趙雪梅

(山西省永濟市水資源管理委員會辦公室,山西永濟 044500)

1 大氣降水入滲機理

降雨到達地面后,一部分以地表徑流的方式流出,另一部分入滲地下稱之為入滲量,但這部分水量并非全部補給了地下水,而是在入滲過程中被土壤的蒸發(fā)和植物的蒸騰作用所消耗,有的附著于土壤顆粒的表面,余下的一部分才真正補給地下水,形成入滲補給量。

降水入滲過程,可分為三個階段:

(1)截留階段,降水初期,一部分雨水被植物截留,一部分降到地面,濕潤表層土壤。

(2)下滲階段,隨著雨水繼續(xù)降落,植物截留量達到最大限度,土壤進一步濕潤,含水量增加。當表層土壤含水量達到一定限度時,雨水沿孔隙、裂隙向深部下滲。

(3)產(chǎn)流階段,當降雨強度超過下滲速度時,地表開始積水,并沿坡面流動,充填坑洼,匯入溝河,形成地面徑流。三個階段既是相互聯(lián)系的,同時,又是交叉進行的。

下滲到土壤內的雨水,受重力作用,由上部逐漸向深部移動,包氣帶土壤水,只有在大于田間最大持水量估最大毛管持水量時,才能產(chǎn)生重力水補給地下水。實際土壤水分特性曲線反映,除了雨后短時間外,年內絕大多數(shù)時間處于虧水狀態(tài),土壤水分布總趨勢是上小下大,地下水面處達到田間最大持水量。缺水量隨埋深增大呈非線性增大,從田間最大持水量到飽和含水量是降水入滲補給的限度,即重力水庫容。隨埋深加大,重力水庫容也增大。

2 影響降雨入滲的因素

大氣降水對地下水的補給,受到多種因素影響,影響結果綜合反映在地下水位的變化上,影響降雨入滲的主要因數(shù)包括:

2.1 土壤顆粒結構的影響

土壤顆粒大小及排列決定了土壤的滲透性,顆粒越粗,磨圓及分選性越好,滲透性越強,濕潤性越強,濕潤峰面下移越快,入滲補給量就大,反之入滲補給量小。

2.2 地面坡降的影響

地面坡降越大,易形成地面徑流,人滲補給受到影響,地面平緩地表徑流微弱,成為良好的補給區(qū)。

2.3 土壤理化性質的影響

各類土壤一般都含有一定數(shù)量的膠質和礦物質,膠質遇水膨脹,阻塞孔隙,阻滯雨水入滲,含膠質較多的土壤使入滲量減小。

2.4 雨前地下水埋深的影響

埋深小易形成地面徑流,使入?yún)⒘繙p小,埋深增大,下滲雨量大部分充填于非飽和帶土壤,使補給量逐漸減小,所以存在最佳埋深范圍,在此埋深范圍內,入滲補給量最大。降水量與缺水量之差(扣除雨期蒸發(fā))稱之為可入滲水量。顯然可入滲水量隨埋深增加而減小。在埋深較小時,盡管有較多可入滲水量,卻受重力水庫容小的制約,多余部分形成地表徑流;在埋深較大時,重力水庫容大于可入滲水量,后者成為制約因素,在某埋深處二者相等,即為降水入滲的最佳埋深,因重力水庫容曲線不變,雨量(可入滲水量)越大,最佳埋深也就加大。

2.5 降雨量及降雨形式的影響

當?shù)叵滤裆畲笥谧罴崖裆顣r,入滲補給量隨雨量的增大而增加,當埋深小于最佳埋深時,受地下水庫容制約,易形成蓄滿產(chǎn)流,入滲補給量與降水量成反比關系。

各種降水形式中以雨對地下水的補給量最大,其它降水對地下水補給價值不大;在各種降雨類型中,霪雨的雨率不大,但雨時長,雨面廣,對地下水的補給具有很大意義,細雨的雨量、雨率皆不大,易被蒸發(fā)所消耗,暴雨的雨率大,但雨時短,雨水大部分來不及滲入地下水,多呈地表徑流流失。

2.6 雨強的影響

降水強度小于入滲速度時,雨強增大,入滲量增加;反之,入滲量減小。當雨強與入滲速度相近時,補給地下水為最佳。

2.7 植被的影響

植被可緩減地表徑流,延長入滲補給時間,增加入滲補給量,相反,植被使土壤蒸散發(fā)加快,相對減少人滲補給,其結果取決于二者起主導作用的一面。

3 降雨入滲補給量分析

3.1 降水入滲補給系數(shù)

降水對地下水的垂直入滲補給可以用降水入滲補給系數(shù)來表征其強弱,表達式為:

α=Pr/P

式中:α為降水入滲補給系數(shù);Pr為降水入滲補給量(mm);P為 降水量(mm)。

α又可分為次降水入滲補給系數(shù)和年降水入滲補給系數(shù),α的大小直接反映了不同地下水埋深,不同次降水量,對地下水的補給差異及變化規(guī)律,同時也表明不同地層條件及巖性結構與降水入滲補給量的關系。

3.2 降水入滲補給系數(shù)的計算方法

以山西省第二次水資源評價為例,降水入滲補給系數(shù)主要用以下方法求取:

3.2.1 相關圖解法

選取地下水水平徑流微弱的地下水井孔資料,在地下水動態(tài)過程線(或動態(tài)資料)上摘取次降水量引起的地下水升幅值 Δh次由單井逐次雨量升幅值,即可求得 α年:

式中:μ∑Δh次為年內各次降水入滲補給地下水之和;P年為年降水量

由于地下水動態(tài)觀測資料受天然及人類活動因素的影響,單井資料難以確定年內各次降水引起的地下水位升幅值。選用相同巖性的群井資料,按埋深分級進行分析計算。以巖性、埋深為參變量點繪有效雨量(P+Pa)與 Δh次關系圖,其中 P為所取次雨量,Pa為前期影響雨量,計算式Pa=∑kiP。

式中 P為本次降雨前 i天的雨量;k為遞減系數(shù),一般變化在 0.8～0.9之間,取 k=0.85,i=15(日)。由實測資料 P+Pa～Δh相關圖可見,P+Pa與 Δh呈直線關系,直線與橫軸(P+Pa)交點設為 P0。通過實測點據(jù)回歸建立關系:Δh=a+b(P+Pa),借助上述關系插補實測不到的 Δh次。某次降雨(P+Pa)大于 P0時,即入滲補給地下水,小于 P0時,則填充消耗于包氣帶,無入滲補給地下水。

根據(jù)動態(tài)資料分巖性逐級埋深建立水位升幅與降水量關系。將所求Δh次代入(1)式中得到不同巖性、不同雨量級、不同埋深級的降雨入滲補給系數(shù) α年。

在大量點據(jù)計算的基礎上,考慮到面上的應用和系列計算,點繪 α～P～Δ關系圖(圖 1為山西省亞沙土 α～P～Δ關系圖),其關系與下式擬合較好:

α=aΔbe-cΔ+d(1-e-fΔ)

式中:α為年降水入滲補給系數(shù);Δ為年地下水平均埋深 (m);a、b、c、d、f均為常數(shù)。

圖1 山西省亞沙土α～P～Δ關系圖

3.2.2 回歸分析法

盆地平原區(qū)除大暴雨外,大部分有效雨量降到地面后,基本上不產(chǎn)流,一次降雨到達地面后,除消耗于補充包氣帶巖土含水量,使其達到田間最大持水量外,一部分下滲補給地下水,另一部分消耗于蒸散發(fā)。如前述,Δh次與(P+Pa)在一定雨量內呈線性關系,故在同一巖性、埋深一定時,Δh次與(P+Pa)有如下關系:

式中:(P+Pa)為有效雨量;P0為臨界雨量;A為待定系數(shù);

臨界雨量 P0即為次降雨對地下水將要產(chǎn)生補給時的有效雨量值。通過分析,P0與地下水埋深及前期土壤含水量有關。經(jīng)點繪亞砂土 P0—Δ關系曲線,P0與 Δ呈曲線關系,可建立如下數(shù)學關系式:

(1)P0=B1g(1+Δa)

(2)P0=BΔa

式中:B為待定系數(shù);a為待定指數(shù)。

通過對亞砂土觀測資料回歸計算,第一種形式相關程度高于第二種形式,選擇第一種關系式代入(2)式,可近似地轉化為以地下水埋深 Δ為參變量的相關關系,由(2)式得:

Δh=A[(P+Pa)—B 1g(1+Δ1/2)](a=1/2由回歸計算求得)。

在回歸計算時,為了消除回歸時資料帶來的誤差,首先根據(jù)實測點據(jù),確定系數(shù) B,而后回歸定解系數(shù) A。

在計算 Δh與 ∑Δh時,考慮到有效降雨大部分集中在汛期(6～9月),而在地下水埋深較淺時,將蓄滿產(chǎn)流,故當計算值 Δh＞Δ時,取 Δh=Δ;假定為無復蓄條件,當 ∑Δh≥Δ時,取 ∑Δh=Δ。通過計算 Δh,由式(1)即得年降雨入滲補給系數(shù) α年。

3.3 降水入滲補給量

降水入滲補給量指降雨后滲入到土壤并在重力作用下下滲補給地下水的量,其計算式為:

Q降=α? P? F

式中:Q降為降水入滲補給量;α為降水入滲補給系數(shù);P為計算區(qū)年平均降雨量;F為計算區(qū)面積。

總之,大氣降水對地下水的補給,受到多種因素影響,在地下水開采過程中,降水入滲條件也可能發(fā)生變化,影響其變化的主要因素包括土壤顆粒結構、地面坡降、土壤理化性質、地下水埋深、降雨量及降雨形式、雨強、植被等,而降水入滲補給系數(shù)是這些因數(shù)的綜合反映。降水入滲補給系數(shù)直接表達了降水對地下水的垂直入滲補給的強弱,是計算降水入滲補給最關鍵的參數(shù)。