浅层地下水垂向补给时空变异及其发生机制

The North-China Plain has become the largest depression area in the world due to years of groundwater overexploitation, whose aggravating land subsidence and groundwater depletion urges for a clear understanding on vertical recharge of shallow groundwater and rational allocation of regional water resources. Preliminary experimental analysis indicates that variations of shallow groundwater recharge might be caused by climate, vadose zone structure, and anthropogenic factors, but its mechanism remains yet to be known. This study aims to carry out shallow groundwater recharge measurement experiment along the piedmont-middle-littoral plain area in the Ziya River basin of the North-China plain. On the basis of existing 30m-deep piedmont section, 15m- deep middle plain section and 5m-deep littoral plain section, real-time monitoring of soil and water potential, moisture content, evapotranspiration, groundwater level, etc. will be performed so as to accurately define the transfer and formation mechanism of saturated -unsaturated moisture and energy, delineate spatial variations of large-scale vertical recharge by dint of surface distribution of tracer experiment, equilibrium test, remote-sensing and spatial analysis techniques, conduct scale effect research on hydraulic parameters by using structural model of vadose zone, analyze the temporal and spatial variation mechanism of groundwater recharge in different scales by considering climate changes and irrigation time sequence, as well as construct the vertical recharge model. This project pioneers the researches on the regional groundwater circulation in various conditions, will make great contribution scientifically and socially to rationally deploying water resource and maintaining its sustainability.

多年的地下水超采，华北平原已经成为世界上最大的“漏斗区”。地下水资源衰竭、地面沉降加剧，迫切要求摸清浅层地下水垂向补给的显著差异。初步试验分析表明：气候、包气带结构和人为因素均可能造成浅层垂向补给差异，但形成机理尚不清楚。本项目拟在华北平原典型区子牙河流域的山前-中部-滨海平原，开展浅层地下水补给量测定实验。利用已有山前30m、中部15m和滨海5m的典型监测剖面，原位时时监测土壤水势、含水量、蒸发蒸腾、地下水位等要素，精细刻画典型点上饱和-非饱和水分交换；运用流域面上示踪、水均衡实验以及遥感技术和空间分析技术，描述大尺度下垂向补给空间差异；结合包气带结构模型进行参数尺度效应研究，根据气候变化和典型灌溉时间序列，挖掘不同尺度下的地下水补给时空变异形成机制，建立流域地下水垂向补给模型。本研究将开拓多变环境下区域地下水水循环研究的新方向，对区域水资源调配和可持续利用具有重要科学价值和社会意义。

多年的地下水超采，华北平原已经成为世界上最大的“漏斗区”。地下水资源衰竭、地面沉降加剧，迫切要求摸清浅层地下水垂向补给的显著差异。气候、包气带结构和人为因素均可能造成浅层垂向补给差异，而岩土结构是本质属性。项目在华北平原典型区子牙河流域的山前-中部-滨海平原，以及兰考盆地区，开展浅层岩土结构和地下水水力参数的相关性和空间变异研究。利用已有山前30m、中部15m和滨海5m的典型监测剖面，原位时时监测土壤水势、含水量、蒸发蒸腾、地下水位等要素，精细刻画典型点上饱和-非饱和水分交换；从介质本身属性特征——土壤粒径分布（PSD）的分形维变异特征角度入手，研究了水分时空分布规律的发生机理，使土壤基本性与流场性质发生科学关联。根据华北和兰考典型盆地的山前、中部和东部滨海的不同深度土壤分形维计算研究表明：地统计学计算基台值C0+C大小表现出衡水>河间>大城>滨海新区，则其衡水地区的空间变异程度最强，滨海新区的空间变异程度最弱。块金系数均接近于0，表现出极强的空间相关性，表明同一地区土壤水力性质的分形特征空间相关性较弱。对子牙河流域在同一深度范围内流域上的土壤水力性质的分形特征表现出中等的空间变异性，且变异系数随着深度的增加而逐渐增大，由此可证明随着深度的增加子牙河流域的空间变异性增强，易受土壤质地变异及随机性因素的影响。基台值C0+C表现为90cm处最大，则土壤水力性质的分形特征在90cm处空间变异性最强，且同一深度子牙河流域土壤水力性质的分形特征不存在空间相关性。与兰考土壤结构与水力性质相关分析结果一致：同一地区土壤水力性质的分形特征空间相关性较弱。随滞后距间隔逐渐增大，土壤结构分形特征空间变异越来越弱，在0-0.4m内空间变异性尤为明显，这是由于灌溉方式、农作物栽培等外部人为扰动的影响从而引起土壤结构的变异。本研究将开拓多变环境下区域地下水水循环研究的新方向，对区域水资源调配和可持续利用具有重要科学价值和社会意义。.