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水利学报

年月第卷第期

文章编号

降水补给地下水过程中包气带变化对入渗的影响

张光辉费宇红申建梅杨丽芝
中国地质科学院水文地质环境地质研究所河北石家庄

摘要采用野外试验和室内试验方法通过对不同降水量的入渗过程中岩土含水率和水势变化规律分析发现入渗
水流在包气带内下渗过程的岩土吸水过水即水分通量不变且不等于零和脱水的不同阶段当岩土水势的梯度
分别大于等于和小于?厘米水柱?厘米时岩土含水率分别表现为增加稳定和减少对包气带不同埋
深的岩土含水率和水势变化特征分析表明随着地下水位不断下降包气带增厚对降水入渗补给地下水的影响程
度和方式都发生改变当包气带厚度小于潜水蒸发极限深度时包气带的增厚使得岩土水分亏缺累积量增大导
致入渗速率和地下水获取的总入渗补给量减小当包气带厚度大于潜水蒸发极限深度时随着包气带厚度增大入
渗速率趋于稳定无限时间内地下水获取的总入渗补给量不因包气带增厚而变化但是有限时间内地下水获取的
入渗补给量趋小这是因为入渗途径的延长导致入渗所需时间增加以至在有限时间内包气带内过剩的入渗水分
尚未充分排出补给地下水
关键词包气带增厚潜水蒸发极限深度入渗速率水势入渗补给地下水
中图分类号文献标识码

在长期超采条件下华北平原地下水位不断下降包气带厚度已从世纪年代的增厚
至局部达到特别是在太行山山前平原区包气带厚度增大倍这一变化对
地下水入渗补给量影响的程度如何已倍受关注近年来周青云等通过数值模拟研究了土壤水
运动规律李援农等探讨了土壤空气压力影响下非饱和入渗模型问题张俊等对土壤水力性质参数
的响应界面和敏感度进行了分析孙大松等给出了非饱和渗透系数变化规律魏日华等卢选伟
和史良胜等针对降水入渗补给地下水问题研究了降水入渗系数的空间变异性和影响因素提出降
水入渗补给地下水具有多变性但是从水势和水量两个方面综合研究降水入渗补给与地下水位埋深
之间关系仍然是薄弱环节本文通过野外和室内试验研究了降水入渗过程中包气带水动力场和含水
率变化规律阐明了包气带增厚对降水入渗补给地下水的影响这对于地下水资源评价中合理确定入渗
补给项具有重要指导意义

试验方案

试验条件分别进行了野外和室内多次降水入渗试验野外试验场位于河北平原中南部冲积平
原的黄河古河道分布地段南宫市郊区海拔高程地形平坦地貌形态为微波状岗地有利于
降水入渗包气带以亚砂土为主表局部夹薄层亚黏土层或透镜体试验区年均降水量
以上集中在每年的月大气降水入渗是地下水的主要补给来源试验初期的潜水位埋深
至年研究区地下水位埋深下降至

收稿日期
基金项目国家自然科学基金项目国家重点基础性研究项目
作者简介张光辉男辽宁沈阳人研究员主要从事区域水循环演化与水资源可持续利用研究
表包气带的岩土颗粒组成

颗粒组成
土样

野外试验场亚砂土
室内试验亚砂土

试验场设有水传感和气传感水银式负压计表式负压计和中子水分监测仪组观测孔每组眼
每次平行观测岩土水势和含水率的监测深度间距从地表至地面以下的不
同深度设有地中温度观测地面设有雨量水面蒸发和相应气象要素观测地下水位动态由和
不同井深的观测孔采用自记水位仪和人工监测水位水温和水质
室内试验模型的地层结构和岩性以野外试验场包气带岩性和地层组合为依据以亚砂土为主表
潜水位埋深在之间调控试验模拟装置高直径由土体供水装置排水装
置中子水分仪测孔和负压计监测系统组成土体按野外包气带的岩土干容重分层压实装填然后使其
充分饱水自然沉积底部滤料层厚度为
试验方案野外试验在野外试验场自然与人工的次降水量为多次入渗试验其
中降水量是人工连续降水充分饱和入渗试验每次试验都同步对地下水位包气带含水率与
水势水面蒸发等进行观测室内试验先后进行次室内试验分别为非饱和状态自上而下
岩土初始体积含水率为无初始水位降水量的入渗试验初始含水率为
定水位人工氚同位素示踪水质点运移规律的降水量入渗试验初始含水率为
定水位氚同位素示踪水质点运移规律的降水量入渗试验初始含水率为
定水位氚同位素示踪水质点运移规律的降水量入渗试验初始含水率
变水位的降水量入渗试验初始含水率变水位的降水量入渗
试验
测试精度利用中子水分仪监测岩土含水率变化湿润锋位置降水入渗速率和支持毛细水上
升高度分层建立组标定方程每次观测平行读数次误差小于等于?利用型负
压计监测降水入渗前后的岩土水势和水势梯度变化水分运移方向岩土中空气对入渗水流作用程度
湿润锋位置入渗速度水位埋深和空气压力对地下水位变化影响水银式负压计读数误差小于
水柱式负压计读数误差小于降水排泄水量的测量平均单位面积的误差为
观测时间的间隔试验初期为及或者之后为
和之后为

试验结果与分析

包气带水动力场变化特征经过月至来年月份的雨间期后包气带处于水分亏缺状态水势
值远离饱和水势线重力势岩土吸水能力增强给水能力减弱降水入渗补给地下水的条件最为
困