降雨入渗补给浅层地下水过程探讨

2010-03-05宾予莲河南省水文水资源局

河南水利与南水北调 2010年6期

□宾予莲（河南省水文水资源局）

□齐登红（河南省地质环境监测院）

一、降雨入渗补给概念

通常将降雨从地表进入土壤，通过土壤进入地下水的过程称为降雨入渗补给。降雨从地表进入土壤的水量称为降雨入渗量。降雨从地表渗入土壤非饱和带，又从非饱和带渗入饱和带或潜水含水层的那部分水量，称为降雨对浅层地下水的入渗补给量，简称降雨入渗补给量，其过程称为降雨入渗补给过程。

二、降雨入渗过程

降雨入渗过程一般可用图1来表示。图中abc线为干土降雨条件下入渗率随时间变化过程线。降雨入渗补给的强度主要取决于降雨强度和土壤渗吸强度。当降雨强度较小或土壤渗吸性能较强，且降雨强度小于土壤渗吸强度时，则入渗水强度主要取决于降雨强度，雨水将全部渗入地下。入渗率如图中ab段所示，此时降雨强度基本保持不变，土壤表层含水率随入渗时间的延续而逐渐提高，直至达到某一稳定值。这一阶段的入渗强度等于降雨强度，为自由入渗阶段，入渗率为R。当降雨强度超过了土壤的渗吸速度，入渗强度将取决于土壤的渗吸强度，这样就会形成地表积水或地表径流（入渗率如图1中的bc段）。这一阶段为压力入渗阶段。两个阶段的交点（图中1的b点）即为积水点（时间为tp）。渗入地下的水量一部分储存在地下水面以上土层的土壤孔隙中，超过田间土壤持水率部分的水量才渗入补给地下水，这部分水量为地下水入渗补给量。

下面以亚砂土夹薄层亚粘土降雨入渗试验为例，说明年度降雨入渗补给过程。在降雨初期，由于土壤干燥，毛细负压很大，毛细负压与重力共同使水下渗，此时包气带的入渗能力很强，但入渗补给地下水的量不一定很大。经过几次降雨后，土壤中的湿峰面未达到地下水面，就被蒸发掉或引起土壤含水量增加，并未对地下水形成入渗补给。随着降雨强度和频率的增加，试筒土壤中含水量增加，湿峰面推进到地下一定深度，相对于重力水力梯度而言，毛细水力梯度逐渐变小，入渗速率逐渐趋于某一定值。当土壤中含水量超过田间持水度时，降雨入渗量迅速增加，形成一个入渗高峰，之后逐渐变小。砂性土在雨季每次这样的降雨过程，都会形成一个入渗补给过程。

图1 降雨入渗过程图

三、活塞式降雨入渗过程

目前认为降雨入渗方式有2种，活塞式和捷径式（优先流）。活塞式入渗补给过程，属于入渗湿润峰面推进补给型。由于形成入渗湿润峰的降雨强度、降雨频率、降雨持续时间、雨前土壤含水率等复杂因素的影响，峰面下移的速度有所差异，入渗过程也不一样。

土壤含水量的变化明显反映了降雨入渗补给模式。在长时间没有降雨的情况下，由于土面蒸发，试筒上部的含水量已低于残留含水量，而造成所谓的包气带水分含水量较低，自顶到底逐渐过渡，呈现比较明显的蒸发型土壤水分剖面。连续降雨后，较浅部的土壤含水量迅速增大，然后逐渐减小，而较深处则逐渐增大。随着时间的推移和降雨的不断下渗，土壤中超过田间持水率的水分不断向下运移，最后入渗补给地下水。这种入渗过程符合活塞流的入渗模式。地下水位埋藏较浅时，降雨后入渗补给量迅速增大，然后迅速衰减，随着地下水位埋深增大，入渗过程线逐渐变缓，入渗补给流量的增加和衰减均变缓。由此分析粉细砂中入渗模式以活塞式为主，但是降雨后，浅埋深入渗补给量迅速增加，说明也可能存在部分优先流。

四、优先流降雨入渗过程

由于包气带土壤中不可避免的存在虫孔、大孔隙或裂缝等大的孔隙通道。降雨后，水分首先沿此类大孔隙迅速下移，以优先流的形式补给地下水。如亚粘土中大孔隙发育，且基本贯通，尽管埋深不同，但是降雨入渗补给对降雨的响应时间基本一致。降雨后，入渗补给量迅速增加，降雨之后，入渗补给量迅速衰减。在整个入渗过程中土壤含水量略有增加或基本保持不变。说明该种岩性为优先流入渗模式。在雨季之前，由于土壤水分亏缺，零星的降雨基本不能对埋深较大的地下水形成补给。雨季过后，滞留于土壤中的水分在重力作用下缓慢下移，以活塞式入渗补给地下水。

对于细粒土，在降雨入渗过程中，活塞式入渗和优先流式入渗两种模式同时存在，只是哪种入渗模式占优势而已。

五、降雨入渗补给的滞后和延迟

降雨入渗补给过程是包气带对降雨的一个响应，因此具有系统响应的特征，存在明显的滞后和延迟。优先流的存在又导致了降雨入渗补给的滞后和延迟的复杂化。

包气带与水库调节地表径流过程一样，对降雨入渗补给地下水过程有调节作用，使得降雨入渗补给过程明显滞后于降雨过程。这种现象被称为降雨入渗补给的滞后延迟效应。入渗滞后延迟补给特征与调节库容大小有密切关系。地下水埋深越大，调节库容也越大，调节功能越强，入渗补给滞后延迟现象越明显。表1为新乡轻亚砂土2000年9月24日最后1次较大降雨后（89.7mm）不同埋深实测入渗补给量历时曲线的特征值。由表1可以看出，当地下水位埋深≤1m时，次降雨过后引起入渗补给时间一般不超过2d。随着地下水位埋深的加大，降雨入渗补给滞后时间延长。埋深分别为5m和7m的试筒的滞后补给时间分别为13d和19d，而延迟补给的时间分别达到72d和98d。存在明显的入渗补给滞后和延迟效应。图2为郑州黄土状亚砂土3m水位埋深在汛期降雨入渗补给过程曲线。上半部分为降雨过程线，下半部分为降雨入渗过程线。第一次较大的次降雨形成一个由低到高，又由峰值逐渐下降的入渗过程线，明显也存在滞后和延迟。在连续降雨的情况下，前一场入渗过程常常同相邻的后一场降雨入渗补给过程叠加，使前一场的入渗过程受到干扰。总的入渗补给过程线由几场降雨入渗补给过程迭加而成。最后一次降雨入渗延迟补给过程持续时间较长。土壤含水量对入渗滞后补给也会产生明显的影响。雨前土壤含水量越小，入渗补给滞后时间越长；反之入渗补给滞后时间越短。

表1 新乡轻亚砂土次降雨入渗补给的滞后和延迟时间（2000年）

图2 郑州3m水位埋深黄土状亚砂土降雨入渗补给历时曲线（1994年）

六、降雨入渗优先补给过程

当土壤中存在有根孔、虫孔与裂缝等大的孔隙通道时，降雨后雨水沿着渗透性良好的大孔隙通道优先快速下渗补给地下水，称为降雨入渗补给的优先流。由于亚粘土中存在裂隙，因此降雨后雨水从裂隙通道直接下渗，每一次降雨都有一个入渗过程，入渗补给滞后不明显或滞后延迟时间都很短。入渗过程曲线与1m埋深的粉细砂或亚砂土相似，在很短的时间内入渗补给地下水。不同水位埋深入渗规律比较一致，但是随着埋深的加大次入渗量有所减少。在＜2m埋深的试筒中降雨后直接入渗，降雨结束，入渗也随之结束。但在3m埋深以下，入渗高峰过后仍然有不间断的入渗发生，只是次入渗量较小。说明粘性土中主要存在优先流补给模式，水位埋深较大时粘性土中也存在少部分活塞流式入渗。

砂性土主要入渗形式是活塞式，也可能存在部分优先流。砂性土中裂隙、虫孔、根系等分布不均、连通性差，因此优先流发生在水位埋深＜2m的试筒中可能性较大。埋深＞3m的试筒入渗过程线明显符合活塞式入渗的特点。