淺談非飽和帶補(bǔ)給測(cè)量方法

劉 莉， 張永浩， 劉 艷， 石建芳

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

淺談非飽和帶補(bǔ)給測(cè)量方法

劉 莉， 張永浩， 劉 艷， 石建芳

(西北核技術(shù)研究所，陜西西安 710024)

非飽和帶補(bǔ)給測(cè)量一直是水文地質(zhì)研究的一個(gè)難點(diǎn)問題。近年來，由于對(duì)非飽和帶污染物的運(yùn)移以及干旱半干旱地區(qū)環(huán)境問題關(guān)注度的提升，使得其測(cè)量技術(shù)有了很大發(fā)展。介紹了物理方法、示蹤劑方法和數(shù)值模擬方法的應(yīng)用條件以及選擇原則。明確補(bǔ)給研究背景，全面了解場(chǎng)地特點(diǎn)。并要考慮測(cè)量方法的適用范圍、測(cè)量周期及其它一些因素。同時(shí)由于各種方法均具有局限性，因此在實(shí)踐中要綜合應(yīng)用多種方法，以增加計(jì)算結(jié)果的可靠性。

水文地質(zhì);非飽和帶;補(bǔ)給;測(cè)量方法

劉莉，張永浩，劉艷，等.淺談非飽和帶補(bǔ)給測(cè)量方法［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，35(3)：276-280.

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補(bǔ)給測(cè)量的方法有多種，研究人員將其分為:直接方法和間接方法;物理、化學(xué)和同位素方法;含水層響應(yīng)和徑流流入/流出的方法;飽和帶非飽和帶方法;地下水、土壤水或地下水-土壤水?dāng)?shù)值模擬及場(chǎng)地尺度或流域范圍內(nèi)的水文平衡模擬等方法(Sophocleous，2004)。非飽和帶是介于地面與潛水面之間的復(fù)雜三相體系，是連接潛水與大氣降水的重要通道，土壤水文活動(dòng)活躍。與地下水和地表水補(bǔ)給測(cè)量相比，非飽和帶受氣候和外界因素影響強(qiáng)烈，因此其補(bǔ)給測(cè)量的難度更大。綜合上述方法并結(jié)合非飽和帶補(bǔ)給研究，可將其補(bǔ)給測(cè)量方法分為物理方法、示蹤劑法和數(shù)值模擬方法(Scanlon et al.，2002;汪丙國，2008;Allison et al.，1994)。

近年來，由于人們對(duì)非飽和帶污染物的運(yùn)移以及廢物處置問題關(guān)注度的提升，使得其測(cè)量技術(shù)有了很大發(fā)展。目前，非飽和帶補(bǔ)給測(cè)量技術(shù)主要應(yīng)用于干旱半干旱地區(qū)。如何選擇合適的測(cè)量方法，需要考慮多種因素，透徹理解各種方法的原理和適用范圍。

1 物理方法

1.1 水均衡法

水均衡法是根據(jù)質(zhì)量守恒定律，對(duì)土壤層(或非飽和帶)寫出水量平衡方程，只要弄清計(jì)算區(qū)域邊界范圍內(nèi)外的水分交換量，取得水量平衡分量的測(cè)定值，就可以得到所求補(bǔ)給量的值，Scanlon等(1997)列出了水均衡法計(jì)算公式，Kumar(2003)給出了其實(shí)施詳細(xì)步驟。該方法的優(yōu)點(diǎn)是限制條件少，適用范圍大，但其精度取決于各平衡分量的測(cè)定，其中有效降水量、土壤水蓄水量和蒸發(fā)量較難確定，特別是在干旱地區(qū)潛在蒸發(fā)量往往等于甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過降雨量(Allison et al.，1994)。

式中R為補(bǔ)給量(mm/a);P為降水量(mm/a);ET為蒸散發(fā)量(mm/a);R0為地表徑流(mm/a);ΔS為土壤蓄水量的變化(mm/a)。

1.2 蒸滲儀法

蒸滲儀是一種埋設(shè)在田間或溫室內(nèi)地下裝滿土壤的大型儀器，其土壤表面或裸露或種植各種作物，在限定三維邊界條件下測(cè)定水體轉(zhuǎn)化的裝置。根據(jù)水均衡原理對(duì)土壤水收支的每一分量精確測(cè)量，以獲得裸土或作物的騰發(fā)量、潛在騰發(fā)量以及深層滲漏量。一般分為非稱重式和稱重式土壤蒸滲儀兩類，非稱重式蒸滲儀可用于測(cè)量降雨和蓄水量，稱重式土壤蒸滲儀則可精確測(cè)量蒸散發(fā)(姜峻等，2008;陳建耀等，1999;陳建峰，2009)。隨著電子技術(shù)、核技術(shù)、土壤物理學(xué)等領(lǐng)域的進(jìn)展，蒸滲儀在形式、結(jié)構(gòu)、精度和功能方面不斷改進(jìn)，其精度高，不僅用于農(nóng)田水利，而在環(huán)境工程等領(lǐng)域得到新的應(yīng)用。使用蒸滲儀的缺點(diǎn)在于其設(shè)備安裝復(fù)雜、成本高、對(duì)環(huán)境有擾動(dòng)，只能限于監(jiān)測(cè)期內(nèi)的補(bǔ)給量計(jì)算。

1.3 零通量面法

零通量面是因?yàn)榉秋柡蛶е型嬖谥稚闲羞\(yùn)動(dòng)和下行運(yùn)動(dòng)的界面(蒸散發(fā)和排泄)，其垂直水頭壓力梯度為零，以零通量面稱之。零通量面土壤水收支變化可采用負(fù)壓計(jì)、中子水份儀及TDR等儀器測(cè)量或計(jì)算(何其華等，2003;王永義，2006)，適合全年土壤含水率變化較大、地下水埋深遠(yuǎn)大于零通量面的地區(qū)。其局限性在于降雨量比較大或氣候比較寒冷的地區(qū)，零通量面存在的時(shí)間較短(葛帆等，2004)，只能在一年中某一時(shí)間內(nèi)使用;另外不能用于土壤水運(yùn)動(dòng)貫穿整個(gè)剖面的情況，因?yàn)橄滦兴疂駶?rùn)鋒會(huì)模糊零通量面。與蒸滲儀一樣，零通量面法也只能計(jì)算監(jiān)測(cè)期內(nèi)的補(bǔ)給。楊建鋒等(1997)采用零通量面法在沈陽地區(qū)測(cè)定了地下水入滲補(bǔ)給量;范琦等(2006)在河北欒城地區(qū)應(yīng)用零通量面法進(jìn)行包氣帶水分運(yùn)移監(jiān)測(cè)，并計(jì)算了地下水補(bǔ)給。

1.4 達(dá)西定律法

非飽和帶補(bǔ)給也可用達(dá)西定律來計(jì)算，該法要求計(jì)算垂直水力梯度和非飽和水力傳導(dǎo)率，計(jì)算公式見式2。該方法的顯著特點(diǎn)是可以全年應(yīng)用，能在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)單點(diǎn)補(bǔ)給進(jìn)行測(cè)量;當(dāng)在深滲流區(qū)應(yīng)用時(shí)，其測(cè)量值代表的區(qū)域范圍更大。采用達(dá)西定律和飽和—非飽和帶模型模擬時(shí)，都會(huì)因?yàn)樗鲗?dǎo)率測(cè)量準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)適用性(如實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)與野外數(shù)據(jù))及其空間變異性導(dǎo)致誤差(Weinzettel et al.，2002)，并且當(dāng)水力傳導(dǎo)率與體積含水率非線性相關(guān)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致誤差放大，這些不確定因素綜合起來會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果發(fā)生量級(jí)變化。李明香等(2000)在中輻院山西太原試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了黃土包氣帶水分運(yùn)移研究，應(yīng)用達(dá)西定律計(jì)算出包氣帶補(bǔ)給;Palolo等(2002)在阿根廷某平原地區(qū)應(yīng)用達(dá)西定律和水均衡法測(cè)定了包氣帶入滲補(bǔ)給，兩種方法測(cè)得的結(jié)果相近。

式中 K(θ)為水力傳導(dǎo)率(cm/s);H為總水頭(cm);h為基巖壓力水頭(cm);z為位置水頭(cm)。

2 示蹤劑方法

目前常用兩類示蹤劑:一是人工示蹤劑，包括溴化物、氚和染色劑等;二是環(huán)境示蹤劑，包括天然環(huán)境中存在的或者由過去人類活動(dòng)、事件產(chǎn)生的物質(zhì)，如氫氧同位素、大氣層核試驗(yàn)產(chǎn)生的T/36Cl、工業(yè)或農(nóng)業(yè)污染源如溴化物、硝酸鹽等。這些標(biāo)志物的出現(xiàn)，表明該處在某時(shí)間段內(nèi)接受了補(bǔ)給，為計(jì)算近期補(bǔ)給提供了定量依據(jù)。通常采用的方法是開挖探槽或剖面對(duì)示蹤劑的遷移進(jìn)行觀察和取樣，分三類計(jì)算方法:⑴根據(jù)示蹤劑峰值的位置計(jì)算;⑵根據(jù)土壤中示蹤劑剖面的形態(tài)來計(jì)算;⑶根據(jù)示蹤劑輸入總量及剖面累積量來計(jì)算(Sophocleous，2004)。如Norris等(1987)在美國Yucca山附近應(yīng)用核爆產(chǎn)生的36Cl峰值計(jì)算包氣帶大氣降水入滲速率;張之淦等(1990)在山西應(yīng)用環(huán)境氚峰值位置研究黃土包氣帶水入滲補(bǔ)給量;王福剛等(2007)在新鄉(xiāng)應(yīng)用D、18O同位素峰值位移法計(jì)算了通過包氣帶的大氣降水入滲補(bǔ)給量。近年來出現(xiàn)了氯離子示蹤法，即根據(jù)降水輸入氯離子濃度與土壤水中氯離子濃度之比值反求降水的入滲補(bǔ)給量，在實(shí)際應(yīng)用中又分為氯離子質(zhì)量平衡法和氯離子累積法(Sophocleous，2004;陳植華等，1996)。如 Scanlon(1991)應(yīng)用氯質(zhì)量平衡法測(cè)定了某廢物處置場(chǎng)包氣帶水通量;馬金珠等(2004)在巴丹吉林沙漠采用氯質(zhì)量平衡法結(jié)合氫氧同位素法測(cè)定了地下水多年平均補(bǔ)給率;聶振龍等(2011)利用氯質(zhì)量平衡法計(jì)算了張掖盆地降水入滲速率。

在補(bǔ)給量較小的地區(qū)，由于缺少其它合適的方法，多采用示蹤劑法(萬軍偉，2003;汪丙國等，2006)。示蹤劑方法的計(jì)算結(jié)果及解譯受其入滲機(jī)理的影響，比如示蹤劑的二次輸入及混合問題、優(yōu)先流問題等，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏高或者偏低，甚至無法應(yīng)用(Scanlon，2000)。并且由于示蹤劑是間接計(jì)算補(bǔ)給，不能提供相關(guān)補(bǔ)給細(xì)節(jié)。

3 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬法就是在計(jì)算機(jī)上采用離散化的方法求解數(shù)學(xué)模型，它的解是數(shù)學(xué)模型的近似解。由于這種方法能較好的反映復(fù)雜地質(zhì)條件下地下水流的狀態(tài)，具有較高的仿真度，因此發(fā)展較快(郭曉東等，2010)。近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得模擬長(zhǎng)期補(bǔ)給成為可能，對(duì)于非飽和多孔介質(zhì)中水流運(yùn)動(dòng)，主要以Richards方程為基礎(chǔ)(楊建鋒等，2005)，廣泛采用的程序有 HYDRUS-1D，HYDRUS-2D，VS2DT，UNSAT-H，F(xiàn)EFLOW 軟件等(表 1)(Fayer，2000;Gassman et al.，2007;王旭東等，2004)，但同時(shí)還須結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究和具體地質(zhì)條件的研究(芮孝芳等，2004;薛禹群，2010)，比如結(jié)合蒸滲儀、示蹤劑、含水率和溫度等數(shù)據(jù)(Scanlon，1997)。數(shù)值模擬還可用來進(jìn)行水流過程以及參數(shù)敏感性分析。其缺點(diǎn)在于模擬所需數(shù)據(jù)量大，并且結(jié)果受各輸入?yún)?shù)的影響。數(shù)值模擬方法對(duì)時(shí)間尺度沒有限制，但是氣候數(shù)據(jù)的時(shí)效性將其測(cè)量時(shí)間限制在 100 a左右(Scanlon，1997)。韓錦萍(2005)、范磊(2008)采用HYDRUS-1D程序?qū)Χ鯛柖嗨古璧氐陌鼩鈳诌\(yùn)移及降水入滲補(bǔ)給進(jìn)行了數(shù)值模擬，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證手段。

表1 部分?jǐn)?shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介Table 1 Introductionof the numerical simulation software

4 測(cè)量方法應(yīng)用原則

毫無疑問，補(bǔ)給測(cè)量方法的選擇與環(huán)境因素緊密相關(guān)，包括地理環(huán)境、氣候、土壤地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、植被、土地使用情況等。除此之外，主要關(guān)注以下三個(gè)方面:

⑴補(bǔ)給研究背景。包括研究目的、補(bǔ)給源、補(bǔ)給機(jī)理、補(bǔ)給量及地下水埋深等，并通過對(duì)具有相似氣候、地理環(huán)境的場(chǎng)地的對(duì)比分析，預(yù)測(cè)補(bǔ)給量，以選擇恰當(dāng)?shù)姆椒?。如在水資源評(píng)價(jià)對(duì)非飽和帶水分遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究中，其時(shí)空尺度通常較大;示蹤劑方法有時(shí)是唯一能提供完整、長(zhǎng)期補(bǔ)給信息的方法，例如采用氯離子示蹤法;較厚的非飽和帶會(huì)導(dǎo)致某些示蹤劑如CFCs濃度及比值的改變(萬軍偉等，2003);在應(yīng)用環(huán)境示蹤劑時(shí)，要求補(bǔ)給量能使示蹤劑既能穿過根系層但又不會(huì)遷移太深，反映了非飽和帶厚度和示蹤劑峰值定位對(duì)該方法的限制。

⑵測(cè)量方法適用范圍。包括計(jì)算方法所適用的時(shí)空尺度、測(cè)量精度、可靠性等，圖1為各補(bǔ)給測(cè)量方法綜合比較(Scanlon et al.，1997，2006)。

⑶其它因素。主要是測(cè)量時(shí)間及費(fèi)用方面的考慮，如水均衡法和蒸滲儀需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，而其它方法所需時(shí)間則較短;就研究成本而言，化學(xué)和同位素示蹤劑方法的采樣和分析都較為復(fù)雜繁瑣，甚至需要質(zhì)譜儀和液閃儀等高新技術(shù)和設(shè)備(萬軍偉等，2003)，但采樣通常為一次性，與長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)所需要的設(shè)備以及數(shù)據(jù)收集、分析測(cè)定所耗費(fèi)的資源相比，其效率也許更高。

5 結(jié)語

補(bǔ)給測(cè)量首先需要全面了解場(chǎng)地特點(diǎn)，建立正確的概念模型，針對(duì)場(chǎng)地特點(diǎn)和研究目的選擇恰當(dāng)?shù)姆椒?。水均衡法較為適合濕潤(rùn)地區(qū)，該法明顯受植被和土地使用情況影響;蒸滲儀法的監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，對(duì)環(huán)境有擾動(dòng);零通量面法則與補(bǔ)給量大小及零通量面的存在相關(guān);達(dá)西定律法在干旱地區(qū)應(yīng)用時(shí)，土壤含水率及非飽和傳導(dǎo)率對(duì)其影響較大;示蹤劑法技術(shù)應(yīng)用較廣，是干旱地區(qū)其它方法難以應(yīng)用時(shí)的最佳選擇;數(shù)值模擬方法則受概念模型及各輸入?yún)?shù)精度的限制?？傮w來說，非飽和帶補(bǔ)給通常是對(duì)單點(diǎn)或者局部區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，但如果將區(qū)域內(nèi)多點(diǎn)地形數(shù)據(jù)及其補(bǔ)給計(jì)算結(jié)果結(jié)合起來，就可推及較大區(qū)域;由于每種技術(shù)方法都有局限性，所以要綜合應(yīng)用多種方法，反復(fù)迭代、逐步優(yōu)化和相互補(bǔ)充。

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圖1 補(bǔ)給測(cè)量方法比較Fig.1 Comparison of the recharge estimate methods(Modified from Scanlon et al.)

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Preliminary Discussion on the Recharge Estimated Methods in the Unsaturated Zone

LIU Li， ZHANG Yong-hao， LIU Yan， SHI Jian-fang
(Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an，SX 710024，China)

To estimate the recharge in the unsaturated zone is a difficult problem in the hydrogeological fields.In recent years，the estimate methods develop greatly because the problems of contaminant migration and waste disposal in unsaturated zone have attracted more attention.The physical，tracers and numerical methods respectively are introduced，and some advices on choosing the appreciated methods are given.First of all，the background of the study is important.The applicability and reliability of the methods must be considered as well as some other factors.For each method has its limitations，multiple techniques should be used to increase reliability of results in practice.

hydrogeology;unsaturated zone;recharge;estimate methods

P64.131

A

1674-3504(2012)03-0276-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.012

2011-12-16 責(zé)任編輯:吳志猛

劉 莉(1973—)，女，工程師，主要從事環(huán)境地質(zhì)研究。E-mail:liuliml@sohu.com