黄土塬区地下水补给机理及模拟方法

Groundwater is an important water resource for the industrial and agricultural production and resident life on the loess tableland. Studying mechanism of groundwater recharge can provide proof for reasonable usage and scientific management of groundwater. The precipitation infiltration is the only source of groundwater recharge. However, deep loess layer, loess distensibility, loess tectonic joint and fissure have great effluence on precipitation infiltration and recharge to groundwater. Consequently, the groundwater recharge, recharge process and recharge patterns of precipitation infiltration and recharge to groundwater fail to be totally understood on the loess tableland, academically. In this study, a typical loess tableland is selected, and then groundwater recharge, recharge process and recharge patterns are studied in Loess Yuan region, Loess Slope region and Loess Channel region. The groundwater recharge patterns are studied using hydrogen and oxygen isotopic tracer and artificial bromide tracer. On this basis, the effluences of the loess distensibility, loess tectonic joint and fissure on soil water movement are analyzed, and new calculated model is proposed for calculating groundwater recharge in loess tableland. Moreover, the new model is coupled in WEP distributed hydrological mode, and the basin water cycle model considering groundwater recharge process is developed in loess tableland. The water cycle model is then applied in typical small watershed, and the transformation relationships among precipitation, soil water and groundwater are analyzed in loess tableland.

摘要：地下水是黄土塬区工农业生产与居民生活的重要水源，研究塬区地下水补给机理，可为合理利用和管理有限的地下水资源提供科学依据。降水入渗是黄土塬区地下水补给唯一来源，然而巨厚的黄土层、黄土膨胀性、构造节理及裂隙等影响着降水入渗水流补给地下水，造成黄土塬区降水对地下水的补给方式、补给过程和补给量大小在学术上仍不明确。本项目选择代表性黄土塬区，深入研究塬面、坡面和沟道地下水补给方式、补给过程和补给量。拟采用氢氧同位素示踪剂和人工溴离子示踪剂示踪试验确定地下水补给方式；在此基础上，分析黄土土壤膨胀性、构造节理或裂隙优先流对土壤水分运动过程的影响，提出一种新的、适用于黄土塬区的地下水补给过程模拟计算方法；将此方法耦合到WEP分布式水文模型，建立考虑黄土塬区地下水补给过程的流域水循环模型，并通过典型小流域模型应用，定量分析流域尺度降水——土壤水——地下水之间的转换关系。

在黄土塬区，地下水是当地工农业生产的重要水源，深刻剖析和理解黄土塬区地下水水循环过程，对地下水资源的合理利用和有效保护具有重要意义。黄土塬区地下水补给方式及过程复杂，已有研究受研究尺度较小、研究手段较为单一等因素的限制，目前对黄土塬区地下水补给机理的认知尚不一致。本研究为探究黄土塬区地下水补给方式，选择王东沟小流域为研究区，采用氢氧同位素示踪剂结合高密度电法仪（ERT）对降水、土壤水、地下水互相转换过程开展原位试验研究，揭示黄土塬区地下水补给机理，并提出了一种适用于黄土塬区降水对地下水补给过程的两流区模拟计算方法。主要研究内容及取得的重要结果如下：.（1）基于ERT技术对次降雨事件下长92m、深18m二维剖面土壤水分时空响应过程进行探测结果发现，土壤水分响应深度主要发生在0 ~0.8m土层，尚无贯穿0 ~18m包气带的优先流（裂隙）通道。分别就荒草地、苹果地、玉米地0 ~ 3m剖面土壤水分与氢氧稳定同位素含量对次降雨事件的响应过程进行探究发现，3种土地利用方式下雨水入渗均呈现“活塞流”和“优先流”交替进行的过程。.（2）地下水样氢氧同位素点样分布于LMWL和SWEL之间，离散程度远小于土壤水和降水，黄土塬区地下水主要接受土壤水通过活塞流和优先流入渗的双重补给。基于各水体氢氧稳定同位素监测数据，通过MixSIAR模型对地下水补给方式进行了定量估算，发现活塞流对地下水补给的相对贡献率为69%±7%，而优先流对下水补给的相对贡献率为31%±7%。.（3）选择了3场不同特征的降雨事件，对王东沟小流域内降雨、河道径流过程进行了连续观测与水同位素样品的密集采样发现，有效产流面积和平均雨强、30天影响雨量呈现正相关关系，但与降雨量的相关性很弱。事件尺度下小流域超渗产流和蓄满产流都存在，但主要产流机制为超渗产流。.（4）以王东沟小流域及其上一级的黑河流域作为研究区域，构建了考虑两流区的黄土塬区分布式水文模型WEP。结果表明，通过考虑两流区对入渗过程影响，不仅改善了模型模拟失真问题，而且可以有效提高模型计算精度。. 本研究丰富和发展了黄土塬区水文学、土壤水动力学等相关学科基础理论和科学认识及水循环过程模拟方法，对黄土塬区地下水评价、管理和调控具有重要的科学意义。