干旱-半干旱地區(qū)地下水補給方法研究綜述

李杰彪，蘇銳，田霄，周志超

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

干旱-半干旱地區(qū)地下水補給方法研究綜述

李杰彪，蘇銳，田霄，周志超

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029）

地下水補給是水文地質(zhì)研究中的一個重要方面。總結(jié)了干旱-半干旱地區(qū)地下水補給研究的4種方法：①直接測定方法；②物理方法；③同位素方法；④數(shù)值模擬方法。并對每種方法的原理、研究現(xiàn)狀、優(yōu)缺點以及適用性等幾個方面進行論述，旨在為水文地質(zhì)方法學(xué)研究提供參考。

地下水補給；水文地質(zhì)；干旱-半干旱；方法學(xué)

地下水已成為制約經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一，在干旱-半干旱地區(qū)顯得尤為突出［1］。一個地區(qū)地下水的合理開發(fā)和科學(xué)管理首先要評價地下水的補給條件?！暗叵滤a給是指含水層或含水系統(tǒng)從外界獲得水量的過程。補給的研究包括：補給來源、補給條件以及補給量［2］”。地下水補給是地下水資源評價的重要組成部分，是研究水文循環(huán)過程的基礎(chǔ)，是分析區(qū)域地下水分布規(guī)律、進行地下水流數(shù)值模擬不可缺少的參數(shù)。因此，在高放廢物地質(zhì)處置庫場址預(yù)選和評價中地下水補給研究是一個重要內(nèi)容。

1 干旱-半干旱地區(qū)地下水補給研究方法介紹

干旱-半干旱地區(qū)地下水補給的研究對象為地表水、包氣帶和飽水帶。目前，國內(nèi)、外干旱-半干旱地區(qū)地下水補給研究方法主要有：①直接測定方法；②物理方法（零通量面方法、達西方法和地下水位動態(tài)方法）；③同位素方法（歷史示蹤劑、環(huán)境示蹤劑和人工示蹤劑）；④數(shù)值模擬方法。干旱-半干旱地區(qū)地下水補給研究方法見表1［3］。

1.1 直接測定方法

直接測定方法又稱為地中滲透儀方法，就是用埋在土中的地中滲透儀直接測定，通過測量土柱下滲量確定地下水的補給量。

一般認為，最早的地中滲透儀是1976年在英國和瑞士同時開始應(yīng)用的。國外對地中滲透儀的建造及其在地下水補給中的應(yīng)用都做了深入的研究。Aboukhaled（1981）對不同類型地中滲透儀的設(shè)計、建造以及優(yōu)、缺點等進行了系統(tǒng)的總結(jié)［4］。Gee等（1992）收集了美國漢福德市20多年的地中滲透儀觀測數(shù)據(jù)來研究該區(qū)地下水補給的空間變異性。我國這方面起步較晚，自20世紀60年代才開始運用地中滲透儀開展地下水入滲補給和蒸發(fā)方面的研究。吳金泉等（1994）在河北某試驗場應(yīng)用地中滲透儀對大氣降水入滲補給機理進行了分析［5］。郭會榮等（2007）通過在某均衡試驗場地中的滲透儀上開展土壤水流穿透試驗，分析灌溉水對地下水的補給方式。

直接測定方法的優(yōu)點是測量精度高，能夠直接測得地下水的補給并且可以長期監(jiān)測。該方法通常作為估計地下水補給量的基準。存在的不足主要有：①不適用于植被根系埋藏過深的地區(qū)；②代表性的問題；③建造和維護都需要很大的人力、物力和財力；④從建造完成到得到真實可靠數(shù)據(jù)，需要較長的時間。由于這些方面的原因使得其推廣受到一定程度的限制。

1.2 物理方法

1.2.1 零通量面方法

零通量面（又稱為ZFP）是指土壤中通過該面的水分通量為零的平面或曲面。零通量面方法“就是利用土壤的天然含水率和水勢剖面資料，分析水勢運動方向，找出零通量面所在的位置，計算地下水補給量［6］”。

Richards（1956）等人首先應(yīng)用該方法研究土壤水分通量的變化并推導(dǎo)出土壤非飽和導(dǎo)水率，隨后該方法被廣泛應(yīng)用在干旱-半干旱地區(qū)的地下水補給研究中。Sharma等（1991）運用ZFP方法評價澳大利亞西部半干旱地區(qū)包氣帶中不同深度的地下水補給強度。Flint A L等（2000）用ZFP方法研究美國高放廢物處置庫場址尤卡山地區(qū)，對階地、山脊、邊坡和洼溝4類地貌區(qū)用了99個中子測孔，估算大氣降水入滲補給。我國于1982年由原地礦部水文地質(zhì)與工程地質(zhì)研究所從國外引進了該方法，隨后該方法得到了廣泛的應(yīng)用。雷志棟等（1988）利用定位通量法計算潛水入滲補給量和土壤水分蒸發(fā)量［7］。邱景唐（1992）對零通量面的類型及其發(fā)生、遷移和消失的規(guī)律進行了綜合分析，并提出了影響零通量面發(fā)生變化的主要因素［8］。

零通量面方法的主要優(yōu)點有：①可通過土壤水分直接測得下滲補給量；②能夠追蹤連續(xù)的補給率及其時空變化。該方法最大的缺點就是有可能出現(xiàn)零通量面消失的情況，如出現(xiàn)單純的下滲剖面時，由于濕鋒面的不斷向下推進，零通量面可能消失。當這種情況發(fā)生時通常采用達西方法或者水均衡方法。另外，該方法的費用相對比較昂貴且數(shù)據(jù)采集量很大。該方法適合應(yīng)用在土壤含水量變化大、水位埋深比較大的地區(qū)。

1.2.2 達西方法

達西方法的優(yōu)點是其計算所需要的參數(shù)都可以通過野外觀測獲得，并且其既適用于飽水帶也適用于包氣帶。其難點在于確定滲透系數(shù)的空間分布和獲得可靠的水力梯度值。和零通量面方法相比，達西方法的好處就是可以常年使用，不存在“失效期”的問題。

1.2.3 地下水位動態(tài)方法

地下水位動態(tài)方法是一種傳統(tǒng)的以飽水帶為研究對象，基于水均衡原理確定地下水補給量的方法，該方法假設(shè)地下水位的上升全部是由于補給引起的。Meinzer（1923）、Meinzer和Stearns（1929）最早應(yīng)用該方法估計地下水的補給量，隨后很多學(xué)者對該方法進行了更深入的研究。Baumann（1952）發(fā)現(xiàn)地下水位隨補給的變化依賴于入滲率和入滲歷時，及其他一些因素如流域的形狀與大小、含水層特性等等。Sophocleous（1991）提出了基于土壤水平衡的復(fù)合地下水位動態(tài)方法，使估算誤差大大減小。Richard W等（2002）對該方法進行了詳細描述，并討論了該方法在裂隙基巖地區(qū)中的應(yīng)用［10］。

這種方法的優(yōu)點是不需要查明地下水的補給機理，使用方便，參數(shù)獲取相對簡單。由于這些優(yōu)點使得該方法在干旱-半干旱地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。該方法的局限性體現(xiàn)在：①最好應(yīng)用在短期內(nèi)地下水水位變化明顯的地區(qū)；②代表性的問題，即使在同一個地方，不同觀測井的地下水位也可能由于地質(zhì)條件的不同而有較大的差異；③該方法不適用于穩(wěn)定流條件下；④很難確定給水度。

1.3 同位素方法

20 世紀60年代開始，同位素方法才相繼應(yīng)用于地下水補給研究，由于同位素方法的優(yōu)越性使其成為干旱-半干旱地區(qū)研究地下水補給最為普遍的一種方法。Allison（1988）詳細介紹了同位素方法在地下水補給研究中的應(yīng)用［11］。目前，用于研究地下水補給的同位素示蹤劑可以分為3種：歷史示蹤劑、環(huán)境示蹤劑和人工示蹤劑。

1.3.1 歷史示蹤劑

歷史示蹤劑是指歷史時期內(nèi)環(huán)境中產(chǎn)生的某些化學(xué)物質(zhì)，或者是因為人類活動生成的物質(zhì)，或者是核試驗產(chǎn)生的放射性物質(zhì)。目前用于研究地下水補給的主要是由核爆試驗產(chǎn)生的放射性同位素3H和36Cl。

Zimmermann等（1967）首先應(yīng)用土壤中核爆3H的峰值位移，對地下水的補給和蒸發(fā)進行了研究。20世紀70～80年代，該方法得到了普遍的應(yīng)用。Dincer（1974）等根據(jù)鉆取土心3H的峰值確定了沙特阿拉伯達赫納沙丘地區(qū)的補給量為23mm/a。我國學(xué)者也做了大量研究，但主要都集中在黃土包氣帶中。張之淦等（1990）將核爆3H應(yīng)用于山西黃土包氣帶水分運移及降水入滲研究［12］。武清華等（2000）利用土壤包氣層實驗，研究了3H示蹤劑在黃土包氣層中的遷移規(guī)律。Lin和Wei（2001）于1998年再次對該處包氣帶進行了環(huán)境同位素剖面研究，進一步證實了前者的成果。

由于核爆試驗的停止和自身的衰減（半衰期只有12.32 a），目前環(huán)境中的3H含量已經(jīng)很低且3H不易被測定使得該方法的應(yīng)用受到一定限制。只有在滲透性差、補給強度低或者包氣帶厚度比較大的地方才適用。

36Cl也是研究地下水補給的優(yōu)良示蹤劑，其主要來源于核試驗，并且36Cl在土壤水和地下水中的對流、彌散、擴散過程中其守恒性質(zhì)優(yōu)于3H。3H在蒸散發(fā)氣態(tài)下會有所損失，而36Cl在正常條件下完全不揮發(fā)，只因水分蒸發(fā)損失而增加其在水中的濃度，在包氣帶中發(fā)生積累。Marianne Guerin（2001）應(yīng)用3H 和36Cl示蹤劑對美國高放廢物處置場址尤卡山地區(qū)包氣帶中的水分運移情況進行了研究［13］。

1.3.2 環(huán)境示蹤劑

環(huán)境示蹤劑方法是研究干旱、半干旱地區(qū)地下水補給方面最為廣泛的一種方法。該方法具有直接參與地下水循環(huán)、不污染環(huán)境、成本低廉、不需要大量觀測資料以及能夠追蹤長時間尺度地下水運動等優(yōu)點。環(huán)境示蹤劑既適用于包氣帶也適用于飽水帶。常用的環(huán)境示蹤劑有Cl-、穩(wěn)定同位素（如D、18O）等。

包氣帶Cl-示蹤的特性最早是由澳大利亞水文地質(zhì)學(xué)家Anderson于1945年提出的。Eriksson等（1969）應(yīng)用Cl-示蹤的特性研究以色列海岸平原地區(qū)的地下水補給，由于其忽略海水入侵的影響，因此其準確性未能使人信服。Allison等（1978）經(jīng)過修正提出了利用包氣帶Cl-計算地下水補給量的氯質(zhì)量平衡法（CMB方法）和氯離子剖面法（CPM方法）。Allison（1988）提出了利用Cl-濃度剖面計算入滲補給量的另一種方法：累積法。Subyani和Zekai（2006）在研究沙特阿拉伯地區(qū)的地下水補給時將攝動方法引入到CMB方法中，完成了對CMB方法的改進，提高了計算的精度［14］。我國學(xué)者也對CMB方法的應(yīng)用做了深入的研究。陳植華等（1996）對Cl-示蹤法在干旱-半干旱地區(qū)的應(yīng)用作了詳細介紹。陳宗宇等（2001）利用CMB方法探討識別包氣帶剖面所代表的古水文-氣候記錄的方法，恢復(fù)研究區(qū)的古水文補給歷史［15］。馬金珠等（2004）利用CMB方法研究巴丹吉林沙漠地區(qū)的800 a以來的地下水補給量及其所反映的氣候變化特征［16］。黃天明等（2010）利用改進的CMB方法研究黃土高原地區(qū)土地利用變化對地下水補給的影響［17］。聶振龍等（2011）應(yīng)用CMB方法求得張掖盆地地下水位埋深大于5m時仍存在降水入滲補給。

Cl-示蹤劑應(yīng)用的局限性主要依賴以下幾個方面：①氯離子輸入來源的多樣性；②氯離子背景值的不確定性；③降水入滲補給方式的不確定性；④植被的吸附作用［18］。

穩(wěn)定同位素D、18O也常用于大氣降水入滲補給研究。Thoma等（1978）利用大氣降水中18O的季節(jié)性變化求解以色列的Pelat沙丘地區(qū)的降水入滲量，并與3H求出的結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果基本一致［19］。我國學(xué)者也開展了這方面的研究：李發(fā)東等（2007）應(yīng)用D、18O示蹤劑計算太行山地區(qū)的入滲補給量［20］；王福剛等（2007）應(yīng)用D、18O示蹤劑求解河南新鄉(xiāng)地區(qū)的大氣降水入滲補給量，并通過野外地中滲透儀方法和降水入滲系數(shù)方法證明了該方法的可靠性。

1.3.3 人工示蹤劑

人工示蹤劑是指人工注入包氣帶中的示蹤劑。一般被投放到地表或地下一定深度，根據(jù)示蹤劑峰值的變化來推求入滲補給量。常用的主要有Br-、3H和染色劑。其中染色劑經(jīng)常用來評價優(yōu)先流。

國內(nèi)、外對人工示蹤劑在地下水補給中的應(yīng)用都開展了大量的研究。Rice等（1986）應(yīng)用Br-示蹤劑研究裸地在灌溉和降水條件下的補給強度。Rangarajan等（2000）應(yīng)用3H作為人工示蹤劑選取25個典型代表區(qū)確定印度地區(qū)的排泄量為24～198 mm/a。陳宗宇等（2003）應(yīng)用3H示蹤劑研究正定試驗場的入滲補給強度為0.095 m/a。汪丙國等（2008）運用人工示蹤劑Br-、3H確定河北平原地區(qū)的入滲補給強度為127.8mm/a。

Sr同位素也可以用于估計地下水補給，其代表的時間尺度從數(shù)百年到數(shù)千年，該方法在干旱-半干旱地區(qū)特別適用。國外對該方法進行了一定的探討，Maher等（2004）應(yīng)用Sr同位素研究美國華盛頓州漢福德地區(qū)包氣帶中的滲透速率。我國關(guān)于Sr同位素的研究成果很多，但是，關(guān)于Sr同位素研究地下水補給方面的報道幾乎沒有。因此，這一方法在我國具有很大的發(fā)展前景［21］。

示蹤劑的選擇應(yīng)遵循的原則有：①在包氣帶中不易被吸收、不發(fā)生化學(xué)變化；②在環(huán)境中背景值低；③測試和操作較簡單等。人工示蹤劑方法具有定時、定位和定量投放的優(yōu)點，且不需要測定水文地質(zhì)參數(shù)，花費少。該方法的缺點是其代表的時空尺度有限，不能克服地層在空間上的變化，某些示蹤劑易污染環(huán)境，并且該方法由于忽視優(yōu)先流的補給容易使其評價量偏小。

1.4 數(shù)值模擬方法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為計算地下水補給量的有效方法之一。目前用于計算地下水補給的模型主要有：①包氣帶水均衡模型（土壤水均衡模型、基于Richards方程的模型）；②流域模型；③地下水流動模型；④流域模型和地下水流動模型相結(jié)合的方法［22］。常用的用于包氣帶水均衡模型的軟件主要有：VADOSE/W、HYDRUS、WHI UnSatSuite和TOUGH2等。

國內(nèi)、外對數(shù)值模擬方法從理論到應(yīng)用都開展了大量研究。Ward Sanford（2002）詳細敘述了在地下水流模型的校正和反演過程中利用水力梯度、滲透系數(shù)和其他參數(shù)等信息預(yù)測地下水補給率［23］。O’Reilly（2004）利用土壤水均衡模型估計美國佛羅里達州中部地區(qū)的地下水補給量。我國學(xué)者雷志棟等（1982）在有限元分析基礎(chǔ)上編制了適合于DJ—130機的非飽和一維流動BASIC計算程序。楊建鋒（2005）對包氣帶水和溶質(zhì)運移數(shù)值模型進行了詳細的介紹。

數(shù)值模擬理論上適用于各種條件的模擬，并且其不受時間尺度和空間尺度的限制，利用該方法還可以預(yù)測地下水補給隨氣候、土地利用以及其他因素的變化。數(shù)值模擬最大的難點在于精確獲取其中的參數(shù)。

2 高放廢物地質(zhì)處置中的地下水補給研究

高放廢物地質(zhì)處置的基本概念是“把玻璃固化后的核廢物裝入容器，再將其置入地下深部的基巖洞室中，同時以膨潤土緩沖回填材料和密封材料回填，即，設(shè)置多重屏障以阻止放射性物質(zhì)釋放、遷移和返回生物圈”［24］。因此，放射性廢物處置庫系統(tǒng)是一個能將廢物同人類和環(huán)境隔離開來的天然和工程屏障系統(tǒng)。在天然系統(tǒng)內(nèi)，地下水的運移是放射性核素到達人類環(huán)境中最有可能的途徑。因而，在選擇放射性廢物地質(zhì)處置場址并進行特性評價時，水文地質(zhì)是必須考慮的一個重要因素。

然而，考慮隔離的時間段超過數(shù)千年甚至上萬年，國際上普遍使用數(shù)學(xué)模型來研究整個水文地質(zhì)系統(tǒng)，而地下水補給量是模型其中的源匯項，也是構(gòu)成處置庫水文地質(zhì)特性評價的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［25-26］。目前，美國、瑞典和德國等一些有核國家都在進行放射性廢物處置庫場址研究。這些國家考慮的放射性廢物處置的地質(zhì)環(huán)境不同，因而，水文地質(zhì)系統(tǒng)及對未來行為預(yù)測中存在的不確定性也不同，但候選處置場址的特性評價中需要了解的水文地質(zhì)系統(tǒng)特性的信息是相似的，采用的途徑和研究的方法也是相似的。Flint（2002）等在研究美國高放廢物處置場址尤卡山地區(qū)的入滲補給量時，綜合應(yīng)用了前述的物理方法、經(jīng)驗值方法、環(huán)境示蹤劑方法以及數(shù)值模擬方法，獲得了可靠數(shù)據(jù)［27］。

我國高放廢物地質(zhì)處置庫的選址工作，起始于1985年，工作重點在甘肅北山地區(qū)，其氣候干旱，年降雨量僅為幾十毫米，地表水和地下水都十分貧乏［28］。對于預(yù)選場址而言具有可利用數(shù)據(jù)少、水文地質(zhì)條件復(fù)雜以及要求精度高等特點。筆者認為，在我國高放廢物處置庫選址過程中，對于地下水的入滲補給研究，可以借鑒國外經(jīng)驗，把同位素方法、地下水位動態(tài)方法、達西方法和數(shù)值模擬方法相結(jié)合，以獲取可靠數(shù)據(jù)。同時還應(yīng)嘗試利用新技術(shù)、新方法，如：遙感技術(shù)、地球物理技術(shù)和惰性氣體方法等，從不同角度揭示影響地下水入滲補給的因素，為后續(xù)建立大尺度概念模型提供科學(xué)的參考依據(jù)。

3 結(jié)語

通過調(diào)研大量國內(nèi)、外資料，總結(jié)出干旱-半干旱地區(qū)有關(guān)地下水補給研究的主要方法：①直接測定方法；②物理方法；③同位素方法；④數(shù)值模擬方法。由于每種地下水補給研究方法都有各自相應(yīng)的優(yōu)、缺點以及適用性，加上干旱-半干旱地區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，因此，在選取地下水補給研究方法時需要考慮的原則主要有：研究目的、補給類型/機理、可利用/可獲取的數(shù)據(jù)、準確度、時間/空間以及經(jīng)費情況等。例如：在人力、物力、財力都比較充足且精度要求比較高時，可以采用地中滲透儀方法；在地下水位埋深大、土壤含水量變化大的地區(qū)可以采用零通量面方法；在經(jīng)費較少、地下水補給機理相對復(fù)雜尤其是在存在優(yōu)先流的情況下，可以考慮地下水位動態(tài)方法。在地質(zhì)條件復(fù)雜、研究程度低、經(jīng)費較少時應(yīng)優(yōu)先選用同位素方法；若要估算大尺度的地下水補給，應(yīng)采用以飽水帶為研究對象的方法：物理方法、同位素方法和數(shù)值模擬方法；如果要預(yù)測萬年以后大氣降水入滲補給特征，則必須采用數(shù)值模擬方法。

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Reviews on study methods of groundwater recharge in arid and sem i-arid regions

LIJie-biao，SU Rui，TIAN Xiao，ZHOU Zhi-chao
（CNNC Key Laboratory on Geological Disposal of High-level RadioactiveWaste，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China）

Groundwater recharge is an important aspect in the study of hydrogeology.Four study methods of groundwater recharge in arid and semiarid regions were summarized in this paper:they are ①direct measurement methods；②physical methods；③isotopic methods；④numerical modeling methods.The principle，research situation，merits and demerits as well as application were discussed for eachmethod，in order to provide reference for the research of hydrogeologymethodology.

groundwater recharge；hydrogeology；arid and semi-arid regions；methodology

P641

A

1672-0636（2013）03-0168-06

2013-04-08；

2013-05-10

李杰彪（1987—），男，河北冀州人，碩士研究生，水文地質(zhì)專業(yè)，主要從事高放廢物地質(zhì)處置方面的工作。E-mail：hgylijiebiao@126.com

10.3969/j.issn.1672-0636.2013.03.008