新疆瑪河流域平原區(qū)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變化規(guī)律研究

高正夏

(河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京　210098)

0　引言

降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)是平原地區(qū)地下水資源計(jì)算與四水相互轉(zhuǎn)換關(guān)系研究中的重要水文參數(shù)，其精度直接影響到研究成果的可靠性[1-3]。

降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)一般可以分為次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)和規(guī)定時(shí)段的降雨入滲補(bǔ)給系數(shù);規(guī)定時(shí)段的降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)又可以分為日、旬、月、季、年,及多年平均的降雨入滲補(bǔ)給系數(shù);在水資源研究中，最常用的就是三類(lèi)，即次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)α0、年降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)αt和多年平均降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)αT。而在這三類(lèi)之中，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)α0又是最重要最基礎(chǔ)的，它的精度又直接影響到年降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)αt和多年平均降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)αT的確定。

次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)α0確定方法有很多，一般在有地下水長(zhǎng)觀(guān)資料的平原地區(qū)，采用地下水動(dòng)態(tài)分析法確定比較符合實(shí)際情況，α0計(jì)算公式如下：

式中：α0為次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)；h0為次降雨前地下水埋深(m)；μ(h0)為巖土給水度，隨地下水埋深而變；Δh為次降雨入滲補(bǔ)給引起的地下水位上升幅度(m)；P0為次降雨量(mm)。

次降雨入滲補(bǔ)給概化圖如圖1所示。

1　次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)影響因素分析

影響次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)大小的因素非常多，例如巖性、蒸發(fā)、地形、地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、植被、人類(lèi)活動(dòng)、次降雨特征、次降雨前土壤含水量分布、次降雨前地下水埋深等[4-6]。如果要綜合考慮所有影響因素來(lái)確定次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)，難度非常大。但分析以上因素，筆者不難發(fā)現(xiàn)，有些因素在一個(gè)固定的研究區(qū)域是長(zhǎng)期相對(duì)不變的，如巖性、地形地貌、水文地質(zhì)條件等。有些因素直接反映在地下水位的變幅上，如人類(lèi)活動(dòng)中最常見(jiàn)的打井開(kāi)采，可造成區(qū)域地下水位大幅下降。有些因素是雙重的，如植被影響就不能籠統(tǒng)地說(shuō)對(duì)降雨入滲有利還是無(wú)利，為了使討論問(wèn)題更為清晰，筆者假定在其它一些因素相對(duì)不變的情況下，重點(diǎn)討論一下次降雨特征和次降雨前地下水埋深對(duì)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的影響。

圖1　次降雨入滲補(bǔ)給概化圖

1.1　次降雨前地下水埋深的影響

次降雨前地下水埋深對(duì)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的影響從以下兩方面來(lái)分析：

(1)地下水埋深反映了地下水盛水庫(kù)容的大小。當(dāng)?shù)叵滤裆畋容^小的時(shí)候，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)隨著埋深的增加而增加。次降雨入滲補(bǔ)給量的大小取決于地下水盛水庫(kù)容的大小，極端情況是，如次降雨前地下水埋深為零，也就是地下水盛水庫(kù)容為零，此時(shí)無(wú)論次降雨量有多大，次降雨入滲補(bǔ)給量為零，相應(yīng)地次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)為零；隨著埋深的增大，次降雨入滲補(bǔ)給量增大，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)亦相應(yīng)變大。

(2)地下水埋深在某種程度上也反映了土壤含水量的多少，當(dāng)?shù)叵滤裆畋容^大時(shí)，土壤含水量分布概化如圖2所示。圖2中，A以上為土壤含水量的強(qiáng)烈變化帶，AB之間稱(chēng)為土壤含水量的穩(wěn)定帶(即土壤含水量始終保在最大田間持水量)，BC之間稱(chēng)為毛管上升水帶，當(dāng)土壤含水量的垂直分布處于acde分布時(shí)，次降雨應(yīng)首先滿(mǎn)足土壤缺水的需要，即填滿(mǎn)abc范圍內(nèi)所缺的水量，當(dāng)土壤含水量垂直分布呈bcde分布時(shí)，次降雨則直接在重力作用下通過(guò)空隙補(bǔ)給地下水。所以在地下水埋深較大時(shí)，不存在地下水盛水庫(kù)容的制約，同樣的次降雨量，隨埋深增大后產(chǎn)生的水量損耗也相應(yīng)增大，補(bǔ)給到地下的水量必然相應(yīng)減少，所以，隨著埋深的加大，在次降雨量相同條件下，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)逐漸減?。粯O端情況是，地下水埋深達(dá)到一定程度后，地下水得不到降雨入滲補(bǔ)給，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)趨于零，這也就是一些地下水超采區(qū)會(huì)發(fā)生地下水資源枯竭的根本原因。

圖2　雨前地下水埋深較大時(shí)土壤含水量分布概化圖

由上可見(jiàn)，在次降雨量相同的條件下，地下水埋深小時(shí)，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)受制于盛水庫(kù)容，隨著地下水埋深的增大而增大；地下水埋深小時(shí)，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)受制于水量損耗，隨著地下水埋深的增大而減小。綜合考慮降雨入滲補(bǔ)給量、盛水庫(kù)容和水量損耗三者之間的相互制約關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，一定存在一個(gè)地下水最佳埋深，使同樣的次降雨量下次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)最大。

1.2　次降雨特征的影響

次降雨特征對(duì)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的影響主要表現(xiàn)在以下三方面：

(1)在雨前地下水埋深較小的情況下，次降雨量入滲補(bǔ)給量主要受制于地下水庫(kù)容。從次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)計(jì)算公式可看出，蓄滿(mǎn)地下水庫(kù)容只需要?jiǎng)佑么谓涤炅康囊徊糠?，多余的部分轉(zhuǎn)化成地表徑流和植被截留等，對(duì)地下水補(bǔ)給而言是無(wú)效的，分子數(shù)值一定。此時(shí)，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)隨著次降雨量的增加而減??；但如果雨前地下水埋深足夠大，也就是地下水庫(kù)容足夠大，此時(shí)的次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)一般隨著次降雨量的增加而增大(假定次降雨量轉(zhuǎn)化成次降雨入滲補(bǔ)給量之前的損耗量不變)。

(2)不同的次降雨量，其對(duì)應(yīng)的地下水最佳埋深是不一樣的。一般而言，次降雨量越大，對(duì)應(yīng)的地下水最佳埋深也相對(duì)越大，但對(duì)應(yīng)的最佳降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)相差并不大，這是由于最佳埋深增大后增加的水量損耗與降雨量的比值相對(duì)于降雨入滲補(bǔ)給量與降雨的比值要小得多。

(3)一般而言，次降雨強(qiáng)度與次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)成反比關(guān)系，即雨量相同時(shí)，雨強(qiáng)越大，表明入滲補(bǔ)給歷時(shí)越短，同時(shí)雨滴對(duì)地面的敲擊使表土的透水性減弱，因而增加了地表徑流量，造成降雨入滲補(bǔ)給量減少，故相應(yīng)的次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)變小。理論上應(yīng)該存在一個(gè)最佳的次降雨雨強(qiáng)分布，使次降雨入滲補(bǔ)給量達(dá)到最大。

2　研究區(qū)概況

新疆瑪河流域位于天山北側(cè)中段，準(zhǔn)葛爾盆地南緣，南起依連哈比爾尕山北麓，北接古爾班通古特沙漠，東起瑪納斯河莫索灣東緣，西至巴音溝河與奎屯市接壤；其地理位置處在東經(jīng)85°～86°30′,北緯43°30′～45°40′,東西最長(zhǎng)112 km，南北最長(zhǎng)172 km，總面積12 924 km2；其中山丘區(qū)4 260 km2，平原區(qū)6 301 km2，沙漠區(qū)2 363 km2[7-9]。

研究區(qū)位于歐亞大陸中心，遠(yuǎn)離海洋，屬典型的干旱半干旱大陸性氣候。降雨量時(shí)空分布很不均勻，在地理分布上由南向北遞減，高山區(qū)年降雨量700～1 000 mm，低山丘陵區(qū)300～400 mm，山前傾斜平原200 mm左右，沙漠邊緣100 mm左右。降雨量年內(nèi)分配的特點(diǎn)是夏季多冬季少，春季降水占全年的36%，夏季占31%，秋季占21%，冬季占12%。

2.1　地層巖性

第三系地層主要出露在巴音溝河的上游地區(qū)。在安集海以西，第三系地層覆蓋在不同時(shí)代的老地層之上，其頂部與第四系西域組Q1x整合接觸。根據(jù)巖性對(duì)比，研究區(qū)內(nèi)第三系地層可分為五個(gè)巖性組，自下而上分別為紫泥泉子組E1-2z、安集海組E2-3a、沙灣組E3-N1s、塔西河組N1t和獨(dú)山子組N2d。巖性主要為泥巖。

第四系地層在研究區(qū)分布極為廣泛，由老到新分述如下：

① 下更新統(tǒng)西域組Q1x:主要為山麓河流相礫巖類(lèi)砂巖、泥巖，與下部第三系獨(dú)山子組整合接觸，厚度350～2 046 m；

② 中更新統(tǒng)烏蘇群Q2ws:下部為礫石、砂土層，上部為砂壤土、黃土狀亞砂土，分布在低矮丘陵地帶的小山包上及河谷的兩岸，組成巴音溝河的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)河流階地，為沖積—冰水沖積物，相當(dāng)于破城子冰期的產(chǎn)物，與下面地層呈不整合接觸關(guān)系，厚度30～60 m。

③ 上更新統(tǒng)新疆群Q3xj:分布于河谷兩岸，構(gòu)成Ⅰ級(jí)階地和向北緩傾的戈壁平原，以沖積—洪積物為主，以及冰水沉積的礫石、砂、亞砂土等。該組是研究區(qū)分布最廣泛的地層，構(gòu)成山前沖洪積扇的扇頂?shù)[石帶和洪流溝礫石帶以及扇面、扇間區(qū)，與下面地層呈不整合接觸，厚度25～355 m。

④ 全新統(tǒng)沖洪積層Q4:主要為一套沖積、洪積、湖積沉積物，自南向北巖石顆粒由粗變細(xì)，南部以細(xì)砂中粗砂夾小礫石為主，北部則以粉細(xì)砂及亞砂土為主，分布于巴音溝河的河漫灘及各條支河的河谷中。地層厚度由南向北逐漸變薄，巴音溝河沖積扇的前緣厚約20～30 m，與下面地層呈不整合接觸。

2.2　地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于陰山—天山緯向構(gòu)造帶的西段，屬北天山復(fù)雜褶皺帶北側(cè)的山前凹陷帶—烏蘇奇云沉降構(gòu)造帶，北鄰準(zhǔn)葛爾盆地。

在霍爾果斯背斜以北隔開(kāi)一個(gè)槽形凹陷，即安集海背斜，安集海背斜的北側(cè)。據(jù)物探資料，在第三系基巖頂面上存在一個(gè)凹陷，向北還有一個(gè)東西向的微弱隱伏隆起。

研究區(qū)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，由于新構(gòu)造的差異性運(yùn)動(dòng)，研究區(qū)的西部上升比東部強(qiáng)烈，導(dǎo)致了巴音溝河河道向東不斷推移，洪積扇也不斷向東擴(kuò)展，并遺棄了巴音溝河的古洪積扇。安集海洪積扇與窩瓦特古洪積扇之間似為斷層接觸。

2.3　地貌特征

研究區(qū)地貌按成因類(lèi)型及形態(tài)特征分為三個(gè)類(lèi)型，即構(gòu)造侵蝕的中—低山地形地貌單元、侵蝕堆積階地地形地貌單元、堆積地形地貌單元。其中，堆積地形地貌單元是指廣大的沖洪積平原，地形上由南向北微微傾斜，地面坡降1∶1 000～1∶2 000。

2.4　水文地質(zhì)條件

研究區(qū)絕大部分為洪積物分布區(qū)，其主要的含水層為巴音溝河洪積扇中的孔隙水含水層。第四系洪積扇中的孔隙含水層有較大的水文地質(zhì)意義，可分為三個(gè)巖相帶：①卵礫石、砂礫石巖相帶。該帶主要分布在山麓和山間、河谷地區(qū)，構(gòu)成山前沖洪積扇傾斜平原的主體，屬于富水性較強(qiáng)的潛水區(qū)。②砂、砂礫石、粗砂巖相帶。該帶主要分布在山前傾斜平原的下部或沖積平原的上部，為潛水溢出帶或高壓自流水，富水性強(qiáng)。③粉細(xì)砂、粉砂巖相帶。主要分布在廣大沖洪積平原的中下部，為富水性較弱的潛水或低壓自流水。

研究區(qū)地下水的補(bǔ)給主要有以下幾部分：①降雨入滲補(bǔ)給；②巴音溝河的河道滲漏補(bǔ)給；③山前側(cè)向補(bǔ)給；④平原水庫(kù)的滲漏補(bǔ)給；⑤河床潛流補(bǔ)給；⑥渠系滲漏補(bǔ)給；⑦灌溉入滲補(bǔ)給；⑧與深層地下水的水量交換。

研究區(qū)的地下水徑流方向總體上是由南向北，在洪積扇扇頂部位地下水的水力坡降很小，約1%～5%，自溢出帶向北，淺層地下水的水力坡度大體上與地面坡度一致，在巴音溝河新老洪積扇之間，老洪積扇上部的地下水流向NE，補(bǔ)給東部的安集海洪積扇。

研究區(qū)地下水的排泄方式主要有以下幾種：①溢出帶泉或泉群的排泄;②潛水通過(guò)包氣帶蒸發(fā)和植物蒸騰;③地下水的側(cè)向排泄;④人工開(kāi)采;⑤與深層地下水的水量交換。

研究區(qū)地下水埋深在洪積扇的上游帶較大，中下游地段較淺，平均埋深約3 m。

研究區(qū)的水化學(xué)特征表現(xiàn)在以下幾方面：①山間和山前洪積扇的扇頂至溢出帶，地下水為HCO3-Ca型，少數(shù)為HCO3·SO4-Ca型，M<0.5 g/L,一般為0.2～0.3 g/L,水質(zhì)良好。②洪積扇溢出帶以下，淺層地下水的水化學(xué)類(lèi)型漸變?yōu)镾O4·HCO3-MgCa或SO4-CaNa型，礦化度漸增，最大可達(dá)5 g/L。③在徑流條件不好的安集海洪積扇區(qū)，礦化度較高。④深層地下水水質(zhì)較好，多為HCO3-Ca型或HCO3-CaNa型，礦化度<0.6 g/L,一般為0.2～0.4 g/L。

3　次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)

為了建立研究區(qū)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)α0與雨前地下水埋深h0及次降雨量P0三者之間的關(guān)系，筆者選用了安集海氣象站的逐日降雨量資料及研究區(qū)內(nèi)地下水動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)資料，經(jīng)分析、比較、修正，選出了99組因次降雨引起的地下水上升數(shù)據(jù)，給水度采用了隨地下水埋深而變的試驗(yàn)成果，利用引言中的公式計(jì)算了相應(yīng)的次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)α0(表1)。

表1　研究區(qū)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)α0計(jì)算成果匯總表

由于計(jì)算樣本數(shù)量有限，不可能對(duì)次降雨量進(jìn)行細(xì)致的分段，本文只分了兩段，即6.5 mm20 mm，把表1 中的數(shù)據(jù)分成兩部分，分別點(diǎn)繪α0-h0散點(diǎn)圖，如圖3、圖4所示。根據(jù)散點(diǎn)分布的大致趨勢(shì)，用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件得出研究區(qū)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)成果如下：

圖3　6.5 mm

當(dāng)6.5 mm

當(dāng)P0>20 mm時(shí)，α0=0.071h02.446e-0.565h0。

圖4　P0>20 mm時(shí)α0-h0散點(diǎn)圖

4　討論

前文已述及，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的影響因素很多，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的確定方法也很多，例如可以進(jìn)行精確的室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)降雨及下墊面條件進(jìn)行模擬，還可以根據(jù)水量平衡原理或能量平衡原理確定;本文依據(jù)的是次降雨資料和地下水長(zhǎng)觀(guān)資料，成果的精度取決于以下一些因素，如雨前土壤含水量的分布、巖性及地質(zhì)條件的差異味、地形地貌的差異、植被的差異味,甚至還有觀(guān)測(cè)制度和觀(guān)測(cè)精度的差異；表面上看，本文表1中選取的一些數(shù)據(jù)還非常的粗糙，但實(shí)際上由于是在比較長(zhǎng)的時(shí)間尺度和比較大的空間尺度選取的，每個(gè)點(diǎn)的地下水上升幅度都是多種因素綜合作用的結(jié)果;所以只要樣本足夠多，最后得到的統(tǒng)計(jì)規(guī)律應(yīng)該是更真實(shí)地反映了研究區(qū)的降雨入滲規(guī)律。計(jì)算成果可以用于研究區(qū)地下水補(bǔ)給資源的計(jì)算和水文循環(huán)分析，今后必須在以下幾方面加強(qiáng)研究：

(1)加強(qiáng)水文及水文地質(zhì)要素的監(jiān)測(cè)工作，不斷增加樣本的代表性和數(shù)量，并充分利用統(tǒng)計(jì)理論對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)處理，最主要的是提高某次降雨條件下地下水上升幅度值的修正精度。

(2)盡量做一些室內(nèi)試驗(yàn)或數(shù)值模擬試驗(yàn)，與地下水長(zhǎng)觀(guān)資料分析法對(duì)比研究，以彌補(bǔ)和修正地下水長(zhǎng)觀(guān)資料的某些不足。

(3)計(jì)算成果的精度檢驗(yàn)仍然是一個(gè)難題，因?yàn)樗难h(huán)影響因素太多，次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的精確值到底是多少很難得到。所以，對(duì)次降雨入滲的機(jī)理研究還有很多工作要做。目前很多分布式或半分布式水文模型的計(jì)算成果與生產(chǎn)實(shí)際脫節(jié)很大，就是現(xiàn)在的研究過(guò)多地放在了計(jì)算機(jī)程序上，對(duì)模型需要輸入的很多重要參數(shù)缺乏深入的研究。

參考文獻(xiàn):

[1]謝麗純,等.華南濱海水流域降雨入滲對(duì)地下水給分析[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2011(8)：1259-1267.

[2]謝永玉.淮北平原降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)隨地下水埋深變化特征[J].地下水,2012(1)：9-11.

[3]李娟,等.寧夏中部干旱風(fēng)沙區(qū)降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的估算[J].水土保持研究,2009(1)：22-26.

[4]史良勝,等.次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)空間變異性研究及模擬[J].水利學(xué)報(bào),2007(1)：79-85.

[5]丁立國(guó),劉玉珍.遼寧省中部平原降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)分析[J].東北水利水電,1999(11)：24-25.

[6]劉廷璽,等.通遼地區(qū)次降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)的分析確定[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002(2)：34-39.

[7]董新光.新疆地下水資源[M].烏魯木齊：新疆科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[8]陳曦,等.干旱區(qū)內(nèi)陸河流域水文模型[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2012.

[9]陳亞寧,等.新疆塔里木河流域生態(tài)水文問(wèn)題研究[M].北京:科學(xué)出版社,2010.