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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 次降雨入渗补给系数空间变异性研究及模拟 史良胜 蔡树英 杨金忠 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室 湖北武汉 摘要 本文分析了降雨不均匀入渗补给的产生机理 应用地质统计学方法研究了次降雨入渗补给系数的空间变异 性 建立了协方差函数与方向角的函数关系 对次降雨入渗补给系数进行了 展开 通过求解特征值 特征函数及随机向量模拟次降雨入渗补给系数随机场 分析结果表明 在水平径流微弱 潜水面坡度小的地区 平 稳场理论可以有效地描述次降雨入渗补给系数空间分布规律 展开法具有优越的收敛速度 关键词 次降雨入渗补给系数 空间变异性 协方差 展开 中图分类号 文献标识码 研究背景 降雨入渗补给是地下水补给的重要来源 在我国华北平原地区 降雨入渗补给量占浅层地下水总 补给量的 降雨入渗补给量指降雨经过包气带到达地下水的水量 降雨入渗补给系数指从包 气带到达地下水的水量与降雨量的比值 该系数是四水转化研究中重要的水文参数 根据研究时段的 不同 降雨入渗补给有次 年 多年降雨入渗补给之分 次降雨入渗补给是指一次大气降雨补充到地下 水的水量 该水量与本次降雨量的比值称为次降雨入渗补给系数 影响次降雨入渗补给系数的因素有 土壤性质 地形地貌 植被覆盖 降雨强度 降雨时空分布 雨前地下水埋深及其它人为因素 已有许多 学者 提出了计算次降雨入渗补给量的方法 并研究了次降雨入渗补给系数与各影响因素的关系 研究认为 雨前地下水埋深反映了包气带的储水库容 随着雨前地下水埋深的增加 次降雨补给入渗系 数先增大至最大值后逐渐减小并趋于稳定 地形地貌通过影响径流形成而影响降雨入渗补给 由于次 降雨入渗补给受诸如气象 下垫面等多种因素影响和控制 而这些制约因素又大多具有一定的随机成 分 因此次降雨入渗补给 系数 呈现出复杂分布 本文结合地质统计学原理分析次降雨入渗补给系数的空间结构 利用 展开模拟次 降雨入渗补给系数平稳场 重现降雨入渗补给在空间上的非均匀分布 次降雨入渗补给系数的空间变异性 次降雨入渗补给系数变异机理分析 自然界中不存在绝对均质的多孔介质 土壤的水力传导度 微观孔隙结构和颗粒成分都具有一定的空间变异性 即使在地下水埋深 地形地貌等条件相同的情况 下 入渗补给也呈现出复杂的水平分布 这种现象在室内试验中表现得尤其明显 小尺度的入渗模拟试 验显示 由于非饱和带土壤固有的微观非均匀结构 多孔介质中的入渗呈现出指流运动形式 即湿润 锋并非以 活塞 推进的方式向潜水面补给 而在不同观测点存在差异 研究还表明 砂质土壤易诱发指 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金资助项目 作者简介 史良胜 男 安徽池州人 博士 主要从事地下水流和溶质运移研究 流的产生 土壤初始含水率较大时 指流发生的概率减小 在大田试验中通过染色示踪观察 也可以观 察到类似的非均匀入渗现象 一般认为 指流是由土壤的微观孔隙结构差异引发的 即使在均质土壤 中 该现象也无法避免 在区域降雨补给的研究中 次降雨入渗补给的空间变异特征也可以得到证实 在降雨地区地下 水埋深和地形地貌相似的前提下 这种大尺度上入渗分布不均匀的可能诱因包括 土壤渗透性能大 尺度的变异性 其最根本原因在于土壤沉积形式及颗粒成分的差异 植被覆盖 降雨时空分布 土壤 前期水分状况等其它因素的综合作用 由于降雨入渗补给的分布不均匀导致了潜水面变化的不确定 性 这增加了合理确定浅层地下水分布的难度 次降雨入渗补给系数空间变异性分析 以内蒙古通辽地区的野外试验为例分析 该地区位于西辽 河冲积平原中部 地形由西往东略倾斜 地表坡度为 区内地下水坡度