探究地下水与土壤水文学的研究

(1)地下水研究。运用水文循环和水量平衡原理的地下水文学是研究地下水形成、运动、地下水量、水质均衡、地下水位动态水情和地下水资源的学科,是水文科学的一个分支。它和主要研究地下水起源、类型、分布、运动、化学成分的形成和地质环境的水文地质学(hydrogeology)关系密切,研究内容虽各有侧重,但近年来随着各学科的研究均逐步向侧重于解决生产实际问题发展,许多研究内容已逐渐有所交叉和融合。地下水是自然界的一种水体,地下径流是水文循环的一个环节,地下水资源是水资源的重要组成部分。所以地下水文学的研究,不仅有理论意义,而且在解决供水、排水和土壤盐渍化的防治等方面有实际意义。

根据赋存地下水的介质(含水层)的不同,地下水有孔隙水、裂隙水和岩溶水三种类型。其中分布最广、利用最多的主要是孔隙水。平原地区松散岩层中的主要含水层为浅层地下水和深层承压水。浅层地下水指地表以下的潜水和潜水-微承压水,可以直接接受大气降水和地表水的补给。深层承压水指埋藏在深部弱透水层间含水层中的承压水。由于各种类型地下水的形成、补给、排泄条件不同,开发利用条件均有一定差异。

地下水均衡是地下水文研究的主要内容之一,因此,地下水均衡要素的研究也就成为地下水文学研究的基本内容。对于区域或流域(水文地质单元)浅层地下水均衡要素主要是地下径流(包括来自区外的侧向补给或消耗)、区内的垂直补给(包括降水对地下水的补给、河流对地下水补给或排泄,地表水库和灌溉渠道对地下水的补给,田间灌溉水对地下水的补给),区内的地下水消耗项主要包括潜水蒸发(包括裸地和作物或天然植被的腾发),利用水井对地下水的开采,以及排水沟渠对地下水的排泄等。对我国水资源紧缺的半干旱半湿润地区,降水入渗对地下水的补给、潜水蒸发、给水度和自由孔隙率以及地下水的开采应是浅层地下水水文学研究的主要内容。自20世纪60年代以来我国华北平原和西北干旱地区由于农业发展的需要,水资源紧缺,大量开发地下水,城市地区工业和生活用水不断增加,许多城市以地下水作为主要供水水源。我国科技工作者为了解决地下水的开发利用中存在的问题,结合地下水资源的评价,开展了地下水文的研究,取得了显著的成果,现将近期主要进展概述如下。

1)降雨和灌溉入渗补给地下水。20世纪80年代以前,对地下水大埋深情况下降雨对地下水是否存在补给,入渗补给随埋深的加大而变化的规律如何,一直是地下水界热点争论问题。雷志栋等对不同地下水埋深条件下降雨入渗补给地下水和潜水蒸发的规律和潜水面以上土壤水分动态特征进行了系统的分析,区分了地下水浅埋和深埋两种类型,得出了随着地下水埋深的增大,降雨补给地下水的滞后时间愈长,在地下水大埋深的情况下,地下水只存在降雨或灌水的入渗补给,而不发生潜水蒸发等一系列规律性的结论(雷志栋、杨诗秀、倪广恒等,水利学报,1992)。在降雨入渗补给地下水的数值模拟方面也取得了一系列研究成果,为探索解决非均质土壤剖面、不同地下水位动态和不同初始条件等复杂情况下的降雨入渗对地下水的补给问题提供了有力工具(雷志栋、杨诗秀等,水利学报,1992)。

2)潜水蒸发。根据土壤水势能理论,在大量的蒸渗仪和野外观测资料的基础上,我国科技工作者提出了潜水蒸发的影响因素、发生条件,以及变化规律的系统成果。例如,尚松浩等提出了潜水稳定蒸发的半理论半经验公式,考虑到根系的吸水作用,对有作物条件下的潜水蒸发提出了蒸发面下降折算法(尚松浩、毛晓敏等,灌溉排水,1999;毛晓敏、雷志栋等,灌溉排水,1999);结合国家重点科技攻关项目西北干旱区水资源与生态环境评价研究,在总结西北地区野外观测资料的基础上,王芳等提出了天然植被在不同地下埋深下的生态需水研究成果,为西北水资源合理配置提供了基本资料。为了探索裸地和有作物生长和复杂地下水动态条件下,均质和非均质土层潜水蒸发规律和潜水蒸发的计算方法,许多作者进行了潜水蒸发的数值模拟研究,取得了显著的成果(吴擎龙,雷志栋,水利学报,1996)。

3)地下水含水层的给水度和自由孔隙率。地下水含水层的给水度和自由孔隙率是地下水平衡计算和地下水资源评价的主要参数,也是地下水位动态分析、预测预报所不可或缺的基本数据。雷志栋等对地下水大埋深条件下的给水度和自由孔隙率的变化规律进行了研究。数值模拟在均质和非均质土壤的给水度和自由孔隙率的研究中得到广泛的应用,在探索给水度和自由孔隙率的影响因素和变化规律等方面发挥了重要作用。

4)河流、渠道和水库对地下水的补给和排泄。河流、渠道和水库对地下水的补给和排泄是地下水均衡的重要组成部分。20世纪90年代以前,我国学者对不同边界条件下均质和双层结构含水层、不同边界(无限边界、两侧、三侧和四侧为河流或渠道)、有降雨或灌溉补给和潜水蒸发条件下河渠对地下水的补给或排泄、及其对地下水位的影响求得了计算公式,并给出了计算图表。目前在这方面的研究相对较少,还有待进一步深入探讨。地下水的开采和地下水的排水是地下水主要消耗项。地下水开采主要是通过不同形式的水井,而地下水的排水则主要是通过水平排水沟渠和垂直排水(水井)系统。在水平排水、水井开采和垂直排水的理论和计算方法方面,我国作者提出了多种水文地质条件下的排水公式和水井计算公式以及计算方法。数值模拟在水平排水计算的研究方面也取得了进展。

5)地下水位动态和地下水位调控。地下水位动态和地下水位调控是地下水文研究的重要内容,我国在地下水动态及其影响因素方面进行了大量的研究工作,为半湿润半干旱地区除涝、防渍、抗旱、防止土壤盐碱化和改造地下咸水提供了科学依据。西北干旱地区为了防止天然植被破坏,保护生态环境,对常见的乔、灌、草类保持不同的繁茂程度所要求的地下水埋深,王芳等提出了初步研究成果。为满足维持生态环境日益增长的需求,今后应进一步加强地下水位对天然植被的影响、耗水量和不同地下水埋深条件下潜水的消耗量的研究工作。

6)地下水资源、地下水可采量(地下水可采资源)和地下水资源评价。自20世纪70年代以来,我国地下水资源、地下水可采量(地下水可采资源)和地下水资源评价的研究得到了很大发展。由于降水量和地表引水量是地区地下水的主要补给来源,生态需水也主要决定于降水蒸发等气象条件,地区内除侧向补给的水量外,由于区内来自垂直补给的地下水可开采量除决定于土地利用系数和水文地质条件外,主要决定于降水量和地表引水量。因此,一些作者在典型地区降雨量、地表引水量、地下水开采量和地下水位变化观测资料的基础上,提出了根据降水量不同的典型地区地下水可开采量与地表水引水量的经验比值,近似地估算地下水的可采量的方法较之可采系数简单易行,在缺乏资料不能进行详细的水均衡分析和地下水模拟的情况下,可以近似估算区域的地下水可采量。地下水数值模拟的研究发展很快,许多研究成果在水资源规划和管理中已得到广泛地应用。对于浅层水地下水资源评价,目前多采用平面二维潜水或双层越流系统数学模型,为优化配置和合理利用地表水和地下水资源提供了科学依据。

7)深层承压水资源问题。为了正确评价地下水资源、分析开采深层地下水的补给来源、探索地面沉降的机理和水质恶化的原因,我国自1973年以来广泛开展了深层承压地下水数值模拟的研究工作,取得了显著进展。目前我国已建立了多种类型的预报模型,包括水流模型、溶质运移模型、热量运移模型、形变模型;管理模型,包括地下水管理模型、地表水地下水联合运用管理模型、多目标管理模型等,以及识别模型等(薛禹群、吴吉春,水文地质工程地质,1997、1999;薛禹群,水文地质工程地质,2003;钱家忠、吴剑锋、朱学愚等,科学通报,2001;朱学愚、刘建立、朱俊杰等,中国科学(D),2000)。为了深入探讨深层承压水水资源补给、越流和开采水量的来源,以及地面沉降问题,今后应在考虑弱透水层的蠕变、塑性变形等非线性变形机理研究的基础上,对建立三维水流模型和地面沉降模型的耦合模型进行研究。为此,需要建立弱透水层孔隙压力和地面沉降的观测系统,以便确定模型所需的参数和对建立的模型进行检验。

8)溶质运移和水质模拟。在溶质运移的研究方面,多数研究工作探讨低浓度的溶质(地下水污染)问题,将水流方程和对流弥散方程独立求解,在模型求解的方法方面有所改进和创新,具有代表性的总结是陈崇希和李国敏的专著“地下水溶质运移理论及模型”。在一些探讨海水入侵和高浓度污染物运移问题的研究中,建立了由密度、粘度状态方程决定的运动方程,将水流和水质两个子模型耦合求解。薛禹群等建立了三维可混溶海水入侵模型,为研究和解决我国海水入侵提供了有力工具(薛禹群、谢春红、吴吉春等,水资源研究(英文),1995)。在污染物的运移研究方面,除考虑了溶质的对流、弥散、吸附和解吸的模型以外,少数模型已深入探讨了海水入侵过程中阳离子的交换,一些模型还初步考虑了复杂的生物化学转化过程。

在水质模型的研究方面,溶质运移转化机制包括对流、弥散、吸附和解吸、溶解和沉淀、离子交换、生物化学反映(如氮素的挥发、有机氮的矿化和固持、硝化、反硝化等)多方面的内容。近年来,在氮素的硝化、反硝化、氨氮的吸附和农药的转化运移方面取得了初步成果(任理、毛萌,水利学报,2002)。(www.xing528.com)

近年来,我国在饱和、非饱和水流和溶质运移的随机分析和模拟方面已取得可喜的进展,发表了大量研究论文(杨金忠等,水科学进展,1998;蔡树英、杨金忠等,土壤学报,1998;任理等,水利学报,2001、2002、2003),杨金忠等还首次在我国出版了专著“多孔介质中水分和溶质运移的随机理论”(科学出版社,2000)。但目前我国对地下水运移的随机模拟的研究,多处于理论阶段,用于解决生产实际问题尚有一定差距。因此,除进一步发展确定性水流和溶质理论和方法的研究以外,加强地下水流和溶质新的随机理论和应用的研究,应是地下水文学研究的重要课题之一。

由于土壤水和地下水埋藏在地下,一旦受到污染,其治理是十分困难的,为了避免地下水资源污染的加剧,应以预防为主。为此,对各类污染源中的污染物质,如化肥、农药、重金属、石油、生活污水、工业废水等对土壤和地下水污染机理,污染物在土壤和地下水运移过程中发生的化学反应和有微生物参加的生物化学作用,对考虑化学反应和生物化学作用的溶质运移机理和模型,特别是土壤和地下水中的有机物质的运移机理和模型的研究,逐渐成为人们关注的热点,对拟定和采取防止或减缓地下水的污染和治理地下水污染的措施,具有重要意义,应是地下水文学研究的发展趋势之一。

9)城市生活和工业用水水源地的地下水资源评价方法。20世纪70年代,随着地下水非稳定流理论在我国的推广和应用,多采用解析解法(根据圆形和长方形开采区开采强度与地下水位下降的关系预报一定时期后地下水位下降深度),或开采量与地下水位降深相关分析法,预测一定开采量条件下、开采一定期间后的地下水位,据以评价地下水的可采资源。目前已广泛采用地下水数值模拟的方法进行地下水资源评价。城市生活和工业水源地的可采量往往是根据地下水位满足在一定的开采方案(总开采量和开采布局)条件下,在一定的期间内地下水位或承压水位不超过一定埋深的要求确定的。如果不超过要求的深度,则把这个开采量作为地下水的可采资源。同时许多城市的地下水资源评价都是与市区附近地区地下水资源评价一起进行,而不是单独估算城市本身的地下水补给量和可采量。过去30年来,城市地下水位持续下降,已经表明地下水严重超采,应采取有效的措施减少和控制地下水的开采量。在区域水资源规划中,城镇工业生活用水应主要改用地表水供水,而将挤占的地下水还给农业。今后应加强城市地下水资源评价方法以及区域城市和农村水资源合理配置、综合规划和管理方面的研究。

10)区域盐分的平衡问题。关于区域盐分的平衡问题,华北平原和西北干旱地区内陆盆地由于排水量的减少,或缺乏外排水量,长期盐分积累,对地下水资源和环境造成的影响,演变发展趋势和解决的途径也应是地下水文学研究的课题。

11)浅层地下水超采区的人工回灌。浅层地下水超采区的人工回灌是减少地下水超采、涵养和恢复地下水资源的重要措施之一。近年来的资料表明,汛期降雨径流和多水年份或洪水期外区的来水量尚有相当的利用潜力,超采区可以充分利用由于地下水超采形成的地下库容,调蓄当地地表径流和多水年份或洪水期外区的来水量,增加枯水期和年份地下水的供水量和恢复改善生态环境(方生、陈秀玲,南水北调与水利科技,2002;张蔚榛,南水北调与水利科技,2003)。进一步加强人工回灌的措施和相应机理的研究对解决地下水超采问题具有重要意义。

12)浅层咸水改造利用。海河平原矿化度为2～3g/L的地下微咸水面积2.15万km2,补给资源量约22亿m3 以上,3～5 g/L的半咸水约10亿m3 左右,而目前微咸水利用量仅有6.6亿m3。河北省黑龙港和运东平原区大部有咸水覆盖,地下水位高,降雨和灌水对地下水的补给,全部消耗于潜水蒸发,不能利用。地下咸水只有通过利用才能降低地下水位,腾空地下水库的库容,才能蓄纳降雨入渗补给的地下水的淡水量,从而实现咸水的逐步淡化,增加地下水的可开采利用的地下水资源,减少深层和浅层地下的超采量和地表水的引水量。研究浅层咸水改造利用机理和措施是地下水文学有待进一步研究的内容。

(2)土壤水文研究。土壤水(soil water)指的是由地面向下至地下水面(潜水面)以上土壤层中的水分,亦称土壤中非饱和带水分。在Jacob Bear所著的《Dynamics of Fluids in Porous Media》即《多孔介质流体动力学》一书中,将非饱和带(有译称为充气带、包气带)又区分为三个亚带即土壤水带、中间带(或称渗水带)和毛细管带。我国学术界习惯地将土壤水研究包括了整个非饱和带。

从学科领域,土壤水可视为土壤学的一个分支,但它又与多个学科与多个应用领域有着密不可分的关系。土壤水是联系地表水与地下水的纽带,在水资源的形成、转化与消耗过程中,它是不可缺少的成分。国际地圈生物圈计划(IGBP)强调界面过程研究,力图把全球物理气候总循环模型(GCMs)与全球水循环模型耦合,土壤水亦是其中组成部分;灌溉或降雨均需转化成土壤水才能被作物(含生态环境中各种植被)所吸收,因此土壤是国民经济基础——农业中各种种植业赖以生存的基础;水文学中最重要的组成内容——产汇流理论,亦取决于下垫面的土壤水状况;作为当今国内、国际热门话题的环境保护问题,涉及到化肥、农药、重金属等对土壤与地下水污染,无一不与土壤水状况发生关系;此外土壤水还与自然地理、植物生理等学科研究有一定联系。由于土壤水的特殊地位,随着科学技术发展,土壤水的研究在近20年来发展迅速。

20世纪80年代开始,我国科技工作者在吸收国际学术界各种有益的学术观点基础上,相继开展了土壤水的理论与试验研究,学术空气十分活跃,国际、国内交流也日益增多。这20年是我国关于土壤水研究发展最快的时期,除了一批译著的出现,扎根于国内的有关土壤水(或以土壤水分运动为其重要内容的)专著或著作陆续问世,例如雷志栋、杨诗秀等所撰写的《土壤水动力学》(1988);张蔚榛等人所著的《地下水与土壤水动力学》(1996);康绍忠、刘晓明、熊远章等所著《土壤-植物-大气连续体水分传输理论及其应用》(1994);李韵珠、李保国编著的《土壤溶质运移》(1998);杨邦杰等所著《土壤水热运动模型及其应用》(1997);荆恩春等著《土壤水分通量法实验研究》(1994)都反映了我国学者近10多年来研究成果的丰硕。全国性土壤物理学术讨论会至今已开了6次,各次会上涉及土壤水分研究的论文约占土壤物理学论文的40%～60%,土壤水分始终是土壤物理学科中最为活跃的一个领域。

在节水灌溉和改进农田耕作的推动下,关于土壤水的研究取得了大幅度的进展。在土壤水监测技术和观测手段方面,开展了农田尺度的土壤水分监测(杨诗秀等,农业工程学报,1996),采用了诸如时域反射仪、同位素技术、遥感技术等土壤水分观测新手段(龚元石、陆家驹等,水科学进展,1997)。在土壤水运动规律研究方面,揭示了包气带中水体对入渗水流运动的影响(唐海行等,水科学进展,1995)、土壤有机质含量对土壤水动力学参数的影响(单秀枝等,土壤学报,1998)、土壤非饱和带中的优先流运动特点,建立了多种土壤水分运动计算模型,其中尤以土壤水分运动的随机模型的研究成为研究热点,发表的论文约10余篇(黄冠华等,水科学进展,水利学报等,1997)。土壤水分预报精度有所提高并对指导农田灌溉发挥了良好作用(李远华等,中国农村水利水电,1998)。由于土壤水分运动研究取得进展,使土壤中溶质运移的研究也取得了相应的进步(任理等,水科学进展,1997)。在土壤蒸发研究方面雷志栋等进行了土壤冻结过程中潜水蒸发规律的模拟研究,提出了冻结期潜水蒸发折算系数的概念,为农田保熵措施提供了依据(雷志栋等,水利学报,1999)。由于农田节水和作物保护的推动,近年来关于作物蒸腾和土壤与潜水蒸发的研究取得较大进展,提出了一些植物蒸腾计算新公式(谢贤群等,水利学报1997)和土壤蒸发计算新公式(罗毅等,水科学进展,1997)。

随着人口(粮食)、资源(水、土)与环境(污染、生态)成为世界上三大热点问题,与其有密切联系的土壤水亦必然会随着需要而得到发展,这种研究应服从于可持续发展的战略。展望21世纪,随着科学技术的进步,期望有更多新的手段促进本领域的研究。例如,测试技术仍需有效的飞跃才有望在生产领域中使研究成果得以普遍应用;遥感技术的发展虽在土壤水研究中有所尝试,但仍属于起步阶段;SPAC系统的研究虽已做了较多工作,但国际地圈-生物圈计划(IGBP)、国际水文计划(IHP)、世界气候研究计划(WCRP)、联合国环境计算(UNEP)、全球水量与能量平衡计划(GEWEX)均把各种尺度下通过大气-植被-土壤系统的水分输送过程和能量交换问题作为其重要内容,因为该内容具有明显的综合性和学科交叉的特点,是土壤物理学、农田生态学等前沿研究领域。另外,土壤水的研究在下列方面必将向深入发展:①优先流在内的土壤非均质性研究将会有大的进展。将土壤水的研究和土力学结合起来,在构造新的土的本构关系方面对一些学者也是富有吸引力的。②出于对宏观与全局研究的需要,将进一步探讨点、面及区域的土壤水问题的特点及相应的尺度效应或转换,其中包含了前述新技术与方法的应用。③未来土壤水问题的研究仍将继续在机理、应用、特别是理论与实践的结合上不断深入。