吳慶華，張家發(fā)，嚴 敏，王貴玲，楊潤生

(1.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010;2.中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，石家莊 050061;3.中核第四研究設計工程有限公司，石家莊 050021)

潛水入滲補給過程是大氣－土壤－植物－地下水系統(tǒng)中水循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。地下水入滲補給的實質是包氣帶中土壤水分向潛水含水層運移。對地下水入滲補給的機理研究主要體現(xiàn)于對土壤水運移的研究。國內外對地下水入滲補給進行了大量的研究，主要集中在土壤水運移機理、地下水入滲補給評價方法及其成果應用方面。潛水入滲評估也是區(qū)域水資源評價與管理中的核心部分。

1 地下水入滲補給機理

1.1 土壤水運移機理

部分大氣降雨或灌溉水通過土壤入滲補給地下水。地下水入滲補給過程的實質是土壤水向淺層含水層遷移。研究土壤水運移特征可以揭示地下水入滲補給規(guī)律及其機理。土壤水是指地面以下至潛水面以上范圍內土壤中的水分，即非飽和帶中土壤含水量［1］。土壤水是“四水”(大氣降水、地表水、土壤水和地下水)轉換的中心元素，在整個水圈中具有核心地位。從20世紀下半葉到1907年Buckingham提出毛管勢理論之前，人們一直采用形態(tài)學觀點研究土壤水運動，定性描述土壤水的形態(tài)和數(shù)量，能較好地刻畫簡單農田條件下的土壤水運移［2］。該觀點主要以 ПoCo柯索維奇、гoooooHo維索斯基和AooAo羅戴等前蘇聯(lián)學者為代表［3］。形態(tài)學觀點于20世紀50年代系統(tǒng)傳入中國，對我國土壤水運移研究起到積極作用，主要以楊文治［4］、李玉山［5］、邵明安［6］等為代表。毛管勢理論的提出標志著能量觀點被正式應用于土壤水運移研究，逐漸取代形態(tài)學觀點。1931年Richards導出了土壤水非飽和流方程，開啟了土壤水運移的研究從定性走向定量，從經驗走向機理之門。能量觀點于1977年12月在杭州舉行的全國第一次土壤物理會議上正式被介紹到國內［7］。張蔚榛等［8］較早應用勢能理論研究飽和－非飽和土壤水運動及溶質運移問題，并在全國及《水文地質工程地質》期刊上開展了系列講座［9－12］，對我國土壤水運移研究起到了推進作用。能量觀點在我國主要以張蔚榛和雷志棟［13］等為代表。

1.2 土壤水入滲補給模式

1.2.1 均質流

土壤水分入滲是土壤水分運移最重要的形式之一，是大氣降雨或灌溉水入滲補給潛水的唯一方式。由于解析求解Richard方程十分困難，在實際工作中很難應用，因此發(fā)展了很多經典的入滲模型，且假設土壤為均勻介質。Green和Ampt最早在1911年提出入滲理論，建立了經典的入滲模型即Green－Ampt模型，其假設入滲剖面呈階梯狀、鋒面為干濕分明的界面，且土壤初期干燥，能較好地刻畫均質性、非疏水性土壤中土壤水入滲遷移。1933年Hor－ton提出的入滲模型考慮了降雨或灌溉強度與入滲率的關系，即假設降雨或灌溉強度超過土壤入滲能力將產生地表徑流，反之將全部入滲土壤，這符合田間實際情況。Philip(1957年)認為入滲速率與時間呈現(xiàn)冪級數(shù)關系。我國學者對土壤水入滲模式進行了大量的研究。王全九、王文焰、邵明安等對Green－Ampt模型進行了改進，對比分析了清水、渾水、連續(xù)和間歇入滲之間的相互聯(lián)系［14－15］，并對結皮、植被覆蓋和坡面條件下入滲的適用性進行了對比分析［16］，對黃土中水分運移入滲模型進行修正，修正后的模型適用性較好［17］，以及對該模型在層狀結構性土壤中的適用性作了分析［18］。郭向紅和馬娟娟分析了恒定［19］和變化［20］入滲水頭條件下的Green－Ampt模型。馬英等分析了層狀土壤中禁錮的空氣對土壤水入滲補給地下水的影響，并修改了Green－Ampt模型［21］。

1.2.2 非均質流

1.2.2.1 機理研究

土壤水運移及土壤水入滲補給地下水的另外一種模式為捷徑流。形成捷徑流主要原因是由于入滲鋒面不穩(wěn)定和土壤結構造成的。濕潤鋒前被禁錮的土壤空氣可以導致其不穩(wěn)定，土壤的疏水性與大孔隙、團聚狀土以及層狀和透鏡狀土壤均會誘發(fā)捷徑流，也稱優(yōu)先流。對優(yōu)先流現(xiàn)象的認識與研究標志著對土壤水運移的研究已由均質流走向非均質流。優(yōu)先流是指土壤水沿著大孔隙、裂隙、蟲穴洞以及作物根系等優(yōu)先通道，繞過大部分土壤基質快速通過土壤介質的現(xiàn)象。土壤中優(yōu)先流主要有大孔隙流、指流和漏斗流，但在田間大孔隙流普遍存在，對潛水入滲補給影響顯著［22］。1864年Schumacher發(fā)現(xiàn)土壤入滲主要受大孔隙影響，其主要動力為重力勢能，以及1882年Lawes等在研究降雨與排水關系時發(fā)現(xiàn)大部分降雨快速通過土壤排泄，這是早期對優(yōu)先流的認識記載，但直到20世紀60年代才被科學家們重視起來［23］。Keith(1982年)分析了大孔隙對降雨入滲補給的影響，對大孔隙形成原因進行了分類總結。同時提出了缺乏對大孔隙最小尺寸的明確界定，這在一定程度上對大孔隙優(yōu)先流的研究帶來不便［22］。Larsson等(1999年)分析了疏水性砂性土中優(yōu)先流現(xiàn)象，結果表明優(yōu)先流降低土壤含水量，增加地下入滲補給量，加速地表污染物進入含水層［24］。由于長期的優(yōu)先流作用，改變了歷史事情核素在土壤中的分布，使其快速進入地下水［25］。Bundt等對優(yōu)先流路徑中生物作用進行了研究，結果顯示優(yōu)先流路徑是生物活動集中場所，有機碳和氮含量明顯高于土壤基質［26］。田間土壤在機械作用下，土壤結構發(fā)生變化，Mooney等認為固結作用能促進砂土優(yōu)先流發(fā)育，加速灌溉水或降雨入滲補給地下水，但會抑制粘性土壤中優(yōu)先流發(fā)育［27］。Weiler等對不同初始土壤含水量、灌溉速率與土壤質地下的水流模式進行了分析，大孔隙流、基質流以及兩者之間相互作用在土壤剖面上呈現(xiàn)不同分布規(guī)律［28］。Jarvis等研究了近飽和條件下疏水性土壤中優(yōu)先流發(fā)育情況，土壤接近飽和時能激發(fā)大部分大孔隙，優(yōu)先流作用增強，但有部分結構性土壤孔隙因為其疏水性而未被激活［29］。Wuest等對比分析了含有少量土壤團塊的砂性壤土在耕作與未耕作情況下優(yōu)先流發(fā)育模式，未耕作地的土壤入滲速率明顯高于耕作土壤，表明耕作工藝破壞了部分大孔隙與地表的連接，使灌溉或降雨時大部分土壤水涵養(yǎng)在耕作層［30］。Harpold等分析了由土壤管洞和泉所形成的水平優(yōu)先流對大尺度流域側向補給的影響［31］。Alaoui等對比研究草地與森林土壤中優(yōu)先流現(xiàn)象對地表徑流和入滲補給的影響，森林植被根系粗深，能快速將雨水運移到深部，且草地因地表土壤被翻耕，破壞了耕作層下的大孔隙與地表的連通，導致森林土壤優(yōu)先流作用更加顯著［32］。

1.2.2.2 方法研究

目前對優(yōu)先流的研究方法分為直接法和間接法。直接法主要為示蹤法在國際上普遍采用。示蹤法可以對比定量研究優(yōu)先流在土壤入滲以及補給地下水過程中的作用。染色法是其中最常用的一種。染色劑直接染色水流所經過的路徑，具有直觀、準確之優(yōu)點，且成本低，易操作，被科研工作者廣泛應用。Forre等系統(tǒng)介紹了利用染色研究土壤優(yōu)先流，提出了染色剖面拍攝照片校正處理程序，為以后科研工作者提供參考［33］。Flury和Wai總結了多種示蹤劑在優(yōu)先流研究中應用情況，如溫度，同位素(3H，18O，15N，82Br等)，無機陰離子(Cl－，I－，Br－等)，碳氟化合物(CFCs)，SF6，苯酸，孢子，膠體，微生物以及染色劑等［34］。亮藍和熒光素因其顯著的顯色效果、低吸附性、易水溶性、易檢測性等特點廣泛應用于優(yōu)先流研究。用染色技術可以獲得高精度3D土壤水流模式，通過對土壤高精度切片、取樣，測試其染色劑含量，對比分析染色劑含量與成圖色彩關系，客觀反映水流模式，定量評價優(yōu)先流對土壤水入滲補給地下水的作用［35－42］。間接方法主要是通過測量含水量變化，土柱溶質穿透曲線等方法研究優(yōu)先流。在土壤剖面安裝一系列土壤含水量(TDR)或水勢(陶土頭)探頭，是研究土壤剖面水流特征的常用辦法，但高密度設備插入對土壤結構破壞很大，影響優(yōu)先流研究。隨著CT技術的進步，利用X射線成像技術可以對土壤柱體掃描，解譯土壤結構，提取水流模式，其精度高于田間染色示蹤，但其應用成本較高，研究尺度小，難以在野外使用，限制了該方法在此領域的廣泛應用［43－44］。也有學者利用地質雷達研究較顯著的地下優(yōu)先流通道(大裂隙等)，具有測試便攜、原位、成本低且對中－小尺度具有很強的適應性等優(yōu)點，在一定程度上彌補了其他方法在研究尺度上的局限性。該方法可能將成為研究田間以上尺度的優(yōu)先流的有效方法之一［45］。我國學者對優(yōu)先流的研究起步很晚。區(qū)自清等研究了凍融和干濕交替過程對大孔隙形成的作用，結果表明凍融較干濕過程更容易形成大孔隙優(yōu)先流，并輔以室內土柱溶質穿透曲線驗證［46］。王煥之探討了水稻田中裂隙通道形成的優(yōu)先流現(xiàn)象，分析了影響土壤裂隙形成的相關因素［47］。郭會榮、齊登紅等通過地中滲透儀研究了降雨過程中優(yōu)先流的形成機制，定量評價了優(yōu)先流在土壤水入滲補給地下水的比重［48－49］。染色切片試驗和室內土柱穿透實驗均被普遍應用于包氣帶優(yōu)先流定量研究，并取得了較好效果［50－52］。目前對土壤優(yōu)先流模擬主要采用兩區(qū)模型和兩流區(qū)模型。這2個模型的共同點是將整個土壤介質分為2個區(qū)，兩區(qū)模型假設將其分為可流動區(qū)和不可流動區(qū)，而兩流區(qū)模型則分為快速流動區(qū)(優(yōu)先流)和慢流動區(qū)(基質流)［53－57］。兩流區(qū)模型能更加真實地反映土壤水流實際運移情況，但其所涉及的參數(shù)眾多，難以獲取，為模擬預測研究帶來障礙。

綜上所述，目前對優(yōu)先流的研究主要集中于如何定量與定性研究優(yōu)先流現(xiàn)象，對其產生的機理研究相對較少。如何將染色與CT技術所獲得的高精度3D水流信息應用于數(shù)值模擬將是未來優(yōu)先流數(shù)值模擬的重要方向。雖然兩區(qū)模型與兩流區(qū)模型被廣泛應用于優(yōu)先流研究，但其精度不夠，其假設整個流區(qū)分為2個流區(qū)。事實上，土壤大孔隙(大于50 μm)直徑大小、彎曲和連通程度不同，其導水率不同，原則上需要根據(jù)大孔隙滲透系數(shù)大小將土壤大孔隙流區(qū)分為若干亞區(qū)，真實反映土壤水流模式，但由于超過兩區(qū)以上模型所涉及的參數(shù)非常之多，大部分參數(shù)在實際工作中難以獲得，導致其在研究中很少應用。

2 地下水入滲補給評價方法

研究地下水入滲補給的方法主要有示蹤法、地下水位波動法、地中滲透儀法、水均衡法、零通量面法和數(shù)值模擬法等，但每種方法都有其使用的適用性。同時采用多種方法對比評價是目前研究地下水入滲補給的主要趨勢。

2.1 示蹤法

示蹤劑包括環(huán)境示蹤劑、歷史核素示蹤劑、人工示蹤劑。

(1)環(huán)境示蹤劑:常用的環(huán)境示蹤劑為Cl－。降雨中的Cl－入滲土壤，因土壤蒸發(fā)與作物蒸騰作用使Cl－濃度增加，入滲到耕作層下，其濃度不再發(fā)生變化。假設在整個土壤水運移過程中Cl－總量不發(fā)生變化，則根據(jù)Cl－總質量守恒可評價年均地下水入滲補給量［58－59］。在 Cl－來源清楚的條件下，能獲得較理想的年均地下水入滲補給量。Cl－的主要來源包括大氣降雨的干濕沉降(粉塵重的地方尤其重要)、農藥化肥和植物軀干中的Cl－，但在多數(shù)情況難以獲得準確的氯源數(shù)據(jù)，因此Cl－均衡法僅在天然地區(qū)廣泛應用［58－65］。

(2)人工核素:人工核素是指20世紀50—80年代期間核試驗所釋放出的大量核素，如3H，36Cl等，這些核素隨降雨或粉塵沉降入滲地表，其原理和環(huán)境示蹤劑Cl－一樣［66］。此方法要求包氣帶厚度足夠大，確保研究時人工核素峰值在包氣帶內。如華北平原大部分地區(qū)人工核素鋒面基本上運移至地下水位，則此方法不適用。

(3)人工示蹤劑:在人類活動強烈地區(qū)，無法采用自然環(huán)境示蹤劑評價地下水入滲補給量［67］，人工示蹤劑法彌補了此不足。人工示蹤劑分為固態(tài)和液態(tài)，氚和Br－廣泛應用。氚是研究土壤水運移的最理想示蹤劑，但毒性大，不適宜大面積使用，且其測試程序繁瑣，成本過高。Br－是較理想示蹤劑，土壤的負電荷性可能會使評價結果稍微偏大［68－69］。原則上應該采用飽和Br－溶液示蹤，其投放的示蹤劑量不能太大(小于5 cm)，特別是在入滲補給較小地區(qū)(如年入滲量小于10 mm的衡水地區(qū))，否則其評價結果嚴重失真。針對年補給量較小地區(qū)，采用投入足量的固態(tài)示蹤劑，根據(jù)示蹤劑質量守恒與平均溫度下示蹤劑溶解度評價該地區(qū)年入滲補給量［70］。

2.2 地下水位波動法

地下水位波動法是一種較為常用的區(qū)域上評價地下水入滲補給的方法，忽略側向補給。該方法的優(yōu)點是回避了土壤水入滲補給包氣帶的復雜性，但其評價精度依賴于含水層釋水系數(shù)［71］。此方法在人類活動強烈的河北平原(農灌與工業(yè)開采)難以適用。

2.3 地中滲透儀法

地中滲透儀是直接測量土壤蒸發(fā)、作物蒸騰以及地下水入滲補給的精確方法，其他評價方法均以此為驗證參考依據(jù)，因此被廣泛應用于地下水入滲補給研究。地中滲透儀地表尺寸一般在0.01～300 m2，深度必須大于表面種植作物最大根長，一般在幾十厘米到20 m不等［72］。早期(1944年Delj)文獻記載的滲透儀存在不足，如表面積過小，限制作物根系發(fā)展，邊界效應顯著以及滲透儀中采用擾動土壤等。Kitching等針對此不足，將滲透儀表面積擴大至100 m2，深度為3.9 m，其計算結果與采用均衡法相比偏高［73］。1971年在美國華盛頓建立了迄今為止最深(18 m)的地中滲透儀［74］。

我國自20世紀60年代以來，在全國各主要科研試驗場(如中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所衡水和正定試驗場，中科院欒城、禹城等試驗場，以及農科院，環(huán)境科學院等科研機構和相關高等院校學習研究基地)建起了不同規(guī)格的地中滲透儀，最大深度為6 m。

2.4 水均衡法

利用水均衡原理評價潛水入滲補給量，稱為水均衡法。該方法僅適用于補給與排泄項都能準確獲取的區(qū)域。吳慶華等［75］采用該方法評價了欒城地區(qū)地下水入滲補給量，該方法回避了土壤的非均質性問題，但需要同時監(jiān)測降雨量、灌溉量、植物截留量、植物蒸發(fā)蒸騰量以及土壤儲水變化量等數(shù)據(jù)，具有耗時、投入大等缺點。該方法既能適用于小尺度的田間地塊，也能適用于大尺度的流域與平原的地下水入滲補給量的評價，但其評價精度高度地依賴于研究區(qū)的補給與排泄項的數(shù)據(jù)質量。

2.5 零通量法

零通量法:當已知土壤剖面上某一斷面土壤水分通量為零時，以及土壤剖面的含水量，根據(jù)水流連續(xù)性方程可推算另一斷面處的水分通量［75］。該方法于1982年由中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所引入國內，先后在其科學試驗場(南宮和石家莊站等)應用研究，然后在全國推廣。以荊恩春、張光輝等［76］為代表對零通量法進行了深入研究［76－77］。但在深厚包氣帶，如果負壓計或土壤含水量采用人工讀數(shù)，則需要耗費很長時間，針對此缺點張光輝等提出了水量差計算法和水量差圖解法評價淺層土壤入滲補給量，較好地解決了此問題。吳慶華等［78］利用欒城試驗場長序列動態(tài)土壤含水量與水勢監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析計算了2004年入滲補給量為28.2 mm，比均衡法小34.8 m，表明零通量法在結構性土壤(如含有根系、蟲洞和土壤裂隙等的土壤)中，其評價結果偏小。但零通量面并不是長期存在，因此采用零通量面存在期獲取相關參數(shù)，利用定位通量法計算評價全年任何時刻任何位置的土壤水入滲補給量。隨著TDR和土壤水勢自動檢測技術的進步與成功推廣，零通量面與定位通量面法將是一種精度較高、代表性強、時間尺度大、監(jiān)測頻率高的適用方法。

2.6 數(shù)值模擬法

目前模擬包氣帶水流運移的數(shù)值模型主要是基于Richard方程，代表性模型有 HYDRUS，MODFLOW－SURFACT， STOMP， SWAP， TOUGH2 和VS2DI等 軟 件，?imunek，Panday and Huyakorn，White，SWAP，F(xiàn)insterle和Healy分別對上述軟件近30 a在包氣帶研究應用中取得的成果進行了綜述［79］。?imunek對比分析了雙孔隙、雙流區(qū)以及三區(qū)模型在優(yōu)先流土壤中的應用，認為目前缺少測量上述模型參數(shù)的標準辦法，導致了這些模型只能較好地應用于邊界條件較好定義的研究區(qū)［79］。隨著研究時空尺度和數(shù)據(jù)量增加，導致一些軟件如HYDRUS－1D只能利用10個節(jié)點數(shù)據(jù)進行參數(shù)反演，且總數(shù)據(jù)受限，如深厚包氣帶(如中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所正定試驗場大口井31 m)長時期(如1 a以上)模擬就難以應用。Lu等［80］利用 HYDRSU－1D 模擬了河北平原典型地區(qū)(鹿泉、欒城、衡水、滄州和德州)潛水年入滲補給量，其模擬結果與人工示蹤劑結果基本吻合。畢經偉等［81］運用 HYDRUS－1D 模擬了夏玉米種植區(qū)土壤水入滲，結果表明23.7%降雨或灌溉水入滲補給地下水。

目前，采用多種評價方法的聯(lián)合運用，相互對比，以保證評價精度。如Dassi利用氯質量平衡法和降雨中氚示蹤方法對比研究了南非淺層地下水入滲補給量［82］。Horst等采用 CFCs(chlorofluorocarbons)和放射性同位素(14C和氚)評價了墨西哥Silao－Romita盆地地下水入滲補給過程以及灌溉對地下水的影響［83］。Coes等同時采用地下水位波動法、Darcy法和環(huán)境示蹤劑法對比評價了美國北卡羅萊納州海濱盆地地下水入滲補給速率［84］。Scanlon和汪丙國等總結了上述各種評價地下水入滲補給的方法，提出了每種方法的適用條件，且建議綜合采用多種方法，有效提高評價精度［72，85］。

3 研究展望

對地下水入滲補給的研究是地下水資源評價、農業(yè)水資源利用以及地下水污染風險評估的重要內容，也是“四水”轉化、水圈循環(huán)研究的核心專題。但目前對其研究存在明顯不足，主要表現(xiàn)在以活塞流、達西流為理論的評價方法難以適用。盡管優(yōu)先流的提出標志著應用非均質流理論研究土壤水運移與地下水入滲補給成為可能，但仍處于初步階段。因此，結合上文分析，認為以下幾方面為地下水入滲補給的重點、難點與熱點問題:

(1)開展以示蹤法為主的田間原位試驗，采用多流區(qū)模型修正傳統(tǒng)峰值方法。重點開展深厚包氣帶土壤水運移研究，揭示土壤水入滲補給機理演變規(guī)律。

(2)開展結構性土壤中優(yōu)先流研究，重點是對土壤結構精細刻畫。利用CT、地質雷達、高密度電法等先進技術進行土壤空間結構高精度刻畫，將優(yōu)先流土壤水運移、地下水入滲補給過程進行可視化，揭示優(yōu)先流激活機理。

(3)開展地下水入滲補給規(guī)律的尺度效應研究。隨著研究尺度的變化，土壤水運移規(guī)律不同。不同尺度下的研究成果僅能適用于相應研究尺度的科學問題與實際應用。

(4)開展地下水入滲補給過程中農藥化肥等污染物運移規(guī)律的研究，為地下水污染分析評估提供科技支撐。

(5)開展土壤氣態(tài)水運移規(guī)律以及空氣的禁錮作用對土壤水運移影響的研究。

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