對(duì)欒城地區(qū)降雨蒸發(fā)條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬研究

何　青，朱　飛，彭紅明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.陜西工程勘察研究院， 陜西 西安 710068； 3.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局， 青海 西寧 810007；4、青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810007)

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對(duì)欒城地區(qū)降雨蒸發(fā)條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬研究

何青1,2，朱飛3,4，彭紅明3,4

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.陜西工程勘察研究院， 陜西 西安 710068； 3.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局， 青海 西寧 810007；4、青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810007)

數(shù)值模擬方法是評(píng)價(jià)地下水資源量、模擬自然界一些水文地質(zhì)過程發(fā)生和發(fā)展的主要方法和手段之一。HYDRUS-1D是用于模擬變量飽和孔隙介質(zhì)中水流和溶質(zhì)運(yùn)移的模型軟件。本文應(yīng)用HYDRUS-1D軟件,模擬了河北省欒城縣實(shí)驗(yàn)地在降雨蒸發(fā)條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)情況。通過對(duì)模型的校正與識(shí)別,得出了欒城地區(qū)的水分運(yùn)動(dòng)形式。

HYDRUS-1D軟件；數(shù)值模擬；土壤水分運(yùn)動(dòng)；欒城

近年來由于地下水的過量開采造成地下水位大幅度下降。地下水位的持續(xù)下降已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻問題。為了確保區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,針對(duì)區(qū)域內(nèi)補(bǔ)、排關(guān)系來建立合理的地下水開發(fā)利用方案,本文通過HYDRUS-1D模型結(jié)合欒城地區(qū)相應(yīng)的降雨、蒸發(fā)、地下水動(dòng)態(tài)資料、土壤特性值等資料模擬在降雨蒸發(fā)條件下的一維土壤水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律,較為準(zhǔn)確的模擬了該地區(qū)實(shí)驗(yàn)地在降雨蒸發(fā)條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)情況。通過對(duì)模型的校正與識(shí)別,得出了欒城地區(qū)的水分運(yùn)動(dòng)形式。

1　模型的理論基礎(chǔ)

土壤水分運(yùn)動(dòng)一般遵循達(dá)西定律,且符合質(zhì)量守恒的連續(xù)性原理,土壤水分的基本運(yùn)動(dòng)方程可以通過達(dá)西定律和連續(xù)性方程進(jìn)行推導(dǎo),通過推導(dǎo)以后得到土壤水分運(yùn)動(dòng)的基本方程[1-2]為：

(1)

式中：θ為土壤體積含水率；k為土壤水力傳導(dǎo)系數(shù)；x,y,z為水流方向坐標(biāo)。

2　欒城縣地下水文地質(zhì)條件

2.1含水層主要特征

欒城縣位于河北省西南部,屬暖溫帶半濕潤地區(qū),大陸性氣候明顯,溫差較大[3],地貌上屬太行山山前傾斜平原的一部分。該縣地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水,按照含水層與隔水層的巖性以及沉積形成時(shí)代、水動(dòng)力條件等相關(guān)特征,可以將含水巖組劃分為以下4段：全新統(tǒng)(Q4)含水巖組、上更新統(tǒng)(Q3)含水巖組、中更新統(tǒng)(Q2)含水巖組、下更新統(tǒng)(Q1)含水巖組。含水層的單層厚度在水平方向上表現(xiàn)出由西向東逐漸變厚,含水層顆粒由細(xì)變粗,其富水性表現(xiàn)為由弱變強(qiáng)。在垂直方向上,含水層上部以及下部為粒度較細(xì)的細(xì)砂層,且沉積厚度較小,中部則為粒度較粗的粗砂層,且厚度相對(duì)較大。全新統(tǒng)(Q4)含水巖組及上更新統(tǒng)(Q3)含水巖組之間沒有連續(xù)的隔水層或弱透水層,水力聯(lián)系十分密切,可以視為一個(gè)含水層,該層也是目前欒城縣地下水的主要開采層位，含水層巖性以粗砂、中粗砂為主,局部夾有卵礫石。據(jù)鉆孔資料：含水層底板埋深一般60 m～120 m之間,北部地區(qū)單井涌水量為50 m3/(h·m)～70 m3/(h·m),中部地區(qū)單井涌水量為30 m3/(h·m)～50 m3/(h·m),南部及西部邊緣地段單井涌水量小于30 m3/(h·m)[4]。

2.2地下水形成特征

該縣地下水的補(bǔ)給來源主要為：大氣降水的入滲、河流滲漏、灌溉水的入滲回歸以及地下水的側(cè)向補(bǔ)給。因?yàn)楫?dāng)?shù)匕鼩鈳r性以砂及亞黏土為主,其降雨的入滲補(bǔ)給系數(shù)可達(dá)0.25,同時(shí)平坦的地形,地表徑流緩慢,也為降雨入滲提供了便利的地形條件,因此大氣降水入滲補(bǔ)給為地下水最主要的補(bǔ)給方式。河流滲漏補(bǔ)給主要為河及總退水渠的入滲補(bǔ)給。由于當(dāng)?shù)睾拥牢催M(jìn)行防滲，因此存在大量的河水入滲補(bǔ)給地下水,據(jù)區(qū)域資料,每年大約有0.2×108m3～0.5×108m3的地表水補(bǔ)給地下水。當(dāng)?shù)氐墓喔纫源笏酁橹?其引起的田間入滲量約占灌溉水總量的15%左右 。側(cè)向補(bǔ)給主要為西部元氏縣及鹿泉市地下水的側(cè)向徑流,其多年平均值約為0.3×108m3。人工開采為欒城縣地下水的主要排泄方式。其中農(nóng)業(yè)灌溉用水約占地下水總用水量的88%,時(shí)間上主要集中在3月—6月的春灌。因長期開采地下水,導(dǎo)致地下水埋深已達(dá)30 m左右,故當(dāng)?shù)氐牡叵滤羯⒘繋缀鯙榱鉡5]。

3　水文地質(zhì)模型的建立

3.1地下水系統(tǒng)的基本分析

綜上分析認(rèn)為目前欒城縣地下水系統(tǒng)為降水、灌溉補(bǔ)給-農(nóng)業(yè)開采排泄型。本次研究區(qū)涉及完整的地下水補(bǔ)、徑、排系統(tǒng)。補(bǔ)給源主要為：垂向上的降雨入滲、灌溉回歸及河渠入滲補(bǔ)給以及側(cè)向上的地下水徑流補(bǔ)給。排泄則主要以農(nóng)業(yè)開采為主,由東南方向徑流出縣域的地下徑流很小。同時(shí)由于地下水位埋深較大,蒸發(fā)量可以忽略。地下水總體流向大致為由西北—東南,水力坡度與地形坡度接近。而天然情況下,地下水的補(bǔ)給項(xiàng)主要為降雨入滲、河流入滲、側(cè)向徑流補(bǔ)給及地表水灌溉的入滲補(bǔ)給,排泄項(xiàng)主要為徑流出縣域的地下水及潛水蒸發(fā)排泄。

3.2水文地質(zhì)條件概化

本文以該地區(qū)的垂向一維入滲和補(bǔ)給情況為主要研究對(duì)象,本次模擬取樣點(diǎn)分布在地下埋深0～340 cm,通過試驗(yàn)分析,可以將其細(xì)分為六層(表1)。模型時(shí)間區(qū)間是2003年1月1日到2003年12月31日,該區(qū)全年地下水位埋深在31 m～33 m波動(dòng)，屬于深埋區(qū)，2003年水面蒸發(fā)量和降雨量分別為1187.7 mm和581.3 mm。其主要的補(bǔ)給為降雨入滲補(bǔ)給,排泄為人工開采。其上部邊界為無徑流蒸發(fā)入滲通量邊界，即降水和灌溉后，水分很快下滲到下層土壤并存在蒸發(fā),由于其地下水位埋深大于研究的土層厚度,所以其下部邊界為自由排水邊界。

3.3數(shù)學(xué)模擬模型

由于包氣帶中的土壤水分運(yùn)移以垂向運(yùn)動(dòng)為主。因此選用土壤水分運(yùn)動(dòng)模型Richards方程來描述一維垂向土壤水分運(yùn)動(dòng)：

(2)

θ(z,0)=θi

(3)

(4)

式中：θ為土壤體積含水率；k為土壤水力傳導(dǎo)系數(shù)，L/T；D(θ)為擴(kuò)散度；h為土壤基質(zhì)勢,L；z為水流方向坐標(biāo)；R(t)為降雨或灌水強(qiáng)度；Etp潛在蒸發(fā)量。

3.4模型的求解

3.4.1空間離散

模型深度取地面以下340 cm,三種巖性以壤土為主,根據(jù)巖性分為6層,按1 cm等間隔剖分成340個(gè)單元,各土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)見表1。

表1　研究范圍土壤水分運(yùn)動(dòng)參數(shù)

3.4.2時(shí)間離散

模擬時(shí)間為2003年1月1日—12月31日,共365 d。采用變化的時(shí)間剖分方式進(jìn)行預(yù)測模擬,依據(jù)收斂的迭代次數(shù)逐漸調(diào)整時(shí)間間隔。如果某一特定時(shí)間間隔達(dá)到收斂所需的迭代次數(shù)≤3,則下一時(shí)間段的時(shí)間增量可以乘以一個(gè)大于1的常數(shù)(一般介于1.1～1.5,本模型中為1.3)。如果達(dá)到收斂的迭代次數(shù)≥7,則將下一時(shí)間段的時(shí)間增量乘以一個(gè)小于1的常數(shù)(一般介于0.3～0.9,本模型中為0.9)。在某一特定時(shí)間段, 如果在任一時(shí)間達(dá)到收斂所需的迭代次數(shù)超過預(yù)先設(shè)定的最大值(一般介于10～50,本模型中為10),則該時(shí)間水平的迭代終止,將該時(shí)間段長度改為Δt/3,重新進(jìn)行迭代。本次模型的初始時(shí)間間隔設(shè)為0.01 d，最小時(shí)間間隔設(shè)為0.0001 d，最大時(shí)間步長設(shè)為0.5 d。

3.5模型校正與求解

本次研究采用不同的土壤參數(shù)時(shí)降水量和土壤含水量之間的關(guān)系密切與否作為判斷模型是否準(zhǔn)確。本次模擬中選取了10 cm,20 cm,30 cm三個(gè)不同深度的觀測點(diǎn),并利用這三個(gè)點(diǎn)的土壤含水率和降水量的變化情況作為擬合判別依據(jù)。以下為三個(gè)觀測點(diǎn)的擬合情況，見圖1～圖3。

圖1　10 cm深度處擬合情況曲線

圖2　20 cm深度處擬合情況曲線

圖320 cm深度處擬合情況曲線

通過不同深度的擬合可以看出：隨著降水量的變化,其含水率也是不斷的變化的,并且其變化的時(shí)間基本是一致的,由此我們可以認(rèn)為模型是比較正確的,可以基本反映研究區(qū)的土壤水運(yùn)動(dòng)情況。同時(shí)本次模擬中所選取的土壤參數(shù)也是較準(zhǔn)確的。表2為最終的土壤參數(shù)。

表2　土壤水分運(yùn)動(dòng)最終參數(shù)

3.6模型模擬結(jié)果

模型的輸出包括：剖面信息,土壤水邊界信息及水勢,土壤水力參數(shù),水均衡信息等，見圖4～圖8和表3。

由圖4可以看出不同深度的觀測點(diǎn)的含水率變化是基本一致的,并且都和降雨等氣象資料比較吻合。

通過對(duì)比土壤表面實(shí)際和潛在水分水分流發(fā)現(xiàn)潛在水分流量要大于實(shí)際水分流量,這主要是由蒸發(fā)和滲入等因素導(dǎo)致的。

圖4　觀測點(diǎn)不同時(shí)刻的含水率變化

圖5　土壤表面潛在水分流量

圖6　土壤表面實(shí)際水分流量

圖7　底部邊界水頭壓力

圖8　土壤水儲(chǔ)量

4　結(jié)　語

綜合以上的分析可以得出,欒城地區(qū)2003年4月、7月—9月降雨比較集中,且雨量比較大,為此土壤水運(yùn)動(dòng)以入滲為主,水分運(yùn)動(dòng)是至上而下的；其余幾個(gè)月則以蒸發(fā)為主,且水分向上向下都有運(yùn)動(dòng),偶爾在有降雨的時(shí)候也有入滲現(xiàn)象。欒城地區(qū)當(dāng)有雨水入滲補(bǔ)給時(shí),地下水有明顯的波動(dòng),但波動(dòng)幅度不大,主要因?yàn)榈叵滤裆钶^大,雨水很難到達(dá)地下水位處,也有明顯季節(jié)性變化。入滲補(bǔ)給地下水量主要受雨量與蒸發(fā)影響因素的控制,也與巖性特點(diǎn)關(guān)系較大。因此應(yīng)根據(jù)氣候特點(diǎn)合理安排農(nóng)耕時(shí)間,合理選擇農(nóng)產(chǎn)品、合理種植、合理灌水,以獲得最大的收獲。

[1]陳夢熊.中國水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)問題研究[M].北京：地震出版社,1998.

[2]Durner W． Hydraulic conductivity estimation for soils with heterogeneous pore structure[J]. Water Resources Research, 1994，32(9):211-223.

[3]欒城縣水政水資源綜合管理辦公室．石家莊市欒城縣水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)[R]．欒城縣水政水資源綜合管理辦公室,1993.

[4]賈金生,田冰,劉昌明.Visual MODFLOW在地下水模擬中的應(yīng)用——以河北省欒城縣為例[J]．河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,26(4):71-78.

[5]邵愛軍，彭建萍，陳華辰，等．河北省欒城縣地下水?dāng)?shù)值模擬[J]．中國農(nóng)村水利水電,2004(12):51-53.

Simulation of Soil Water Movement in Luancheng Under Precipitation Evaporation

HE Qing1,2, ZHU Fei3,4, PENG Hongming3,4

(1.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China；2.ShaanxiInstituteofengineeringprospecting,Xi'an,Shaanxi710068,China；3.QinghaiEnvironmentalGeologyExplorationBureau,Xining,Qinghai810007,China；4.KeyLaboratoryofGeologicalEnvironmentofQinghaiProvince,Xining,Qinghai810007,China)

Numerical simulation is one of the main methods to evaluate groundwater resources quantity and simulate the occurrence and development of some hydrogeological processes. HYDRUS has been used to simulate the flow and solute transport in the saturated porous media. In this paper, HYDRUS1D was used to simulate the soil water movement in Luancheng County, Hebei province. Through the correction and identification of the model, the water movement condition in Luancheng area was obtained.

HYDRUS-1D; numerical simulation; soil water movement; Luancheng

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.04.043

2016-05-01

2016-06-23

何青(1984—)，女，陜西洛川人，碩士研究生，主要從事工程地質(zhì)、水文地質(zhì)理論研究與運(yùn)用工作。 E-mail:396438373@qq.com

P641.1

A

1672—1144(2016)04—0222—04