新疆瑪河流域平原區(qū)次降雨入滲補給系數(shù)變化規(guī)律研究

高正夏

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京　210098)

0　引言

降雨入滲補給系數(shù)是平原地區(qū)地下水資源計算與四水相互轉(zhuǎn)換關系研究中的重要水文參數(shù)，其精度直接影響到研究成果的可靠性[1-3]。

降雨入滲補給系數(shù)一般可以分為次降雨入滲補給系數(shù)和規(guī)定時段的降雨入滲補給系數(shù);規(guī)定時段的降雨入滲補給系數(shù)又可以分為日、旬、月、季、年,及多年平均的降雨入滲補給系數(shù);在水資源研究中，最常用的就是三類，即次降雨入滲補給系數(shù)α0、年降雨入滲補給系數(shù)αt和多年平均降雨入滲補給系數(shù)αT。而在這三類之中，次降雨入滲補給系數(shù)α0又是最重要最基礎的，它的精度又直接影響到年降雨入滲補給系數(shù)αt和多年平均降雨入滲補給系數(shù)αT的確定。

次降雨入滲補給系數(shù)α0確定方法有很多，一般在有地下水長觀資料的平原地區(qū)，采用地下水動態(tài)分析法確定比較符合實際情況，α0計算公式如下：

式中：α0為次降雨入滲補給系數(shù)；h0為次降雨前地下水埋深(m)；μ(h0)為巖土給水度，隨地下水埋深而變；Δh為次降雨入滲補給引起的地下水位上升幅度(m)；P0為次降雨量(mm)。

次降雨入滲補給概化圖如圖1所示。

1　次降雨入滲補給系數(shù)影響因素分析

影響次降雨入滲補給系數(shù)大小的因素非常多，例如巖性、蒸發(fā)、地形、地貌、地質(zhì)構造、水文地質(zhì)條件、植被、人類活動、次降雨特征、次降雨前土壤含水量分布、次降雨前地下水埋深等[4-6]。如果要綜合考慮所有影響因素來確定次降雨入滲補給系數(shù)，難度非常大。但分析以上因素，筆者不難發(fā)現(xiàn)，有些因素在一個固定的研究區(qū)域是長期相對不變的，如巖性、地形地貌、水文地質(zhì)條件等。有些因素直接反映在地下水位的變幅上，如人類活動中最常見的打井開采，可造成區(qū)域地下水位大幅下降。有些因素是雙重的，如植被影響就不能籠統(tǒng)地說對降雨入滲有利還是無利，為了使討論問題更為清晰，筆者假定在其它一些因素相對不變的情況下，重點討論一下次降雨特征和次降雨前地下水埋深對次降雨入滲補給系數(shù)的影響。

圖1　次降雨入滲補給概化圖

1.1　次降雨前地下水埋深的影響

次降雨前地下水埋深對次降雨入滲補給系數(shù)的影響從以下兩方面來分析：

(1)地下水埋深反映了地下水盛水庫容的大小。當?shù)叵滤裆畋容^小的時候，次降雨入滲補給系數(shù)隨著埋深的增加而增加。次降雨入滲補給量的大小取決于地下水盛水庫容的大小，極端情況是，如次降雨前地下水埋深為零，也就是地下水盛水庫容為零，此時無論次降雨量有多大，次降雨入滲補給量為零，相應地次降雨入滲補給系數(shù)為零；隨著埋深的增大，次降雨入滲補給量增大，次降雨入滲補給系數(shù)亦相應變大。

(2)地下水埋深在某種程度上也反映了土壤含水量的多少，當?shù)叵滤裆畋容^大時，土壤含水量分布概化如圖2所示。圖2中，A以上為土壤含水量的強烈變化帶，AB之間稱為土壤含水量的穩(wěn)定帶(即土壤含水量始終保在最大田間持水量)，BC之間稱為毛管上升水帶，當土壤含水量的垂直分布處于acde分布時，次降雨應首先滿足土壤缺水的需要，即填滿abc范圍內(nèi)所缺的水量，當土壤含水量垂直分布呈bcde分布時，次降雨則直接在重力作用下通過空隙補給地下水。所以在地下水埋深較大時，不存在地下水盛水庫容的制約，同樣的次降雨量，隨埋深增大后產(chǎn)生的水量損耗也相應增大，補給到地下的水量必然相應減少，所以，隨著埋深的加大，在次降雨量相同條件下，次降雨入滲補給系數(shù)逐漸減小；極端情況是，地下水埋深達到一定程度后，地下水得不到降雨入滲補給，次降雨入滲補給系數(shù)趨于零，這也就是一些地下水超采區(qū)會發(fā)生地下水資源枯竭的根本原因。

圖2　雨前地下水埋深較大時土壤含水量分布概化圖

由上可見，在次降雨量相同的條件下，地下水埋深小時，次降雨入滲補給系數(shù)受制于盛水庫容，隨著地下水埋深的增大而增大；地下水埋深小時，次降雨入滲補給系數(shù)受制于水量損耗，隨著地下水埋深的增大而減小。綜合考慮降雨入滲補給量、盛水庫容和水量損耗三者之間的相互制約關系，可以發(fā)現(xiàn)，一定存在一個地下水最佳埋深，使同樣的次降雨量下次降雨入滲補給系數(shù)最大。

1.2　次降雨特征的影響

次降雨特征對次降雨入滲補給系數(shù)的影響主要表現(xiàn)在以下三方面：

(1)在雨前地下水埋深較小的情況下，次降雨量入滲補給量主要受制于地下水庫容。從次降雨入滲補給系數(shù)計算公式可看出，蓄滿地下水庫容只需要動用次降雨量的一部分，多余的部分轉(zhuǎn)化成地表徑流和植被截留等，對地下水補給而言是無效的，分子數(shù)值一定。此時，次降雨入滲補給系數(shù)隨著次降雨量的增加而減小；但如果雨前地下水埋深足夠大，也就是地下水庫容足夠大，此時的次降雨入滲補給系數(shù)一般隨著次降雨量的增加而增大(假定次降雨量轉(zhuǎn)化成次降雨入滲補給量之前的損耗量不變)。

(2)不同的次降雨量，其對應的地下水最佳埋深是不一樣的。一般而言，次降雨量越大，對應的地下水最佳埋深也相對越大，但對應的最佳降雨入滲補給系數(shù)相差并不大，這是由于最佳埋深增大后增加的水量損耗與降雨量的比值相對于降雨入滲補給量與降雨的比值要小得多。

(3)一般而言，次降雨強度與次降雨入滲補給系數(shù)成反比關系，即雨量相同時，雨強越大，表明入滲補給歷時越短，同時雨滴對地面的敲擊使表土的透水性減弱，因而增加了地表徑流量，造成降雨入滲補給量減少，故相應的次降雨入滲補給系數(shù)變小。理論上應該存在一個最佳的次降雨雨強分布，使次降雨入滲補給量達到最大。

2　研究區(qū)概況

新疆瑪河流域位于天山北側(cè)中段，準葛爾盆地南緣，南起依連哈比爾尕山北麓，北接古爾班通古特沙漠，東起瑪納斯河莫索灣東緣，西至巴音溝河與奎屯市接壤；其地理位置處在東經(jīng)85°～86°30′,北緯43°30′～45°40′,東西最長112 km，南北最長172 km，總面積12 924 km2；其中山丘區(qū)4 260 km2，平原區(qū)6 301 km2，沙漠區(qū)2 363 km2[7-9]。

研究區(qū)位于歐亞大陸中心，遠離海洋，屬典型的干旱半干旱大陸性氣候。降雨量時空分布很不均勻，在地理分布上由南向北遞減，高山區(qū)年降雨量700～1 000 mm，低山丘陵區(qū)300～400 mm，山前傾斜平原200 mm左右，沙漠邊緣100 mm左右。降雨量年內(nèi)分配的特點是夏季多冬季少，春季降水占全年的36%，夏季占31%，秋季占21%，冬季占12%。

2.1　地層巖性

第三系地層主要出露在巴音溝河的上游地區(qū)。在安集海以西，第三系地層覆蓋在不同時代的老地層之上，其頂部與第四系西域組Q1x整合接觸。根據(jù)巖性對比，研究區(qū)內(nèi)第三系地層可分為五個巖性組，自下而上分別為紫泥泉子組E1-2z、安集海組E2-3a、沙灣組E3-N1s、塔西河組N1t和獨山子組N2d。巖性主要為泥巖。

第四系地層在研究區(qū)分布極為廣泛，由老到新分述如下：

① 下更新統(tǒng)西域組Q1x:主要為山麓河流相礫巖類砂巖、泥巖，與下部第三系獨山子組整合接觸，厚度350～2 046 m；

② 中更新統(tǒng)烏蘇群Q2ws:下部為礫石、砂土層，上部為砂壤土、黃土狀亞砂土，分布在低矮丘陵地帶的小山包上及河谷的兩岸，組成巴音溝河的Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級河流階地，為沖積—冰水沖積物，相當于破城子冰期的產(chǎn)物，與下面地層呈不整合接觸關系，厚度30～60 m。

③ 上更新統(tǒng)新疆群Q3xj:分布于河谷兩岸，構成Ⅰ級階地和向北緩傾的戈壁平原，以沖積—洪積物為主，以及冰水沉積的礫石、砂、亞砂土等。該組是研究區(qū)分布最廣泛的地層，構成山前沖洪積扇的扇頂?shù)[石帶和洪流溝礫石帶以及扇面、扇間區(qū)，與下面地層呈不整合接觸，厚度25～355 m。

④ 全新統(tǒng)沖洪積層Q4:主要為一套沖積、洪積、湖積沉積物，自南向北巖石顆粒由粗變細，南部以細砂中粗砂夾小礫石為主，北部則以粉細砂及亞砂土為主，分布于巴音溝河的河漫灘及各條支河的河谷中。地層厚度由南向北逐漸變薄，巴音溝河沖積扇的前緣厚約20～30 m，與下面地層呈不整合接觸。

2.2　地質(zhì)構造

研究區(qū)位于陰山—天山緯向構造帶的西段，屬北天山復雜褶皺帶北側(cè)的山前凹陷帶—烏蘇奇云沉降構造帶，北鄰準葛爾盆地。

在霍爾果斯背斜以北隔開一個槽形凹陷，即安集海背斜，安集海背斜的北側(cè)。據(jù)物探資料，在第三系基巖頂面上存在一個凹陷，向北還有一個東西向的微弱隱伏隆起。

研究區(qū)的新構造運動十分強烈，由于新構造的差異性運動，研究區(qū)的西部上升比東部強烈，導致了巴音溝河河道向東不斷推移，洪積扇也不斷向東擴展，并遺棄了巴音溝河的古洪積扇。安集海洪積扇與窩瓦特古洪積扇之間似為斷層接觸。

2.3　地貌特征

研究區(qū)地貌按成因類型及形態(tài)特征分為三個類型，即構造侵蝕的中—低山地形地貌單元、侵蝕堆積階地地形地貌單元、堆積地形地貌單元。其中，堆積地形地貌單元是指廣大的沖洪積平原，地形上由南向北微微傾斜，地面坡降1∶1 000～1∶2 000。

2.4　水文地質(zhì)條件

研究區(qū)絕大部分為洪積物分布區(qū)，其主要的含水層為巴音溝河洪積扇中的孔隙水含水層。第四系洪積扇中的孔隙含水層有較大的水文地質(zhì)意義，可分為三個巖相帶：①卵礫石、砂礫石巖相帶。該帶主要分布在山麓和山間、河谷地區(qū)，構成山前沖洪積扇傾斜平原的主體，屬于富水性較強的潛水區(qū)。②砂、砂礫石、粗砂巖相帶。該帶主要分布在山前傾斜平原的下部或沖積平原的上部，為潛水溢出帶或高壓自流水，富水性強。③粉細砂、粉砂巖相帶。主要分布在廣大沖洪積平原的中下部，為富水性較弱的潛水或低壓自流水。

研究區(qū)地下水的補給主要有以下幾部分：①降雨入滲補給；②巴音溝河的河道滲漏補給；③山前側(cè)向補給；④平原水庫的滲漏補給；⑤河床潛流補給；⑥渠系滲漏補給；⑦灌溉入滲補給；⑧與深層地下水的水量交換。

研究區(qū)的地下水徑流方向總體上是由南向北，在洪積扇扇頂部位地下水的水力坡降很小，約1%～5%，自溢出帶向北，淺層地下水的水力坡度大體上與地面坡度一致，在巴音溝河新老洪積扇之間，老洪積扇上部的地下水流向NE，補給東部的安集海洪積扇。

研究區(qū)地下水的排泄方式主要有以下幾種：①溢出帶泉或泉群的排泄;②潛水通過包氣帶蒸發(fā)和植物蒸騰;③地下水的側(cè)向排泄;④人工開采;⑤與深層地下水的水量交換。

研究區(qū)地下水埋深在洪積扇的上游帶較大，中下游地段較淺，平均埋深約3 m。

研究區(qū)的水化學特征表現(xiàn)在以下幾方面：①山間和山前洪積扇的扇頂至溢出帶，地下水為HCO3-Ca型，少數(shù)為HCO3·SO4-Ca型，M<0.5 g/L,一般為0.2～0.3 g/L,水質(zhì)良好。②洪積扇溢出帶以下，淺層地下水的水化學類型漸變?yōu)镾O4·HCO3-MgCa或SO4-CaNa型，礦化度漸增，最大可達5 g/L。③在徑流條件不好的安集海洪積扇區(qū)，礦化度較高。④深層地下水水質(zhì)較好，多為HCO3-Ca型或HCO3-CaNa型，礦化度<0.6 g/L,一般為0.2～0.4 g/L。

3　次降雨入滲補給系數(shù)

為了建立研究區(qū)次降雨入滲補給系數(shù)α0與雨前地下水埋深h0及次降雨量P0三者之間的關系，筆者選用了安集海氣象站的逐日降雨量資料及研究區(qū)內(nèi)地下水動態(tài)觀測資料，經(jīng)分析、比較、修正，選出了99組因次降雨引起的地下水上升數(shù)據(jù)，給水度采用了隨地下水埋深而變的試驗成果，利用引言中的公式計算了相應的次降雨入滲補給系數(shù)α0(表1)。

表1　研究區(qū)次降雨入滲補給系數(shù)α0計算成果匯總表

由于計算樣本數(shù)量有限，不可能對次降雨量進行細致的分段，本文只分了兩段，即6.5 mm20 mm，把表1 中的數(shù)據(jù)分成兩部分，分別點繪α0-h0散點圖，如圖3、圖4所示。根據(jù)散點分布的大致趨勢，用SPSS統(tǒng)計軟件得出研究區(qū)次降雨入滲補給系數(shù)成果如下：

圖3　6.5 mm

當6.5 mm

當P0>20 mm時，α0=0.071h02.446e-0.565h0。

圖4　P0>20 mm時α0-h0散點圖

4　討論

前文已述及，次降雨入滲補給系數(shù)的影響因素很多，次降雨入滲補給系數(shù)的確定方法也很多，例如可以進行精確的室內(nèi)試驗，對降雨及下墊面條件進行模擬，還可以根據(jù)水量平衡原理或能量平衡原理確定;本文依據(jù)的是次降雨資料和地下水長觀資料，成果的精度取決于以下一些因素，如雨前土壤含水量的分布、巖性及地質(zhì)條件的差異味、地形地貌的差異、植被的差異味,甚至還有觀測制度和觀測精度的差異；表面上看，本文表1中選取的一些數(shù)據(jù)還非常的粗糙，但實際上由于是在比較長的時間尺度和比較大的空間尺度選取的，每個點的地下水上升幅度都是多種因素綜合作用的結果;所以只要樣本足夠多，最后得到的統(tǒng)計規(guī)律應該是更真實地反映了研究區(qū)的降雨入滲規(guī)律。計算成果可以用于研究區(qū)地下水補給資源的計算和水文循環(huán)分析，今后必須在以下幾方面加強研究：

(1)加強水文及水文地質(zhì)要素的監(jiān)測工作，不斷增加樣本的代表性和數(shù)量，并充分利用統(tǒng)計理論對數(shù)據(jù)進行分類處理，最主要的是提高某次降雨條件下地下水上升幅度值的修正精度。

(2)盡量做一些室內(nèi)試驗或數(shù)值模擬試驗，與地下水長觀資料分析法對比研究，以彌補和修正地下水長觀資料的某些不足。

(3)計算成果的精度檢驗仍然是一個難題，因為水文循環(huán)影響因素太多，次降雨入滲補給系數(shù)的精確值到底是多少很難得到。所以，對次降雨入滲的機理研究還有很多工作要做。目前很多分布式或半分布式水文模型的計算成果與生產(chǎn)實際脫節(jié)很大，就是現(xiàn)在的研究過多地放在了計算機程序上，對模型需要輸入的很多重要參數(shù)缺乏深入的研究。

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