包气带土壤水分运移研究方法综述

赖恒安王艳艳

(1.华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450045；2.华北水利水电大学地球科学与工程学院，河南 郑州 450045；3.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061)

引言

包气带是指地表以下、潜水面以上土壤孔隙未被水充满，固、液、气三相同时存在的复杂地带，其不仅是水循环系统的重要组成部分，也是大气圈、地表水圈与地下水联系的关键环节。大气降水、灌溉水、土壤水和地下水相互间的转换需通过包气带实现，其内在结构复杂，加之人类长期超采地下水，地面沉降等因素导致巨厚包气带的形成，内部土壤水分运动过程变得更为复杂。因此，科学分析包气带水分的运移过程，对于精准评价地下水资源量，制定合理的地下水开采方案，防止研究区地下水位持续下降具有重要意义。目前，包气带土壤水分运移研究方法主要有零通量面法、数值模拟法、水均衡法、示踪法和蒸渗仪法。本文将着重对这5种方法的原理、优缺点等进行论述。

1 室内研究方法

1.1 零通量面法

20世纪50年代，Richards等用通量法研究土壤水分通量的变化，之后随着测量含水率仪器的进步，该方法开始被广泛应用。20世纪80年代后该方法主要应用于计算土壤表面蒸发量、非饱和导水率和估算潜水入渗补给量、腾发量等。Yang等以单位面积的包气带柱体为计算单元，利用零通量面法分析干旱区灌区包气带的水分平衡状况，定量计算了土壤水与地下水的补给量。

零通量面法在计算蒸腾发方面较简单便捷，但存在零通量面在时空尺度方面没有广泛的适用性，且计算精度对仪器的依赖性比较强等问题。

1.2 模型试验法

随着对入渗理论更深入的研究，模型开始逐渐运用到土壤水分的研究中，常见的模型主要分为3类,经验模型(如Kostiakov模型、Mezencev模型等)、半经验模型(如Horton模型、Holtan模型等)和物理模型(Philip模型、Green-Ampt模型等)，其模型公式及参数含义见表1。

学者利用上述模型做相关研究,Liu等通过采用Philip模型、Horton模型和Kostiakov模型研究土壤水分入渗过程；Maimuri N等在哈希米亚两河流域对Horton模型的适用性及补给进行评价。不同的模型有其各自的特点以及适用范围，并无广泛的适用性且在不同的研究区域和研究对象下其表现出的模拟效果是不同的，因此在研究某区域土壤水分入渗过程时，应依据研究区的自然环境和水文地质环境选择最适合该区域的入渗模型，提高模型的精度。

表1 土壤水分入渗模型

1.3 水均衡法

水均衡是指其建立的均衡区内地下水的总补给量(W总补给)与总支出量(W总支出)相平衡，根据质量守恒定律，其数学方程：

W总补给=W总支出

其中：

上述各式中，W总补给为计算区内地下水总补给量；W总支出为计算区地下水总支出量；Wa为计算区降雨入渗补给量；Wb为侧向补给量；Wc为计算区河道入渗补给量；Wd为田间入渗补给量；We为渠道入渗补给量；Wf为井水入渗补给量；Wg为地下水径流的支出量；Wh为计算区地下水潜水蒸发量；Wi为计算区地下水实际开采量；Wj为计算区河道支出量；β为相对均衡差(无量纲)。

水均衡法原理清晰，操作简单便捷，实际运用水均衡法时，应充分掌握研究区气象水文、地形地貌和地质概况，根据实际情况合理确定均衡区的位置及范围、各个分区的均衡要素、建立水均衡方程式等。尤传誉等采用水均衡法计算研究区地下水资源,得出该区地下水总补给量为2.12亿m3,地下水处于正均衡状态。

2 野外研究方法

2.1 示踪法

通过在目标物中加入某种物质作为标记物来观察目标物的行为和性质的方法称为示踪法，该方法对标记物的的要求比较高，如化学性质稳定，不易被外来物吸附等。示踪技术能够获取到其它方法难以获取的水文信息，可用以估算地下水的天然补给量、计算补给系数、标示土壤水分运移过程、揭示土壤水分蒸发规律等。目前常用的示踪剂有3类，环境示踪剂、人工示踪剂和历史示踪剂，具体示踪剂种类及各类示踪剂优劣势见表2。

表2 常见示踪剂种类

示踪法主要通过3种方式对示踪剂在土壤水分里的迁移过程进行分析和观察。通过示踪剂剖面确定其峰值的位置从而进行相关的计算；根据土壤中示踪剂剖面的形态来计算土壤水分入渗补给量；根据示踪剂累积入渗量来进行计算。

2.2 蒸渗仪法

蒸渗仪是根据水量平衡原理设计，埋设在田间等地下，一般由主体系统(土柱，测试仪器)、称重系统、供排水系统、数据采集系统组成，可用来探索水文循环中水分入渗、蒸散发的过程，见图1。根据蒸渗仪尺寸、组成结构等，一般将蒸渗仪分为2类，即大型蒸渗仪和小型蒸渗仪，具体见表3。蒸渗仪的工作原理较简单，主要是基于水量平衡原理，以称重式蒸渗仪为例，其土柱内水平衡方程可表示为：

θ=J+P+Q+R-S

式中，θ为监测时段内蒸发蒸腾量；J为监测时段内灌溉量；P为监测时段内降雨量；Q为监测时段内地下水流；R为监测时段内净地表流量；S为监测时段内土壤蓄存的变化量，该方程在实际使用过程中，R一般忽略，降雨量和灌溉量用仪器可直接获得。

蒸渗仪具有直接测定蒸发蒸腾量、精度高、连续性强等优点，被广泛应用于测定蒸腾发量，研究作物的耗水规律、测定地下水的渗漏量、研究水量平衡及地下水补给等方面。大型蒸渗仪能够很好地测定蒸腾发量，但由于价格昂贵，仪器体积大而操作不便，因此学者研究出成本更低、操作更为简便的小型蒸渗仪，该仪器能够更精确地测量棵间蒸发量，在一定程度上弥补了大型蒸渗仪的不足。陈雨清等通过设计不同水汽通量覆膜的微型蒸渗仪实验，实验结果表明，温度对夏玉米的棵间蒸发影响最大，而空气湿度对夏玉米的棵间蒸发影响最小。

图1 蒸渗仪工作流程图

上述传统蒸渗仪因其费用昂贵、适应性差等缺陷限制了使用范围，新型蒸渗仪开始逐渐应用到土壤蒸发的测量研究中。许成成等利用该种新型蒸渗仪在室内开展模拟蒸发入渗的实验，实验结果表明，该种新型蒸渗透仪不仅能提高观测精度，还能在一定程度上减少人为因素产生的误差。

表3 蒸渗仪分类

3 结语

包气带土壤水分运移是一个复杂的过程，受包气带的岩性和结构、温度、植物根系、土壤初始含水率等因素影响，因此采用单一方法难以获得较为客观、准确的包气带土壤水分运移规律。但每种方法均具有一定的局限性，零通量面法对负压计和中子仪的性能稳定性要求较高，今后应进一步解决测量手段的问题，提高精度。模型试验法中的每种模型都建立在一定的假设条件之上，其模拟结果的可靠性还需要采用别的实验方法进行验证。水均衡法需要依据现有的水文地质资料进行地下水资源评价，在预测地下水资源的时空变化方面存在不足。示踪法能够获取到其它方法难以获取的水文信息，但每种示踪剂都有其特有的性质，应依据研究区的水文地质、气象条件正确选择示踪剂用于研究。而蒸渗仪法主要基于农田尺度，研究尺度较小，无法满足大尺度的研究需求。

随着对包气带性质的了解不断深入，将零通量面法、数值模拟法等多种方法相互结合，获得更为客观、相对完整的数据，从而更好地描述包气带水分运移过程，是未来包气带土壤水分运移研究的方向之一。