2004年12月
第26卷 第4期 地下水Dec. 2004
降水量与地下水补给量的关系分析
许昆
(山西省水文水资源勘测局, 山西太原044000)
[摘 要] 降水入渗补给是地下水的主要补给源, 研究降水与地下水的关系, 主要是分析由于降水垂直入渗引起的地下水位的变化。本文主要通过对降水入渗机理、影响水入渗的因素、降水入渗补给量计算的研究, 分析降水量与地下水补给量的关系。
[关键词] 降水量; 地下水补给量; 降雨入渗
[中图分类号] P 333 [文献标识码] A [文章编号] 1004-1184(2004) 04-0272-03
Analysis on Relationship Between the Precipitation &
Groundwater Replenishment
Xu Kun
(Shanxi Pro vincial Hydrolo gy &Water Resour ces Investigation Bur eau T aiy uan 044000, Shanxi )
Abstract :T he r ainfall infiltration recharge is the m ain replenishment so urce of g roundw ater . Study the relatio nship betw een pr ecipitation and gr oundwater is m ainly analy zing groundw ater level variation caused by vertical infiltration of the precipitation. The article analy zes the relationship between precipitation and gr oundwater replenishment by study the precipitatio n infiltration m echanism , factors that effect w ater in-filtration and the calculation of pr ecipitation infiltration replenishment .
Key words :precipitatio n , gr oundwater r eplenishment and r ainfall infiltratio n 1 降水入渗机理
降水到达地面后, 一部分以地表径流的方式流出, 另一部分入渗地下称之为入渗量, 但这部分水量并非全部补给了地下水, 而是在入渗过程中被土壤的蒸发和植物的蒸腾作用所消耗, 有的附着于土壤颗粒的表面, 余下的一部分才真正补给地下水, 形成入渗补给量。
降水入渗过程, 可分为3个阶段。
1) 截留阶段:降水初期, 一部分雨水被植物截留, 一部分降到地面, 湿润表层土壤。
2) 下渗阶段:随着雨水继续降落, 植物截留量达到最大限度, 土壤进一步湿润, 含水量增加。当表层土壤含水量达到一定限度时, 雨水沿孔隙、裂隙向深部下渗。
3) 产流阶段:当降雨强度超过下渗速度时, 地表开始积水, 并沿坡面流动, 充填坑洼, 汇入沟河, 形成地面径流。
三个阶段既是相互联系的, 同时, 又是交叉进行的。
[收稿日期] 2004-11-08
[作者简介] 许昆(1968-) , 女, 山西太原人, 工程师, 主要从事地下水资源研究及管理工作。
下渗到土壤内的雨水, 受重力作用, 由上部逐渐向深部移动, 包气带土壤水, 只有在大于田间最大持水量和最大毛管持水量时, 才能产生重力水补给地下水。实际土壤水分特性曲线反映, 除了雨后短时间外, 年内绝大多数时间处于亏水状态, 土壤水分布总趋势是上小下大, 地下水面处达到田间最大持水量。缺水量随埋深增大呈非线性增大, 从田间最大持水量到饱和含水量是降水入渗补给的限度, 即重力水库容。随埋深加大, 重力水库容也增大。
2 影响降水入渗的因素
降水对地下水的补给, 受到多种因素影响, 影响结果综合反映在地下水位的变化上, 影响降水入渗的主要因素包括:
2. 1 土壤颗粒结构的影响
土壤颗粒大小及排列决定了土壤的渗透性, 颗粒越粗, 磨圆及分选性越好, 渗透性越强, 湿润性越强, 湿润峰面下移越快, 入渗补给量就大, 反之入渗补给量小。
2. 2 地面坡降的影响
地面坡降越大, 易形成地面径流, 人渗补给受到影响, 地面平缓地表径流微弱, 可形成良好的补给区。2. 3 土壤理化性质的影响
各类土壤一般都含有一定数量的胶质和矿物质, 胶质遇水膨胀, 阻塞孔隙, 阻滞雨水入渗, 含胶质较多的土壤使入渗量减小。2. 4 雨前地下水埋深的影响
埋深小易形成地面径流, 使入渗量减小, 埋深增大, 下渗雨量大部分充填于非饱和带土壤, 使补给量逐渐减小, 所以存在最佳埋深范围, 在此埋深范围内, 入渗补给量最大。降水量与缺水量之差(扣除雨期蒸发) 称之为可入渗水量。可入渗水量随埋深增加而减小, 在埋深较小时, 尽管有较多可入渗水量, 却受重力水库容小的制约, 多余部分形成地表径流; 在埋深较大时, 重力水库容大于可入渗水量, 后者成为制约因素, 在某埋深处二者相等, 即为降水入渗的最佳埋深, 因重力水库容曲线不变, 雨量(可入渗水量) 越大, 最佳埋深也就加大。
2. 5 降水量及降水形式的影响
当地下水埋深大于最佳埋深时, 入渗补给量随雨量的增大而增加, 当埋深小于最佳埋深时, 受地下水库容制约, 易形成蓄满产流, 入渗补给量与降水量成反比关系。
各种降水形式中以雨对地下水的补给量最大, 其它降水对地下水补给价值不大。在各种降雨类型中, 霪雨的雨率不大, 但雨时长, 雨面广, 对地下水的补给具有很大意义; 细雨的雨量、雨率皆不大, 易被蒸发所消耗; 暴雨的雨率大, 但雨时短, 雨水大部分来不及渗入地下水, 多呈地表径流流失。2. 6 雨强的影响
降水强度小于入渗速度时, 雨强增大, 入渗量增加; 反之, 入渗量减小。当雨强与入渗速度相近时, 补给地下水为最佳。2. 7 植被的影响
植被可缓减地表径流, 延长入渗补给时间, 增加入渗补给量, 相反, 植被使土壤蒸散发加快, 相对减少入渗补给, 其结果取决于二者起主导作用的一面。3 降水入渗补给量分析3. 1 降水入渗补给系数
降水对地下水的垂直入渗补给可以用降水入渗补给系数来表征其强弱, 表达式为:
a =P r /P
式中:a ——降水入渗补给系数;
P r ——降水入渗补给量(m m) ;
P ——降水量(mm ) 。
a 又可分为次降水入渗补给系数和年降水入渗补给系数, a 的大小直接反映了不同地下水埋深, 不同次降水量, 对地下水的补给差异及变化规律, 同时也表明不同地层条件及岩性结构与降水入渗补给量的关系。
3. 2 降水入渗补给系数的计算方法
以山西省第二次水资源评价为例, 降水入渗补给系数主要用以下方法求取:3. 2. 1相关图解法
选取地下水水平径流微弱的地下水井孔资料, 在地下水动态过程线(或动态资料) 上摘取次降水量引起的地下水升幅值 h 次, 由单井逐次雨量升幅值, 即可求得 年:
年= ∑ h 次/P 年
(1)
式中: ∑ h 次——年内各次降水入渗补给地下水之
和(mm ) ;
P 年——年降水量(mm ) 。
由于地下水动态观测资料受天然及人类活动因素的影响, 单井资料难以确定年内各次降水引起的地下水位升幅值。选用相同岩性的群井资料, 按埋深分级进行分析计算。以岩性、埋深为参变量点绘有效雨量(P+P a ) 与 h 次关系图, 其中P 为所取次雨量, Pa 为前期影响雨量, 计算式P a = k P 。式中P 为本次降雨前i 天的雨量; k 为递减系数, 一般变化在0. 8～0. 9之间, 取k =0. 85, i =15(日) 。由实测资料P +P a ～ h 相关图可见, P +P a 与 h 呈直线关系, 直线与横轴(P+P a ) 交点设为P 0。通过实测点据回归建立关系: h=a+b (P+P a ) 借助上述关系插补了实测不到的 h 次。某次降雨(P+P a ) 大于P 0时, 即入渗补给地下水, 小于P 0时, 则填充消耗于包气带, 无入渗补给地下水。
根据动态资料分岩性逐级埋深建立水位升幅与降水量关系。将所求 h 次代入(1) 式中得到不同岩性、不同雨量级、不同埋深级的降雨入渗补给系数 年。在大量点据计算的基础上, 考虑到面上的应用和系列计算, 点绘 ～P ～ 关系图(图1) , 其关系与下式拟合较好:
=a b e -c +d (1-e -f ) 式中: ——年降水入渗补给系数;
——年地下水平均埋深(m ) ;
A 、b 、c 、d 、f 均为常数。3. 2. 2回归分析法
i
盆地平原区除大暴雨外, 大部分有效雨量降到地面后, 基本上不产流, 一次降雨到达地面后, 除消耗于补充包气带岩土含水量, 使其达到田间最大持水量外, 一部分下渗补给地下水, 另一部分消耗于蒸散发。如前述, h 次与(P+P a ) 在一定雨量内呈线性关系, 故在同一岩性、埋深一定时, h 次与(P+P a ) 有如下关系:
h =A (P+P a ) —P 式中:(P +P a ) ——有效雨量;
P 0——临界雨量;
(2)
式中:L 10=L 20=
∑
(P+Pa ) -(P+Pa) ・( h- h)
1/2
∑
lg (1+ ) -lg (1+
) ・( h- h)
不同岩性回归方程, 经检验其相关程度尚好。在计算 h 与 h 时, 考虑到有效降雨大部分集中在汛期(6～9月) , 而在地下水埋深较浅时, 将蓄满产流, 故当计算值 h > 时, 取 h = ; 假定为无复蓄条件, 当 h ≥ 时, 取 h = 。通过计算 h , 由式? 即得年降雨入渗补给系数 年。
A ——待定系数。
临界雨量P 0即为次降雨对地下水将要产生补给时的有效雨量值。通过分析, P 0与地下水埋深及前期土壤含水量有关。经点绘亚砂土P 0— 关系曲线, P 0与 呈曲线关系, 可建立如下数学关系式: (1) P 0=Blg (1+ ) (2) P 0=B 式中:B ——待定系数;
a ——待定指数。
通过对亚砂土观测资料回归计算, 第一种形式相关程度高于第二种形式, 选择第一种关系式代入(2) 式, 可近似地转化为以地下水埋深 为参变量的相关关系, 由(2) 式得:
h =A (P +P a ) —Blg (1+ )
(a=1/2由回归计算求得) 。
在回归计算时, 为了消除回归时资料带来的误差, 首先根据实测点据, 确定系数B, 而后回归定解系数A 。
为检验其相关程度, 用复相关指数来检验, 即:
R =
(L 10-BL 20) L 00
1/2
a
a
图1 降水入渗补给系数(亚砂土)
3. 3 降水入渗补给量
降水入渗补给量指降水后渗入到土壤并在重力作用下下渗补给地下水的量, 其计算式为:
・P ・F Q 降=
式中:Q 降—降水入渗补给量(m ) ;
——降水入渗补给系数;
P ——计算区年平均降雨量(mm ) ; F ——计算区面积(km 2) 。
总之, 降水对地下水的补给, 受到多种因素影响, 在地下水开采过程中, 降水入渗条件也可能发生变化, 影响其变化的主要因素包括土壤颗粒结构、地面坡降、土壤理化性质、地下水埋深、降雨量及降水形式、雨强、植被等, 而降水入渗补给系数是这些因数的综合反映。降水入渗补给系数直接表达了降水对地下水的垂直入渗补给的强弱, 是计算降水入渗补给最关键的参数。
3
(上接第254页) 降水稍加处理后重新使用或排放, 工业废水必须经处理后达标排放; 新上项目严格把关, 禁止建污染型企业。
中等和一般防治措施:严禁已停产的小型企业恢复生产; 污染小的企业应加强管理和技改工作, 减少废水排污量; 农村则将粪便化为沼气沼渣为生活和生产领域服务; 大力推广生物农药, 限制化学农药, 提倡多施有机化肥, 减轻农业生产对水体造成的负面影响。
其它水体防治对策:开发粪便在养殖业与沼气领域的综合利用技术; 提倡使用无磷洗涤品; 医院、学校等企事业单位的污水可经处理后达标排放。5. 2. 2地下水污染防治对策
造成地下水污染原因很多, 因而防治措施应有侧重。在城市区域, 应完善城市排污管道设施; 提高固体废弃物处理及利用率; 严禁工业废水的人工回灌与污水灌溉; 几条污染严重河流的两岸应采取防渗处理; 禁止使用浅层、中深层混合开采井, 分层分质取水。污染严重的村庄在新宅规划时应远离污水区; 科学合理地使用化肥、农药; 有条件的村庄应对垃圾粪便进行沼气综合利用, 以减轻人类活动对地下水造成的污染。
2004年12月
第26卷 第4期 地下水Dec. 2004
降水量与地下水补给量的关系分析
许昆
(山西省水文水资源勘测局, 山西太原044000)
[摘 要] 降水入渗补给是地下水的主要补给源, 研究降水与地下水的关系, 主要是分析由于降水垂直入渗引起的地下水位的变化。本文主要通过对降水入渗机理、影响水入渗的因素、降水入渗补给量计算的研究, 分析降水量与地下水补给量的关系。
[关键词] 降水量; 地下水补给量; 降雨入渗
[中图分类号] P 333 [文献标识码] A [文章编号] 1004-1184(2004) 04-0272-03
Analysis on Relationship Between the Precipitation &
Groundwater Replenishment
Xu Kun
(Shanxi Pro vincial Hydrolo gy &Water Resour ces Investigation Bur eau T aiy uan 044000, Shanxi )
Abstract :T he r ainfall infiltration recharge is the m ain replenishment so urce of g roundw ater . Study the relatio nship betw een pr ecipitation and gr oundwater is m ainly analy zing groundw ater level variation caused by vertical infiltration of the precipitation. The article analy zes the relationship between precipitation and gr oundwater replenishment by study the precipitatio n infiltration m echanism , factors that effect w ater in-filtration and the calculation of pr ecipitation infiltration replenishment .
Key words :precipitatio n , gr oundwater r eplenishment and r ainfall infiltratio n 1 降水入渗机理
降水到达地面后, 一部分以地表径流的方式流出, 另一部分入渗地下称之为入渗量, 但这部分水量并非全部补给了地下水, 而是在入渗过程中被土壤的蒸发和植物的蒸腾作用所消耗, 有的附着于土壤颗粒的表面, 余下的一部分才真正补给地下水, 形成入渗补给量。
降水入渗过程, 可分为3个阶段。
1) 截留阶段:降水初期, 一部分雨水被植物截留, 一部分降到地面, 湿润表层土壤。
2) 下渗阶段:随着雨水继续降落, 植物截留量达到最大限度, 土壤进一步湿润, 含水量增加。当表层土壤含水量达到一定限度时, 雨水沿孔隙、裂隙向深部下渗。
3) 产流阶段:当降雨强度超过下渗速度时, 地表开始积水, 并沿坡面流动, 充填坑洼, 汇入沟河, 形成地面径流。
三个阶段既是相互联系的, 同时, 又是交叉进行的。
[收稿日期] 2004-11-08
[作者简介] 许昆(1968-) , 女, 山西太原人, 工程师, 主要从事地下水资源研究及管理工作。
下渗到土壤内的雨水, 受重力作用, 由上部逐渐向深部移动, 包气带土壤水, 只有在大于田间最大持水量和最大毛管持水量时, 才能产生重力水补给地下水。实际土壤水分特性曲线反映, 除了雨后短时间外, 年内绝大多数时间处于亏水状态, 土壤水分布总趋势是上小下大, 地下水面处达到田间最大持水量。缺水量随埋深增大呈非线性增大, 从田间最大持水量到饱和含水量是降水入渗补给的限度, 即重力水库容。随埋深加大, 重力水库容也增大。
2 影响降水入渗的因素
降水对地下水的补给, 受到多种因素影响, 影响结果综合反映在地下水位的变化上, 影响降水入渗的主要因素包括:
2. 1 土壤颗粒结构的影响
土壤颗粒大小及排列决定了土壤的渗透性, 颗粒越粗, 磨圆及分选性越好, 渗透性越强, 湿润性越强, 湿润峰面下移越快, 入渗补给量就大, 反之入渗补给量小。
2. 2 地面坡降的影响
地面坡降越大, 易形成地面径流, 人渗补给受到影响, 地面平缓地表径流微弱, 可形成良好的补给区。2. 3 土壤理化性质的影响
各类土壤一般都含有一定数量的胶质和矿物质, 胶质遇水膨胀, 阻塞孔隙, 阻滞雨水入渗, 含胶质较多的土壤使入渗量减小。2. 4 雨前地下水埋深的影响
埋深小易形成地面径流, 使入渗量减小, 埋深增大, 下渗雨量大部分充填于非饱和带土壤, 使补给量逐渐减小, 所以存在最佳埋深范围, 在此埋深范围内, 入渗补给量最大。降水量与缺水量之差(扣除雨期蒸发) 称之为可入渗水量。可入渗水量随埋深增加而减小, 在埋深较小时, 尽管有较多可入渗水量, 却受重力水库容小的制约, 多余部分形成地表径流; 在埋深较大时, 重力水库容大于可入渗水量, 后者成为制约因素, 在某埋深处二者相等, 即为降水入渗的最佳埋深, 因重力水库容曲线不变, 雨量(可入渗水量) 越大, 最佳埋深也就加大。
2. 5 降水量及降水形式的影响
当地下水埋深大于最佳埋深时, 入渗补给量随雨量的增大而增加, 当埋深小于最佳埋深时, 受地下水库容制约, 易形成蓄满产流, 入渗补给量与降水量成反比关系。
各种降水形式中以雨对地下水的补给量最大, 其它降水对地下水补给价值不大。在各种降雨类型中, 霪雨的雨率不大, 但雨时长, 雨面广, 对地下水的补给具有很大意义; 细雨的雨量、雨率皆不大, 易被蒸发所消耗; 暴雨的雨率大, 但雨时短, 雨水大部分来不及渗入地下水, 多呈地表径流流失。2. 6 雨强的影响
降水强度小于入渗速度时, 雨强增大, 入渗量增加; 反之, 入渗量减小。当雨强与入渗速度相近时, 补给地下水为最佳。2. 7 植被的影响
植被可缓减地表径流, 延长入渗补给时间, 增加入渗补给量, 相反, 植被使土壤蒸散发加快, 相对减少入渗补给, 其结果取决于二者起主导作用的一面。3 降水入渗补给量分析3. 1 降水入渗补给系数
降水对地下水的垂直入渗补给可以用降水入渗补给系数来表征其强弱, 表达式为:
a =P r /P
式中:a ——降水入渗补给系数;
P r ——降水入渗补给量(m m) ;
P ——降水量(mm ) 。
a 又可分为次降水入渗补给系数和年降水入渗补给系数, a 的大小直接反映了不同地下水埋深, 不同次降水量, 对地下水的补给差异及变化规律, 同时也表明不同地层条件及岩性结构与降水入渗补给量的关系。
3. 2 降水入渗补给系数的计算方法
以山西省第二次水资源评价为例, 降水入渗补给系数主要用以下方法求取:3. 2. 1相关图解法
选取地下水水平径流微弱的地下水井孔资料, 在地下水动态过程线(或动态资料) 上摘取次降水量引起的地下水升幅值 h 次, 由单井逐次雨量升幅值, 即可求得 年:
年= ∑ h 次/P 年
(1)
式中: ∑ h 次——年内各次降水入渗补给地下水之
和(mm ) ;
P 年——年降水量(mm ) 。
由于地下水动态观测资料受天然及人类活动因素的影响, 单井资料难以确定年内各次降水引起的地下水位升幅值。选用相同岩性的群井资料, 按埋深分级进行分析计算。以岩性、埋深为参变量点绘有效雨量(P+P a ) 与 h 次关系图, 其中P 为所取次雨量, Pa 为前期影响雨量, 计算式P a = k P 。式中P 为本次降雨前i 天的雨量; k 为递减系数, 一般变化在0. 8～0. 9之间, 取k =0. 85, i =15(日) 。由实测资料P +P a ～ h 相关图可见, P +P a 与 h 呈直线关系, 直线与横轴(P+P a ) 交点设为P 0。通过实测点据回归建立关系: h=a+b (P+P a ) 借助上述关系插补了实测不到的 h 次。某次降雨(P+P a ) 大于P 0时, 即入渗补给地下水, 小于P 0时, 则填充消耗于包气带, 无入渗补给地下水。
根据动态资料分岩性逐级埋深建立水位升幅与降水量关系。将所求 h 次代入(1) 式中得到不同岩性、不同雨量级、不同埋深级的降雨入渗补给系数 年。在大量点据计算的基础上, 考虑到面上的应用和系列计算, 点绘 ～P ～ 关系图(图1) , 其关系与下式拟合较好:
=a b e -c +d (1-e -f ) 式中: ——年降水入渗补给系数;
——年地下水平均埋深(m ) ;
A 、b 、c 、d 、f 均为常数。3. 2. 2回归分析法
i
盆地平原区除大暴雨外, 大部分有效雨量降到地面后, 基本上不产流, 一次降雨到达地面后, 除消耗于补充包气带岩土含水量, 使其达到田间最大持水量外, 一部分下渗补给地下水, 另一部分消耗于蒸散发。如前述, h 次与(P+P a ) 在一定雨量内呈线性关系, 故在同一岩性、埋深一定时, h 次与(P+P a ) 有如下关系:
h =A (P+P a ) —P 式中:(P +P a ) ——有效雨量;
P 0——临界雨量;
(2)
式中:L 10=L 20=
∑
(P+Pa ) -(P+Pa) ・( h- h)
1/2
∑
lg (1+ ) -lg (1+
) ・( h- h)
不同岩性回归方程, 经检验其相关程度尚好。在计算 h 与 h 时, 考虑到有效降雨大部分集中在汛期(6～9月) , 而在地下水埋深较浅时, 将蓄满产流, 故当计算值 h > 时, 取 h = ; 假定为无复蓄条件, 当 h ≥ 时, 取 h = 。通过计算 h , 由式? 即得年降雨入渗补给系数 年。
A ——待定系数。
临界雨量P 0即为次降雨对地下水将要产生补给时的有效雨量值。通过分析, P 0与地下水埋深及前期土壤含水量有关。经点绘亚砂土P 0— 关系曲线, P 0与 呈曲线关系, 可建立如下数学关系式: (1) P 0=Blg (1+ ) (2) P 0=B 式中:B ——待定系数;
a ——待定指数。
通过对亚砂土观测资料回归计算, 第一种形式相关程度高于第二种形式, 选择第一种关系式代入(2) 式, 可近似地转化为以地下水埋深 为参变量的相关关系, 由(2) 式得:
h =A (P +P a ) —Blg (1+ )
(a=1/2由回归计算求得) 。
在回归计算时, 为了消除回归时资料带来的误差, 首先根据实测点据, 确定系数B, 而后回归定解系数A 。
为检验其相关程度, 用复相关指数来检验, 即:
R =
(L 10-BL 20) L 00
1/2
a
a
图1 降水入渗补给系数(亚砂土)
3. 3 降水入渗补给量
降水入渗补给量指降水后渗入到土壤并在重力作用下下渗补给地下水的量, 其计算式为:
・P ・F Q 降=
式中:Q 降—降水入渗补给量(m ) ;
——降水入渗补给系数;
P ——计算区年平均降雨量(mm ) ; F ——计算区面积(km 2) 。
总之, 降水对地下水的补给, 受到多种因素影响, 在地下水开采过程中, 降水入渗条件也可能发生变化, 影响其变化的主要因素包括土壤颗粒结构、地面坡降、土壤理化性质、地下水埋深、降雨量及降水形式、雨强、植被等, 而降水入渗补给系数是这些因数的综合反映。降水入渗补给系数直接表达了降水对地下水的垂直入渗补给的强弱, 是计算降水入渗补给最关键的参数。
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(上接第254页) 降水稍加处理后重新使用或排放, 工业废水必须经处理后达标排放; 新上项目严格把关, 禁止建污染型企业。
中等和一般防治措施:严禁已停产的小型企业恢复生产; 污染小的企业应加强管理和技改工作, 减少废水排污量; 农村则将粪便化为沼气沼渣为生活和生产领域服务; 大力推广生物农药, 限制化学农药, 提倡多施有机化肥, 减轻农业生产对水体造成的负面影响。
其它水体防治对策:开发粪便在养殖业与沼气领域的综合利用技术; 提倡使用无磷洗涤品; 医院、学校等企事业单位的污水可经处理后达标排放。5. 2. 2地下水污染防治对策
造成地下水污染原因很多, 因而防治措施应有侧重。在城市区域, 应完善城市排污管道设施; 提高固体废弃物处理及利用率; 严禁工业废水的人工回灌与污水灌溉; 几条污染严重河流的两岸应采取防渗处理; 禁止使用浅层、中深层混合开采井, 分层分质取水。污染严重的村庄在新宅规划时应远离污水区; 科学合理地使用化肥、农药; 有条件的村庄应对垃圾粪便进行沼气综合利用, 以减轻人类活动对地下水造成的污染。