（地质工程专业论文）神府—东胜采煤塌陷区包气带水分运移及生态环境效应研究.pdf

摘要 神府一东胜矿区( 神东矿区) 位于我国西北干旱半干旱地区，生态环境脆弱，水资源天然不足 随着煤炭资源的持续开采，地表产生大面积塌陷，地下水位大幅下降，生态环境破坏问题越来越突 出。如何有效利用包气带土壤水资源成为保证矿区农业植被生理需水和塌陷区生态再建的关键问愿 针对神东采煤塌陷区生态再建的科学问题，以干旱区生态再建的限制性因素包气带土壤水为出 发点通过野外地质调查、室内物理模拟试验、野外原位试验以及野外测试对神东采煤塌陷区包气 带水分运移及生态环境效应进行了研究。取得的主要进展和认识如下： ( 1 ) 塌陷非稳定阶段，塌陷裂隙对土壤水分散失具有重要影响与塌陷区非裂缝带土壤水相比， 塌陷裂缝部位( 及塌陷裂缝发育带) 土壤水分损失几乎达5 0 ，接近或低于凋萎系数，对植被生存、 生长构成威胁 ( 2 ) 与非塌陷区相比，塌陷稳定区有更强的接纳降水的能力，表现在采煤塌陷稳定区土壤含水 量明显高于非塌陷区，对区域生态再建有利但在春旱季节，塌陷稳定区浅层( 3 0 c m 左右) 土壤储 水量低于非塌陷区对浅根系植被萌芽不利。 ( 3 ) 塌陷稳定阶段。地表塌陷裂缝被填充，但包气带中下部或多或少存在隐伏裂隙。但几乎不 起导水作用，在对该阶段的孔隙裂隙包气带水分运动进行模拟时，可直接利用孔隙结构体进行代 替 ( 4 ) 室内实验结果表明，定雨强降雨入渗过程中细砂和粗砂中湿润锋移动都分为两个阶段： 降雨期间，湿润锋前移距离与深度呈线性关系：降雨结束后( 水分再分配阶段) 湿润锋前移距离与 深度呈幂函数关系。入渗水分迁移速度随深度增加呈指数衰减。表明塌陷稳定阶段降雨通过深厚包 气带对地下水补给是一个漫长的过程 关键词：神府东胜；塌陷区；包气带；水分运移；生态环境效应 a b s t r a c t s h e n f u - d o n g s h e n g m i n i n ga 嘲i s l o c a t e d i n t h ea r i da n ds e m i - a r i d m o o n o f n o r t h w e s t o f c h i m , w i t h f i a n g i b l ee n t i r e n m a n ta n dd e f i c i e n tw a t e rt e s o u r r e s w i t ht h ed u r a t i v ed e v e l o p m e n to f c e a lm i n e “嚣o u n ：嚣 i tm a d et h eg r o u n dc o a p a i n ge x t e n s i v e l ya n dg r o u n dw a t e rl e v e ld e c r e a s i n gt oal a r g ee x t e n ta n dt h e g e o l o g i c a la n de t i r o n m e n t a lp r o b l e mi si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n lh o wt ou s es o i lw a t e rr e s o 嘲 r e a s o n a b l ya n de f f i c i e n t l yi sh i g h l yi m p o r t a n tf o rp h y s i o l o g i c a lw a t e rr e q u i r e m e n to fv e g e t a t i o na n d e n t i r o n m a n t a lr e c o n s t r u c t i o no fs u b s i d e n c ea r e a i nc o n s i d e r a t i o no f 血ee n d r o n m e n tr e c o n s t r u c t i o ni n s h e n d f u - d o n g s h e n gs u b s i d e n c ea r e a 。s o i lw a t e ro fm i n i n g 嗍，鹪al i m i t i n gf a c t o ro fe n f i r e n m e n t r e c o n s t r u c t i o n , i sf o c u s e do n u s i n gg e o l o g i cs u r v e y , p h y s i c a ls i m u l a t i o ni nl a b o r a t o r y , i ns i t uf i e l d e x p e r i m e n t sa n df i e l dm e a s u r e m e n t t h i sp a p e rn 箔e a r c l l e st h em i g r a t i o no fs u i lw a t e ra n de n t i r o n m e n t e f f e c ti ns h e n f u - d o n g s h e n gs u b s i d e n c ea r e s t h em a i nr e s u l t sa a sf o l l o w s ： ( 1 ) i nu n s t e a d yp h a s e , g r o u n df i s s u r e sc a u s e db yc o l l a p s i n gf a c i l i t a t et h el o s so fs o i lw a t e r t h es o i l w a t e rc o n w n to f f i s s u r ed i s t r i c ti sa b o u t5 0 l e s st h a nt h a to f n o n - f i s s u r ed i s t r i c to f s u b s i d e n c ea r e a w h i c h c l o s et oo rb e l o ww i l t i n gc o e f f i c i e n t t h i sw i l lb eag r e a tt h r e a tf o r t h es u r v i v a la n dg r o w t ho f v e g e t a t i o n ( 2 ) c o n t r a s tt on o n - s u b s i d e n c ea r e a , t h es t e a d ys u b s i d e n c ea r e sh a ss t r o n g e ra b i l i t yt oa c c e p t p r e c i p i r a t i o n w h i c h 啪b ec o n c l u d e df r o mt h et r u t ht h a ts o i lw a t e rc o n t e n to fs t e a d ys u b s i d e n c ea r o ai s a p p a r e n t l y l a r g e r t h a n t h a t o f n o n - s u b s i d e n c e a r e a t h i s w i l l b e h e l p f u l t o t h ee n t i r o n m e n t r e c o n s t r u c t i o n o f i u b s i d e n c ea r e s b u ti nd r ys r n i n g t h es t e a d ys u b s i d e n c ea 嫩曲al o w e rw a t e r - s t u r i n gc a p a c i t yi ns h a l l o w l a y e r ( a b o v e3 0 e r a ) t h a nt h a to fn o n - s u b s i d e n c e ，w h i c hw i l lb ead i s a d v a n t a g ef o rt h eb u d d i n go f s h o r b r o o tv e g e t a t i o n ( 3 ) i ns t e a d yp h a s e ，f i s s u r e si ns h a l l o wl a y e ro fu n s a t u r a t e dz o n ea r ef i l l e du p ，b u ts o m eh i d d e n f i s s u r e sa r es t i l le x i s ti nm i d d l ea n dd e e pl a y e r , w h i c hr r en ou s c , f o rt r a n s m i t t i n gw a t e ri nu n s a t u r a t e d c o n d i t i o n t h u s ，w eu s e dp o r es t r u c t u r ei n s t e a do fp u r e - f i s s u r es t r u c t u r ei nt h es i m u l a t i o no fs o i lw a t e r m i g r a t i o ni ns t e a d yp h a s e ( 4 ) i nt h ec o n d i t i o no f c o n s t a n tr a i n f a l li n t e n s i t y , t h ep r o c e s so f w e t t i n gf r o n tm o v i n gi nf i n es a n da n d c o a r s es a n dc a nb ed i v i d e di n t ot w op h a s e s i nt h ef i r s tp h a s e ( i e d u r i n gr a i n f a u ) ，t h ed e p 血o fw e t t i n g f r o n ti 8l i n e a rw i t hr a i n f a l lt i m e i nt h es e c o n dp h a s e ( i e a f t e rr a i n f a l lo rt h ec o u r s eo fs o i lw a t e r r e d i s t r i b u t i o n ) ，p o w e rl o n d o nw o r k 8 m i g r a t i o nv e l o c i t yo fi n f i l t r a t i o nw a t e ri sa ne x p o n e n t i a ld e c l i n e w i t hd e p t h i ts h o w st h a tt h e 劬a r g eo f g r o u n d w a t e rb yr a i n f a l ln e e d sav e r yl o n gt i m ei nt h ec o n d i t i o no f t h i c ku n s a t u r a t e dz o n ei ns t e a d yp h a s e k e y w o r d s ：s h e n g f u - d o n g s h e n g ；s u b s i d e n c ea r e a ；u n s a t u r a t e dz o n e ；s o i lw a t e rm i g r a t i o n ；e n t i r o n m e n t i l l 原创性声明 本人声明，我呈交的学位论文是我个人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示 谢意。 作者签名：二翠至j 至一日期：丑盟卜l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解中国地质科学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：中国地质科学院有权保留、送交学位论文的电子版和纸质版，允 许论文被查阅或借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文汇编出版：保密的学位论文在解密后适用本 规定。 学位论文作者签名：聋垒拯 日期： 巡：! ! 导师签名： 日期： 一 纽式垃 z 叼7 s fo 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究目的和意义 煤炭是当今世界社会运行的三大支柱能源之一，在许多国家的生产生活中都占有重 要的地位我国是世界上的煤炭大国，在一次性能源的生产和消耗中，煤炭占7 0 以上 ( 邵爱军，张发旺等，2 0 0 5 ) ，这就决定了煤炭生产在我国能源工业中的地位。由于其 它能源条件的限制，以煤为主要能源的格局将在我国长期存在 但在煤炭资源的开采过程中，常伴有严重的环境破坏问题。其中较明显的是采煤塌 陷问题。据不完全统计，1 9 9 0 年底因煤炭开采造成的土地塌陷面积达3 0 x1 0 4 k m 2 ，1 9 9 3 年底达4 0 x1 0 4 k m 2 ，到1 9 9 9 年底统计土地塌陷面积己达近6 0 x1 0 4 k i n 2 ( 张永波等， 2 0 0 1 ) ，采煤塌陷面积呈逐年扩大之势。采煤塌陷造成煤层顶板基岩坍塌，改变了矿区 环境地质和水文地质条件，使地下水沿裂缝向采空区渗漏，引起地下水位下降，使地下 水补径排条件发生变异。当采煤塌陷传递到地表，则引起地表大面积塌陷，出现诸如地 裂缝、塌陷坑、塌陷洞、塌陷阶地等塌陷地貌，破坏了包气带土壤原有结构，引起包气 带土壤水分运移状态发生改变，影响区域生态环境，危害极大。 神府东胜矿区( 以下简称神东矿区) 位于晋陕蒙接壤地区，地处乌兰木伦河和窟野 河两侧，总面积3 4 8 1 k m 2 ，煤炭地质储量3 5 4 g t ，探明储量占全国煤炭保有储量的四分 之一，是我国目前发现的最大聚煤盆地，。居世界八大煤田的第三位。因煤炭埋藏浅、煤 层厚、地质构造简单、开采条件好，适合大规模露天开采和机械化开采，建设和生产成 本低，经济效益好，己成为我国重要的优质动力煤基地。随着国家能源中心的战略西移， 该煤田将占有举足轻重的位置。然而该区地处西北干旱半干旱地区，气候条件干燥，降 水量小，蒸发强烈，水资源天然不足。随着煤矿能源的持续开采，造成地表大面积塌陷， 地下水位大幅下降，水资源严重短缺，地质与生态环境问题越来越突出。采煤塌陷区生 态环境再建已成为矿区持续、健康发展的迫切和必然要求。 神东采煤塌陷区包气带水分运移及生态环境效应研究是神东矿区生态环境再建的 基础性工作。此项研究的开展，不仅具有重要的实用价值也具有重要的理论价值： ( 1 ) 在采矿塌陷区形成过程中，包气带土壤物理性状和土壤水分运移状态引起改 变，对地下水的入渗补给将产生重要影响。因此，深入研究采矿塌陷区的包气带水分运 中国地质科学院博士学位论文 移机制，对定量分析降水和灌溉入渗，土壤水和地下水的相互转化关系，认识塌陷区地 下水资源的形成过程，地下水资源评价以及水资源的合理开发利用有重要意义。 ( 2 ) 采矿废水是造成采矿塌陷区地下水污染的一个重要污染源，包气带土壤及地 下水污染形成过程与包气带水分运移规律密切相关，因此，研究包气带水分运移是研究 采矿塌陷区污染源对包气带土壤和地下水的污染过程、污染程度以及污染预测、预报防 治的基础性工作，其意义十分重要。 ( 3 ) 了解采煤塌陷对生态环境的影响和采矿塌陷区生态环境的再建对该区经济可 持续发展具有重要意义。采矿塌陷区要实现复垦和植被的恢复，与包气带的土壤物理性 状的变化和土壤水分赋存条件等相关，因此，研究包气带水分运移规律对矿区实现复垦 和生态环境建设有重要指导作用 ( 4 ) 采矿塌陷区包气带水分运移研究是包气带土壤水研究的拓延。矿区由于有用 矿物被采出后，应力重新分布，并达到新的平衡，使岩层和地表产生连续的移动、变形 或非连续的破坏，导致地表大面积沉陷，从而引起土壤颗粒、层次发生严重位移，彻底 改变了自然条件下成土过程所形成的有发育层次的土壤结构，这就使我们难以用已有的 土壤水分运移理论去研究塌陷矿区土壤水分运移问题，甚至难以选择典型点进行水分实 地监测，其水分运移模拟就更难进行。因此，发展采煤塌陷矿区包气带水分运移理论研 究是土壤水研究领域的一个新的课题。 综上，在神东矿区这种严重缺水、生态环境受到人类活动极大破坏的特殊区域，对 包气带水分运移的研究显得尤为重要。该研究不仅为矿区地下水资源的有效规划及可持 续性利用和发展提供有力的技术支撑，为矿区土壤及地下水污染的防治提供理论基础， 而且对了解和维护治理矿区的生态环境问题，实现矿区经济可持续发展等具有重要的实 际意义同时，该项成果对于丰富包气带土壤水运移理论研究也具有重要的学术意义 第二节国内外文献综述 一、包气带水分运移理论研究综述 在国际上包气带土壤水分运移的研究已有1 0 0 多年的历史，1 8 5 6 年法国工程师 d a r c y 首次通过均匀砂质滤层的渗透试验得出了达西定律( 雷志栋，等，1 9 8 8 ) ，开创了土 第一章绪论 壤水定量运动的新局面。1 9 0 7 年b u c h i n g h a 首先研究了水的能量问题，提出了毛管势理 论。但进行比较系统的定量分析研究则是2 0 世纪三、四十年代才开始的( 张瑜芳，1 9 9 2 ) ， 1 9 3 1 年r i c h a r d s 根据达西定律和连续性方程导出了非饱和流基本方程，用解析法和数 值法求解基本方程，定量的研究土壤水分运动状态于是把数学物理方法逐步的引进了 土壤水的研究，使该领域研究有了长足的进步，逐步由静态走向动态、定性描述走向定 量、经验走向机理( 雷志栋，等，1 9 9 9 ) 1 9 6 6 年，p h i l i p 提出了土壤一植物一大气连 续体( s o i l - p l a n t - a t m o s p h e r ec o n t i n u u m ，s p a c ) 的概念( p h i l i pjr ，1 9 6 6 ) ，它的提出 奠定了现代农田水分研究的理论基础，是土壤水研究理论的一个重大突破。针对s p a c 系统没有很好地考虑地下水在整个系统中的作用这个缺陷，刘昌明( 1 9 9 3 ) 提出了在 s p a c 系统界面中包括土壤水一地下水界面，并探讨了从界面上控制水分消耗的可能性 ( 刘昌明，1 9 9 3 t1 9 9 7 ) 。沈振荣、张蔚榛、雷志栋、李宝庆等也在“七五”期问进行 了华北地区大气降水一地表水一土壤水一地下水相互转化关系的研究，认为地下水 含水层应与土壤一植物一大气连续体( s 队c ) 纳入到统一体系中，提出地下水一土 壤一植物一大气连续体( g r o u n d w a t e r - - s o i l - - p l a n t - - a t m o s p h e r ec o n t i n u u m ，g s p a c ) 系统的概念( 霄志栋，等，1 9 9 2 ：沈振荣，等，1 9 9 2 ：张蔚榛，1 9 9 6 ) ，这一认识突出 了地下水和地表过程的关系，充分考虑了地下水和s p a c 水热传输的统一性、协调性 包气带水分数值模拟随着土壤非饱和水流理论的进一步发展以及近代物理和数学的渗 入得到了迅速的发展。1 9 5 7 年，p h i l i p 结合前人的理论和实验成果，首次提出了非恒温 条件下土壤水流运动方程，成为土壤水流模型发展中的又一个里程碑( p h i l i p ，j i l ， 1 9 5 7 ；p h i l i pj r ：和d a d e v d e s ，1 9 5 7 ) 。随着时间的推移和理论的提高，1 9 8 2 年m i l l ) i 得出了考虑滞后效应的非均质土壤水热联合运动模型( m i l l y , p c d ，1 9 8 2 ) 【1 1 。7 0 年代美国n i e l s e n 等提出了土壤性质空间变异性问题( n i e l s e n d 凡j w b i g g a r , k t e r h ， 1 9 7 3 ) 。后来，为了减小模拟的水分动态的误差又发展了确定性模型与随机模型相结合 的“标定”理论及方法。从8 0 年代起，土壤水分优先流的研究成为国际上土壤水研究 的一个热点。j b o u m a 于1 9 8 1 年提出了大、中、小土壤孔隙的界定和划分方法以及低 含水率条件下土壤孔隙特征的分形描述方法( b o u m aj ，1 9 8 1 ) b e v e n 和g e r m a n n 于 1 9 8 2 年应用波方程来描述大孔隙流的垂直流动( b e v e nk g e r m a u np ，1 9 8 2 ) 。j u r y 等 先后采用随机传递函数模型估算土壤非均匀性对土壤溶质运移的影响( j u r yw a ，1 9 8 2 ； j u r y w a 。l hs t o l z y , ps h o u s e ，1 9 8 2 ；u r y w a ，g s p o s i t o ，1 9 8 6 ；b u t t e r s gl w a j u r y ， 1 9 8 9 ) 。 中国地质科学院博士学位论文 二、包气带水分动态模拟研究综述 包气带水分动态模拟是地下水资源评价、污染预测、农业灌溉等众多研究领域所关 注的一个重要课题。包气带水分运动所遵循的基本规律是达西定律和质量守恒原理。因 此对于包气带水分的动态模拟人们通常将两者结合得出包气带水分运动基本方程 ( r i c h a r & 方程) 来研究包气带水分的运动，对基本方程的理解，本质上是对非饱和水 分运动所服从的达西定律和质量守恒的理解：但在实际应用中，有时可以不使用基本 方程而直接应用达西定律和质量守恒原理分析和解决问题，即土壤水分通量法。这里主 要就这两种方法进行综述。 ( 1 ) 利用土壤水分运动基本方程( r i c h a r d s 方程) 模拟包气带水分动态 1 9 3 1 年r i c h a r d s 将达西定律引入到非饱和土壤水分运动领域，导出了非饱和流动 方程( 张蔚榛，1 9 9 6 ；雷志栋等，1 9 9 9 ) 0 0 0 t = v k ( 0 ) v w 】 式中，口为土壤含水率；p 为土水势；k 为非饱和导水率；v 为密哈顿算子。 基本方程的一维、二维、三维以及在柱坐标、球坐标的表达式均可导出( 雷志栋。 杨诗秀，谢森传，1 9 8 8 ) ，基本方程还可随需要改写成以基质势，含水量日，位置坐标 ( x 或z ) 或参变量( u 或v ) 为因变量的表达式。 基本方程模拟包气带水分运动的最大问题在于其参数的不确定性问题和方程求解 的高阶、非线性化问题( z y u b h u ，2 0 0 3 ) 。 对于包气带水动力学参数，已有的测定、计算方法己很多( 雷志栋，杨诗秀，谢森传， 1 9 8 8 ) ，但基本都没有考虑其实际应用中的空间变异性问题。如果进行实测虽然能够获 得足够准确且具代表性的水动力学参数，但缺乏实际操作性，主要是直接测试耗时、昂 贵且推求导水特性的不确定性限制了它们的实际应用( z y i l ，b h u ，2 0 0 3 ；陈洪松，邵 明安，2 0 0 2 ) 。因此，近年来许多研究者试图利用间接方法来推求非饱和土壤水分运动 参数，将土壤导水特性和一些较容易测定的土壤物理特性联系起来，如土壤颗粒( 孔隙) 大小分布、容重以及有机质含量等( 陈洪松，邵明安，2 0 0 2 ) 。目前间接推求包气带水分 运动参数的方法主要有( 陈洪松。邵明安，2 0 0 2 ) ：基于土壤孔隙大小分布模型的方法 ( m u a l e m y ，1 9 7 6 ；s c h a a pm gl e i jfj ，2 0 0 0 ) 、基于土壤水分再分布过程的方法( 任 理，1 9 8 9 ；邵明安，1 9 8 5 ) 、土壤传递函数法( p e d o t r a n s f e rf u n c t i o n s ，p t f s ) ( a s s o u l i n es 。 第一章绪论 t e s s i e r d ，b r u a n d a ，1 9 9 8 ；s c h a a p m g b o u t e n ，1 9 9 6 ：p a c h e p s k y y 凡t u n l i n d ，v a r a l l y a y g ，1 9 9 6 ：李保国等，2 0 0 0 ) 。在上述方法中，基于土壤孔隙大小分布模型的方法在广 泛应用，但依然需要测定土壤水分特征曲线，并确定其模型参数；基于土壤水分再分布 过程的方法，有简单易行、精度高的优点，但不能很好解决确定湿润锋位置以及测定其 湿度的问题，因而主要适用于室内测定土壤水分运动参数，难以在田间推广应用；土壤 传递函数法由于所用资料( 如颗粒大小分布、容重以及有机质含量等) 相对容易获取， 因而得到了一定的应用，但其精度还有待于进一步提高( 陈洪松，邵明安，2 0 0 2 ) 目前， 利用间接方法推求非饱和土壤水分运动参数的方法在不断发展和完善当中。今后，如何 在田间进行间接推求土壤水分运动参数以及如何解决其空间变异性等问题还需要进一 步深入研究。 由于描述包气带水分运动基本方程的复杂性( 非线性、高阶偏微分方程) ，解析求 解十分困难，即使是最简单的定解条件，还需要在各种简化条件下运用较复杂的数学推 导求解，如已知的在简单情况下建立起的准( 半) 解析解或简单解( p b i n i p1 9 6 9 ；p a r l a n g e 1 9 7 2 ；b r o a d b r i d g e 和w h i t e1 9 8 8 ：w a r r i c k 等，1 9 9 1 ) 求解基于以下假设( ksh a r i p r a s a d ，msm o h a nk u m a r ，ms e k h a r ，2 0 0 1 ) ：( 1 ) 土壤均质：( 2 ) 整个土壤剖 面具有相同的初始含水量；( 3 ) 土壤表层的水量是常量并接近饱和或降雨( 或灌溉) 强 度是常量但在实际应用中，土壤几乎不可能是均质的，初始水分含量分布也难达到均 一。在大多数野外场地，降雨或灌溉期间，土壤表层也很少能够达到饱和。因此，准( 半) 解析解或简单解的使用具有很大局限性，而想通过构建基本方程合理解析解来模拟包气 带水分动态目前还难以实现，这为土壤水定量研究带来很大的困难。但随着计算机的普 及以及计算技术的发展，各种相当复杂的实际问题均可通过数学模拟方法定量求解。求 解非饱和土壤水流的数值方法主要为有限差分法( f d m ) 和有限单元法( f e m ) 。国内 已由此发展了很多计算技术，例如：任理( 1 9 9 0 ) 把有限解析法( f a m ) 引入求解非饱 和流问题；朱学愚、谢春红( 1 9 9 4 ) 发展了非饱和流动问题的s u p g 有限元数值法；由 于溶质运移中对流项在数值计算中容易产生数值弥散问题，左强、冯绍元等( 1 9 9 3 ) 采 用了特征有限元法( c f e 法) ，二阶迎风隐式差分法( q u d 法) ，改进交替方向有限元 法等，较有效地处理了数值弥散或振荡，等等。国外同样有一些学者( t o c c im dk e l l y c t ，m i l l e rc t ，1 9 9 7 ：m i l l e r , c t ，w i l l i a m sg a ，k e l l y , c t ，t 0 c c i ，m d1 9 9 8 ：x i a o x i a n z h a n g , a g l y nb e n g o u g h , j o h nw c r a w f o r d ，e ta l ，2 0 0 2 ) 在为非饱和水流数值解的求取 做着大量研究。 中国地质科学院博士学位论文 近年来，利用r i c h a r d s 方程来进行土壤水分的动态模拟也取得了一些进展。如， c j i o r g i oc n s s i a n i 和a n d r e wb i n l e y ( 2 0 0 5 ) 在准稳定条件下利用地球物理信息约束 ( g e o p h y s i c a ld a t ac o n s t r a i n t s ) 模拟了层状结构下的非饱和流，是包气带水分动态模拟研 究中一个新的尝试。m k o m p a n i z a r e 等( 2 0 0 5 ) 利用线性化r i c h a r d s 方程研究了从水 平渠道渗漏的三维非饱和流的运移，对渠道渗漏及对地下水的补给过程给出了动态模 拟，对渠道渗漏认知及实际应用具有一定的帮助。但研究中采用的线性化r i c h a r d s 方程 实际是r i c h a r d s 方程的一种简化形式，理论上讲并不能代表p d c h a r d s 方程对包气带水分 动态进行模拟，因而在理论上存在一定缺陷。在国内，近几年国内包气带水分动态模拟 研究成果众多，如，李道西等( 2 0 0 4 ) 基于土壤水动力学原理，建立了针对地下滴灌( s d i ) 具体条件下土壤水分运动的数学模型，对建立的特定模型进行了a d i 交替隐式差分求 解，模拟计算结果得到了室内试验的验证；刘增进，柴红敏和徐建新( 2 0 0 4 ) 在考虑冬 小麦根系吸水的影响的条件下对冬小麦土壤水分运动进行了数值计算研究；池宝亮等 ( 2 0 0 5 ) 依据非饱和土壤水动力学理论，借助计算机数值模拟方法，应用h y d r u s 软件 开展了点源地下滴灌土壤水分运动数值模拟及验证研究；马娟娟，孙西欢和李占斌 ( 2 0 0 6 ) 根据土壤水动力学的基本理论，在推导出坑水位变化与坑壁变水头入渗关系的 数学表达式的基础上，建立了蓄水坑灌单坑变水头入渗及土壤水分运动的数学模型。采 用a d i 交替方向隐式差分格式将土壤水分运动方程离散，用g a u e s s s e i d e l 迭代算法求 解非线性差分方程，实现了单坑变水头条件下的土壤水分运动的数值模拟，实验验证表 明，数值计算结果与实测值有着较好的一致性。 总之，包气带水分运动基本方程( r i c h a r d s 方程) 模拟包气带水分动态理论明确、 思路清晰，因而为众多学者所认可但r i c h a r d s 方程所需参数的实测繁琐、空间变异 性问题，以及方程求解困难等都已成为阻碍r i c h a r d s 方程在实际中应用的障碍，目前， 尽管有学者在尝试进行田间非饱和土壤水分运动的数值模拟研究( 彭建萍，邵爱军，段生 贵，1 9 9 5 ) ，但r i c h a r d s 方程研究及应用还主要在实验室内，离野外实际应用尚有差距。 未来r i c h a r d s 方程模拟包气带水分动态的研究仍然须以参数的滞后问题、参数的空间 变异性问题和方程的求解问题为主要目标。 ( 2 ) 利用土壤水分通量法模拟包气带水分动态 土壤水分通量法是利用田间实测的土壤含水率和实测的土壤水势的结果进行田间 土壤水量平衡分析的一种方法( 雷志栋，杨诗秀，谢森传，1 9 8 8 ) 。早在2 0 世纪五十年代 l r i c h a r d s 等人就进行过土壤含水率和水势的田间测定，用以分析土壤水分通量的变化 第一章绪论 和推求土壤非饱和导水率。但在很长时间内因受测量土壤剖面含水量分布和土壤水势分 布的技术限制，使该方法的前期研究和应用受到限制，直到7 0 年英、法、美等国研制 出便携式液晶显示的中子仪以及较可靠的实用的负压计，为较精确地测量土壤剖面含水 量分布和土壤水势分布提供了先进手段( 荆恩春等，1 9 9 4 ) 。1 9 8 0 年英国水文学者j d c o o p e r 在点绘林地土壤总水势的剖面时，发现总水势随着深度变化时出现一个拐点，这 个拐点的总水势梯度为零，这一拐点的出现，大大方便了计算土壤水通量。他根据总水 势在某一深度出现的这种现象，证实了零通量这一概念( 逢春浩，1 9 9 0 ) ，零通量面的 证实在土壤水分通量法研究中具有里程碑式的意义。英国水文所、英国农业研究协会等 部门先后运用零通量面方法研究非饱和带水均衡问题，进行了理论探讨和观测手段的更 新，使零通量面方法的基础理论研究和应用研究取得了引人瞩目的进展。 但在零通量面方法的试验研究中发现，零通量面并不是任何时刻都存在，单纯的入 渗剖面或单纯的蒸发剖面经常会出现。零通量不存在时，若能计算或测量某一断面的土 壤水分通量作为已知通量面，则可使用表面通量法和定位通量法计算入渗量或蒸发量。 表面通量法是以地表处的入渗量或蒸发量作为己知条件，入渗量可实测或用经验公 式计算，地表蒸发蒸腾一般利用气象资料由p e n m a n 公式或其他经验公式估算。但表面 通量法( 气象法) 不仅观测项目繁多，计算过程复杂，而且估算结果可靠性差，其误差 一般不小于2 0 - 5 0 ( 张光辉等，1 9 9 2 ) 。 定位通量法则是在土壤剖面中选定一个合适的位置，上下安装两支负压计用以检测 这两点的基质势毕，同时用其他方法测得该处土壤的非饱和导水率和基质势的关系 取毕，卅) ，则由达西定律可得到定位点z 处的水分通量，借助该处计算出的已知通量便可 推算出其他位置的土壤水分通量。该方法的难点在于准确地测定k ( 毕么) 张光辉( 1 9 9 2 ) 在野外和室内实验的分析中提出了剖面水量差法和公式逆推法，这 两种方法不仅继承了零通量面部需要测定渗透系数等参数的优越性，而且，用其代替气 象法弥补了零通量面法的局限性，既能提高零通量面法的局限性、提高零通量面法( 广 义) 测算精度和可靠性，又能减少气象观测及计算工作量，节省有关气象观测方面的费 用支出，具有一定的实用价值但上述方法也仅是建立在试验经验上的近似拟合方法， 没有明确的物理解释。 邱景唐( 1 9 9 2 ) 通过对零通量面的类型及其发生、迁移和消失的规律进行了综合分 析研究，认为零通量面法在地下水深埋区较浅埋区有较好的适应性，是研究土壤蒸散发 和潜水入渗补给的有效方法，它可启示土壤水的内涵变化，从水量、入渗锋面、能量大 中国地质科学院博士学位论文 小、矢量方向等方面认识土壤水的变化机理。 1 9 9 4 年荆恩春在大量系统地室内物理模拟实验和野外现场试验的工作基础上，对土 壤水分通量法进行了系统总结，出版了专著土壤水分通量法实验研究。是国内外有 关通量法研究最为详细的一部专著，代表了我国土壤水分通量法试验研究的最高水平。 在运用零通量面法进行包气带水分均衡研究时，准确地确定土壤水势零通量面的埋 深对于确保零通量面法计算精度至关重要。目前，人们在利用有限测点的土水势值，凭 人的主观判断，大致给出土水势( p ) 随埋深( z ) 连续变化的“光滑”水势剖面图， 以估算出零通量面的埋深。这种方法带有一定的随意性，常常具有较大的误差。陈庆秋 和薛星梅( 1 9 9 6 ) 提出了土壤水势零通量面埋深的样条函数确定法，试验检验具有合理 性。 近年文献整理发现，关于包气带水分通量法的文章较多，但主要集中在应用方面， 如x z h o u ( 周训) 等( 2 0 0 4 ) 应用零通量法对于中国西北额济纳干旱绿洲包气带水分 与水势发育等进行了分析；t a b u a d gm a 等( 1 9 9 5 ) 、o o n c a l v e s 等( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 和j c f o n t e s 等( 2 0 0 4 ) 将零通量面法与内排水法( i n t e r n a ld r a i n a g e ) 结合来获取h ( h ) 和服 ) 曲线。r r a g a b 、j f i n c h 和r h a r d i n g ( 1 9 9 7 ) 以零通量面法的计算结果作为标准来检 验p e n m a n - g r i n d l e y 模型、m o r e c s 模型和f r l m 模型预测地下水补给量的效果。r r o m an 、r c a b a j l e r o 和a b u s t o s ( 1 9 9 9 ) 在西班牙中部使用零通量面水均衡方程来 研究传统灌溉计划( s c h e d u l e s ) 与改良后灌溉计划后的农田排水量。2 0 0 5 年a l b h u r t a d o 和q d ej o n gv a i ll i e r 利用瞬时剖面法在田问测定k 来验证由于孔隙传导率对 孔隙半径敏感而有r q ) 变异性小于甄印的假设。2 0 0 6 年李茜等和胡安焱等应用土壤水 分零通量面的原理方法进行了蒸发蒸腾量进行了研究。 总之，土壤水分通量法概念清楚，方法合理，结果准确可靠，不需测定非饱和导水 率等参数，是适合测算浅层地下水入渗补给量与蒸发量的一种先进方法，已经在地质、 地理、水利及农业部门中广泛应用。 但该方法也存在一些需要解决的问题，首先是零通量面消失期的包气带水分模拟问 题，己出现的替代方法都有其各自缺点，如表面通量法计算精度低问题，定位通量 法涉及到足的测定问题，经验法公式不固定，不具普遍性问题。 其次是零通量面位于根系区时的模拟问题。零通量面法最大的特点就是借助于零通 量面处水势梯度为零这一条件，但穿越零通量面的植物根系明显从零通量面以下土壤中 吸取水分，实际上已破坏了零通量面处水势梯度为零这一现象。 第一章绪论 再次是深厚包气带土壤剖面水分与水势的监测问题。自然界中包气带厚度可以从不 到l m 延伸到上百m ，因此应用通量法研究深厚包气带，深部剖面土壤含水量和水势的 监测是一个重大难题。这其中涉及到深部剖面监测仪器安装问题、仪器精度问题、负压 计系统量程超界问题、仪器测深部含水量随机误差剔出问题，等等。 最后就是应用包气带水分通量法模拟包气带水分动态的野外试验过程中过分依赖 人力问题。在土壤剖面上安装的负压计系统和含水量测定仪器需要长时间、频繁、不间 断观测，这无疑需要配备经过专门训练的观测人员，因此，该方法在实际操中存在人力 资源投入太大的问题。目前也有学者研制开发出自记式负压计，可以自动观测记录数据， 并保存于存储芯片中，工作人员只需定期利用计算机采集数据即可。但该仪器尚处于试 验阶段，存在许多问题，诸如在野外地下环境中电池易发生漏电现象从而造成数据丢失， 以及数据采集软件本身存在的b u g 导致数值异常等不确定因素，还需要不断改进。因此， 鉴于以上问题的存在，包气带水分通量法仍需不断完善。 不论是r i c h a r d s 方程还是水分通量面法，在实际应用过程中通常忽略掉温度势、溶 质势，但研究表明( 万力等2 0 0 4 ) ，在西北干旱半干早地区等温差较大的地区，包气 带中温度变化对水分分布具有重要影响因此，未来的包气带水分模拟研究应对包括温 度势、溶质势在内的水分运动驱动力进行全面考虑。 三、包气带深层渗漏研究综述 渗漏量的概念最初出现在农田水利学中，土壤物理学家引入该概念来指导合理的灌 溉，后来发展到对土壤养分渗漏的研究。包气带深层渗漏量的研究不仅对于农业、生态 具有重要意义，对地下水的资源评价也具有重要价值。 经过多年的研究，包气带深层渗漏评价己发展出许多方法。如，渗漏计法( 1 y s i m e t e r s ) ( m e i s s n e re ta 1 1 9 9 5 ；y l a r a n t ae ta 1 1 9 9 6 ；u 1 6 n1 9 9 9 ；m i l l 钉e ta 1 2 0 0 0 ) 、地下鼠道式排 水沟法( s u b - s u r f a c em o l ed r a i n s ) ( b r o n s w i j ke ta 1 1 9 9 5 ；h a r r i sa n dc a r t1 9 9 9 ；c a t te ta 1 2 0 0 0 ) 、水平衡法( w a t e r b a l a n c e ) ( b r o n s w i j k e ta 1 1 9 9 5 ) 和氯化物守恒模型法( c h l o r i d e m a s sb a l a n c em o d e l s ) ( t y n e re ta 1 2 0 0 0 ) 和零通量面法( a r y ae ta 1 1 9 7 5 a , w e l l i n g s1 9 8 4 ) 地中渗透仪( 测渗计) 是一个由横截面面积i m 2 或更大的土柱组成的原位测试装置， 利用现代测渗计连续测定降水进入土柱的通道、1 - 2 m 深度的渗出量和重量( k i n z e l b a c h 等，2 0 0 2 ) 。m e i s s u e r 等( 1 9 9 5 ) 在使用渗漏计研究包气带渗漏问题时，不但准确地估 中国地质科学院博士学位论文 算到深层渗漏量而且还可用来估算优先流效果。渗漏计法具有很好的精度已获得广泛认 可，一些学者已用该方法解决实际问题。如王小治等( 2 0 0 5 ) 应用大型原状土柱渗漏液 采集器( m o n o l i t hl y s i m e t e ) 开展了麦季施用不同尿素的氮排水和渗漏损失研究。虽然渗漏 计具有较好的精度，但渗漏计的安装实际上破坏了包气带的原始状态，它阻断了包气带 在垂向上的连通性，因此渗漏计预测包气带深层渗漏量在应用理念上还存在问题。而且 渗漏计法既费人力，安装起来也比较昂贵，难以推广。 氯是指示蒸发过程