当考虑灌溉水输入,C1-适用于灌溉农田,评价得出灌溉农田区的补给速率为87.8-155.9mm/a。 通过不同土地利用类型地区开展人工溴示踪实验得到:石家庄地区冬小麦-夏玉米农田的补给速率为54.5-466.4mm/a(其中2个点位的计算时段为雨季导致补给速率偏大)、果园的补给速率为110.1-564.3mm/a、树林的补给速率为0-20.5mm/a、平均补给系数为0.173;衡水地区冬小麦-夏玉米农田的补给速率为28.9-164.8mm/a、果园的补给速率为11.9-114.6mm/a、棉花地的补给速率为87.3-186.3mm/a、树林的补给速率为0-32.2mm/a,平均补给系数为0.100。 在测试河北正定试验场包气带深部增厚区土壤水力参数的基础上,用非饱和达西法计算得包气带8.0-21.0m埋深范围内入渗补给速率为25-240mm/a。 采用Hydrus1D软件并选取质量平衡法和达西法所涉及的钻孔资料建立模型,根据模型运行结果计算得到的补给速率、补给系数与场地实验评价的结果非常相似,证明一维非饱和数值模拟评价补给的可靠性。其中灌溉冬小麦-夏玉米轮作农田的补给速率、补给系数分别为48-89mm/a、0.053-0.096,不灌溉杨树林的补给速率、补给系数分别为12.3mm/a、0.024,不灌溉天然杂草试验场的补给速率、补给系数分别为83.4mm/a、0.165。 本文采用氯离子质量平衡法得到的山前平原灌溉农田补给速率为65.9-126.8mm/a;采用人工溴示踪法得到的山前平原灌溉农田补给速率为54.5-466.4mm/a,中部平原灌溉农田补给速率介于11.9-238.8mm/a;采用一维非饱和流数值模拟计算的山前平原灌溉农田补给速率介于48.0-89.0mm/a。同时收集得到前人补给评价结果也大多介于此范围内,故本文的研究结果总体比较可信。 (3)垂向入渗补给的影响因素 ①包气带变化对入渗补给的影响 当包气带厚度在5m与10m之间时,石家庄地区冬小麦-夏玉米灌溉农田中三个钻孔根据质量平衡法计算的补给速率均比较稳定,没有太大的波动,即包气带厚度达到一定深度后,厚度继续增加,补给速率会保持稳定状态。 根据人工溴示踪实验结果知华北平原山前平原和中部平原的平均补给系数分别为0.173、0.100。而山前平原多粉土、粘土,中部平原多砂壤土、壤土,说明岩性越粗,补给速率越大,反之亦然。 因浅层水位持续下降,深部包气带砂性土发生一定的压密作用,使得土壤水力特性发生改变,即土体释水能力降低,进而影响到垂向入渗补给。此外,水位波动下降,若某-深度历史水位下降速率越慢,其土壤释水能力会更差,即水位下降速率大小对垂向入渗补给也有一定的影响。 ②外界因素对入渗补给的影响 根据离子质量平衡法得出,对比灌溉冬小麦-夏玉米农田(DH01)和不灌溉杨树林(DH02),不同离子评价的补给,都显示DH01的补给速率要大于DH02,表明灌溉在一定程度上加大了水分入渗速率,即会增大补给速率。 通过野外人工溴示踪实验,得出研究区内灌溉是产生垂向补给的主要来源,灌溉量越大,地下水补给速率也越大。研究区灌溉量普遍偏大,冬小麦-夏玉米轮作的方式在一定程度上减小了输入水量对地下水补给速率的影响;制定合理的灌溉制度,使降雨和灌溉水基本满足冬小麦-夏玉米等作物生长所需,不过度灌溉和开采,才能避免水位下降过快,在一定程度上保护地下水。 基于一维非饱和流数值模拟模型,改变土地利用类型、保持其他模型输入条件一致,对比其对入渗补给的影响,模型中在冬小麦、夏玉米、棉花、天然杂草、杨树林的生长期间灌溉水量分别为260、130、130、0、0mm。结果显示,当只种植冬小麦时,补给速率最大;当冬小麦-夏玉米轮作时,其补给速率略小;当土地利用为天然杂草时,补给速率最小;综合分析得出当土地利用为研究区最常见的冬小麦-夏玉米轮作时,对地下水储存最不利。此外,还研究讨论了1960年至2010年期间的历史极端气候条件(降雨、气温)对补给的影响。结果表明,日最大降雨量对补给速率的影响要比持续多天降雨量大;即使持续降雨天数达到极端大值,若在此期间日最大降雨量较小或者该极端值所在年份的年降雨量很小,都不能影响到补给速率;极端高温或者极端低温对补给速率影响不大。 主要创新点:(1)通过非饱和-饱和场地示踪实验,揭示非均质包气带三维水分及溶质运移规律;(2)基于质量平衡法,综合利用Cr、F、SO42等天然示踪剂评价垂向补给,多方法相互验证,提高评价结果的可靠性;(3)揭示了包气带厚度增大和结构变化对地下水补给的影响。


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