基于長(zhǎng)系列觀測(cè)資料的干旱區(qū)降水入滲補(bǔ)給規(guī)律研究

齊子萱， 周金龍， 季彥楨， 孫 英， 王新中， 鄭玉蓮

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院， 新疆 烏魯木齊 830052； 2.新疆水文水資源工程技術(shù)研究中心， 新疆 烏魯木齊 830052； 3.新疆昌吉州地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)站， 新疆 昌吉 831100)

1 研究背景

新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡(jiǎn)稱“新疆”)是我國(guó)內(nèi)陸省份，水資源短缺問題已經(jīng)成為其可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中面臨的關(guān)鍵問題[1]。地下水作為水資源中的重要組成部分，是人類生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要水源。地下水的研究在解決供水、排水和土壤鹽漬化的防治等方面具有實(shí)際意義[2]。入滲補(bǔ)給研究已經(jīng)成為干旱、半干旱地區(qū)地下水研究的主要問題之一，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水的補(bǔ)給量或補(bǔ)給資源是制定水資源規(guī)劃和地下水可持續(xù)利用方案的基礎(chǔ)。分析干旱區(qū)降水入滲規(guī)律，對(duì)于深入分析干旱區(qū)入滲補(bǔ)給過程、正確評(píng)價(jià)水資源量、合理開發(fā)水資源具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外干旱、半干旱地區(qū)研究地下水補(bǔ)給的方法主要有：直接測(cè)定方法(地中蒸滲儀方法)、物理方法(零通量面方法、達(dá)西方法和地下水位動(dòng)態(tài)方法)[3-5]、同位素方法(歷史示蹤劑、環(huán)境示蹤劑和人工示蹤劑)[6-8]和數(shù)值模擬方法[9-11]等，每種方法都有其適用性[12]。其中直接測(cè)定方法又稱為地中滲透儀方法，該方法通常作為估計(jì)地下水補(bǔ)給量的基準(zhǔn)，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，能夠長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并且直接測(cè)得地下水的補(bǔ)給量[13]。李亞峰等[14](2007年)利用冉莊8.0m定埋深地中滲透儀的觀測(cè)資料研究降水入滲補(bǔ)給量隨埋深的變化規(guī)律，并揭示了最佳埋深和穩(wěn)定點(diǎn)的形成機(jī)理。郭會(huì)榮等[15](2007年)使用地中蒸滲儀開展土壤水流穿透試驗(yàn)，結(jié)果表明在自然降雨條件下亞黏土中優(yōu)勢(shì)流明顯，粉細(xì)砂中以活塞流為主。楊曉俊[16](2009年)利用3個(gè)實(shí)驗(yàn)站的地中蒸滲儀實(shí)測(cè)資料，確定降水入滲補(bǔ)給系數(shù)隨降水量的變化一般呈反“S”曲線。李金柱[17](2009年)利用3個(gè)實(shí)驗(yàn)站地中蒸滲儀的實(shí)測(cè)降水入滲資料，綜合分析了影響降水入滲補(bǔ)給系數(shù)變化的主要因素及其變化規(guī)律。目前國(guó)內(nèi)外使用地中蒸滲儀方法研究降水入滲規(guī)律的試驗(yàn)以短期觀測(cè)資料為基礎(chǔ)的比較多，通過長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)分析相關(guān)參數(shù)的少，用短期觀測(cè)資料對(duì)研究區(qū)年降水入滲系數(shù)和埋深之間的關(guān)系擬合的線性經(jīng)驗(yàn)公式較多，但由于資料的時(shí)間序列短，擬合的經(jīng)驗(yàn)公式適用性較差。

本文以新疆昌吉地下水均衡試驗(yàn)場(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱“昌吉試驗(yàn)場(chǎng)”)地中蒸滲儀長(zhǎng)系列觀測(cè)數(shù)據(jù)(1992-2015年)為基礎(chǔ)，分析影響降水入滲補(bǔ)給的主要因素，確定最佳埋深點(diǎn)和穩(wěn)定點(diǎn)，建立擬合程度更高、適用埋深更廣、可直接應(yīng)用于新疆天山北麓平原區(qū)的年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和潛水埋深間的經(jīng)驗(yàn)公式。

2 昌吉試驗(yàn)場(chǎng)基本概況

昌吉試驗(yàn)場(chǎng)位于天山北麓的頭屯河下游沖-洪積扇中、上部，是專門進(jìn)行潛水水均衡及包氣帶水分運(yùn)移規(guī)律試驗(yàn)研究的基地。該試驗(yàn)場(chǎng)于1992年開始運(yùn)行，入滲補(bǔ)給觀測(cè)設(shè)施為地滲儀觀測(cè)系統(tǒng)，共有42個(gè)皿筒(其中2.0 m2皿筒29個(gè)，0.3 m2皿筒10個(gè)，4.0 m2皿筒3個(gè))，場(chǎng)區(qū)內(nèi)包氣帶巖性以粉質(zhì)砂土、粉質(zhì)亞黏土為主，夾粉細(xì)砂層、細(xì)砂層和砂礫石層。本文所用試驗(yàn)皿筒均無作物種植(裸地)。試驗(yàn)場(chǎng)氣候特征為典型的內(nèi)陸干旱氣候，晝夜溫差大，多年平均氣溫7.9°，多年平均降水量204.9 mm，多年平均蒸發(fā)量1 857.9 mm，每年的11月至翌年3月為凍結(jié)期，凍土深度為110～149 cm。昌吉試驗(yàn)場(chǎng)的自然地理位置對(duì)研究干旱區(qū)地下水資源量和水循環(huán)具有很強(qiáng)的代表性。

通過整理地中蒸滲儀1992-2015年實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)地中蒸滲儀在1992-1998年因土體處于自然釋水的密實(shí)階段，觀測(cè)的降水入滲補(bǔ)給量偏大；2011-2015年儀器出現(xiàn)明顯老化現(xiàn)象，觀測(cè)資料連續(xù)性較差；1999-2010年的觀測(cè)資料連續(xù)性較好，且其平均降水量(211.5 mm)與1992-2015年的平均降水量(204.9 mm)相近。因此本文主要依據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)1999-2010年的降水入滲觀測(cè)資料進(jìn)行分析。

3 降水入滲補(bǔ)給過程分析

2003年年降水量(229.0 mm)與1992-2015年多年平均降水量(204.9 mm)相近，1999年年降水量(291.3 mm)為1992-2015年年降水量最大值，2001年年降水量(173.4 mm)低于1992-2015年多年平均降水量。砂卵礫石地層巖性粗，降水入滲補(bǔ)給量相對(duì)較大，描述降水入滲補(bǔ)給過程更加清晰。本文選取1999、2001和2003年地中蒸滲儀砂卵礫石地層數(shù)據(jù)分析降水入滲補(bǔ)給過程。

砂卵礫石地層1999、2001和2003年雨季降水量和不同水位埋深條件下的入滲補(bǔ)給量歷時(shí)曲線見圖1～3。分析圖1～3可看出，在水位埋深為2.0 m時(shí)，降水過程形成的波峰波谷和入滲補(bǔ)給過程形成的波峰波谷在時(shí)間上一一對(duì)應(yīng)，表明在水位埋深較淺時(shí)，降水能及時(shí)補(bǔ)給地下水，根據(jù)各次降水對(duì)應(yīng)的補(bǔ)給過程能確定各次降水產(chǎn)生的補(bǔ)給量大小。當(dāng)水位埋深大于2.0 m時(shí)，相對(duì)于降水過程，入滲補(bǔ)給過程的波峰波谷滯后，各次降水產(chǎn)生的入滲過程發(fā)生重合，因此無法依據(jù)實(shí)測(cè)入滲補(bǔ)給過程確定降水形成的入滲補(bǔ)給量大小。這主要是由于天然降水過程基本上以年為周期變化，干旱區(qū)因降水量較小，一年內(nèi)有較長(zhǎng)時(shí)間的凍結(jié)期，降水入滲補(bǔ)給過程主要出現(xiàn)在每年的4～10月(非凍結(jié)期)，入滲補(bǔ)給量包括春季融凍期、凍結(jié)期內(nèi)的積雪融化產(chǎn)生的補(bǔ)給量和降水產(chǎn)生的補(bǔ)給量。當(dāng)?shù)叵滤裆钶^大時(shí)，峰值滯后的時(shí)間將遠(yuǎn)大于在融雪和降水過程中能夠形成入滲補(bǔ)給所需要的時(shí)間間隔，各次降水引起的入滲補(bǔ)給過程中出現(xiàn)的波峰波谷在同一時(shí)間上相互疊加，使年降水入滲補(bǔ)給出現(xiàn)一個(gè)補(bǔ)給高峰。

對(duì)比1999、2001、2003年降水入滲補(bǔ)給過程，1999年最大次降水量為40.1 mm(8月14日)，2001年最大次降水量為12.8 mm(10月18日)，2003年最大次降水量為43.4 mm(7月13日)。1999、2001和2003年水位埋深2 m時(shí)降水入滲補(bǔ)給量峰值出現(xiàn)的時(shí)間與最大次降水量的時(shí)間對(duì)應(yīng)(圖1～3)，隨著潛水埋深的增大，該3個(gè)年份水位埋深5和7 m降水入滲補(bǔ)給量峰值出現(xiàn)的時(shí)間均發(fā)生滯后，潛水埋深5 m時(shí)滯后時(shí)間為1～2個(gè)月，潛水埋深7 m時(shí)滯后時(shí)間為2～3個(gè)月。1999、2001和2003年的年降水量大小具有代表性，但并未影響降水入滲補(bǔ)給滯后現(xiàn)象的出現(xiàn)，而最大次降水量出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)影響降水入滲補(bǔ)給量峰值出現(xiàn)的時(shí)間，潛水位埋深的大小決定峰值滯后的時(shí)間長(zhǎng)短。因此，年降水總量的大小并不直接影響降水入滲補(bǔ)給的滯后規(guī)律，降水類型和潛水埋深是影響降水入滲補(bǔ)給滯后現(xiàn)象和滯后時(shí)間長(zhǎng)短的主要原因，隨著潛水埋深的增大，降水入滲補(bǔ)給峰值滯后的時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)1～3個(gè)月。

圖1 昌吉試驗(yàn)場(chǎng)砂卵礫石地層1999年雨季降水量和不同埋深條件下實(shí)測(cè)降水入滲補(bǔ)給量

圖2 昌吉試驗(yàn)場(chǎng)砂卵礫石地層2001年雨季降水量和不同埋深條件下實(shí)測(cè)降水入滲補(bǔ)給量

4 影響降水入滲因素分析

大氣降水補(bǔ)給地下水的影響因素眾多，大體可分為氣候、地質(zhì)、地形植被、土地利用等。本試驗(yàn)條件下，影響降水入滲補(bǔ)給的因素可分為降水因素和水文地質(zhì)因素。降水因素包括降水量、降水強(qiáng)度和降水的時(shí)間分布，其中降水量為主要因素；水文地質(zhì)因素包括潛水位埋深、包氣帶巖性和雨前包氣帶土壤含水率[18]。

4.1 降水量

4.1.1 年入滲補(bǔ)給量與降水量的關(guān)系 為探討不同地層巖性和不同潛水埋深條件下入滲補(bǔ)給量與降水量的關(guān)系，選取砂卵礫石地層深埋深5.0 m和細(xì)砂地層淺埋深0.5 m降水入滲資料進(jìn)行分析，1999-2010年砂卵礫石地層5.0 m埋深下及細(xì)砂地層0.5 m埋深下入滲補(bǔ)給量與降水量的關(guān)系見圖4和5。由圖4和5可看出，對(duì)于不同巖性地層在不同潛水埋深條件下，年降水入滲補(bǔ)給量與降水量均有明顯的線性關(guān)系，即年降水入滲補(bǔ)給量隨著降水量的增大而增大。砂卵礫石地層潛水埋深為5.0 m，由于該水位埋深較大，入滲補(bǔ)給的滯后時(shí)間較長(zhǎng)，年降水量產(chǎn)生的補(bǔ)給不能在當(dāng)年完成，當(dāng)年補(bǔ)給量的大小不能代表這一年降水所產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給量的大小。細(xì)砂地層潛水埋深為0.5m，由于該水位埋深較淺，年降水量峰值出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和年降水入滲補(bǔ)給量在當(dāng)年峰值出現(xiàn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)發(fā)生重合，年降水量產(chǎn)生的補(bǔ)給能夠在當(dāng)年完成，當(dāng)年補(bǔ)給量的大小可以代表這一年降水所產(chǎn)生的入滲補(bǔ)給量的大小。

4.1.2 潛水年入滲補(bǔ)給量與不同等級(jí)降水量年合計(jì)值的時(shí)差相關(guān)分析 細(xì)砂地層時(shí)差相關(guān)分析結(jié)果見表1。由表1可看出，潛水埋深2.0～6.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年小于15.0 mm的不同等級(jí)降水量年合計(jì)值的相關(guān)性較好，與前1、2 a小于15.0 mm的不同等級(jí)降水量無顯著相關(guān)性；潛水埋深3.0～6.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年大于等于15.0 mm等級(jí)降水量有顯著相關(guān)性；潛水埋深3.0 m年入滲補(bǔ)給量與前2 a的15.0～20.0 mm等級(jí)降水量存在顯著相關(guān)性；潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年或前1、2 a大于等于20 mm等級(jí)降水量均無顯著相關(guān)性。

圖3 昌吉試驗(yàn)場(chǎng)砂卵礫石地層2003年雨季降水量和不同埋深條件下實(shí)測(cè)降水入滲補(bǔ)給量

圖4 1999-2010年砂卵礫石地層5.0 m埋深下入滲補(bǔ)給量與降水量的關(guān)系

砂卵礫石地層時(shí)差相關(guān)分析結(jié)果見表2。由表2可看出，潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年小于15.0 mm不同等級(jí)降水量相關(guān)性較好，與前1、2 a小于15.0 mm不同等級(jí)降水量無顯著相關(guān)性；潛水埋深2.0 、4.0 m和6.0～7.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年15.0～20.0 mm等級(jí)降水量相關(guān)性較好，與前1 a的15.0～20.0 mm等級(jí)降水量無顯著相關(guān)性；潛水埋深2.0 m年入滲補(bǔ)給量與前2 a的15.0～20.0 mm等級(jí)降水量相關(guān)性較好；潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年或前1、2 a大于等于20.0 mm不同等級(jí)降水量均無顯著相關(guān)性。

輕黏土地層時(shí)差相關(guān)分析結(jié)果見表3。由表3可看出，潛水埋深4.0～5.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年小于15.0 mm不同等級(jí)降水量年合計(jì)值相關(guān)性較好；潛水埋深2.0 m年入滲補(bǔ)給量與前2 a的15.0～20.0 mm等級(jí)降水量年合計(jì)值存在顯著相關(guān)性；潛水埋深5.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年15.0～20.0 mm等級(jí)降水量年合計(jì)值的相關(guān)性較好；潛水埋深2.0～7.0 m年入滲補(bǔ)給量與當(dāng)年或前1、2 a大于等于20.0 mm等級(jí)降水量均無顯著相關(guān)性。

圖5 1999-2010年細(xì)砂地層0.5 m埋深下入滲補(bǔ)給量與降水量的關(guān)系

降水等級(jí)/mm滯后年限D(zhuǎn)/a相關(guān)分析結(jié)果水位埋深/m2.03.04.05.06.07.0≥1.00r0.8170.8930.9920.8930.6340.315r/rα1.4181.5501.7201.5501.1000.5470r0.6530.8860.9130.9060.7040.219r/rα1.1341.5381.5851.5731.2200.380≥5.01r0.0730.1310.0440.0780.2120.349r/rα0.1210.4480.0730.1300.3520.5800r0.7510.9020.8790.8820.8780.492r/rα1.3041.5661.5301.5301.5240.854≥10.01r0.1820.1240.0140.0840.1440.227r/rα0.3020.2060.0230.1400.2380.3770r0.5230.7940.7280.7990.6000.262r/rα0.9081.3201.2651.3901.0400.455≥15.01r0.0320.1700.0260.0260.0010.171r/rα0.0530.2830.0430.0430.0020.2832r0.4200.6550.5970.4730.5690.288r/rα0.6651.0400.9930.7490.9000.4560r0.1690.4470.3550.4120.5330.169r/rα0.2930.7760.6160.7150.9250.294≥20.01r0.0170.2920.3620.0330.1390.017r/rα0.0290.4850.6000.0550.2310.0282r0.3340.3790.3700.3510.2250.334r/rα0.5290.6000.5860.5560.3560.528

注：(1)D為降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的滯后年限，D=0時(shí)，降水當(dāng)年入滲補(bǔ)給潛水；D=1時(shí)，降水滯后1 a補(bǔ)給潛水；D=2時(shí)，降水滯后2 a補(bǔ)給潛水；(2)rα為α=0.05時(shí)的臨界相關(guān)系數(shù)值。下同。

表2 砂卵礫石地層潛水年入滲補(bǔ)給量與不同等級(jí)降水量時(shí)差相關(guān)分析結(jié)果

4.2 潛水位埋深

潛水位埋深對(duì)降水入滲的影響主要取決于兩個(gè)因素：一個(gè)是非飽和帶重力水庫容，其量可以用土壤持水度與田間持水量之差來表示；另一個(gè)因素是入滲水量隨水位埋深變化的沿程損失(又稱可入滲水量)[14]。由于包氣帶重力水庫容和可入滲水量這兩個(gè)條件與包氣帶巖性和包氣帶厚度密切相關(guān)，因此降水入滲補(bǔ)給量的大小受包氣帶巖性和潛水位埋深的影響。

依據(jù)昌吉試驗(yàn)場(chǎng)1992-2015年24 a降水量資料計(jì)算降水頻率，選取1999年(豐水年P(guān)m=4.0%)、2001年(枯水年P(guān)m=80.0%)、2010年(平水年P(guān)m=44.0%)降水入滲量以及1999-2010多年平均降水入滲量繪制Pr-Δ關(guān)系圖見圖6。從圖6中可以看出，1999、2001和2010年降水入滲補(bǔ)給量隨地下水埋深的變化趨勢(shì)與多年平均降水入滲補(bǔ)給量隨地下水埋深的變化趨勢(shì)相一致，且四者的降水入滲補(bǔ)給量都在潛水位埋深0.5 m時(shí)到達(dá)峰值，所以就砂卵礫石地層而言，最佳地下水位埋深為0.5m，當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谠撝禃r(shí)，降水入滲補(bǔ)給量隨埋深的增大呈增加趨勢(shì)，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥谠撝禃r(shí)，降水入滲補(bǔ)給量隨埋深的增大呈減小趨勢(shì)然后逐漸趨于穩(wěn)定。

4.3 包氣帶巖性

一般情況下，巖性越粗重力水庫容越大；巖性越細(xì)，重力水庫容越小[17]。在不同巖性中定水位埋深條件下，細(xì)砂地層的水分虧缺量大于輕黏土地層。不同巖性入滲補(bǔ)給量隨埋深變化對(duì)比見圖7，由圖7可看出，埋深相同時(shí)細(xì)砂地層的入滲補(bǔ)給量大于輕黏土地層。因此包氣帶巖性的水分虧缺量越大，降水入滲時(shí)補(bǔ)給地下水的能力越強(qiáng)。對(duì)于不同巖性地層在潛水埋深一定時(shí)，降水入滲補(bǔ)給量的排序?yàn)椋狠p黏土地層<細(xì)砂地層<砂卵礫石地層。不同包氣帶巖性潛水年入滲補(bǔ)給量均存在最佳潛水埋深且在最佳埋深上下的變化規(guī)律相同，細(xì)砂地層最佳潛水埋深為0.5 m，輕黏土地層最佳潛水埋深為0。

表3 輕黏土地層潛水年入滲補(bǔ)給量與不同等級(jí)降水量時(shí)差相關(guān)分析結(jié)果

圖6砂卵礫石地層1999、2001、2010和1999-2010多年平均的Pr-Δ關(guān)系圖 圖7 不同巖性地層入滲補(bǔ)給量隨埋深變化對(duì)比圖

5 降水入滲補(bǔ)給系數(shù)綜合分析

5.1 年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)

年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)(α)是指1 a內(nèi)潛水所獲得的降水入滲補(bǔ)給量與年降水量的比值[19]。依據(jù)地中蒸滲儀1999-2010年觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算砂卵礫石地層、細(xì)砂地層和輕黏土地層的年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α見表4。由表4可看出，當(dāng)巖性和潛水位埋深條件不同時(shí)，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α也不同。降水特征和潛水位埋深條件相同時(shí)，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α從大到小的順序?yàn)椋荷奥训[石地層>細(xì)砂地層>輕黏土地層。3種巖性的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α均在其最佳埋深點(diǎn)處有最大值，細(xì)砂地層和砂卵礫石地層降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α在潛水埋深0.5 m時(shí)最大，輕黏土地層降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α在潛水埋深為0時(shí)最大。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α在最佳埋深點(diǎn)兩端的變化趨勢(shì)和降水入滲補(bǔ)給量在最佳埋深點(diǎn)兩端的變化趨勢(shì)相同。當(dāng)潛水埋深大于最佳潛水埋深時(shí)，α逐漸減小并趨于穩(wěn)定，存在一個(gè)穩(wěn)定埋深。穩(wěn)定埋深沒有一個(gè)絕對(duì)的值，但通過實(shí)測(cè)資料可看出，在降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α逐漸減小的過程中，α的變化量也不斷減小，例如細(xì)砂地層大于6.0 m時(shí)，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α的變化量小于0.008，因此可以認(rèn)為細(xì)砂地層大于6.0 m時(shí)，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)趨于穩(wěn)定。

表4 1999-2010年各巖性不同潛水埋深潛水年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)α統(tǒng)計(jì)表

5.2 最佳地下水埋深和埋深穩(wěn)定點(diǎn)分析

最佳地下水埋深是指在一定的年降水特征和巖性條件下，依據(jù)年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)隨地下水埋深的變化規(guī)律建立α-Δ關(guān)系曲線，年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的埋深[17]。不同巖性對(duì)應(yīng)不同的最佳地下水位埋深。影響最佳地下水埋深的因素主要有：包氣帶重力水庫容、可入滲水量大小及它們與地下水埋深之間的定量關(guān)系，其中最重要的是包氣帶巖性及其結(jié)構(gòu)特征、年降水量及其時(shí)空分配特征[19]。根據(jù)昌吉地下水均衡試驗(yàn)場(chǎng)地中滲透儀1999-2010年觀測(cè)資料確定最佳潛水埋深。

埋深穩(wěn)定點(diǎn)是指在一定年降水特征和巖性條件下，依據(jù)年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)隨地下水埋深的變化規(guī)律建立α-Δ關(guān)系曲線，在α-Δ關(guān)系曲線上，降水入滲補(bǔ)給系數(shù)不再隨地下水埋深的增大而減小時(shí)臨界點(diǎn)埋深的大小。降水入滲補(bǔ)給系數(shù)埋深穩(wěn)定點(diǎn)的存在機(jī)理為：當(dāng)?shù)叵滤裆钭銐虼髸r(shí)，地下水基本無法形成蒸散發(fā)，在僅有毛細(xì)力的作用下地下水也無法向上運(yùn)移被植物根系吸收，在重力水頭的作用下重力水團(tuán)只能向下運(yùn)移。所謂降水入滲補(bǔ)給量隨地下水埋深逐漸減小趨于穩(wěn)定的位置，即為蒸散發(fā)量從表層到深層逐漸減小趨近于零的位置[16]。

5.3 年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

采用以降水量為權(quán)重的加權(quán)平均法計(jì)算多年平均降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，如表4所示。在細(xì)砂地層、砂卵礫石地層、輕黏土地層最佳埋深點(diǎn)存在的條件下，由于多年平均降水入滲補(bǔ)給系數(shù)在最佳埋深點(diǎn)后的變化趨勢(shì)符合指數(shù)函數(shù)的分布特征，根據(jù)1999-2010年多年平均降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，擬合出年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和水位埋深間的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式，其適用范圍為：砂卵礫石地層和細(xì)砂地層埋深為0.5～6.0 m，輕黏土地層埋深為0.0～6.0 m。與昌吉試驗(yàn)場(chǎng)2002年建立的年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)與水位埋深間的線型經(jīng)驗(yàn)公式[15]對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，依據(jù)最佳潛水埋深和穩(wěn)定潛水埋深建立的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式擬合程度更高，可適用的埋深范圍更廣。

1999-2010年昌吉試驗(yàn)場(chǎng)降水入滲補(bǔ)給系數(shù)與潛水埋深間的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式為：

砂卵礫石地層：

α=0.3159e-0.178x

(1)

(n=8,r=0.907,r0.05= 0.707,r0.01=0.834)

細(xì)砂地層：

α=0.3973e-0.333x

(2)

(n=8,r=0.885,r0.05=0.707,r0.01=0.834)

輕黏土地層：

α=0.1243e-0.214x

(3)

(n=9,r=0.926,r0.05=0.666,r0.01=0.798)

5.4 討論

前文已述及影響大氣降水補(bǔ)給地下水的因素有很多，確定干旱半干旱地區(qū)地下水補(bǔ)給的研究方法也有很多，除了上文所提及的幾個(gè)主要影響因素，計(jì)算成果的精度甚至還取決于地中蒸滲儀的觀測(cè)方法和觀測(cè)精度，但本文選取的樣本足夠多，時(shí)間尺度足夠長(zhǎng)，最后得出的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可以較準(zhǔn)確地反映出干旱區(qū)降水入滲補(bǔ)給規(guī)律。本文計(jì)算的多年平均降水入滲補(bǔ)給系數(shù)和擬合的經(jīng)驗(yàn)公式依據(jù)的是地中蒸滲儀觀測(cè)資料，地中蒸滲儀是定水位觀測(cè)，但自然狀態(tài)下，降水到達(dá)潛水面時(shí)，會(huì)引起潛水面的抬升。當(dāng)在潛水面較淺的情況下，會(huì)使包氣帶的土壤水庫蓄水能力降低從而限制降水入滲，試驗(yàn)條件下計(jì)算的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)要比實(shí)際值偏大。相關(guān)部門在應(yīng)用本文的研究成果時(shí)需注意經(jīng)驗(yàn)公式和年降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的適用范圍，并且所研究的地滲儀系統(tǒng)中的皿筒并無作物種植，在應(yīng)用到地下水補(bǔ)給資源計(jì)算的過程中，需考慮有作物種植和不同種類作物種植條件下降水入滲補(bǔ)給系數(shù)的變化。本文所確定的不同巖性地層的最佳地下水位埋深和穩(wěn)定埋深可以作為地下水位調(diào)控的重要依據(jù)，對(duì)于新疆天山北麓平原區(qū)地下水開發(fā)利用具有一定的實(shí)際意義。

6 結(jié) 論

(1)相對(duì)于降水過程，降水入滲補(bǔ)給存在著明顯的延遲滯后現(xiàn)象。降水類型和潛水位埋深是影響降水入滲補(bǔ)給滯后現(xiàn)象和滯后時(shí)間長(zhǎng)短的主要因素，隨著潛水埋深的增大，降水入滲補(bǔ)給峰值滯后時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)1～3月。

(2)影響降水入滲補(bǔ)給地下水的因素主要有年降水量、潛水位埋深和包氣帶巖性。當(dāng)降水量增大時(shí)降水入滲補(bǔ)給量也隨之增大。降水入滲補(bǔ)給量在潛水埋深一定時(shí)從大到小的順序?yàn)椋荷奥训[石地層>細(xì)砂地層>輕黏土地層。

(3)當(dāng)?shù)叵滤裆钚∮谧罴褲撍裆顣r(shí)，降水入滲補(bǔ)給量隨埋深的增大呈增加趨勢(shì)，當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥谧罴褲撍裆顣r(shí)，降水入滲補(bǔ)給量隨埋深的增大呈減小趨勢(shì)，最后趨于穩(wěn)定。砂卵礫石地層和細(xì)砂地層最佳潛水埋深為0.5 m，輕黏土地層最佳潛水埋深為0；砂卵礫石地層、細(xì)砂地層和輕黏土地層穩(wěn)定潛水埋深為6.0 m。

(4)用降水量為權(quán)重的加權(quán)平均法計(jì)算多年平均降水入滲補(bǔ)給系數(shù)，依據(jù)最佳潛水埋深和穩(wěn)定潛水埋深建立的降水入滲補(bǔ)給系數(shù)與潛水埋深的指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式擬合程度更高，可適用的潛水埋深范圍更廣。