论文摘要
降水/灌溉水通过包气带入渗补给地下水的过程是水文循环中的一个非常重要的环节,正确理解降水/灌溉水在包气带中的运移过程对于正确评价地下水资源量的变化、分析地下水的污染进程具有重要意义。传统的地下水资源评价往往简化入渗补给过程,将包气带视为均质体、将降水/灌溉水入渗补给过程看成一理想的均匀入渗的过程,然而自然界土壤的非均质性及土壤优先流的客观存在,基于均质体的均匀流模型不能正确刻画实际过程、从而不能准确反映水流和溶质的变化。因此,有必要深入认识优先流影响下的降水/灌溉水的入渗补给过程以及溶质运移规律、建立正确的考虑优先流的模型来描述地下水补给和污染物迁移。本文综合利用郑州均衡试验场地中渗透仪降雨入渗补给观测、人工灌溉条件下的示踪试验、田间染色示踪试验及室内土柱穿透曲线实验等多种手段,观测并分析了驻马店亚粘土和粉细砂试筒中降雨/灌溉水的入渗补给过程及溶质运移规律;重点对驻马店亚粘土试筒及田间的优先流的水动力特点以及饱和条件下溶质优先运移规律进行了分析。在定性分析的基础上,采用数值模拟技术定量刻画了两种不同岩性土样试筒中的入渗补给及溶质运移过程。同时基于室内土柱穿透曲线实验,采用优先流解析法模拟软件CXTFIT拟合了溶质优先运移的参数,并结合时间矩方法提出了通过穿透曲线定量评价优势程度的指标。实验和数值模拟分析取得了如下认识:（1）通过对郑州均衡场内开封粉细砂和驻马店亚粘土试筒中降水入渗补给量及土壤含水量的分析发现:粉细砂试筒中以活塞式入渗补给为主,地下水位埋藏较浅时,降水后入渗补给量迅速增大,然后迅速衰减;随着地下水位埋深增大,入渗过程线逐渐变缓,入渗补给量的增加和衰减均变缓。亚粘土试筒中,旱季（10月到次年5月）零星的降水主要以活塞流方式入渗;雨季,驻马店亚粘土试筒中降水入渗过程线相比相同埋深的粉细砂试筒,峰值高、峰多、波形窄且滞后降水时间短,且不同水位埋深试筒中入渗规律比较一致,说明降水主要以优先流方式入渗补给地下水。（2）驻马店亚粘土试筒中降水优先入渗过程表现为入渗量迅速增加、达到峰值后迅速下降,下降一定值后衰减缓慢三个过程。通过典型降水优先流入渗过程曲线分割法计算出2000年2m、3m、5m、7m试筒中优先流占雨季总入渗补给量的比例分别为91.4%、87%、83.5%、77.3%,占全年总入渗补给量的81.7%、80%、69.2%、64.5%。由于亚粘土试筒中优先流占总入渗补给量的比例较大,在实际运用地中渗透仪亚粘土的资料时要进一步研究可能引起优先流的原因,从而正确运用入渗补给量或降水入渗系数等资料。（3）自然降雨条件下,亚粘土试筒中优先流在很大程度上受降雨的制约。旱季时由于土壤干燥、降雨强度小基本不发生优先流;雨季,降雨特征不同,优先流特征也不同。影响优先流流量的主要降雨因子是降雨总量,两者呈现出极显著的正相关,其次是历时和最大降雨强度;影响优先流历时的是降雨历时和降雨总量,优先流历时与降雨历时和降雨总量呈极显著的正相关;影响优先流峰值流量的主要因素为最大降雨强度,两者为显著的正相关关系,其次是降雨总量;优先流滞后时间与降雨因子线性关系均不显著,而与埋深呈极显著的正相关,说明滞后时间主要受埋深等因素的影响。（4）人工灌溉下的示踪穿透曲线试验分析表明:粉细砂试筒中Cl-穿透曲线为典型的单峰对称型,而亚粘土的穿透曲线呈现双峰脱尾不对称型。同样也指示着粉细砂中溶质以活塞式的方式运移,而亚粘土试筒中优先流明显:优先流具有水流快速穿透、溶质快速穿透以及溶质侧向入渗及穿透曲线的拖尾等规律。亚粘土试筒中优先流主要发生在灌溉试验前期,优先水流与溶质快速穿透导致灌溉水分和盐分的迅速淋失;而后期由于土壤含水量增大,优先流通道堵塞,土壤基质透水性差,盐分因溶质侧向入渗及土壤排水条件差保留在土壤基质中不能被充分淋洗出来易造成土壤积盐。在田间如果灌溉前期优先流发育,应及时改良土壤结构或改变灌水方式,以免水肥流失;灌溉后期注意排水,防止盐分的积累。（5）驻马店亚粘土田间染色试验表明,优先流主要发生在土壤浅层40cm以上,随深度增加呈递减趋势,优先通道主要是根系、虫孔、干裂缝等。而地中渗透仪驻马店亚粘土试筒中的优先通道可能存在贯通的裂隙。所以地中渗透仪得到的优先流的规律虽然可在一定程度上反映田间的定性规律从而指导田间生产实际、但是在数值上（如优先流占总入渗补给总量的比例、灌溉条件下水分、溶质的淋矢量等）不能完全等同田间情况。（6）采用均匀流模型对粉细砂试筒中降水入渗补给过程进行了数值模拟。通过用实测的不同深度土壤含水量和地中渗透仪底部流量反演参数发现:用不同埋深试筒试验资料反演得到的粉细砂水力参数接近,表明粉细砂土柱基本是均质的;模拟的入渗补给量与实测值的变化一致,入渗补给波形、波峰数与实测值吻合,但是均匀流模型略低估了高强度降雨（40mm/d）时的补给量,同时也低估了示踪实验过程中土壤非常湿润时有优先流或非稳定流时的入渗补给,用校正的水力参数均匀流模型能很好地刻画示踪实验中灌溉水的入渗补给过程。总之,均匀流模型能较好地刻画粉细砂中的降水/灌溉水入渗补给过程。校正的水力参数均匀流模型和对流弥散方程能很好地刻画淹灌条件下粉细砂中保守溶质的活塞式的运移情况。（7）用双重孔隙度模型对亚粘土中的降水入渗补给过程进行了数值模拟。参数反演结果表明,动水饱和含水量仅为不动水饱和含水量的5%左右,说明优先流通道占整个断面的比例很小。虽然动水部分含水量比例很小,但是绝大多数的降水都优先通过动水区域补给地下水,从而决定了总的入渗补给量。在整个反演过程中不动水区的水力参数对模拟结果不敏感。模型中最敏感的参数是动水饱和含水量θsm、饱和渗透系数Ks以及动水不动水之间的质量交换系数αw,说明这些参数是决定优先流程度的主要指标。由于不动水含水量占总含水量的绝大部分,因此决定了整个含水量在模拟过程中变化比较稳定,含水量随时间的微小变化主要由动水区与不动水区水分交换引起的,而模型反演得到的质量交换系数很小,表明动水区与不动水区之间的水分交换很少。双重孔隙度模型能正确刻画雨季（7—10月）＞15mm/d的降雨引起的补给过程:补给波形、补给的波峰数与实测值吻合较好,但是实测的补给峰值略大于模拟的补给峰值,另外模型略高估了旱季（11月—次年6月）的降水入渗补给过程。模拟得到的长时段内（18年）的累积降水入渗补给量与实测值拟合较好,说明双重孔隙度模型能精确计算地下水累积补给量。双重空隙度水流和溶质运移模型能准确描述试验前期溶质的优先穿透以及双峰现象,但是不能很好地刻画中后期优先流不明显时段浓度的变化。灌溉方案数值试验模拟结果表明:次灌溉量较小、灌溉频率适中、喷灌可以减小优先流程度,降低水分和养分淋失量,从而增加农业和环境效益。（8）室内土柱穿透曲线分析得出饱和溶质优先迁移的特点是快速穿透、穿透曲线的不对称性和拖尾、土壤优先水流出流速度不稳定。运用CXTFIT软件拟合的溶质优先运移的参数能反映定性分析的规律。运用时间矩方法可定量刻画土壤穿透曲线的特征:用一阶标准矩（μ1’）定量刻画穿透时间,二阶中间矩（μ2）刻画BTC的平均延展量,偏态系数S则定量刻画BTC的非对称程度及方向。时间矩计算结果表明:2根26cm大空隙贯通土柱的μ1’值最小、μ2及S值最大,然后依次是1根26cm大空隙贯通土柱,2根18.5cm大空隙置顶土柱,而均质土柱的μ1’值最大、μ2及S值最小。计算结果反映:大空隙越发育,μ1’值越小,即穿透时间越短;μ2值越大,即土柱BTC的平均延展量越小;S值越大,即土柱BTC越不对称。这与实际规律是相符合的。（9）基于CXTFIT拟合的参数和时间矩的方法,提出了定量评价优先流程度的综合指标PFSP。这一定量方法可以将优先流对穿透曲线的贡献与其他机理的贡献分离出来。通过对室内土柱实验的PFSP值计算分析得出:2根27cm大空隙贯通土柱的PFSP值最大,其次是1根27cm大空隙贯通土柱,再次是2根18cm大空隙置顶土柱。即PFSP值越大,优先流的作用越大。这一结论与实验分析结果吻合。说明PFSP值作为定量刻画优先流程度的指标,效果很好。基于穿透曲线提出的定量评价优先流程度的方法对田间优先流的评价具有一定的理论意义。总之,本文基于地中渗透仪上降雨长观入渗资料以及人工灌溉示踪试验及数值模拟技术,分析了降水/灌溉水在两种不同土壤试筒中的入渗补给过程,重点对驻马店亚粘土试筒中优先流的水动力特征、优先流的影响因素及优先流的比例进行了分析,讨论了灌溉条件下亚粘土试筒中溶质优先运移规律在田间生产实际中的指导意义。基于室内土柱穿透曲线实验资料提出了定量评价优先流程度的指标。优先流数学模型及优先流程度的定量评价为定量刻画田间优先流提供了理论方法。该研究对于认清优先流（非均质水分运移）的运动规律、深入认识降水/灌溉水入渗补给机理、正确分析包气带污染物运移规律具有一定的理论意义;同时对于正确评价地下水资源、预测地下水污染以及制定合理的农业灌溉、施肥等措施都具有实际参考价值。