包氣帶土壤顆粒大小對飽和帶地下水產流的影響研究

強思遠 母小苗 姚帥 劉唐瓊 李若晴

摘要：地下水徑流是流域產流中非常重要的一部分，目前對流域產流的研究大多專注于流域下墊面性質對地面及淺層壤中水徑流的影響。本文描述的是，研究不同上層土壤顆粒大小對飽和帶地下水產流影響的模擬降水-徑流實驗，使用示蹤劑（NaCl）建立相似降雨條件下徑流電導率（EC值）的比例曲線，探究飽和帶含水層中的水在降雨過程中對徑流貢獻的變化。實驗結果表明在一次暴雨事件中，上層土壤顆粒的粒徑越小，補給河道的徑流中飽和帶含水層水所占的比例就越大，壤中流現象也隨上層土壤粒徑變小而消失。本實驗可以幫助我們理解地下水與地表水之間的交互作用，有利于水質管理，水土保持等工作的發展。

關鍵詞：模型實驗；示蹤劑；粒徑；地下水；含水層；交互

引言

地下水與地表水的交互是指兩者在數量與質量之間的聯系，幾乎所有的地表水，如河流、湖泊、濕地和河口都與地下水相互作用。在許多情況下，地表水體從地下水系統中獲得水和溶質，在其他情況下，地表水體是地下水補給的來源，并控制地下水水質的變化。（Hirsch，2013）

影響地下水與地表水交互的因素有很多，如地形，氣候，巖土性質等。

在非降雨期，地表水體主要依靠地下水補給以維持水流，地下水流是含水層補給地表水的主要形式[1]。當流域降雨時，雨水下滲會使土壤含水量發生變化，影響地表水體與地下水之間的水力平衡。在降水時，地下水與地表產流同時補給地表水體，而地下水對地表水體的補給比例不僅與降雨量，降雨強度有關，也受到上方包氣帶土壤性質的影響，當包氣帶含水量達到田間持水量后，重力成為土壤水運動的主要驅動力，當飽和含水層具有一定傾斜角度時，重力會驅動土壤向位置較低的地表水體補給。經典的產流理論將土壤性質統一描述為下滲能力，包括粒徑，分選性，粘滯性[2]。在這些性質中，土壤的粒徑或孔隙大小是決定土壤下滲能力的重要部分。

對于地下水與地表水交互的研究，國內外已經有了不少先例。魏思宇[3]通過GMS軟件建立了克魯克湖區的水文地質概念模型，分析了該地區水均衡情況。李忠媛[4]（2017）從水動力學機制概念入手，研究了濕地區域地表水和地下水的實際交互過程。俄亥俄州水資源部門證明了兩者間的水力聯系與相對水位的關系[5]，在近些年，溫度和環境示蹤劑等工具也被應用在了研究中，比如氡-222 和氦-4的利用[6].在人工降雨的應用上，謝申琦[7]通過人工模擬降雨試驗分析了雨強對生物結皮坡面產流產沙的影響，陳榮榮等人[8]通過人工降水設備模擬單次不同降水量降水事件，分析了降水事件后土壤CO2短期內的脈沖釋放表現出的“Birch效應”。王長庭[9]等通過模擬降水的梯度和自然條件下通過遮雨布來控制降水量的減少進行條件下植物群落優勢植物種群生長發育特征的測定，胡堃在對華北地區石質山坡產流模型的研究[10]中兼顧了雨強不同但雨量相近，以及雨強相近而歷時不同的原則，模擬強度在0. 3m～ 2.3m/min之間的降雨。通過翻斗式自記雨量計測量負壓計和片狀TDR（ECH20），并用CR10X數據采集器，獲得時間步長的水勢和土壤含水量動態變化數據。

為了進一步研究地下水與地表水的交互，本文通過模擬降水-徑流實驗，探究在降雨時包氣帶土壤粒徑的改變對地下水補給地表水數量的影響

1.實驗設計與材料

1.1實驗設備

本實驗采用“desktop”模擬流域裝置（如圖一），包括一套降雨系統，土樣箱，數據收集和處理系統。

1）降雨系統：包括霧化噴頭，支架，流量計和供水管

2）土樣箱：長100cm，寬50cm的具有一定坡腳的透明箱，在土樣箱出口有上下兩排出水口，用以區分地面與地下徑流。

3）水箱：用于收集徑流并測量EC值和流出的徑流的體積。

其中，降雨量，總徑流量和徑流EC值由軟件TracerDAQPro收集并保存為excel數據用于進一步的處理

1.2 土樣選擇及處理

本實驗所選土壤分別為粒徑為0.02-0.2mm的較細砂（來自吉吉納普（西澳大利亞））和0.2-2mm的中粗粒砂[11]（來自珀斯周邊地區）。其中較粗顆粒孔隙度經測量為0.4，初始土壤含水量1.59。

實驗一：

①首先將粗粒砂樣倒入土樣箱，保持表面水平，覆蓋下層排水孔但低于上層排水孔，與上層排水孔保持一定距離。在本實驗中粗粒土樣體積為7961cm?。

②對土樣施加濃度為10pp+的NACL溶液，直至土樣完全飽和。需溶液體積為：3184cm?，計算方式如下[12]：

③待土樣飽和后，將一層透水麻布覆于其上。這一步是為了使這一層砂樣達到剛好飽和的狀態，模擬飽水帶中的含水層，并用以分割土層并阻滯鹽分交換。

④將同樣的粗粒土置于麻布之上，平鋪，表面水平并與上層排水孔平行，緊鄰排水孔。這一步是模擬包氣帶，當兩層土壤放置好后可以觀察到上層土壤因毛管力作用出現上升毛管水。

實驗二：

前三步皆重復實驗一

第四步，將細粒土置于麻布之上，要求同實驗一第四步，以此形成對照組。

1.3實驗過程

①將土樣設置完成后，提前打開TracerDAQPro，開始記錄數據。

②打開水龍頭，開始降雨。

③從首次出現徑流開始計時，上下兩排的出水口均有水排出。排出的水在水箱口混合并測量EC值，流入水箱20分鐘后關閉水龍頭，停止降水。

④待徑流不再流出時停止計時，收集有關實驗數據。

2.數據處理

注：本實驗所有數據采樣間隔均為0.25s，以編號為橫坐標

2.1 降雨

由圖可見，相比實驗二，實驗一的降水提前結束了30s。由于人工操作，我們可以看到兩次實驗降雨的流量有細微差別，實驗一平均強度為0.32L/min，實驗二為0.22L/min，換算成雨強分別為1.06mm/s和0.743mm/s，兩者相差約0.3mm/s，皆超過暴雨紅色預警標準。

這些差別反映了細微降雨強度和總降雨量的不同，但由于降雨設施采用噴霧式設計，降雨對下墊面的動力特征改變并無差別，同時根據蓄滿產流理論，當土壤飽和后徑流的激發與降雨強度無關[13]，在本實驗中因為土壤體積的限制上層土壤也提早達到飽和狀態。這些差別并不會對實驗結果，也就是總徑流中地下水所占比例造成質的影響，若結論有異，說明有其他的因素（土壤粒徑）的改變影響了徑流的激發機理并且作用效果更加明顯。當然，雨量的差別也在一定程度上確實削弱了本實驗的影響力。

2.2 徑流量

在對圖像的分析中，我們認為混合徑流中EC值的下降表明來自降雨的徑流成分增加，EC值上升甚至超過土壤中飽和鹽水的EC值代表徑流溶解了土壤中原有的鹽分。而在實驗一的初始階段，我們發現EC值有短暫的下降趨勢，綜合前兩條分析，EC值下降是因為降雨產生徑流，并且與土壤沒有充分接觸。在實驗中我們并沒有觀察到初期的地表排水，說明在初期，有一種以降水為主，但是通過地下排出的徑流形式，這與壤中流非常相似。而在實驗二初始階段并未出現EC值的明顯下降，說明是因為細粒土壤毛管力較大，實驗二初期所有降雨都被土壤吸收，而在實驗一中由于上層土壤持水性差，在實驗開始時產生了壤中流現象。

3結果分析

從實驗的結果中，我們發現了一些不同尋常的現象：實驗二所用土壤粒徑較小，孔隙也相應較小，在分選性，磨圓度等性質相似的情況下，滲透能力要小于實驗一中的粗粒土壤[14]。如果表層土壤滲透能力較弱，根據產流理論，雨水的下滲量將會減少從而產生更多的地面徑流，但實驗結果表明存在另一種因素使雨水在滲透能力弱的土壤中下滲更多，導致含水層的水排出。通過分析，我們認為這種因素是上層土壤毛細力的改變。也就是說，由粒徑變化帶來的毛細作用的增加比滲透系數對降雨的下滲的影響更大。地表水上的毛細力增強，增加了降雨的入滲[10]，下滲的水向下遷移，使含水層中更多的飽和鹽水通過地下水徑流的形式排出。

4 結論

1）本實驗證明包氣帶土壤粒徑是影響飽水帶含水層補給地表水體水量的重要因素，通過土壤孔隙大小的改變，粒徑越小，總徑流量越小，地下水所占的比例越高。這對山坡地區防治水土流失、水質管理具有一定指導作用。

2）同樣的，土壤顆粒分選性、排列方式、土壤質地和降雨強度同樣會有類似的影響，需要進一步的實驗驗證。

3）在細粒土中由于毛細作用的增強，較難產生壤中流等現象，說明不僅與下層土壤有關，上層土壤的持水性也會影響徑流的激發機制，當土壤分層時更容易出現壤中流的現象。

5存在問題

1）本文僅就人工降雨條件下，上層土壤粒徑對地下水與徑流交互的影響及其作用機理做了分析研究，但在相似準則上不夠明確，其實際物理意義難以推廣，用于其他土壤條件變化等問題，仍有待于待進一步研究確定。

2）實驗存在控制變量不統一的問題，需要更精準的實驗設計。

參考文獻

[1]Hirsch，R.M. Groundwater and Surface-Water Interactions. 2013.

[2]王新峰.《水文地質學基礎》（第六版）[J].水文地質工程地質，2011，38（03）：30.

[3]魏思宇. 柴達木盆地克魯克湖區地下水與地表水交互關系研究[D].中國地質大學（北京），2018.

[4]李忠媛.地表水-地下水交互機制研究[J].黑龍江水利科技，2017，45（02）：4-6+32.

[5]Ohio Department of Natural Resources Division of Water. Surface Water and Groundwater Interaction. 1997.

作者簡介：強思遠，男，生于1998年11月，漢族，山東濟寧人，中國礦業大學，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

母小苗，女，生于1997年3月，漢族，內蒙古包頭人，中國礦業大學，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

姚帥，男，生于1996年4月，漢族，河南駐馬店人，中國礦業大學，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

劉唐瓊，女，生于1999年9月，漢族，安徽安慶人，中國礦業大學，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

李若晴，女，生于1999年2月，漢族，海南澄邁人，中國礦業大學，本科在讀，水文與水資源工程研究方向。

【基金項目】本文系中國礦業大學2018年度大學生實踐創新訓練計劃項目，項目編號：201810290025

（作者單位：中國礦業大學）