地下水补给量计算方法介绍

薛 丽，刘春梅

（黑河水务局，黑龙江黑河164300）

地下水补给量计算方法介绍

薛 丽，刘春梅

（黑河水务局，黑龙江黑河164300）

地下水是水资源的重要组成部分，是工业、农业及生活用水的主要水源，地下水的过量开采势必对人们的生活、生产产生重大影响。因此，准确计算地下水的补给量对地下水的合理开采有重要意义，文章介绍分析了国内外主要的地下水补给方法，主要分为3类：示踪法、物理法和化学法。

地下水补给；示踪法；物理法；数学模型

0 引 言

随着社会经济的发展和生活水平的提高，人们对水资源的需求量日益增加。作为“四水转化”重要组成部分之一的地下水，是主要的供水来源，它对人民生活、工农业生产、城市建设以及社会经济的发展都起着极其重要的作用。地下水的过量开采，会造成区域性地下水位下降，引起地面沉降、地裂缝等地质问题，也会引起地下水污染、海水入侵等一系列环境问题。我国已有150多个城市供水水源的地下水位发生了大面积、大幅度的持续下降，特别是沿海开放的一些城市与工业发达的城市，海水入侵及污染问题已迫在眉睫。地下水补给是地下水系统的基本组成部分，准确定量地下水补给对地下水资源的合理开发和保护有重要意义［1］。目前，计算地下水补给的方法很多，分别以包气带或饱水带为研究对象，大致可概括为3类，分别为示踪法、物理方法和数学模型方法。

1 示踪法

示踪剂在水文学研究中被广泛应用，不仅可以用于计算补给量，还常被用于判断补给源，测定水流运动速度和运移时间，标识优先流路径，提供水流弥散的信息，为水流及溶质运移模型提供验证数据等。补给量计算时可以采用天然示踪剂，也可以人工投放示踪剂。常用的示踪剂有溴化物、氢氧同位素、有机染色剂、氯化物等。

1.1 同位素示踪剂

同位素方法可以通过比较研究区水样和该区大气降水中同位素组分的差异和变化规律来揭示地下水的起源、形成条件、补给机制，进而查明地下水体间的水动力关系。采用人工投放氚和溴示踪剂评价计算河北平原不同土壤类型、土地利用、灌溉制度和作物种植结构下，地下水补给量大小和规律。

1.2 氯离子平衡法

氯离子平衡法（Chloride Mass—Balance）是通过比较地表输入的氯离子与地下水中的氯离子浓度差异计算补给量的一种方法。氯离子平衡法是在点位对地下水补给进行计算，计算的时间尺度不受限制。宋献方采用氢氧同位素技术及氯离子质量平衡法判断怀沙河流域的地表水与地下水的转化关系。

1.3 人工示踪剂

采用人工投放示踪剂，分析计算地下水补给量，通常情况下，该离子应具备以下条件，高水溶性，结构稳定（不易发生化学转化或吸附），在运移过程中没有其他源汇项，测试精度高、测试费用低廉等。根据示踪剂剖面分布情况及相应埋深的含水量计算补给量。

2 物理方法

2.1 零通量面法

土壤中任一点的土壤水分通量由达西定律算出，当水势梯度为零时，该处的通量为零，称该处的水平面为零通量面（zero flux plane）。零通量面是1954年由Richards提出的，1982年从国外引入，用于计算浅层地下水入渗补给量，该方法简单快捷，避开了对土壤水力参数的测定。该方法需要大量的含水量、水势数据，在厚包气带地区使用该方法，观测工作量很大，而且在零通量面不存在的地方，该方法无法使用。

2.2 地下水位波动法

地下水位波动法，是一种应用比较广泛的地下水补给量的计算方法，该方法适用于非限制的含水层，在地下水埋藏较浅的地区，地下水位对降雨或其它的补给源反应比较迅速，而在地下水位埋藏较深的地区，由于包气带的延迟作用，只能采用季节性的地下水位波动估算较大时间尺度的补给量，该方法无法判断水位未发生变化时的补给过程，该方法的另一个难题就是给水度的确定。

2.3 地中渗透仪

地中渗透仪是可直接测定地下水补给的有效方法。20世纪60年代，我国的水文地质观测站就已开始使用地中渗透仪。鲁荣安分析了河南商丘、北京廖公庄、山西水科所3处地中渗透仪的降雨入渗系数与潜水埋深的关系。周旻等利用郑州均衡试验场7种岩性和5种潜水水位埋深，共计35个地中渗透仪进行对比试验，分析土壤岩性和地下水埋深对地下水补给的影响。

3 数学模型方法

计算地下水补给的各类模型，按模型计算原理可以分为2类：一类是基于水均衡方程的模型；一类是基于Richards方程的数值模型。

3.1 基于水均衡方程的模型

WetSpass模型（Water and Energy Transfer between Soil，Plants and Atmosphere under quasi-Steady State）是一种分布式降水入渗补给量计算模型，每个栅格的水均衡方程划分为4个独立的方程进行考虑，有作物区、裸土区、水面、不透水面，计算得到区域地下水补给量。该模型实现了与ArcView（version 3.x）的整合，使得操作简单，计算方便。模型适用于大区域尺度的计算，但并未考虑土壤的非均质性。

INFIL3.0是以栅格为基础，采用分布式的参数，基于水量平衡的流域模型，用来计算根系层下入渗水量的时空分布。模型的主要优点在于可以生成水量平衡模型所有要素的日、月、年及年均值，这些结果有助于我们理解净入渗、径流、补给的机理。可借助GIS整理模型的输入参数，计算结果也可在其中显示，可以分析评价各空间分布要素对补给的影响，目前该模型主要应用在美国的内华达和加利福尼亚地区［2］。

3.2 基于Richards方程的数值模型

SWAP是Soil-Water-Atmosphere-Plant的简称，是荷兰瓦赫宁根大学环境科学系开发研制的用于模拟田间尺度下非饱和带水流及溶质运移、能量传递和作物生长与产量的专业软件。模型采用Richards方程来描述土壤水分运动，彭曼公式计算作物潜在腾发量，系统上边界位于植物冠层顶部，下边界位于非饱和带的底部或饱和带的顶部，并考虑区域饱和地下水与非饱和带模拟单元的相互影响。在垂直方向上，SWAP将土层分为若干不同的单元，在每个单元上，耦合求解水分及溶质运移方程和热量传输方程。

多模块集中参数EARTH模型综合利用气象资料、土壤水、地下水位动态资料，分析降水入渗补给过程及地下水补给量。该模型把从大气降水、包气带到饱和带划分为4个模块：MAXIL、SOMOS、LINRES、SATFLOW。前两个系统表征“大气—植物—土壤”系统的水分传输。通过腾发、入渗、土壤带储存3个方面分配降水的去向。后两个子系统表征从根层系统下边界至饱和带的水分传输。

通常情况下，在计算地下水补给量是，建议采用多种计算方法，综合分析补给量，可以相互校正，提高模拟精度。

［1］官剑颖.地下水补给及水资源的优化研究［J］.中国水运：下半月，2010（04）：42－43.

［2］刘亚平，周训.山地－平原过渡地区地下水补给机制研究［J］.人民长江，2013（13）：18－21.

P641.8

B

2014－10－31

薛丽（1983－），女，黑龙江富路人，工程师；刘春梅（1979－），女，黑龙江绥化人，工程师。

1007－7596（2015）06－0125－02