地下水補(bǔ)給量計(jì)算方法介紹

薛 麗，劉春梅

（黑河水務(wù)局，黑龍江黑河164300）

地下水補(bǔ)給量計(jì)算方法介紹

薛 麗，劉春梅

（黑河水務(wù)局，黑龍江黑河164300）

地下水是水資源的重要組成部分，是工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生活用水的主要水源，地下水的過(guò)量開(kāi)采勢(shì)必對(duì)人們的生活、生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。因此，準(zhǔn)確計(jì)算地下水的補(bǔ)給量對(duì)地下水的合理開(kāi)采有重要意義，文章介紹分析了國(guó)內(nèi)外主要的地下水補(bǔ)給方法，主要分為3類：示蹤法、物理法和化學(xué)法。

地下水補(bǔ)給；示蹤法；物理法；數(shù)學(xué)模型

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對(duì)水資源的需求量日益增加。作為“四水轉(zhuǎn)化”重要組成部分之一的地下水，是主要的供水來(lái)源，它對(duì)人民生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市建設(shè)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都起著極其重要的作用。地下水的過(guò)量開(kāi)采，會(huì)造成區(qū)域性地下水位下降，引起地面沉降、地裂縫等地質(zhì)問(wèn)題，也會(huì)引起地下水污染、海水入侵等一系列環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)已有150多個(gè)城市供水水源的地下水位發(fā)生了大面積、大幅度的持續(xù)下降，特別是沿海開(kāi)放的一些城市與工業(yè)發(fā)達(dá)的城市，海水入侵及污染問(wèn)題已迫在眉睫。地下水補(bǔ)給是地下水系統(tǒng)的基本組成部分，準(zhǔn)確定量地下水補(bǔ)給對(duì)地下水資源的合理開(kāi)發(fā)和保護(hù)有重要意義［1］。目前，計(jì)算地下水補(bǔ)給的方法很多，分別以包氣帶或飽水帶為研究對(duì)象，大致可概括為3類，分別為示蹤法、物理方法和數(shù)學(xué)模型方法。

1 示蹤法

示蹤劑在水文學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用，不僅可以用于計(jì)算補(bǔ)給量，還常被用于判斷補(bǔ)給源，測(cè)定水流運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)移時(shí)間，標(biāo)識(shí)優(yōu)先流路徑，提供水流彌散的信息，為水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)等。補(bǔ)給量計(jì)算時(shí)可以采用天然示蹤劑，也可以人工投放示蹤劑。常用的示蹤劑有溴化物、氫氧同位素、有機(jī)染色劑、氯化物等。

1.1 同位素示蹤劑

同位素方法可以通過(guò)比較研究區(qū)水樣和該區(qū)大氣降水中同位素組分的差異和變化規(guī)律來(lái)揭示地下水的起源、形成條件、補(bǔ)給機(jī)制，進(jìn)而查明地下水體間的水動(dòng)力關(guān)系。采用人工投放氚和溴示蹤劑評(píng)價(jià)計(jì)算河北平原不同土壤類型、土地利用、灌溉制度和作物種植結(jié)構(gòu)下，地下水補(bǔ)給量大小和規(guī)律。

1.2 氯離子平衡法

氯離子平衡法（Chloride Mass—Balance）是通過(guò)比較地表輸入的氯離子與地下水中的氯離子濃度差異計(jì)算補(bǔ)給量的一種方法。氯離子平衡法是在點(diǎn)位對(duì)地下水補(bǔ)給進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算的時(shí)間尺度不受限制。宋獻(xiàn)方采用氫氧同位素技術(shù)及氯離子質(zhì)量平衡法判斷懷沙河流域的地表水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

1.3 人工示蹤劑

采用人工投放示蹤劑，分析計(jì)算地下水補(bǔ)給量，通常情況下，該離子應(yīng)具備以下條件，高水溶性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（不易發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化或吸附），在運(yùn)移過(guò)程中沒(méi)有其他源匯項(xiàng)，測(cè)試精度高、測(cè)試費(fèi)用低廉等。根據(jù)示蹤劑剖面分布情況及相應(yīng)埋深的含水量計(jì)算補(bǔ)給量。

2 物理方法

2.1 零通量面法

土壤中任一點(diǎn)的土壤水分通量由達(dá)西定律算出，當(dāng)水勢(shì)梯度為零時(shí)，該處的通量為零，稱該處的水平面為零通量面（zero flux plane）。零通量面是1954年由Richards提出的，1982年從國(guó)外引入，用于計(jì)算淺層地下水入滲補(bǔ)給量，該方法簡(jiǎn)單快捷，避開(kāi)了對(duì)土壤水力參數(shù)的測(cè)定。該方法需要大量的含水量、水勢(shì)數(shù)據(jù)，在厚包氣帶地區(qū)使用該方法，觀測(cè)工作量很大，而且在零通量面不存在的地方，該方法無(wú)法使用。

2.2 地下水位波動(dòng)法

地下水位波動(dòng)法，是一種應(yīng)用比較廣泛的地下水補(bǔ)給量的計(jì)算方法，該方法適用于非限制的含水層，在地下水埋藏較淺的地區(qū)，地下水位對(duì)降雨或其它的補(bǔ)給源反應(yīng)比較迅速，而在地下水位埋藏較深的地區(qū)，由于包氣帶的延遲作用，只能采用季節(jié)性的地下水位波動(dòng)估算較大時(shí)間尺度的補(bǔ)給量，該方法無(wú)法判斷水位未發(fā)生變化時(shí)的補(bǔ)給過(guò)程，該方法的另一個(gè)難題就是給水度的確定。

2.3 地中滲透儀

地中滲透儀是可直接測(cè)定地下水補(bǔ)給的有效方法。20世紀(jì)60年代，我國(guó)的水文地質(zhì)觀測(cè)站就已開(kāi)始使用地中滲透儀。魯榮安分析了河南商丘、北京廖公莊、山西水科所3處地中滲透儀的降雨入滲系數(shù)與潛水埋深的關(guān)系。周旻等利用鄭州均衡試驗(yàn)場(chǎng)7種巖性和5種潛水水位埋深，共計(jì)35個(gè)地中滲透儀進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析土壤巖性和地下水埋深對(duì)地下水補(bǔ)給的影響。

3 數(shù)學(xué)模型方法

計(jì)算地下水補(bǔ)給的各類模型，按模型計(jì)算原理可以分為2類：一類是基于水均衡方程的模型；一類是基于Richards方程的數(shù)值模型。

3.1 基于水均衡方程的模型

WetSpass模型（Water and Energy Transfer between Soil，Plants and Atmosphere under quasi-Steady State）是一種分布式降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算模型，每個(gè)柵格的水均衡方程劃分為4個(gè)獨(dú)立的方程進(jìn)行考慮，有作物區(qū)、裸土區(qū)、水面、不透水面，計(jì)算得到區(qū)域地下水補(bǔ)給量。該模型實(shí)現(xiàn)了與ArcView（version 3.x）的整合，使得操作簡(jiǎn)單，計(jì)算方便。模型適用于大區(qū)域尺度的計(jì)算，但并未考慮土壤的非均質(zhì)性。

INFIL3.0是以柵格為基礎(chǔ)，采用分布式的參數(shù)，基于水量平衡的流域模型，用來(lái)計(jì)算根系層下入滲水量的時(shí)空分布。模型的主要優(yōu)點(diǎn)在于可以生成水量平衡模型所有要素的日、月、年及年均值，這些結(jié)果有助于我們理解凈入滲、徑流、補(bǔ)給的機(jī)理?？山柚鶪IS整理模型的輸入?yún)?shù)，計(jì)算結(jié)果也可在其中顯示，可以分析評(píng)價(jià)各空間分布要素對(duì)補(bǔ)給的影響，目前該模型主要應(yīng)用在美國(guó)的內(nèi)華達(dá)和加利福尼亞地區(qū)［2］。

3.2 基于Richards方程的數(shù)值模型

SWAP是Soil-Water-Atmosphere-Plant的簡(jiǎn)稱，是荷蘭瓦赫寧根大學(xué)環(huán)境科學(xué)系開(kāi)發(fā)研制的用于模擬田間尺度下非飽和帶水流及溶質(zhì)運(yùn)移、能量傳遞和作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量的專業(yè)軟件。模型采用Richards方程來(lái)描述土壤水分運(yùn)動(dòng)，彭曼公式計(jì)算作物潛在騰發(fā)量，系統(tǒng)上邊界位于植物冠層頂部，下邊界位于非飽和帶的底部或飽和帶的頂部，并考慮區(qū)域飽和地下水與非飽和帶模擬單元的相互影響。在垂直方向上，SWAP將土層分為若干不同的單元，在每個(gè)單元上，耦合求解水分及溶質(zhì)運(yùn)移方程和熱量傳輸方程。

多模塊集中參數(shù)EARTH模型綜合利用氣象資料、土壤水、地下水位動(dòng)態(tài)資料，分析降水入滲補(bǔ)給過(guò)程及地下水補(bǔ)給量。該模型把從大氣降水、包氣帶到飽和帶劃分為4個(gè)模塊：MAXIL、SOMOS、LINRES、SATFLOW。前兩個(gè)系統(tǒng)表征“大氣—植物—土壤”系統(tǒng)的水分傳輸。通過(guò)騰發(fā)、入滲、土壤帶儲(chǔ)存3個(gè)方面分配降水的去向。后兩個(gè)子系統(tǒng)表征從根層系統(tǒng)下邊界至飽和帶的水分傳輸。

通常情況下，在計(jì)算地下水補(bǔ)給量是，建議采用多種計(jì)算方法，綜合分析補(bǔ)給量，可以相互校正，提高模擬精度。

［1］官劍穎.地下水補(bǔ)給及水資源的優(yōu)化研究［J］.中國(guó)水運(yùn)：下半月，2010（04）：42－43.

［2］劉亞平，周訓(xùn).山地－平原過(guò)渡地區(qū)地下水補(bǔ)給機(jī)制研究［J］.人民長(zhǎng)江，2013（13）：18－21.

P641.8

B

2014－10－31

薛麗（1983－），女，黑龍江富路人，工程師；劉春梅（1979－），女，黑龍江綏化人，工程師。

1007－7596（2015）06－0125－02