太湖流域平原區(qū)非飽和帶降雨入滲規(guī)律分析

可 灝， 王船海， 葉小川， 宋 晨， 雷振遠， 陳 鋼

(河海大學 水文水資源學院， 江蘇 南京 210098)

太湖流域為典型平原區(qū)，河網(wǎng)交錯密布，湖泊星羅棋布，擁有發(fā)達的水系。其地表水、土壤水和地下水之間交換頻繁，準確模擬該區(qū)域產(chǎn)匯流能夠為平原區(qū)產(chǎn)匯流模擬提供理論依據(jù)與經(jīng)驗參考[1-2]。

土壤水運動作為產(chǎn)匯流模型研究中最復(fù)雜、關(guān)鍵的模塊，對水文、農(nóng)田水利、水土保持、農(nóng)業(yè)土壤等領(lǐng)域有著重要理論指導(dǎo)意義，并受到了國內(nèi)外學者的重視[3-6]。隨著計算機技術(shù)、精密儀器技術(shù)、遙感技術(shù)以及數(shù)值模擬理論的發(fā)展，土壤水運動方程的建立、模擬和完善方面取得了豐富成果。

降雨入滲過程分析與模擬是土壤水運動研究的重要內(nèi)容，但其研究主要集中在干旱半干旱地區(qū)如黃土高原以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面[7-8]。此外，國內(nèi)關(guān)于降雨入滲的研究仍以概念性模型為主，缺少對實際物理因素的考慮，如入滲滯后作用、雨型復(fù)雜、土壤不均勻等，并不能完全適用于平原區(qū)。由于平原區(qū)野外實測資料的缺乏，現(xiàn)有模型的適用性檢驗及改正成為約束平原區(qū)降雨入滲規(guī)律發(fā)展的瓶頸[9-10]。

1 研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)關(guān)于降雨入滲的研究，多應(yīng)用在邊坡穩(wěn)定性和干旱半干旱地區(qū)的水資源規(guī)劃管理等，在太湖流域平原區(qū)非飽和帶方面的研究較少，如徐晗等[11]用基于水力滲透曲線的有限元模型模擬雨水下滲非飽和土邊坡過程，白盛愿等[8]在黃土丘陵半干旱區(qū)的米脂實驗站觀測、分析自然降雨下土壤水分入滲深度。此外，針對降雨入滲過程的分析多為定性的研究和描述，在定量模擬方面存在一定的空白。蔣定生等[12]曾在分析Kostiakov和Horton入滲公式的基礎(chǔ)上，結(jié)合黃土高原大量實測資料總結(jié)了黃土高原土壤在積水條件下的入滲公式，具有一定參考意義。

平原區(qū)由于野外降雨觀測資料的缺乏，現(xiàn)有研究的模型多為概念性模型，缺少一定物理意義，其在平原區(qū)降雨入滲的適用性上有待評估。目前已經(jīng)在太湖流域非飽和帶建立了常州市金壇水文實驗基地，該基地可進行野外觀測并積累了可用于土壤水運動研究的實測資料，為研究進行提供了條件。

2 試驗區(qū)概況

紅旗圩(HQW)試驗基地位于江蘇省常州市金壇區(qū)朱林鎮(zhèn)，該區(qū)地層多為第四系松散沉積物，主要由泥灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖組成，厚度約30 m，總面積為1 008 m2，地表高程為2.4～3.8 m。土壤質(zhì)地為粉質(zhì)黏壤土，平均密度為1.36 g/cm2，平均飽和導(dǎo)水率為46.63 mm/h，飽和體積含水率為45.0%，有機質(zhì)質(zhì)量比為14.78 g/kg，具體位置和土地利用情況如圖1所示。

圖1 實驗區(qū)位置概況與土地利用示意圖

3 研究內(nèi)容

試驗區(qū)能夠?qū)崟r測量氣溫、降雨、蒸發(fā)、多層土壤含水率、淺層地下水位，并將數(shù)據(jù)傳送回服務(wù)器，對2016年實測數(shù)據(jù)整編，分析了包括全年降雨從劃分的26次降雨中選取的5場典型降雨在內(nèi)共計6場降雨過程，有關(guān)分析過程如下。

3.1 土壤含水量對降雨響應(yīng)規(guī)律

2016年全年的土壤水動態(tài)變化過程中，變化幅度定義為變化量與初始值之比，以反映含水量受降雨影響的變化程度。土壤表層(10 cm、20 cm處)的含水量與降水的趨勢變化非常接近，受降水影響產(chǎn)生的波動較大，10 cm、20 cm處含水量的最高變化幅度分別為102.9%、53.3%。40 cm、60 cm處土壤含水量變化過程基本相同，幅度較小，而100 cm處基本上不發(fā)生波動。隨著降水量的增加，整體土壤含水量變化幅度明顯增大，大暴雨級別對應(yīng)幅度小于暴雨級別，原因是發(fā)生大暴雨前的土壤含水量為0.414，遠高于發(fā)生暴雨時的0.319，因此相對變幅變小。這也說明，土壤含水量對不同量級降水的響應(yīng)也和初始土壤含水量有關(guān)。

3.2 地下水對降雨響應(yīng)規(guī)律

由全年的地下水動態(tài)變化過程分析可知，地下水受降雨影響明顯，呈現(xiàn)顯著的季節(jié)性變化，水位在冬春季節(jié)較夏秋季節(jié)較低，其變化受到雨量、雨強、持續(xù)時間等因素的影響。降水量級在中雨及以上時才會引起地下水的波動，小雨量級的降水以補充土壤為主。各降水量級，從小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的場次降雨，引起的地下水位變化量分別為0.02 m、0.08 m、0.54 m、0.11 m、0.48 m?？傮w看，隨著降水量的增加，地下水變動幅度明顯增大，暴雨場次對應(yīng)地下水變化量僅為0.11 m，原因為初始潛水埋深為0.264 m，接近地表，因此變化量受到了限制，這也佐證了地下水變化與初始地下水水位有關(guān)的觀點。

3.3 Spearman秩相關(guān)系數(shù)分析

采用Spearman秩相關(guān)分析系數(shù)作為降雨各特征值之間相關(guān)關(guān)系的檢驗標準[13]，對2016年全年降雨過程進行劃分得到26場次降雨過程，分別統(tǒng)計和計算歷次降雨的次降水量、降雨歷時、入滲量、土壤水庫容等特征值。進行全年范圍內(nèi)計算結(jié)果如表1所示，包括入滲量與地下水漲幅、初始地下水埋深、土壤水庫容、降水量、降雨歷時、平均雨強、最大雨強的相關(guān)系數(shù)。

由表1可知，入滲量與地下水漲幅、初始地下水埋深和土壤水庫容呈顯著正相關(guān)，其Spearman秩相關(guān)系數(shù)分別為0.822、0.780和0.704。

表1 全年入滲量相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果

地下水主要由降雨入滲量補給，發(fā)生降雨時地下水水位的變動是降雨入滲量大小的直觀反映，因此入滲量和地下水漲幅呈明顯正相關(guān)。初始地下水埋深指降雨開始前地下水水面到地表的距離，初始地下水埋深越高，說明地下水水位越低，該區(qū)域干旱程度越深。入滲量與初始地下水埋深的正相關(guān)，說明在干旱狀態(tài)下表層土壤對地下水補給作用有限，其地下水水位維持較高水平主要來自于降雨入滲量的補給。

土壤水庫容也稱為入滲能力，指次降雨發(fā)生前土壤所能容納的最大水量，與土壤干旱程度呈正比，入滲量和次降水量及其他降雨要素等沒有顯著相關(guān)關(guān)系，說明太湖流域平原區(qū)土壤水接近飽和狀態(tài)，降雨發(fā)生前期的部分降水量以下滲的形式損失，中期及后期的大部分降水量以徑流的形式損失，較之降水量與徑流深的相關(guān)關(guān)系更明顯，這暗示著實驗區(qū)內(nèi)土壤含水量達到飽和是產(chǎn)生徑流的重要前提條件，研究區(qū)的產(chǎn)流機制以蓄滿產(chǎn)流為主。

為進一步分析不同干旱程度下入滲量和其他入滲特征值之間的相關(guān)關(guān)系，將全年26場次降雨的土壤水庫容按降序排列后，取接近土壤水庫容中位數(shù)的整數(shù)50，以此為標準劃分為2組數(shù)據(jù)，分別以濕潤組(Ip<50 mm)、干旱組(Ip≥50 mm)命名。相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。

表2 濕潤、干旱兩組入滲量相關(guān)關(guān)系分析結(jié)果

分析可知：干旱組的入滲量與降雨相關(guān)性顯著，相關(guān)系數(shù)高達0.988，而濕潤組的相關(guān)性不顯著，相關(guān)系數(shù)為0.305；濕潤組的入滲量與土壤水庫容相關(guān)性顯著，說明土壤水庫容約束降雨對地下水的補給，土壤越接近飽和越明顯。要想進一步精確模擬降雨入滲過程，可以考慮建立耦合干旱、濕潤兩種狀態(tài)的非飽和帶降雨入滲模型。

4 結(jié) 論

(1)土壤水變化量、漲幅隨土壤深度增加而減小，隨降水量增加，整體的漲幅增加；在發(fā)生同樣降水量情況下，土壤含水量漲幅與瞬時雨強的大小和持續(xù)時間有關(guān)。

(2)地下水變化量、漲幅和降水量、瞬時雨強及持續(xù)時間、初始潛水埋深等因素有關(guān)；降雨停止后，地下水恢復(fù)或接近原有水平的快慢與地下水位有關(guān)。當降水量級為大暴雨時，如瞬時雨強較大、持續(xù)時間短時，潛水埋深變化曲線呈雙峰甚至多峰型。如瞬時雨強變化均勻且持續(xù)時間長，其變化曲線不呈現(xiàn)前述情況。

(3)實驗區(qū)降雨發(fā)生前期的部分降水量以下滲的形式損失，中期及后期的大部分降水量以徑流的形式損失，這說明太湖流域平原區(qū)的產(chǎn)流機制很可能以蓄滿產(chǎn)流為主。

(4)干旱狀態(tài)下入滲量與降雨相關(guān)性顯著，與土壤水庫容相關(guān)性不顯著，而濕潤狀態(tài)下相關(guān)性不顯著；濕潤狀態(tài)下則反之，因此建立耦合干旱和濕潤兩種狀態(tài)下的入滲模型對精確模擬入滲過程具有重要參考意義。