包气带中水的补给
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发布时间：2022-05-10 16:12
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时间：2023-10-15 10:11
通过上覆土壤向下渗透的大气降水，常常成为湿润地区、半湿润地区的潜水含水层补给的重要组成部分。
1.降水入渗速率的确定方法
降水入渗速率主要根据土壤下渗水的氚浓度(估算入渗水的年龄)以及水样品点所在空间位置的垂直深度来确定。
氚是通过宇宙射线作用在大气层中产生的氢的放射性同位素。它的半衰期为12.43年，天然丰度为5～10TU(氚单位)。在1954～1965年热核试验期间，大气层中氚的浓度曾大为增加。据测定，北半球为1000多TU，南半球为50TU。大气层中的氚随降水带到地表并下渗，因此它对于小于50年的降水和地表水入渗补给研究十分有用。
降水中的氚含量大致随纬度增高而增加。在一个地区，春季降水时氚含量很高，属氚的高峰期，其数量相当于年平均值的3倍左右，北半球冬季为氚的低峰期，大约只有年平均量的1/2。由于氚的半衰期短，年变化量大，对时间的依赖性更为明显。
在地面水下渗的研究中，首先要评定下渗水体在不同深处的滞留时间，但是实际上这种下渗水在各点的分布是不均匀的，而且是各种不同年龄水的混合。因此，查明入渗水的年龄分布，进而需要用各种入渗模型进行模拟。
模型分3类。活塞型水流:不同年龄的入渗水，在流动过程中互不混合，这是一种理想化了的、也是最简单的模型;指数模型:同位素的输出浓度与储存平均浓度相当，在流出前可能发生混合或者不混合，其水的平均滞留时间，等于储存量与排泄量之商;弥散模型:多孔介质中发生层流时，氚的分布可用高斯函数表示。以上虽然都是简化了的模型，但它们可在一定程度上反映天然水的平均滞留时间的下限，因而，实际中应用这些模型，常常可以得出有意义的结论。
2.降水入渗速率的研究
VonButtlar等(1958，1959)利用在墨西哥州的降水和井水中氚的浓度估计过地下水年龄和入渗速率。
Smith等(1970，1972)应用入渗模型研究了透水性好和差的非饱和水土壤带(白垩土和粘土)中氚的浓度分布，求得白垩土中的入渗速率为0.9m/a。他们认为，较深处氚的浓度受到了缝隙水的干扰。
Zimmermann等(1965，1966，1967)应用天然和人工氚，调查了中欧莱茵河盆地的非饱和带水的补给，得出了以下的结论:
1)盛夏降水没有贡献地下水。
2)分子的弥散向下运动异常活跃，在向下垂直运动数厘米或数十厘米时就达到了同位素含量的均一化。
3)蒸发作用会使数厘米范围内的空隙土壤(或植被)上层的重同位素含量增加，其程度取决于扩散系数和蒸发丢失水向上的有效速率比(有效速率=蒸发量/孔隙度)。
4)渗透速率在1m/a的数量级内。
5)渗透水的补给占总补给量的25%～75%，补给的多少取决于季节、降水量以及土壤的特性。
Blavonx和Siwertz(1971)对日内瓦湖盆地的地表降水下渗给出了两种渗漏类型的氚含量双峰分布曲线。一种是快的，归因于降水的裂隙运动;另一种迟缓，归因于降水在微孔中的渗透。一些不含氚而有恒定的稳定同位素含量的水，经过一周渗透，被下推。在蒸发作用活跃的夏季数月内，都观察到下渗水的重同位素含量有明显增加。
在丹麦，Anderson和Sevel(1974)获得了一条具有6年记录的土样天然氚剖面。研究发现，古冰川河的砂砾石，受外部水冲刷时，水的下渗速度大约为4.5m/a。该计算假设，蒸发作用没有发生时，在土壤1m范围的降水与早已存在土壤中的水已经发生了很好的混合。另外，考虑到在均质介质和各向同性条件中的弥散作用，对有效孔隙度进行校正后，对于一个年平均降水量为700mm，而且没有任何径流补给的年下渗速率为358mm。值得注意的是，1963年的氚峰下渗速度比中子计量测量估计的季节性降水渗漏速度慢近10倍。出现这种差异，可能是土壤剖面湿度“压力波”位移而不是实际降水渗透的缘故。
澳大利亚的Gambier平原，属地中海类型气候，Allison和Hughes(1974)测量了不同土壤类型(砂－砂质粘土和富泥质粘土)中的氚剖面。依据土壤类型，在计算中考虑到土壤物质中水的扩散以及向下运移期间的部分混合，使用不同的“活塞流”模型，计算得出补给速率为40～140mm/a。
在Transvaal半干旱区，Bredenkamp等(1974)对砂和砂质粘土土样作过水和氚的分析，假设水由“活塞流”模式向下运动，结果确定年平均降水为560mm和有效孔隙度为2.5%的补给速率为16～53mm/a。
伦敦盆地是一种特殊的非饱和带情况。值得注意的是，在含有颗粒藻和有孔虫等微体化石的沉积层中，微孔隙度可高达40%左右。Smith等(1970)从该盆地27m深处的非饱和带的一条剖面上提取的水含量非常均一，每克湿白垩土含水为0.210±0.003g(相当于单位体积的38%)。在氚含量随深度变化的分布曲线上，大约在4m深处显示了一个很尖峰(600TU)，第二个峰在7～9m之间出现。分别以1963年和1968年在降水中观察到的氚峰值(核试验产生的)为依据，利用弥散模型，对剖面图的主峰进行计算，结果得出年下渗量为0.88m/a。经容量校正，得出年平均补给值为334mm/a。这与在整个集水区年渗透速率为280mm/a的估计相差不大。
然而，必须指出，基于月的水均衡(降水减去蒸发)氚渗透的计算没有考虑大雨的影响，但大雨在降水量亏损期间会很快向下渗透，既然如此，就应该把每次降雨都计算到土壤水的均衡中去。如果相对高氚含量的夏季降水能够直接渗透到可以受蒸发作用影响的地方，那么计算的结果与实际情况就很难匹配。显然，有关白垩土的弥散问题尚需更深入的研究。
刘方珍等(1986)在研究我国山西平定张庄对黄土梁饱气带水分运移速率和入渗补给量后得出了以下结论:
1)在黄土地区的饱气带中，迄今仍保存着完整的核爆氚剖面。其形状较国外已发表的其他地层中的更为典型理想，1963年峰值表现更为清晰。这可能与黄土类岩土在岩性上比较均匀有关。
2)以1963年氚高峰值为基础，到1985年下移至6m深处，从而求得水分运移速率平均为0.273m/a。6m深处土壤中水分累积总量为1157mm，年平均入渗量为52.6mm。
3)1953年以来的含核爆氚的降水，目前仅下渗10m左右，因此，在厚层黄土分布区饱水带中氚含量很低，而含有少量核爆氚，主要是沟谷水渗透混入的结果。
从上可知，在用同位素调查非饱和带雨水下渗时，应该弄清影响表层土壤弥散的因素、水逐层下渗的程度，辨别是属于裂隙下渗还是孔隙下渗，或者是两者的混合并确定其混合程度。
