干旱-半干旱地區(qū)深層滲漏研究方法綜述

段良霞,黃明斌

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,712100,陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,712100,陜西楊凌)

干旱-半干旱地區(qū)深層滲漏研究方法綜述

段良霞1,2,黃明斌2?

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院,712100,陜西楊凌;2.西北農(nóng)林科技大學,黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,712100,陜西楊凌)

深層滲漏(DP)是水文循環(huán)的重要環(huán)節(jié),準確評價DP對于分析水文循環(huán)規(guī)律,合理制定水資源規(guī)劃和地下水可持續(xù)利用具有重大意義,尤其是在水資源短缺的干旱-半干早地區(qū),開展該項研究更具價值。目前,干旱-半干旱地區(qū)DP的評價方法主要有經(jīng)驗方法、物理方法、示蹤方法和數(shù)值模擬方法。由于經(jīng)驗系數(shù)需要校正,因而經(jīng)驗方法應用到其他區(qū)域受到限制;物理方法又可分為蒸滲儀法、土壤水分通量法、水量平衡法、達西方法以及地下水位動態(tài)監(jiān)測法;示蹤方法主要從示蹤劑的峰值、剖面形狀和總含量來計算DP,此方法不是對DP的直接測定,且沒有考慮示蹤劑的空間變異;數(shù)值模擬理論上可對各種條件下的DP進行模擬和預測,但獲取參數(shù)的難度較大。針對各方法存在的優(yōu)缺點,將現(xiàn)有評價方法相結(jié)合,相互驗證,可提高模擬精度;鑒于DP的時空變異性,將現(xiàn)有方法與GIS等新技術(shù)集成,可評價大尺度DP的空間異質(zhì)性;同時,進行長時間序列的野外觀測,既可直接獲取DP的動態(tài)信息,也可為各方法參數(shù)的獲取提供數(shù)據(jù)支持。

深層滲漏;經(jīng)驗方法;物理方法;示蹤方法;數(shù)值模擬方法

深層滲漏是指由于降雨量或灌溉水量過大,使土壤水分向根系活動層以下的土層產(chǎn)生滲漏,從而補給地下含水層或含水系統(tǒng)的過程,通常發(fā)生在包氣帶,其值大小可看作是作物根區(qū)底部向下運移的水分通量[1]。深層滲漏受氣候、植被、土壤和地形地貌等多種因素的影響。K.E.Keese等[2]指出,濕潤地區(qū)較干旱地區(qū)的深層滲漏嚴重。Liu Huihai[3]模擬氣候變化對深層滲漏的影響,表明:1)年降雨量一定,減少降雨頻數(shù);2)降雨頻數(shù)一定,增大次降雨量;3)次降雨量一定,增多降雨頻數(shù),3種情況均可引起深層滲漏量的增大。G.W.Gee等[4]指出,在干旱-半干旱地區(qū),植被的存在明顯減少了深層滲漏量,同時,植被類型對深層滲漏也有較大影響。E.A.Prvch[5]認為,一年生農(nóng)作物和草地的深層滲漏量較林地和灌木大,而G.B.Allison等[6]認為淺根系植物的深層滲漏量比深根系植物的大。在土壤質(zhì)地方面,野外實驗和模擬研究均表明,質(zhì)地較粗的土壤比較細土壤中深層滲漏量大[7]。關(guān)于地形地貌,H.Hoetzl[8]認為,喀斯特地貌常常存在較大的深層滲漏量。

干旱-半干旱地區(qū)降水稀少,蒸發(fā)強烈,地表水資源嚴重匱乏。一方面,地下水成為重要的供水水源,深層滲漏對于地下水的合理開采有重要參考價值[9-10];另一方面,該區(qū)需要進行灌溉補給,研究灌水量和灌溉頻率的大小是否導致深層滲漏,引起水的浪費和土壤次生鹽漬化,對于制訂科學灌溉措施、控制水的滲漏有借鑒意義[11]。干旱和半干旱區(qū)水土保持措施,對深層滲漏的影響是顯著而復雜的。水土保持措施一般能增加降水入滲,從而增加深層滲漏;但在地塊尺度,水土保持植被措施常常增加土壤水的消耗,導致土壤儲水量降低,從而降低深層滲漏,而在大的流域和區(qū)域尺度,水土保持措施能增加流域基流,流域基流主要來自深層滲漏[12-13]。然而,在干旱-半干旱地區(qū),地下水埋藏較深,深層滲漏過程一般是不連續(xù)的,受到降雨、蒸散和地形、地貌特征的綜合影響,定量估算深層滲漏量尤為困難。過去幾十年,隨著對土壤有效水、放射性廢物處理及旱地鹽漬化等問題的關(guān)注,關(guān)于干旱-半干旱地區(qū)深層滲漏的研究,取得重要進展[14],提出許多定量評價深層滲漏的研究方法[15-16],主要有經(jīng)驗方程、物理方法、示蹤方法和數(shù)值模擬方法。深層滲漏受多種因素的影響,同時不同評價方法適用的時間尺度、范圍以及可靠性不同;因此,根據(jù)研究問題的需要,選擇一個合適的方法,進行深層滲漏評價,顯得異常重要[17]。本文針對干旱-半干旱地區(qū)深層滲漏測定困難,以及研究方法不易選擇的問題,對深層滲漏評價方法的原理、適用性及其存在的問題進行綜述,以期為地下水可持續(xù)開發(fā)利用和數(shù)值模擬提供依據(jù),同時為相關(guān)研究提供參考。

1 經(jīng)驗方法

經(jīng)驗方法是一種比較簡單的評價深層滲漏的方法。早在1949年,G.B.Maxey等[18]在內(nèi)華達州盆地就提出該方法,即根據(jù)年均降雨量將盆地分成5個滲漏區(qū),用每個滲漏區(qū)的降雨量乘以一個系數(shù)來表示深層滲漏量,分別為:降雨量＜203mm/a時,深層滲漏量為0,203～304 mm/a時為降雨量的3%, 305～380 mm/a時為7%,381～507 mm/a時為15%,＞508mm/a時為25%。1998年,J.A.Hevesi等[19]將Maxey-Eakin模型修改后應用到美國尤卡山地區(qū),認為降雨量＜100 mm/a時,深層滲漏量為0,100～304 mm/a時為降雨量的3%,其余保持不變,并預測美國死谷和尤卡區(qū)域的深層滲漏約為2.9mm/a和0.2～1.4 mm/a。而J.Houston[20]指出,深層滲漏可由經(jīng)驗方程表示:

式中:DP是深層滲漏量,mm/a;P是降雨量,mm/a; k1和k2是區(qū)域的經(jīng)驗常數(shù)。應用此方程,對年平均深層滲漏量較高的地區(qū)(≥50 mm/a),進行初步估算,取得較好的預測效果[1];但當此方程運用到其他區(qū)域時,還需要重新校正經(jīng)驗常數(shù)[21]。在干旱-半干旱地區(qū)這一經(jīng)驗方法應用較少。

2 物理方法

評價深層滲漏的物理方法主要有蒸滲儀法、土壤水分通量法、水量平衡方法、達西方法和地下水位動態(tài)監(jiān)測法。

2.1蒸滲儀法

蒸滲儀法是通過測定有無植被條件下土壤水平衡的各要素,來直接計算深層滲漏的方法。此方法可以比較準確的確定深層滲漏量,特別是滲漏量較小時,是一種最為直接和有效的辦法。蒸滲儀是一種安裝在野外或者人工試驗場,并且裝滿擾動土或非擾動土,以及有植被或無植被的大型儀器,內(nèi)設各種傳感器、電子計算機等設備。蒸滲儀分非稱量式和稱量式2種,其中稱量式較為精確。滲透儀表面積從100～300 m2不等,其監(jiān)測深度為幾十厘米到20m[4]。對于一些較大的蒸滲儀(表面積約100～300m2),精確度可達1 mm/a[17]。許多學者利用蒸滲儀成功評價深層滲漏量,例如:郭占榮等[22]利用蒸滲儀,對天山北麓平原凍結(jié)—凍融期的地下水補給與損耗進行觀測,發(fā)現(xiàn)凍融期的深層滲漏量較大,為年內(nèi)地下水的重要補給時期;R.Kitching等[23]運用表面積為100 m2的蒸滲儀,對英國Bunter Sandstone地區(qū)進行了3年觀測,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)深層滲漏量為342～378mm/a;R.Kitching等[24]用25m2的滲透儀,測得英國Chalk Aquifer區(qū)的深層滲漏量為200 mm/a;而G.Gee等[25]在美國的一個半干旱地區(qū),將滲透儀的監(jiān)測深度設在18m,發(fā)現(xiàn)該地區(qū)深層滲漏量為1～200mm/a。

蒸滲儀法一般會有較高的測量精度,并能夠直接測定深層滲漏量和長期監(jiān)測;但是,蒸滲儀僅能測量小面積裸地或者有植被生長土壤的深層滲漏量,且只有當被測區(qū)域的土壤質(zhì)地以及植被類型完全相同時,其監(jiān)測范圍才可以擴大[26]。如果滲透儀的深度比根區(qū)淺,測量的滲漏量就會偏大;因此,蒸滲儀不適宜估算深根系植被的土層滲漏量[27]。此外,滲透儀的建設和維護,需要大量的人力、物力和財力,且極為耗時,也不能進行大面積布點[26]。

2.2土壤水分通量法

土壤水分通量法是根據(jù)田間水量平衡原理,利用田間實測土壤含水率和水勢進行深層滲漏計算的一種方法[28]。對于垂向的一維流動,根據(jù)水量平衡原理,時段t至t+Δt內(nèi),任2斷面z＇和z處的土壤水分通量和2斷面之間土壤含水率θ的變化應滿足土壤水分通量基本方程:

式中:q為土壤水分通量,cm3/(cm2·s);z為土壤深度,cm;t為時間,s;θ為土壤水分體積分數(shù),%。

此方程即為土壤水分通量法的基本方程。只要某一新斷面z＇處的土壤水分通量已知,則任斷面z處的通量便可求得,深層滲漏量便可進行估算。根據(jù)斷面z＇的特征,可將土壤水分通量法分為零通量面法、表面通量法和定位通量法。

如果存在z＇=z0的點,該點的,則該點處土壤水分通量為0,稱該點所在斷面為零通量面(zero flux profile,ZFP),通過連續(xù)測量土壤儲水量的變化速率,并假設該速率等于深層地下水的補給速率,以此零通量面推算土壤水分通量的方法,稱為零通量面法,其測量尺度從單次事件到年。當某地區(qū)常年的土壤水分波動較大,或者地下水位通常要比零通量面低時,零通量法預測效果較好[17]。該方法最早由L.Richards等[29]提出,此后得到廣泛運用,并可以很好地估算年內(nèi)深層滲漏量。邱景唐[30]用零通量面法,計算了潛水蒸發(fā)量和地下水補給,發(fā)現(xiàn)其在潛水位深埋區(qū)有較好的適用性;S.Wellings[31]在英國南部地區(qū),用該方法測得深層滲漏量為345～469mm/a,而J.Cooper等[32]在英國砂巖含水層地區(qū),測得其值為78～300 mm/a;此后,M.Sharma等[33]在澳大利亞西部半干旱地區(qū),用該方法測得深層滲漏量在34～149mm/a波動。

在地下水埋藏較深,土壤含水量變化較大的地方可采用零通量面法,且能夠連續(xù)測定深層滲漏量的時空變化;但是,該方法最大的不足之處是當土壤水全部向下運移時,就無法計算深層滲漏量,因為此時無法確定零通量面的位置。同時,該方法需要特定的測試儀器,以及需要測定大量的含水量、水勢數(shù)據(jù),費用較為昂貴。當零通量面不存在或出現(xiàn)在作物根系層內(nèi)時,此方法便無法使用。在這種情況下,可以選取地表處(z＇=0)的土壤水分通量來推算(即表面通量法),或者根據(jù)定位點z＇的土壤水分通量來推算(即為定位通量法),定位點可根據(jù)研究工作的需要設在根系層以下或鄰近潛水面。關(guān)于表面通量法和定位通量法的應用較少,雷志棟等[28]用定位通量法,對深層滲漏量進行計算,表明定位通量法估算深層滲漏量是可行的。

2.3水量平衡方法

水量平衡法是一種估算深層滲漏量最為通用的方法,該方法假設在水量平衡方程中,除深層滲漏為未知量外,其余各項都為已知量。H.Penman[34]最先利用土壤水量平衡方法來評價深層滲漏。W. Kinzelbach等[10]對水量平衡方法測算深層滲漏,做了詳細的綜述,總結(jié)土壤水量平衡、河道水量平衡、河流基流分割、河流衰退曲線和累積降雨衰退曲線等幾種水量平衡模式及其優(yōu)缺點?；谝粋€流域的水量平衡方程式為

式中:P為降雨量;Qsw為流入監(jiān)測點的地表水量; Qgw為流入監(jiān)測點的地下水量;Esw為地表水蒸散量; Euz為非飽和帶蒸散量;Egw為地下水蒸散量;R0為地表徑流量;Wgw為流出觀測點的地下水量;Qbf為基流;ΔSsnow為降雪量變化量;ΔSsw為地表水變化量; ΔSuz為非飽和帶水量變化量;ΔSgw為地下水變化量。其中,每部分都是以速率表示,如mm/d。深層滲漏由如下方程給出:

將其代入方程(3),得深層滲漏的水量平衡方程

式中DP為深層滲漏水量,mm/d。在具體應用水平衡方法時,方程中某些項的作用微乎其微,可以省略。水量平衡法計算簡便,該方法在估算深層滲漏方面,取得一系列的研究成果[35];但是,水平衡方程需要的數(shù)據(jù)量很大,深層滲漏在水平衡中占的比例很小,而且各項影響因素的不確定性及測量的誤差,都將導致深層滲漏測算誤差,因此,本方法的模擬精度并不是很高。J.J.De Vries等[14]的研究表明,在干旱-半干旱區(qū),深層滲漏量很小,各項本身的測量和估算誤差要遠大于滲漏量。一般情況下,用月平均值來表示較短的時間步長。而K.Howard等[36]指出,若水平衡各參數(shù)的測算時間步長小于10 d,將會降低深層滲漏計算的誤差。M.A.Sophocleous[37]表明以d為計算單位,水均衡法與地下水位動態(tài)監(jiān)測法,估算結(jié)果相近,同時,土壤水均衡方程的可信度,在一定程度上,依賴于水均衡各項的精確測量和評價;通過土壤水量與地下水位上升的結(jié)合,把具體的降雨事件與地下水位上升聯(lián)系起來,從而將水量平衡的深層滲漏評價與相應的地下水位上升結(jié)合,得到每個補給觀測點有效的釋水系數(shù),此方法比較可靠,而且不需要測量額外的變量。R.De Silva[35]用7、10和30 d 3個時間步長,研究干旱地區(qū)的深層滲漏量,發(fā)現(xiàn)時間步長越大,所測算的深層滲漏量越小;另外,深層滲漏量跟降雨事件有關(guān)系,深層滲漏量依賴于大雨(＞10 mm/d)的數(shù)量,而不是總降雨量[15]。

2.4達西方法

C.W.Rose等[38]指出,深層滲漏是基質(zhì)勢、土層深度和一定土壤含水量下導水率的函數(shù),可用非飽和達西公式進行計算。

式中:DP為深層滲漏,mm;H為基質(zhì)勢,mm;Z為土層深度,mm;K(θ)為導水率,mm/d。

達西方法可用來直接計算深層滲漏速率,是一種在干旱-半干旱地區(qū)廣泛使用的方法。該方法同時適用于包氣帶和飽和帶,其中,在包氣帶應用最為廣泛。將達西定律應用于包氣帶深層滲漏計算時,需要測量包氣帶的水力梯度和非飽和導水率,而非飽和導水率是含水量(或基質(zhì)勢)的函數(shù),很難精確測量,容易出現(xiàn)誤差,需要特殊的田間設備和專業(yè)人員測量,通常利用抽水實驗獲取非飽和導水率[39]。達西方法取樣數(shù)目太小會導致誤差,為減小這種誤差,觀測點的數(shù)量通常很大,如果取樣數(shù)量太小,就不能準確的測算平均水通量。

通過野外觀測,達西方法計算所需要的參數(shù)都可獲得,可常年使用,能很好的適用于飽水帶和包氣帶;但是,在獲得可靠的水力梯度值和確定滲透系數(shù)的空間分布方面難度較大。

2.5地下水位動態(tài)監(jiān)測法

地下水位動態(tài)監(jiān)測法是一種傳統(tǒng)的可用來測定深層滲漏量的方法,在干旱-半干旱區(qū)具有較高的精度。該方法使用的前提為,地下水水位(無承壓蓄水層)的上升是由深層滲漏補給地下水引起的。

式中:Sy為給水度,cm3/cm3;h為地下水水位,cm;t為時間,d。當確定了地下水位的上升量和含水層的給水度,就可以利用式(7)計算深層滲漏[40]。

該方法應用廣泛,優(yōu)點是易操作,參數(shù)獲取相對簡單,不受包氣帶土壤水流運移機制的影響,并且不受包氣帶中優(yōu)先流存在的限制;因而對于深層滲漏機理較為復雜,潛水位埋藏淺、水位波動強烈的地區(qū),尤其是存在優(yōu)先流情況時,該方法有較好的適用性[41]。其不足是缺乏高精度的地下水動態(tài)資料和可靠的給水度Sy:因地下水蓄水層往往不是封閉的,進出觀測區(qū)的水流量不能確定,尤其是未考慮抽水、蒸發(fā)等引起的地下水位變化;獲得可靠的給水度是成功應用地下水水位動態(tài)法的重要前提,目前主要是通過抽水試驗獲取,而抽水試驗往往是局部的測量,獲得的地下水位動態(tài)信息代表性較差[10]。

3 示蹤方法

在示蹤方法中,首先運用氚示蹤,研究土壤水的深層滲漏問題,此后40多年中,關(guān)于示蹤方法學者們做了大量研究[1,42]。示蹤方法主要從示蹤劑的峰值位置、剖面形狀和總含量3個角度來評價深層滲漏,常用的示蹤劑有Cl-、Br-、36Cl、2H、3H、14C、18O、CFC和SF6等,另有少數(shù)學者用熱示蹤[43]來研究深層滲漏。示蹤劑中最常用的是Cl-,氯質(zhì)量守恒自E.Eriksson等[44]提出以來,得到廣泛的應用,并迅速成為干旱-半干旱地區(qū)估算地下水補給量最有效的方法之一。Huang Tianming等[45]運用此方法,估算了黃土高原典型坡耕地的深層滲漏量約為33～90mm/a,占降雨量的6.3%～18%;E.T.Selaolo[46]研究結(jié)果表明,大氣灰塵的氯元素含量具有強烈的年際變化,氯質(zhì)量守恒法最大的限制在于無法準確確定大氣灰塵中的氯元素含量;譚秀翠等[47]選用Br-做示蹤劑,得出華北平原沖積平原平均深層滲漏量為126.1mm,平均補給系數(shù)為0.185。36Cl、14C和3H都是放射性示蹤劑,其半衰期分別為12.3、5 700和30萬1 000年[1]。張光輝等[48]運用環(huán)境同位素技術(shù)(3H、14C等)和指數(shù)加權(quán)量化法,表明黑河流域走廊平原,深層滲漏量主要受區(qū)域氣候變化和中游區(qū)人類活動的影響;Lin Ruifen等[49]運用氚元素(3H),對黃土高原農(nóng)耕地的深層滲漏量進行估算,其值約為降雨量的12%～13%。近年來隨著3H在大氣中含量的降低,其可利用性也在降低[17],而大氣中含氯氟烴(CFCs)含量逐漸增加,越來越多應用于地下水年齡的測算[50]。

示蹤方法測試和操作較為簡單,對于地質(zhì)條件較為復雜的地區(qū),且研究經(jīng)費少和精度要求不是很高時可采用此方法。與物理方法相比,示蹤方法不是對深層滲漏的直接測量,且滲漏機制將影響對測量結(jié)果的解釋,如優(yōu)先流存在條件下,可能導致深層滲漏量偏小,同時沒考慮示蹤劑的空間變異問題,且某些示蹤劑,可能會造成環(huán)境污染和生態(tài)破壞。

4 數(shù)值模擬方法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法已成為計算深層滲漏的有效方法之一,并能對深層滲漏進行預測,而且可通過分別控制各影響因素,來模擬深層滲漏量[2]。常見數(shù)值模型包括HYDRUS[51]、UNSAT-H[2]、BUCKET[21]、SWIM[52]、SWAT[53]和SWAP[54]等。為了研究氣候變化和土地利用方式等對深層滲漏的影響,吳謀松等[55]運用HYDRUS-1D凍融模塊,對不同地下水埋深情況下,凍結(jié)過程中的水分運移規(guī)律進行了模擬,發(fā)現(xiàn)累積深層滲漏量隨著埋深增加而有所減小,甚至保持不變;余欣曉等[56]運用中國科學院成都山地災害與環(huán)境研究所提出的森林流域分布式水文模型,計算暗針葉流域的深層滲漏量約為降雨量的12.1%～12.8%;K.E. Keese[2]等利用非飽和流模型UNSAT-H,評價深層滲漏的各個控制因素;G.R.Walker[21]等運用BUCKET模型,研究土地利用方式對深層滲漏的影響;T.S.Anurag等[57]將一維土壤-水-大氣-植物模型(SWAP)與政府提供的數(shù)據(jù)整合連接,集成到一個地理信息系統(tǒng),來評估小流域尺度上,土壤與土地利用方式對深層滲漏的影響。為適應更大范圍的氣候、景觀、土地利用和土地覆蓋條件,深層滲漏模型納入美國地質(zhì)調(diào)查局的模塊化地下水模擬系統(tǒng)-MODFLOW,使該模型的應用尺度從田間實驗樣地拓展到區(qū)域[58]。

數(shù)值模擬方法理論上適用于各種條件的模擬,不受時間尺度和空間尺度的限制,并可對將來的深層滲漏量進行預測。在實際運用中,數(shù)值模擬最大的難點在于獲取精確的輸入?yún)?shù),在實現(xiàn)深層滲漏評價方面與其他方法結(jié)合檢驗更可靠。

5 展望

1)現(xiàn)有評價方法的結(jié)合:每種深層滲漏的評價方法都有自身的優(yōu)點,也具有一定的局限,綜合應用多種評價方法,相互驗證,才能提高評價的精確度和可靠度。例如,針對水量平衡方法,均衡項各參數(shù)測量的誤差及不確定性問題,使其與地下水動態(tài)監(jiān)測方法耦合,以提高其精度。數(shù)值模擬方法與示蹤方法結(jié)合,可以檢驗模型模擬,對深層滲漏的預測更加可靠;因此,通過在時間、空間尺度上,各方法之間的相互補充,綜合多種方法來評價深層滲漏非常必要。

2)與新技術(shù)集成:鑒于深層滲漏的時空非均質(zhì)性,利用GIS、遙感等技術(shù)與傳統(tǒng)評價方法的有機結(jié)合,將地下水和地表水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),以及地下水的評價系統(tǒng)相連接,評價大尺度深層滲漏的空間變異特征,揭示其與相關(guān)環(huán)境因素之間的關(guān)系,可為水資源短缺的干旱-半干旱地區(qū)植被恢復和生態(tài)重建,提供重要的科學依據(jù)和理論指導。

3)加強長時間序列野外觀測:實驗研究是取得數(shù)據(jù)、確定深層滲漏識別因子參數(shù)最重要的方法之一。從深層滲漏的影響因素考慮,在不同土地利用方式、節(jié)水措施等條件下,進行深層滲漏的長期野外試驗,建立基于氣候、土地利用和灌溉等變化條件下的深層滲漏動態(tài)信息。通過獲得翔實數(shù)據(jù),比較準確地確定各評價參數(shù),從而優(yōu)選適合干旱-半干旱地區(qū)的深層滲漏評價方法。

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Review on themethods to determ ine deep percolation in arid and sem i-arid areas

Duan Liangxia1,2,Huang Mingbin2

(1.College of Resources and Environment,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China;
2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau,Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,712100,Yangling,Shaanxi,China)

[Background]Deep percolation(DP)is termed as themovement of water from soil surface to sufficient depths,usually below the root zone.It generally occurs when infiltrated water exceeds the storage capacity of the soil and plays an vital role in hydrologic cycle.Accurate evaluation of the deep percolation is crucial to analyze the processes of the hydrologic cycle.Furthermore,deep percolation is pivotal for the management and rational development of groundwater resources,especially in arid and semi-arid regions where water resources is deficient.[M ethods]This paper reviews several approaches to assess deep percolation in arid and semi-arid regions,i.e.,empirical,physical,tracer,and numerical modelling.[Results]The principle,applicability,merits and drawbacks of the abovementioned four approaches are commented.Due to the empirical coefficient requires calibration,the empirical approach is limited while it is applied in the other regions.Physical approach includes lysimetermethod,soil water flux method,water balance method,Darcy method,and underground water-table fluctuation method.The tracer approach is used to estimate deep percolation by the identification of peak value,profile shape,and the amount of tracers,but this approach cannot directly measure the deep percolation;moreover,the spatial variation in tracers is not considered in it.Theoretically,the approach of numericalmodelling can be used to estimate and predict the deep percolation under any circumstance. Nevertheless,it is difficult to obtain the parameters that is necessary for the numerical modelling. [Conclusions]Considering the advantages and disadvantages of each method,the integration of existing evaluation methods and mutual verification of them can improve the precision of the simulation.Due to the spatial and temporal variability of DP,the integration of existing methods and GISmay evaluate the spatial heterogeneity of DPat large scale.Simultaniously,long-term series of field observation may not only acquire the dynamic information of DP,but also provide the data support for the parameters of each approach.

deep percolation;empirical methods;physical methods;tracer methods;numerical modellingmethods

S152.7

A

1672-3007(2016)02-0155-08

10.16843/j.sswc.2016.02.020

2015-06-03

2015-12-07

項目名稱:國家自然科學基金“黃土高原人工林對土壤干層的適應性與生態(tài)水文響應”(41571213)

段良霞(1985—),女,博士研究生。主要研究方向:土壤物理。E-mail:duanliangxia2005@126.com

簡介:黃明斌(1968—),男,博士,研究員。主要研究方向:生態(tài)水文和土壤物理。E-mail:hmbd@nwsuaf.edu.cn