黄土区浅层地下水动态及其补给过程试验研究

发布时间：2020-06-05 15:11

【摘要】：为揭示黄土高原小流域浅层地下水的补给过程及其机制,本文以神木市六道沟小流域(水蚀风蚀交错区)、延安市康坪沟小流域(黄土丘陵区)与长武县王东沟小流域(黄土塬区)为例,利用3种单环法原位测量了坡地饱和导水率(K_s),分析了坡度对3种单环法(单环双水头法、单环单水头法和单环BEST法)测量坡地K_s的影响,并依据小流域沟道基流、淤地坝浅层地下水位实测数据,剖析了降水、基流及地下水的时空变化特征,探讨了降水与基流、地下水之间的关系,揭示了基流和地下水对降水补给响应时间的差异性,探索了黄土高原小流域浅层地下水的补给过程及途径。结果表明:(1)3种单环法测量3种不同土壤类型(风沙土、黄绵土和X土)的坡地K_s,试验结果表明,3种单环法测定的不同类型土壤K_s大小顺序一致,但是单环BEST法测得的K_s显著高于单环双水头法与单环单水头法(P0.05);单环双水头法测得K_s值均随坡度的增加而增加,而单环BEST法测量结果与之相反,随着土壤质地由粗变细,坡度的影响程度(回归线斜率)有降低趋势;单环单水头法(10 cm)测量K_s值与单环双水头法完全一致,在土壤水力学参数确定后,可替代单环双水头法。当坡度小于10°时,3种方法测量的K_s与无坡度K_s无显著差异,当坡度大于10°时,差异显著(P0.05)(2)在黄土高原水蚀风蚀交错区,降雨是浅层地下水与基流的重要补给来源。赋存于沟道淤地坝的浅层地下水随季节变化呈现峰谷交替的规律。该区淤地坝A土层厚度在4.09~10.35 m,淤地坝B土层厚度在4.52~6.72 m。浅层地下水水位在2017年5月开始明显下降,6月1日至8月25日A_(80)和B_(50)干涸,A_(340)和A_(510)在8月29日和7月22日水位埋深最深,分别为7.77 m和7.85 m,B_(150)和B_(280)均在8月6日水位埋深最深,分别为4.51 m和4.54 m。9月份水位开始回升,进入秋冬时期,浅层地下水位埋深变浅,A_(80)、A_(340)和A_(510)在9月5日、10月29日和12月25日水位埋深最浅,分别为2.34 m、7.10 m和6.86 m。B_(50)、B_(150)和B_(280)在12月1日、9月25和日12月12日水位埋深最浅,分别为3.08 m,3.33 m和3.76 m。降雨可以补给浅层地下水,浅层地下水以黄土与基岩交界处形成的泉水出流的方式补给至沟道基流。该区赋存于淤地坝系统内的浅层地下水补充途径主要有两种方式:1)当整个淤地坝水位埋深小于4 m时,大于30.0 mm的降雨可垂直入渗补给地下水。2)当坝体沟头水位埋深小于4 m,坝体中部、尾部水位埋深大于4 m时,降水在沟头以上集水区以径流方式汇集,通过沟头垂直入渗补给地下水,再通过横向渗流运动至坝尾。基流量的年内变化具有峰谷交替的特点,3月份气温逐渐回升,冻土开始融化,基流量也逐渐增大,至5月13日达到峰值,值为471.2 m~3·d~(-1)。其后,小流域的植被生长旺盛,植物耗水与蒸腾作用增强,基流量逐渐减小,于7月13日减小至最低值,值为37.0 m~3·d~(-1),8月份随着雨季的来临,基流量得到不断补充而增大,9月3日达到次峰值,值为245.9 m~3·d~(-1)。浅层地下水与基流对降雨的响应存在一定的滞后时间,基流对降雨的响应滞后时间约4~16天。降雨直接垂直入渗纵向补给浅层地下水时,浅层地下水对降水响应的滞后时间约12~54天;降雨通过沟头汇流入渗横向渗流补给浅层地下水时,滞后时间约72~93天。(3)在黄土丘陵区,降雨同样能够补给淤地坝内的浅层地下水,但也存在一定的滞后时间。该区淤地坝D土层厚度从沟头至沟尾在4.55~6.55 m。土层厚度是影响降雨响应的重要因素,从沟头至沟尾,随着土层增厚,浅层地下水水位反应敏感程度逐渐减小。浅层地下水随季节的变化呈现峰谷交替的规律,在每年的4月底开始持续下降,D_(30)、D_(115)和D_(200)在8月17日、7月24日和7月22日水位埋深最深,分别为1.42 m、3.69 m和4.94 m,秋冬时期,浅层地下水位埋深变浅,D_(30)、D_(115)和D_(200)在11月5日、10月19日和11月27日水位埋深最浅,分别为0.21 m、3.20 m和4.30 m。降雨可以补给至浅层地下水,浅层地下水以黄土与基岩交界处形成的泉水出流的方式补给至沟道基流。秋冬季节基流量较大,夏季基流量最小。5月后,该小流域植被生长旺盛,基流量随之减小,7月8日流量最小,值为1.0 m~3·d~(-1),8月份随着雨季的来临,基流量得到不断补充而增大,10月26日达到峰值,值为7.8 m~3·d~(-1)。浅层地下水对降雨的响应存在一定的滞后时间。降雨通过沟头汇流入渗横向渗流补给浅层地下水时,滞后时间约31~49天,比水蚀风蚀交错区滞后时间短。(4)在黄土塬区,年内降水量呈“少-多-少”的变化趋势,太阳辐射和气温也呈现“小-大-小”的变化趋势,但位于沟道内的泉水流量呈“大-小-大”的变化趋势。泉水流量在7月17日最小,值为9.1 m~3·d~(-1),在10月29日最大,值为13.4 m~3·d~(-1)。降雨量与泉水流量的变化量呈显著的线性相关关系(P0.01),降雨量增加,泉水流量变化量随之增加,说明降雨可能入渗补给至浅层地下水,最终以基流形式排泄至沟道。(5)水蚀风蚀交错区和黄土丘陵区淤地坝系统浅层地下水均随季节变化而变化,浅层地下水对降雨的响应均存在一定的滞后时间。在5月至9月,植被的生长周期期间,水位先下降后回升。水位埋深和降雨量与浅层地下水的补给密切相关。降雨量大于30.0mm,在水蚀风蚀交错区,水位埋深大于4 m与小于4 m的淤地坝存在沟头汇集入渗横向渗流补给与直接垂直入渗补给两种不同的补给途径,而在黄土丘陵区,水位埋深大于4 m的淤地坝为沟头汇集入渗横向渗流补给途径。沟头汇集入渗横向渗流补给途径,水蚀风蚀交错区浅层地下水对降雨的滞后时间大于黄土丘陵区,约多42天。水蚀风蚀交错区、黄土丘陵区和黄土塬区基流量春夏季较小,秋冬季节较大。基流量也存在峰谷交替的日变化规律,水温与流量均呈现相反的趋势,以2017年7月30日至8月3日为例,三个地区流量达到峰值与最小值的时间不同,水蚀风蚀交错区流量约在每日上午6时达到当日峰值,值为7.93 m~3·h~(-1),在下午16时流量最小,值为4.54 m~3·h~(-1);黄土丘陵区流量约在每日3时达到当日峰值,值为0.09 m~3·h~(-1),在下午14时流量最小,值为0.06 m~3·h~(-1);黄土塬区流量约在每日下午15时达到当日峰值,值为0.42 m~3·h~(-1),在每日0时流量最小,值为0.37 m~3·h~(-1)。降雨量、黄土层厚度和土壤质地等因素与基流量的日变化规律密切相关。
【图文】：

概况,含水层厚度

小流域位于半干旱地区，沟壑纵横，存在滑坡现象，暴易受到暴雨、径流的冲刷，地貌类型主要为黄土梁峁丘7.3 mm ，年际变化差异显著，年内不同月份分布极不均的 70%以上。于黄土高塬沟壑区的中部，海拔 1220 m。研究区属暖温冷暖、干湿分明。近十年年平均降雨量 525.1 mm，降水，6~9 月降水量占全年降水总量的 70%以上。该区土层深，母质为中壤质马兰黄土，土壤容重在 1.23~1.45 g·cm-3，0~20 m 黄土剖面内，粉粒（0.002~0.02 mm）含量最高次为砂粒（0.02~1 mm），，其含量在 25%~40%，但 0.25~最低的为粘粒（< 0.002 mm），在 20%~30%。黄土塬区塬面平坦开阔，地下水埋深在 40~100 m，含水层厚度 23~10 m3·h-1。在塬区周边，由于沟谷对地下水的疏干作用含水层厚度也相应变薄，单井泉水流量亦随之减小。

示意图,单环,示意图,环刀取土

砸入深度为 1 cm，单环内径为 10 cm。在砸入单环的附水率以及其他物理化学性质。量取一定量的水小心并快速倒入毕时记录时间，并倒入第 2 杯等量的水。重复以上过程直到入的入渗时间相同）。试验结束后在单环中用环刀取土，用烘干。表 2-1 供试土壤的主要物理化学性质Table 2-1 Main physical and chemical properties of soiloil properties 风沙土 Sandy soil 黄绵土 Loessial soil X土otal porosity/% 39.40±1.05 44.00±1.50 48.2Sand /% 84.25±1.05 52.50±2.41 2.3 Silt/% 6.46±0.66 35.79±2.52 64.2Clay /% 9.29±0.39 11.71±0.11 33.4ensity /(g·cm-3) 1.61±0.03 1.48±0.04 1.3nic matter /% 0.19±0.02 0.22±0.19 1.8=5。Note: The number of samples n = 5.
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P641

【参考文献】