地下水補(bǔ)給方法研究綜述

趙佳輝 李一鳴 陳寶輝

[摘要]地下水補(bǔ)給是水循環(huán)重要過程，選擇正確的方法評(píng)價(jià)地下水補(bǔ)給量對(duì)水資源的管理與開發(fā)利用具有重要意義。將地下水補(bǔ)給方法分為物理法、示蹤法和數(shù)值模擬法，總結(jié)了地下水補(bǔ)給方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為計(jì)算地下水補(bǔ)給提供參考。

[關(guān)鍵詞]地下水補(bǔ)給；水分運(yùn)移；評(píng)價(jià)方法

[中圖分類號(hào)]P641 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

地下水具有分布范圍廣、水質(zhì)優(yōu)良、水量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)使其成為社會(huì)發(fā)展重要基礎(chǔ)。由于過度開采地下水，部分地區(qū)已造成地下水資源衰竭、地面沉降、生態(tài)環(huán)境退化等嚴(yán)重后果。為平衡生態(tài)保護(hù)與社會(huì)發(fā)展關(guān)系，建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)，實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，計(jì)算地下水補(bǔ)給量，制定合理的地下水開發(fā)利用方案迫在眉睫。地下水通過包氣帶接受大氣降水、灌溉水的補(bǔ)給，而水分在包氣帶中運(yùn)移緩慢復(fù)雜，精確評(píng)價(jià)地下水補(bǔ)給量越來越收到學(xué)者的重視。目前，地下水補(bǔ)給方法研究眾多，根據(jù)研究方法性質(zhì)主要分為物理法、示蹤法和數(shù)值模擬法。本文將從這三種類型將各種研究方法原理、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行論述。

1 物理法

1.1 地下水位動(dòng)態(tài)法

地下水動(dòng)態(tài)法以水均衡為基礎(chǔ)，假設(shè)水位的上升是由于補(bǔ)給量到達(dá)潛水引起的，該方法運(yùn)用廣泛。Richard（2002）根據(jù)地下水動(dòng)態(tài)算出地下水補(bǔ)給量與排泄量，并指出影響潛水水位波動(dòng)的因素有蒸散發(fā)、大氣壓強(qiáng)以及水分入滲過程中引起包氣帶空氣的壓縮等。Sharda等（2006）根據(jù)印度古吉拉特邦地下水動(dòng)態(tài)計(jì)算出降水入滲補(bǔ)給量占年降水量的7.5%。楊甜（2017）對(duì)次降雨后地下水動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，得到不同降雨強(qiáng)度下次降水量入滲補(bǔ)給系數(shù)。

地下水動(dòng)態(tài)法計(jì)算簡單，資料獲取相對(duì)容易，適用于埋深淺、地下水位變動(dòng)較大、水分補(bǔ)給速率大于地下水徑流速度的區(qū)域。難點(diǎn)在于給水度的確定以及觀測(cè)井地下水位動(dòng)態(tài)能夠代表整個(gè)流域的動(dòng)態(tài)。

1.2 零通量面法

零通量面法是通過觀測(cè)包氣帶中含水率或負(fù)壓，計(jì)算出總水勢(shì)，確定總水勢(shì)極大值或極小值位置?？偹畡?shì)極大值點(diǎn)為發(fā)散型零通量面，即水分遠(yuǎn)離零通量面運(yùn)移；總水勢(shì)極小值點(diǎn)為聚合性零通量面，即水分遠(yuǎn)離零通量面運(yùn)移。邱景唐（1992）提出了影響零通量面的主要因素有降水、地下水埋深、植被根系。范琦（2006）等通過觀測(cè)灌溉后包氣帶形成的零通量面計(jì)算出灌溉回歸系數(shù)為0.09。張光輝（2007）等通過分析降雨入滲過程中當(dāng)包氣帶變厚但小于潛水蒸發(fā)極限深度時(shí)，地下水補(bǔ)給量減少。胡現(xiàn)振（2014）運(yùn)用通量法計(jì)算出衛(wèi)寧平原裸地與玉米地的蒸發(fā)量以及入滲量。

當(dāng)長時(shí)間的降水，包氣帶水分全部向下運(yùn)移時(shí)，零通量面法不再適用。此外，長時(shí)間監(jiān)測(cè)土壤水分或負(fù)壓成本較高，安裝儀器后需要較長時(shí)間使觀測(cè)點(diǎn)土壤達(dá)到自然狀態(tài)。該方法只能計(jì)算小空間尺度下的地下水補(bǔ)給量，適用于地下水埋深較大地區(qū)。

1.3 達(dá)西法

在極限蒸發(fā)深度以下，土壤水分不受蒸發(fā)影響向下運(yùn)移，其入滲速率可表示為如下：

式中，為土壤體積含水率；為土壤非飽和滲透系數(shù)；h為土壤負(fù)壓；H為總水頭；z為空間坐標(biāo)。

土壤在多次濕脫水的過程中水土曲線改變引起非飽和滲透系變化。林丹（2014）等通過壓力膜儀對(duì)河北正定包氣帶原狀土樣進(jìn)行水土曲線測(cè)試，得到土壤在多次濕脫水后，水土曲線變陡。達(dá)西法的難點(diǎn)在于精確確定土壤的非飽和滲透系數(shù)和水頭梯度。該方法在包氣帶較厚地區(qū)可以代表較大面積的地下水補(bǔ)給量。

2 示蹤法

示蹤法是基于水分運(yùn)移攜帶示蹤劑，通過監(jiān)測(cè)示蹤劑濃度峰值運(yùn)移計(jì)算水分入滲過程計(jì)算補(bǔ)給量，計(jì)算公式如下：

式中，為土壤體積含水率；為示蹤劑濃度峰值運(yùn)移的距離；為采樣時(shí)間間隔。

根據(jù)示蹤劑的特點(diǎn)將示蹤劑分為環(huán)境示蹤劑和人工示蹤劑。環(huán)境示蹤劑主要有Cl-、D、O18、36Cl等，人工示蹤劑主要有Br-、3H和染色劑。由于示蹤法測(cè)試和操作簡單，許多學(xué)者采用該方法計(jì)算地下水補(bǔ)給量。Qin等（2011）在張掖盆地分別用CFCs、O18、D、3H作為示蹤劑評(píng)價(jià)灌溉對(duì)地下水的補(bǔ)給，結(jié)論認(rèn)為該地區(qū)地下水補(bǔ)給由1980年以前的老水和1980年以后的新水組成，并認(rèn)為在半干旱地區(qū)入滲水蒸發(fā)強(qiáng)烈，CFCs作為估算灌溉回歸量示蹤劑效果好于O18、D。聶振龍（2011）等利用環(huán)境同位素Cl-守恒得到張掖盆地地下水埋深大于5m時(shí)，地下水仍接受大氣降水補(bǔ)給，并計(jì)算出地下水埋深6.3M時(shí)，降水補(bǔ)給速率為13.3～14.4mm/a，入滲系數(shù)為0.10～0.11。譚秀翠（2013）等用人工溴失蹤法對(duì)比了無灌溉和有灌溉的地區(qū)的地下水回歸量，計(jì)算出該地區(qū)評(píng)價(jià)地下水補(bǔ)給量為126.10mm。程立平（2016）等用氫氧同位素技術(shù)分析了長武黃土塬區(qū)地下水補(bǔ)給存在優(yōu)先流，并探討了土地利用類型變化對(duì)地下水補(bǔ)給的影響。

3 數(shù)值模擬法

隨著計(jì)算機(jī)的普及和數(shù)值法的發(fā)展，土壤水分運(yùn)移研究進(jìn)入數(shù)值模擬階段，主要的數(shù)學(xué)模型由Hydrus、SWAP、SWAT、EARTH、WetSpass等。張志杰（2011）等采用SWAP模型計(jì)算出內(nèi)蒙古河套灌區(qū)作物生育期的灌溉補(bǔ)給系數(shù)為0.15?；羲歼h(yuǎn)（2015）等通過Hydrus模擬得到華北平原多年平均降水入滲補(bǔ)給量為66.6mm/a。歐陽威（2015）等在河套平原建立了SWAT模型得到灌溉和降雨對(duì)灌區(qū)內(nèi)補(bǔ)給比例。譚秀翠（2016）等根據(jù)2005～2008年欒城的降水灌溉資料，建立Hydrus模型計(jì)算出平均補(bǔ)給系數(shù)為0.13。Achraf（2017）等在加夫薩流域建立WetSpass水文模型，將模型計(jì)算的總補(bǔ)給量與總徑流量的值與氣候方法計(jì)算的值進(jìn)行擬合，通過WetSpass模型計(jì)算出該地區(qū)的年平均降水量為1833mm，其中有42.8%的降水對(duì)地下水進(jìn)行補(bǔ)給。

數(shù)值模擬可以計(jì)算不同條件下的補(bǔ)給量，但需要實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證。利用模型還可以預(yù)測(cè)不同因素（如包氣帶巖性、氣象條件、土地利用類型等）變化對(duì)地下水不計(jì)量的影響。該方法難點(diǎn)在于模型所需參數(shù)的可靠性。

4 展望

以上三種類型評(píng)價(jià)方法各有自己的優(yōu)點(diǎn)與限制，用不同的方法對(duì)地下水補(bǔ)給進(jìn)行驗(yàn)證可提高計(jì)算精度和可靠度，但這些方法都無法反應(yīng)大尺度地下水補(bǔ)給的空間變異性，而遙感技術(shù)可以反映大尺度補(bǔ)給變化特征。李鵬（2017）等基于水量平衡方法利用遙感技術(shù)反演出北京市降雨量、蒸散發(fā)量和徑流量，計(jì)算出降水補(bǔ)給量。張施躍、束龍倉（2017）等將降水入滲系數(shù)與遙感技術(shù)結(jié)合，計(jì)算出廣花盆地不同土地利用類型下的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)。目前，遙感技術(shù)方法不夠完善，但遙感技術(shù)的繼續(xù)發(fā)展，利用遙感技術(shù)估計(jì)地下水補(bǔ)給量成為重要的研究方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 雷志棟，楊詩秀，謝森傳.土壤水動(dòng)力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1988.

[2] Richard W. Healy · Peter G. Cook. Using groundwater levels to estimate recharge[J]. Hydrogeology Journal，2002（10）：91-109.

[3] V.N. Sharda，R.S. Kurothe，D.R. Sena. Estimation of groundwater recharge from water storage structures in a semi-arid climate of India[J].Journal of Hydrology，2006，329：224-243

[4] 楊甜.河北省平原區(qū)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)分析[D].咸陽：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2017.

[5] 邱景唐.非飽和土壤水零通量面的研究[J].水力學(xué)報(bào)，1992，5（4）：27-32.

[6] 范琦，王驥.包氣帶增厚條件下地下水補(bǔ)給規(guī)律研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2006（3）：21-24.

[7] 張光輝，費(fèi)宇紅.降水補(bǔ)給地下水過程中包氣帶變化對(duì)入滲的影響[J].水力學(xué)報(bào)，2007，38（5）：611-616.

[8] 胡現(xiàn)振.衛(wèi)寧平原包氣帶水分運(yùn)移試驗(yàn)研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2014.

[9] 林丹，靳孟貴，馬斌，等.包氣帶增厚區(qū)土壤水力參數(shù)及其對(duì)入滲補(bǔ)給的影響[J].地球科學(xué)--中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，39（6）：760-767

[10] Qin D J，Qian Y P. Assessing impact of irrigation water on groundwater recharge and quality in arid environment using CFCs， tritium and stable isotopes， in the Zhangye Basin， Northwest China[J].Journal of Hydrology，2011：194-208

[11] 聶振龍，連英立，段寶謙，等.利用包氣帶環(huán)境示蹤劑評(píng)估張掖盆地降水入滲速率[J].地球?qū)W科，2011，32（1）：117-122

[12] 譚秀翠，楊金忠.華北平原地下水補(bǔ)給量計(jì)算分析[J].水科學(xué)進(jìn)展2013，24（1）：73-80

[13] 程立平，劉文兆，李志，等.長武黃土塬區(qū)土地利用變化對(duì)潛水補(bǔ)給的影響[J].水科學(xué)進(jìn)展，2016，27（5）：670-678

[14] 張志杰，楊樹青，史海濱，等.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌溉入滲對(duì)地下水的補(bǔ)給規(guī)律及補(bǔ)給系數(shù)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（3）：61-66.

[15] 霍思遠(yuǎn)，靳孟貴.不同降水及灌溉條件下的地下水入滲補(bǔ)給規(guī)律[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2015，42（5）：6-21

[16] 歐陽威，黃浩波，張璇，等.基于SWAT模型的平原灌區(qū)水量平衡模擬研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2015，34（1）17-22

[17] 譚秀翠，王剛，王華敬.地下水補(bǔ)給量計(jì)算及包氣帶巖性影響分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2016，35（6）：76-80

[18] Achraf Melki，Khodayar Abdollahi， Rouhallah Fatahi. Groundwater recharge estimation under semi arid climate： Case of Northern Gasfsa watershed， Tunisia[J].Journal of African Earth Sciences，2017，04（20）：37-46

[19] 李鵬，許海麗，潘云，等.北京市平原區(qū)地下水補(bǔ)給量計(jì)算方法對(duì)比研究[J].水文，2017，37（2）：31-35

[20] 張施躍，束龍倉，閔星，等.基于土地利用類型的大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，47（3）：860-867