降雨入滲補(bǔ)給淺層地下水過(guò)程探討

□賓予蓮（河南省水文水資源局）

□齊登紅（河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院）

一、降雨入滲補(bǔ)給概念

通常將降雨從地表進(jìn)入土壤，通過(guò)土壤進(jìn)入地下水的過(guò)程稱為降雨入滲補(bǔ)給。降雨從地表進(jìn)入土壤的水量稱為降雨入滲量。降雨從地表滲入土壤非飽和帶，又從非飽和帶滲入飽和帶或潛水含水層的那部分水量，稱為降雨對(duì)淺層地下水的入滲補(bǔ)給量，簡(jiǎn)稱降雨入滲補(bǔ)給量，其過(guò)程稱為降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程。

二、降雨入滲過(guò)程

降雨入滲過(guò)程一般可用圖1來(lái)表示。圖中abc線為干土降雨條件下入滲率隨時(shí)間變化過(guò)程線。降雨入滲補(bǔ)給的強(qiáng)度主要取決于降雨強(qiáng)度和土壤滲吸強(qiáng)度。當(dāng)降雨強(qiáng)度較小或土壤滲吸性能較強(qiáng)，且降雨強(qiáng)度小于土壤滲吸強(qiáng)度時(shí)，則入滲水強(qiáng)度主要取決于降雨強(qiáng)度，雨水將全部滲入地下。入滲率如圖中ab段所示，此時(shí)降雨強(qiáng)度基本保持不變，土壤表層含水率隨入滲時(shí)間的延續(xù)而逐漸提高，直至達(dá)到某一穩(wěn)定值。這一階段的入滲強(qiáng)度等于降雨強(qiáng)度，為自由入滲階段，入滲率為R。當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)了土壤的滲吸速度，入滲強(qiáng)度將取決于土壤的滲吸強(qiáng)度，這樣就會(huì)形成地表積水或地表徑流（入滲率如圖1中的bc段）。這一階段為壓力入滲階段。兩個(gè)階段的交點(diǎn)（圖中1的b點(diǎn)）即為積水點(diǎn)（時(shí)間為tp）。滲入地下的水量一部分儲(chǔ)存在地下水面以上土層的土壤孔隙中，超過(guò)田間土壤持水率部分的水量才滲入補(bǔ)給地下水，這部分水量為地下水入滲補(bǔ)給量。

下面以亞砂土夾薄層亞粘土降雨入滲試驗(yàn)為例，說(shuō)明年度降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程。在降雨初期，由于土壤干燥，毛細(xì)負(fù)壓很大，毛細(xì)負(fù)壓與重力共同使水下滲，此時(shí)包氣帶的入滲能力很強(qiáng)，但入滲補(bǔ)給地下水的量不一定很大。經(jīng)過(guò)幾次降雨后，土壤中的濕峰面未達(dá)到地下水面，就被蒸發(fā)掉或引起土壤含水量增加，并未對(duì)地下水形成入滲補(bǔ)給。隨著降雨強(qiáng)度和頻率的增加，試筒土壤中含水量增加，濕峰面推進(jìn)到地下一定深度，相對(duì)于重力水力梯度而言，毛細(xì)水力梯度逐漸變小，入滲速率逐漸趨于某一定值。當(dāng)土壤中含水量超過(guò)田間持水度時(shí)，降雨入滲量迅速增加，形成一個(gè)入滲高峰，之后逐漸變小。砂性土在雨季每次這樣的降雨過(guò)程，都會(huì)形成一個(gè)入滲補(bǔ)給過(guò)程。

圖1 降雨入滲過(guò)程圖

三、活塞式降雨入滲過(guò)程

目前認(rèn)為降雨入滲方式有2種，活塞式和捷徑式（優(yōu)先流）。活塞式入滲補(bǔ)給過(guò)程，屬于入滲濕潤(rùn)峰面推進(jìn)補(bǔ)給型。由于形成入滲濕潤(rùn)峰的降雨強(qiáng)度、降雨頻率、降雨持續(xù)時(shí)間、雨前土壤含水率等復(fù)雜因素的影響，峰面下移的速度有所差異，入滲過(guò)程也不一樣。

土壤含水量的變化明顯反映了降雨入滲補(bǔ)給模式。在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有降雨的情況下，由于土面蒸發(fā)，試筒上部的含水量已低于殘留含水量，而造成所謂的包氣帶水分含水量較低，自頂?shù)降字饾u過(guò)渡，呈現(xiàn)比較明顯的蒸發(fā)型土壤水分剖面。連續(xù)降雨后，較淺部的土壤含水量迅速增大，然后逐漸減小，而較深處則逐漸增大。隨著時(shí)間的推移和降雨的不斷下滲，土壤中超過(guò)田間持水率的水分不斷向下運(yùn)移，最后入滲補(bǔ)給地下水。這種入滲過(guò)程符合活塞流的入滲模式。地下水位埋藏較淺時(shí)，降雨后入滲補(bǔ)給量迅速增大，然后迅速衰減，隨著地下水位埋深增大，入滲過(guò)程線逐漸變緩，入滲補(bǔ)給流量的增加和衰減均變緩。由此分析粉細(xì)砂中入滲模式以活塞式為主，但是降雨后，淺埋深入滲補(bǔ)給量迅速增加，說(shuō)明也可能存在部分優(yōu)先流。

四、優(yōu)先流降雨入滲過(guò)程

由于包氣帶土壤中不可避免的存在蟲孔、大孔隙或裂縫等大的孔隙通道。降雨后，水分首先沿此類大孔隙迅速下移，以優(yōu)先流的形式補(bǔ)給地下水。如亞粘土中大孔隙發(fā)育，且基本貫通，盡管埋深不同，但是降雨入滲補(bǔ)給對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間基本一致。降雨后，入滲補(bǔ)給量迅速增加，降雨之后，入滲補(bǔ)給量迅速衰減。在整個(gè)入滲過(guò)程中土壤含水量略有增加或基本保持不變。說(shuō)明該種巖性為優(yōu)先流入滲模式。在雨季之前，由于土壤水分虧缺，零星的降雨基本不能對(duì)埋深較大的地下水形成補(bǔ)給。雨季過(guò)后，滯留于土壤中的水分在重力作用下緩慢下移，以活塞式入滲補(bǔ)給地下水。

對(duì)于細(xì)粒土，在降雨入滲過(guò)程中，活塞式入滲和優(yōu)先流式入滲兩種模式同時(shí)存在，只是哪種入滲模式占優(yōu)勢(shì)而已。

五、降雨入滲補(bǔ)給的滯后和延遲

降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程是包氣帶對(duì)降雨的一個(gè)響應(yīng)，因此具有系統(tǒng)響應(yīng)的特征，存在明顯的滯后和延遲。優(yōu)先流的存在又導(dǎo)致了降雨入滲補(bǔ)給的滯后和延遲的復(fù)雜化。

包氣帶與水庫(kù)調(diào)節(jié)地表徑流過(guò)程一樣，對(duì)降雨入滲補(bǔ)給地下水過(guò)程有調(diào)節(jié)作用，使得降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程明顯滯后于降雨過(guò)程。這種現(xiàn)象被稱為降雨入滲補(bǔ)給的滯后延遲效應(yīng)。入滲滯后延遲補(bǔ)給特征與調(diào)節(jié)庫(kù)容大小有密切關(guān)系。地下水埋深越大，調(diào)節(jié)庫(kù)容也越大，調(diào)節(jié)功能越強(qiáng)，入滲補(bǔ)給滯后延遲現(xiàn)象越明顯。表1為新鄉(xiāng)輕亞砂土2000年9月24日最后1次較大降雨后（89.7mm）不同埋深實(shí)測(cè)入滲補(bǔ)給量歷時(shí)曲線的特征值。由表1可以看出，當(dāng)?shù)叵滤宦裆睢?m時(shí)，次降雨過(guò)后引起入滲補(bǔ)給時(shí)間一般不超過(guò)2d。隨著地下水位埋深的加大，降雨入滲補(bǔ)給滯后時(shí)間延長(zhǎng)。埋深分別為5m和7m的試筒的滯后補(bǔ)給時(shí)間分別為13d和19d，而延遲補(bǔ)給的時(shí)間分別達(dá)到72d和98d。存在明顯的入滲補(bǔ)給滯后和延遲效應(yīng)。圖2為鄭州黃土狀亞砂土3m水位埋深在汛期降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程曲線。上半部分為降雨過(guò)程線，下半部分為降雨入滲過(guò)程線。第一次較大的次降雨形成一個(gè)由低到高，又由峰值逐漸下降的入滲過(guò)程線，明顯也存在滯后和延遲。在連續(xù)降雨的情況下，前一場(chǎng)入滲過(guò)程常常同相鄰的后一場(chǎng)降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程疊加，使前一場(chǎng)的入滲過(guò)程受到干擾?？偟娜霛B補(bǔ)給過(guò)程線由幾場(chǎng)降雨入滲補(bǔ)給過(guò)程迭加而成。最后一次降雨入滲延遲補(bǔ)給過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。土壤含水量對(duì)入滲滯后補(bǔ)給也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。雨前土壤含水量越小，入滲補(bǔ)給滯后時(shí)間越長(zhǎng)；反之入滲補(bǔ)給滯后時(shí)間越短。

表1 新鄉(xiāng)輕亞砂土次降雨入滲補(bǔ)給的滯后和延遲時(shí)間（2000年）

圖2 鄭州3m水位埋深黃土狀亞砂土降雨入滲補(bǔ)給歷時(shí)曲線（1994年）

六、降雨入滲優(yōu)先補(bǔ)給過(guò)程

當(dāng)土壤中存在有根孔、蟲孔與裂縫等大的孔隙通道時(shí)，降雨后雨水沿著滲透性良好的大孔隙通道優(yōu)先快速下滲補(bǔ)給地下水，稱為降雨入滲補(bǔ)給的優(yōu)先流。由于亞粘土中存在裂隙，因此降雨后雨水從裂隙通道直接下滲，每一次降雨都有一個(gè)入滲過(guò)程，入滲補(bǔ)給滯后不明顯或滯后延遲時(shí)間都很短。入滲過(guò)程曲線與1m埋深的粉細(xì)砂或亞砂土相似，在很短的時(shí)間內(nèi)入滲補(bǔ)給地下水。不同水位埋深入滲規(guī)律比較一致，但是隨著埋深的加大次入滲量有所減少。在＜2m埋深的試筒中降雨后直接入滲，降雨結(jié)束，入滲也隨之結(jié)束。但在3m埋深以下，入滲高峰過(guò)后仍然有不間斷的入滲發(fā)生，只是次入滲量較小。說(shuō)明粘性土中主要存在優(yōu)先流補(bǔ)給模式，水位埋深較大時(shí)粘性土中也存在少部分活塞流式入滲。

砂性土主要入滲形式是活塞式，也可能存在部分優(yōu)先流。砂性土中裂隙、蟲孔、根系等分布不均、連通性差，因此優(yōu)先流發(fā)生在水位埋深＜2m的試筒中可能性較大。埋深＞3m的試筒入滲過(guò)程線明顯符合活塞式入滲的特點(diǎn)。

七、結(jié)語(yǔ)

粉細(xì)砂中入滲模式以活塞式為主，在地下水位埋藏較淺時(shí)，降雨后入滲補(bǔ)給量迅速增大，然后快速衰減，隨著地下水位埋深增大，入滲過(guò)程線逐漸變緩，入滲補(bǔ)給流量的增加和衰減均變緩。

亞粘土以優(yōu)先流入滲模式為主，由于亞粘土中大孔隙和裂隙發(fā)育，盡管埋深不同，但是降雨入滲補(bǔ)給對(duì)降雨的響應(yīng)時(shí)間基本一致。降雨后短期內(nèi)，入滲補(bǔ)給量迅速增加，之后，入滲補(bǔ)給量快速衰減。在整個(gè)入滲過(guò)程中土壤含水量略有增加或基本保持不變。

降雨入滲在不同巖性中普遍存在滯后與延遲，入滲滯后延遲補(bǔ)給特征與調(diào)節(jié)庫(kù)容大小有密切關(guān)系。地下水埋深越大，調(diào)節(jié)庫(kù)容也越大，調(diào)節(jié)功能越強(qiáng)，入滲補(bǔ)給滯后延遲現(xiàn)象越明顯。土壤含水量對(duì)入滲滯后補(bǔ)給也會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。雨前土壤含水量越小，入滲補(bǔ)給滯后時(shí)間越長(zhǎng)；反之入滲補(bǔ)給滯后時(shí)間越短。

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