区域层状土壤入渗机理及浅层地下水补给研究

The project will be conducted on many analysis of samples（rainwater, soil water and ground water), field tests and long term monitoring. Firstly, the infiltration process of layered soil (its soil configuration has clay interlayer with poor permeability) in point or local scale is investigated by combining brilliant blue FCF dye tracer and Br- environmental tracer with ERT separately in order to reveal the infiltration pattern and mechanism. Then, soil water balance method and numerical simulation method is combined with water-table fluctuation method separately to estimate the groundwater recharge of point or local scale.The results of field test and monitoring of up, middle and down stream show the infiltration mechanism of layered soil on watershed scale; soil water balance and soil water flow numerical simulation method can be extended to watershed scale by pedo-transfer functions (PTFs) method, geostatistics method and GIS, and the methods above can combine with the 2-D groundwater flow numerical simulation method; simultaneously, environmental tracer (Hydrogen and Oxygen stable isotopes) method can combine with the 2-D groundwater flow numerical simulation method to estimate the recharge amount of ground water. The two methods above can restraint each other and improve reliability and dependence to provide scientific basis for rational development and utilization of groundwater resources in region or watershed.

本项目通过大量采样（雨水、土壤和地下水）分析、野外试验及长期监测，首先用亮蓝FCF染色示踪、Br-环境示踪剂分别与ERT（电阻率成像仪）结合的方法，探讨点或局部尺度上层状土壤（其土体构型中有渗透性差的粘性土夹层）入渗过程，以揭示其入渗模式和机理；用土壤水量平衡法、土壤水流数值模拟法分别与地下水位波动法相结合，估计点或局部尺度上的地下水补给量。根据流域上、中、下游的野外试验及监测结果，明晰流域尺度上层状土壤入渗机理；借助于土壤转换函数法（PTFs）、地质统计学方法和GIS技术等，把土壤水量平衡法、土壤水流数值模拟方法等扩展到流域尺度，并与二维地下水流数值模拟方法结合；同时，将环境示踪剂（氢、氧稳定同位素）法也与二维地下水流数值模拟方法结合，估计出区域上的地下水补给量，以便相互约束，提高地下水补给估计的准确性和可靠性，从而为区域或流域地下水资源合理开发利用提供科学依据。

收集了大沽河流域降水、水文地质等资料，并进行了土壤水、地下水、雨水的长期监测及分析，运用水文地球化学方法和氢氧稳定同位素方法，揭示了地下水主要组分含量的时空演化规律、地下水化学成分的形成作用、主要影响因素及降水入渗补给地下水的过程；联合应用ERT和染色示踪技术监测了田间水分入渗过程，并结合室内层状土柱入渗试验分析了入渗特征及机理；采用流域尺度土壤水/地下水耦合数值模型（SWGCM）和SWAT模型估算了流域地下水补给量；明确了在模拟不同质地土壤水分运动时空间离散和时间离散对数值解的影响，并对田间层状土壤水分运动参数进行识别及不确定性分析；采用土柱出流实验研究了浑水及咸水灌溉对土壤渗透性及溶质运移的影响。结果表明，岩石风化作用是区内地下水化学组分的主要控制因素，大气降水为其最初补给来源，降水随入渗补给过程推进，季节性变化逐渐消减。SWGCM模型校正和验证结果表明，模型准确性和可靠性较高，计算得到的地下水补给量（4.76亿m3）与SWAT计算结果（5.54亿 m3）具有可比性，但SWGCM对土壤水分的入渗模拟采用的是机理模型，准确性更高一些。土壤水分入渗湿润锋在到达土层界面后由非线性推进转为线性推进，积水深度主要通过影响入渗界面处的压力势来影响水分的运移，对入渗通量有着直接作用；土体构型因剖面中不同质地土壤的孔隙、黏粒含量等差异导致渗透性、持水能力不同，造成土层突变界面产生水力阻滞作用；土壤初始含水量通过水势梯度的作用和土壤团聚体遇水后的崩解挤压作用对水分入渗产生影响。不同质地土壤水分运动数值解的稳定性不同，砂性土数值解的稳定性最好，壤性土次之，粘性土最差；基于DREAMZS采样的Bayes方法可以实现田间尺度层状土壤水分特征参数的率定及土壤水分动态的模拟预测，室内实验反演得到θs可用于田间土壤水分运动的模拟。NaCl溶液的入渗使土壤的渗透性降低，而MgCl2、CaCl2盐溶液的入渗使土壤渗透性增强；胶体颗粒和盐溶液共入渗时，不同深度渗透性降低程度不同，对盐离子运移的影响不同。