區域地下水演化與評價理論方法 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

簡體網頁||繁體網頁

☆☆☆☆☆

張光輝，費宇紅，聶振龍 等 著

圖書標籤:

• 地下水
• 區域水文
• 水資源
• 演化
• 評價
• 理論
• 方法
• 水文地質
• 環境科學
• 水動力學

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030406538

版次：1

商品編碼：11494380

包裝：精裝

開本：16開

齣版時間：2014-06-01

用紙：膠版紙

頁數：644

字數：954000

正文語種：中文

內容簡介

區域地下水演化與評價理論方法從非飽和水運移與水勢理論、區域地下水演化與水循環理論和地下水異變機製與可持續性評價理論三個方麵，凝練與集成張光輝科研團隊在1983～2013年期間，曆經30年應用基礎研究的成果，包括包氣帶水分運移、重金屬在包氣帶行為、降水地錶水土壤水地下水“四水”轉化、土壤鹽分分布特徵與地下水關係、區域地下水循環演化及其環境異變規律、層圈間水循環過程與地下水演變周期性、大厚度包氣帶條件下潛水入滲補給量形成、深層地下水補給與釋水、西北地區流域尺度水循環演化與調控閾、人工地下調蓄與外域調水對地下水修復潛力、地下水異變機製及其持續性評價理論以及不同時期對21世紀中國水問題與方略的看法。

內頁插圖

目錄

序言
第一篇 非飽和水運移與水勢理論
第一章 非飽和水運移與土壤水勢 3
第一節 零通量麵理論與應用 3
第二節 “三水”轉化水勢標示特徵 6
第三節 包氣帶性狀對入滲性影響 23
第四節 溫度對包氣帶水運移影響 31
第五節 土壤水動力狀態標示特徵應用與機理 40
小結 45
參考文獻 46
第二章 水文地質學與“四水”轉化研究 50
第一節 水文地質學形成與演進 50
第二節 “四水”轉化定量關係與機製 52
第三節 二元水循環中“四水”轉化特徵 62
第四節 潛水入滲補給量形成規律與監測方法 71
第五節 應用ZFP法計算淺層地下水補給量問題 82
第六節 原位實測潛水蒸發極限深度與給水度測定新方法 94
小結 103
參考文獻 104
第三章 重金屬在包氣帶中行為特徵與控製 107
第一節 鎘在包氣帶中行為特徵及主要影響因素 107
第二節 鎘的形態變化特徵及影響因素 126
第三節 鎘在土壤中遷移與轉化模式特徵 130
第四節 鎘在土壤中遷移與轉化控製作用 136
第五節 鎘生態環境危害效應與影響因素 154
第六節 減輕和控製重金屬生環危害對策 160
小結 164
參考文獻 165
第四章 環渤海平原土壤鹽化與地下水關係 168
第一節 研究背景 168
第二節 土壤鹽分與鹽漬化分布特徵 171
第三節 土壤鹽分剖麵不同聚型及其水動力學特徵 192
第四節 土壤鹽漬化成因機製與主要影響特徵 206
第五節 土壤積鹽特徵與地下水關係 210
第六節 土壤鹽分情勢界定與鹽漬化防治對策 218
小結 224
參考文獻 225
第二篇 區域地下水演化與水循環理論
第五章 中國地下水演化研究起源與理論 231
第一節 區域地下水演化研究屬性與進展 231
第二節 中國區域地下水演化研究起源與進展 239
第三節 中國大陸水循環演化理論與意義 246
第四節 中國北方淺部地下水同位素分層特徵與意義 252
第五節 區域水循環演化信息熵特徵 262
第六節 地下水形成與區域水循環演化關係 267
小結 276
參考文獻 276
第六章 全新世以來華北平原地下水演化規律 280
第一節 華北平原地下水演化地史特徵 280
第二節 華北平原地下水演變周期性 303
第三節 華北平原地下水演化區位特徵 309
第四節 300年來太行山前平原地下水補給演化特徵 315
第五節 近 60年以來區域地下水演變時代特徵 321
第六節 華北東部平原深層水補給特徵與釋水機製 331
小結 338
參考文獻 339
第七章 西北典型流域水循環演化特徵與調控閾 343
第一節 流域水循環與演化特徵 343
第二節 流域地下水循環演化與水化學特徵 355
第三節 流域水循環與地下水演化同位素特徵 364
第四節 流域水循環過程與演化機製 367
第五節 平原區地下水溫度變化特徵與意義 378
第六節 下遊區生態脆弱特徵與調控閾 383
小結 392
參考文獻 394
第八章 區域地下水調蓄條件與潛力 397
第一節 基本理念與調蓄原理 397
第二節 太行山前平原地下調蓄條件 399
第三節 不同條件下地下調蓄功能特徵 404
第四節 華北主要河道帶地下調蓄潛力 414
第五節 華北東南平原區地下調蓄潛力 420
第六節 淺層水超采區地下調蓄效應 421
小結 427
參考文獻 427
第三篇 地下水異變機製與可持續性評價理論
第九章 區域地下水超采因緣與效應 431
第一節 華北平原水資源緊缺情勢與因緣 431
第二節 滹沱河流域平原區地下水流場異變與動因 444
第三節 人類活動對華北白洋澱流域徑流影響特徵 449
第四節 深層水漏鬥區開采量組成變化特徵與機製 455
第五節 華北東部平原地麵沉降特徵與機製 463
第六節 人類活動對區域地下水劣變影響程度 466
小結 474
參考文獻 475
第十章 地下水脆弱性與華北平原特徵 479
第一節 地下水脆弱性理論與評價方法 479
第二節 地下水脆弱性評價應用實例 489
第三節 人類活動對地下水脆弱性影響特徵 504
第四節 地下水脆弱性綜閤特徵 507
第五節 華北平原地下水脆弱性特徵 511
第六節 華北山前丘陵區地下水賦存非均一與易疏乾性 515
小結 521
參考文獻 521
第十一章 區域地下水變化與灌溉農業關係 524
第一節 灌溉農業布局與用水強度變化特徵 524
第二節 華北農灌用水與地下水承載力適應性狀況 542
第三節 區域地下水超采與灌溉作物布局關係 547
第四節 河北糧食持續增産與地下水關係 556
第五節 農業開采與降水互動耦閤對地下水影響特徵 562
第六節 區域地下水質變與化肥農藥施用影響 570
小結 574
參考文獻 575
第十二章 區域地下水功能及可持續利用性評價理論方法 578
第一節 地下水可持續開采量與地下水功能關係 578
第二節 地下水功能可持續利用性評價理論方法 583
第三節 地下水功能評價體係屬性層組成與意義 589
第四節 地下水功能評價中數據提取與處理技術 592
第五節 地下水功能評價GFS係統及功能 595
第六節 華北平原地下水功能分布與區劃特徵 601
小結 610
參考文獻 611
第四篇 21世紀中國水問題與方略
參考文獻 627

精彩書摘

第一篇非飽和水運移與水勢理論
本篇共計四章，分彆為非飽和水運移與土壤水勢、水文地質學與“四水”轉化研究、重金屬在包氣帶中行為特徵與控製和環渤海平原土壤鹽化與地下水關係，重點闡述潛水麵以上的包氣帶水分、溶質和鹽分時空變化規律和非飽和水動力學特徵、土壤水動力狀態標示特徵、降水地錶水包氣帶水地下水“四水”轉化規律、大厚度包氣帶中監測入滲補給量方法和應用零通量麵（zero flux plAne,ZFP）法計算淺層地下水補給量問題，深入剖析毒性金屬在包氣帶中行為特徵及其與土壤水分非飽和程度關係。最後，針對華北平原中、東部微鹹地下水閤理利用麵臨的問題，給齣土壤鹽分與鹽漬化程度空間格局、土壤鹽分不同聚型及其水動力學特徵和它們與地下水之間關係。第一章非飽和水運移與土壤水勢第一章非飽和水運移與土壤水勢第一節零通量麵理論與應用零通量麵方法自1982年引入我國以來，促進瞭我國土壤水分運移規律和降水與灌溉水入滲補給地下水機理的深入研究。自21世紀以來，水勢理論被引入地下水數值模擬中，促進瞭解決水鹽運移數值模擬和入滲模型有關水文地質參數難題。
一、 ZFP法原理與20世紀80年代應用特徵
水勢理念由國際土壤學會於1963年提齣（TAylor,1983A,1983b）。20世紀70年代，英國水文學者Cooper(1980)在繪製林地土壤總水勢分布剖麵時發現，總水勢梯度（IusA）存在比較穩定的零拐點，且具有區域一緻性分布特點。包氣帶剖麵中，水勢能梯度為零值的點稱為零通量點。由同一區域、不同剖麵的零通量點組成的麵，稱為零通量麵。根據零通量麵位置及其上、下土壤層水勢梯度指嚮，能夠確定土壤水分變化量的去嚮，進而提高研判包氣帶水鹽運移去嚮和降水入滲補給地下水狀況。
ZFP方法（zero flux plAne,ZFP）是建立於能量守恒和質量守恒理論基礎上的，由“達西定律”和“水流連續性方程”聯立構建式（1��1），有q=K(θ)�功咋筞=0（當IusA=�功咋筞=0時）（1��1）式中，q為非飽和狀態下單位麵積的水分通量，m/d；K(θ)為土壤非飽和滲透係數，其大小與包氣帶含水量狀況相關，m/d；�功咋筞或IusA為總水勢梯度，cmH2O/cm非飽和帶水勢能的單位。或mmHg/cm。
IusA和q分彆由負壓計（又稱張力計）和中子水分儀或其他儀器實測的土壤水勢、含水量資料計算獲得，無需求取不易準確獲得的K(θ)參數，所以，應降低因K(θ)取值不確定帶來的問題。
在獲得土壤水勢和土壤含水量資料基礎上，利用式（1��1）原理，可以分彆確定某時段ZFP之上或之下的土壤水分變化量去嚮。當IusA指嚮地錶，錶明土壤水分變化量運移嚮地錶，進入大氣中；當IusA指嚮地下水麵，錶明土壤水分變化量運移嚮地下水，或已補給進入地下水中。
當根據某時段土壤水勢和土壤含水量監測資料確定ZFP位置和土壤剖麵含水變化量之後，就可以確定土壤水分蒸發量、地下水入滲補給量或潛水蒸發量。如果ZFP為發散型，即ZFP之上土壤總水勢梯度指嚮地錶，ZFP之下土壤總水勢梯度指嚮地下水麵，則ZFP之上的土壤剖麵水分變化量為該時段的土壤水蒸發量，ZFP之下的土壤剖麵水分變化量為該時段包氣帶水入滲對地下水補給量。
ZFP方法適用於岩土顆粒較細（中粗砂以下）第四紀鬆散沉積地層、潛水位埋深大於蒸發影響極限深度的地區。一般難以應用基岩山區和以卵礫石為主的鬆散地層分布區，這些地區ZFP存在條件欠缺，或雖ZFP存在，但監測十分睏難。在適用ZFP方法的地區，ZFP也不是永續存在或穩定不變的，其存在與降水（或灌溉）入滲和蒸發條件密切相關。較充分灌溉或較大降水，都會導緻ZFP消失。在我國北方地區，除瞭較大降水或充分供水灌溉期間，大部分時段ZFP是存在的。一般是取用年內最深的ZFP作為確定入滲補給量和蒸發量的分界綫，然後應用土壤水勢理論計算降水或灌溉入滲補給地下水量和土壤水蒸發消耗量，或根據土壤剖麵某段的水勢和含水量變化監測資料求算非飽和條件下K參數，這期間與ZFP存在與否沒有關係，隻需確定被研究的土壤剖麵段的總水勢梯度方嚮是一緻的，即土壤水完全嚮上運移，或完全嚮下運移。
20世紀80年代初，如何剋服水文地質參數不確定性，進一步認識大氣降水、土壤水、地錶水和地下水“四水”轉化過程，以及提高地下水補給量評價精度問題受到重視。此時，ZFP方法被引入，基於國傢“六五”科技攻關項目第38項子課題“華北地區地下水補給量及其時空變化規律研究”，先後在河北省石傢莊、南宮縣和南皮縣建立瞭實驗研究基地和野外原位試驗場，對ZFP方法開展瞭係統性應用研究。隨後，河南鄭州、商丘，山東禹城，遼寜瀋陽，陝西西安，甘肅張掖，新疆昌吉和四川成都等地陸續建立瞭與ZFP方法有關的地下水均衡試驗場（站），全麵展開瞭ZFP的應用實驗研究，為後來的我國地下水循環演化和新一輪地下水資源調查評價奠定瞭堅實基礎。
本書作者於1988年在《水文地質工程地質》上發錶的“試論在我國北方應用零通量麵方法計算地下水補給量問題”，比較全麵地闡述瞭當時ZFP方法應用的局限性和彌補方法，並於1992年在《水利學報》上闡述瞭“零通量麵方法的改進”，促進瞭ZFP方法在我國“四水”轉化研究中更好的應用。同期，原地質礦産部水文地質工程地質研究所研發的WM型負壓計，及時地提供瞭ZFP方法應用的關鍵技術支撐。清華大學的謝森傳等（1988）在零通量麵方法研究基礎上，提齣定位能量法。這一時期，ZFP方法主要應用於包氣帶水分入滲補給量與蒸發量確定研究。
二、 20世紀90年代水勢理論應用特徵
在ZFP方法不斷深入應用中，張光輝等（1991A,1991b）發現在降水或灌溉入滲過程中，總水勢梯度具有如下特徵：當被監測土層含水量處於增加狀態（土壤吸水階段），隨著土壤含水量不斷增大，總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，且逐漸降低。當充分供水入滲、被監測土層含水量趨近於飽和狀態時，即流入、流齣被監測土層的水量相等（土壤過水階段），總水勢梯度趨近於1��0cmH2O/cm或等於1��0cmH2O/cm。當被監測土層含水量處於減少狀態（土壤脫水階段），總水勢梯度小於1��0cmH2O/cm。
20世紀90年代，我國北方乾旱氣候頻發，農業灌溉節水問題受到高度重視，80年代的許多ZFP方法研究成果被推廣到指導農業灌溉節水關鍵技術研究中。因為式（1��1）中IusA錶徵土壤水動力狀態，它的變化與入滲供水量（或灌溉水量）和土壤含水量狀況密切相關，所以，利用IusA監測結果可以瞭解農田水分虧缺程度和是否需要灌溉，以及掌控已灌溉的程度。即當土壤層的上部含水量遠低於其下部含水量時，上部水勢的絕對值（或觀測值）必然遠大於下部水勢的絕對值（或觀測值），由此呈現IusA�� 0cmH2O/cm情況，它錶明自地錶至土壤層下部土壤中，水分因蒸發蒸騰作用而大量損失，距離地錶越近，損失水量越大，水勢的絕對值越大（水勢越小），土壤水分虧缺程度越來越嚴重。這時，可結閤土壤水分張力計的具體觀測值，適時灌溉。當IusA值越趨近1��0cmH2O/cm時，錶明土壤含水量臨近飽和，需注意調控灌溉水量或限控灌溉時間，避免較多無效灌溉水量的發生，應及時結束該次灌溉。
20世紀90年代初，荊恩春等（1994）總結瞭過去近10年來有關土壤水分通量法實驗研究成果，提齣瞭定位通量法、糾偏通量法和瞬時剖麵通量法，給齣瞭應用檢驗結果。靳孟貴和方連育（2006）基於土壤水勢理論，在河北王瞳地區開展瞭實地驗證研究，確定瞭王瞳地區土壤水理論無效庫容、土壤水最大次調節量、土壤水可利用量和土壤水儲存量，推動瞭土壤水資源化研究。
三、 21世紀以來水勢理論應用特徵
進入21世紀以來，隨著地下水數值模擬對水文地質參數要求的不斷提高，ZFP法又受到關注。曾亦鍵等（2008）在土壤水分特徵參數的計算和聶衛波等（2009）在建立溝灌土壤水分運動數值模擬與入滲模型中，都較好地應用ZFP法解決瞭參數方麵難題。王鵬等（2009）通過太行山區典型植被對土壤水勢動態影響研究，發現刺槐林地土壤對降水入滲的反應時間最快，側柏林地土壤在雨後的持水性最好。汪丙國等（2010）應用土壤水分通量法和包氣帶水均衡的原理，闡明巨厚包氣帶條件下覆蓋秸稈麥田的地下水入滲補給量小於不蓋秸稈，對於解答華北平原地下水水位不斷下降和農業活動對入滲補給影響難題具有促進作用。宋獻方等（2011）利用土壤水勢和地下水觀測數據研究瞭滄州、衡水地下水淺埋區不同年份土壤水分動態規律，結果錶明，平水年或豐水年後的土壤水分從錶層到深層為增長型趨勢，枯水年為增長減小增長趨勢，土壤水分具有補給和消耗的季節性變化特徵。
劉貫群、宋濤（2008）提齣，漫灌條件下，經過2次灌溉過後土壤含水量不斷升高。徐學選等（2010）研究黃土丘陵區降水土壤水地下水轉化，實驗結果錶明，降水補給地下水存在一定的滯後時間，與包氣帶厚度和岩性有關。王政友（2011）認為，降水入滲補給地下水滯後時間與地下水埋深之間為乘冪關係。郝芳華、歐陽威（2008）認為在灌區的灌溉(降雨)下滲潛水蒸發類型環境中，降水影響較小。聶振龍、連英立（2011）利用包氣帶環境示蹤劑研究張掖盆地降水入滲速率，錶明在張掖盆地地下水位埋深>5m的地帶仍存在降水入滲補給，在沙丘覆蓋區地下水水位埋深6��3m時，降水入滲補給速率為13��3～14��4mm/A，在裸地區地下水水位埋深8��6m時，降水入滲補給速率為16��8～18��4mm/A。李雪轉、樊貴盛（2012）通過非充分供水土壤水分入滲規律研究，提齣非充分供水土壤水分入滲過程是自然界降雨水分和灌溉水進入土壤的重要過程之一，小強度降水或噴灑條件下的水分入滲屬於非充分供水入滲。孫曉旭、陳建生（2012）研究土壤水蒸發與降水入滲非飽和帶過程中不同水體的氫氧同位素的變化規律發現，對於砂土的土壤水蒸發過程中剩餘水體的氫氧同位素分餾遵從瑞利模式，而黃土的剩餘土壤水的氫氧同位素值越來越遠離瑞利分餾關係綫。
傅斌等（2008）提齣入滲率隨降雨曆時增加而減小，纍積入滲量可以用降雨曆時的綫性函數來錶示。吳繼強等（2009）發現，不同有效麵孔隙度條件下纍積入滲量符閤KostiAkov模型，但其參數是有效麵孔隙度的函數，大孔隙的連通性在一定條件下對土壤水分的優先入滲起主導作用。付湘等（2010）認為，土壤空間變異下，田間降雨、入滲和徑流之間滯後的非均一特徵需加以重視，其明顯影響數值模擬結果。束龍倉等（2008）提齣，閤理考慮水文地質參數不確定性，可以提高地下水補給量可靠度。譚秀翠、楊金忠（2012）提齣，石津灌區淨入滲水量及潛在補給係數具有明顯的時空變異性，其主要取決於根區層土壤的水量均衡過程。
另外，ZFP法在環渤海平原區土壤水鹽運移研究應用中發現，錶聚型、中聚型和底聚型等不同土壤鹽分聚集類型都各有其獨特水勢動力學剖麵特徵。其中，錶聚型土壤鹽分剖麵形成的水動力學特徵是總水勢梯度指嚮地錶，其絕對值遠大於1��0cmH2O/cm，錶徵土壤水鹽嚮上運移。在這種土壤水動力學剖麵背景下，蒸發將促使淺埋的地下水通過包氣帶毛細輸導至地錶，水分氣化進入大氣，鹽分殘留在錶層土壤中，進而加劇土壤鹽漬化。中聚型土壤鹽分剖麵形成的水動力學特徵是包氣帶上部的水勢梯度指嚮地下水麵，總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，水鹽嚮下運移。在入滲水量有限條件下，往往入滲水流濕潤峰尚未到達包氣帶下部時，該場入滲已結束，剖麵下部的水勢梯度仍然指嚮地錶，水鹽嚮上運移，形成剖麵中水鹽含量凸現特徵。隻有當入滲水量足夠充分，剖麵中部所聚的鹽分纔能夠充分嚮下運移，直至進入地下水中。否則，在蒸發作用下，剖麵中部的水鹽嚮上運移至地錶層，由中聚型轉化為錶聚型。底聚型土壤鹽分剖麵形成的水動力學特徵是入滲水分自上而下貫穿整個土壤剖麵，水勢梯度指嚮地下水麵，總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，水鹽嚮下運移，包括進入地下水中。
四、 水勢理論應用未來趨勢
從過去30年水勢理論和ZFP方法應用特徵來看，水勢理論及其技術方法的未來應用趨勢應包括如下四個方麵：1拓展包氣帶非飽和參數研究，包括K(θ)、D(θ)、C(θ)及S（根係吸水率），減少計算的不確定性，提高地下水數值模擬研究可靠性；2深化土壤水鹽運移和聚集模式認識，通過科學調控潛水水位埋深改變零通量麵位置，實現控製土壤水鹽（養分或汙染物）運移的研究；3通過區域性零通量麵分布及其埋深變化規律研究，提高ZFP方法確定降水入滲對地下水的潛在補給量的區域代錶性；4土壤水資源閤理利用研究，促進農業節水灌溉的監測與預警技術方法研究。
第二節“三水”轉化水勢標示特徵
大氣降水或灌溉水進入包氣帶，轉變為土壤水；再經過入滲，轉化為地下水，或地下水蒸發進入包氣帶，轉變為土壤水；然後，蒸發轉化為大氣水。這是陸殼錶層的一種主要水分循環運動方式，在包氣帶水勢場製約下不斷變化。土壤含水量增加或減少，是“三水”轉化過程中水分運移的結果。在能量方麵，土壤水勢梯度錶現齣相應特徵性變化。通過對“三水”轉化過程中水勢梯度特徵及其變化規律的進一步認識，不僅可以正確地認識“三水”之間轉化關係，而且，對於加深認識降水或灌溉入滲補給地下水機製，以及潛水蒸發過程和相關水文地質問題也具有重要意義。
一、 基本理念與試驗條件（一）基本理念本書中的“三水”是指降水或灌溉水、包氣帶水（或稱土壤水）和地下水。
包氣帶是指從地錶到潛水位之間的非飽和帶，位於地球錶麵以下、潛水麵以上的地質介質，也常被稱為非飽和帶（unsAturAted zone），但一般不包括潛水麵之上的毛細上升區（cApillAry fringe）。包氣帶中空隙未被水充滿，而包含相當數量的氣體。
包氣帶是大氣水、地錶水與地下水之間發生水力聯係和進行水分交換的地帶，是岩土顆粒、水、空氣三者同時存在的一個復雜係統，其中植物根係活動層與外界有強烈的水分交換。包氣帶中岩土（以下，統稱土壤）具有吸收水分、保持水分和傳遞水分的能力。按水分分布特徵，包氣帶可被劃分為3個帶：1包氣帶的錶部，近地麵處為毛細管懸著水帶或稱土壤水帶，它同外界水分交換強烈。降雨入滲、日照輻射形成的蒸散發是導緻這個帶土壤水分增加或減少的直接因素，其水分垂嚮分布隨時間不同或降水或灌溉情勢不同而變化。2毛細管支持水帶或稱毛細管水活動帶，是在潛水麵之上由毛細管上升水形成的，其水分分布特徵是土壤含水量自下而上逐漸減小，它的位置隨地下水位的升降而變動。3中間過渡帶或含水量相對穩定帶，介於上述兩個帶之間。當地下水位埋深較大時，中間穩定帶厚度較大，在多數情況下其含水量變化較小，沿深度分布較均勻。當地下水埋藏較淺時，則由於毛細管支持水帶與毛細管懸著水帶的相互銜接，中間穩定帶消失，此時的包氣帶一般比較濕潤。
包氣帶水（以下統稱土壤水）是指埋藏於包氣帶中的地下水，一般呈非飽和狀態，由吸著水、薄膜水和重力水組成。一般情況下，包氣帶中重力水較少。在降水或灌溉水入滲期間，包氣帶中重力水明顯增多。在自然條件下，包氣帶中重力水的多少與氣候變化密切相關，季節性明顯，變化大。雨季包氣帶中重力水水量多，旱季水量少，甚至乾涸。包氣帶中水運動以垂直方嚮上運動為主，尤其是重力水在重力勢梯度作用下自上嚮下運動。毛細水在基質勢梯度主導下由水源處朝總水勢指嚮方嚮運動。
土壤層是包氣帶的組成部分，分布在包氣帶的錶部，一般是指地球上能夠生長植物的鬆散錶層，一般在距地錶1��0m範圍內。土壤主要由岩石風化而成的礦物質，以及動植物、微生物殘體腐解産生的有機質、水分和空氣組成，為植物和農作物提供必需的養分條件。農學通常將土壤劃分為三層，即錶土層、心土層和底土層。
土壤水勢（soil moisture potentiAl）又稱為總水勢，是指土壤水受岩土顆粒的吸附力、重力和溶質滲透力作用而産生的勢能總和。作用於土壤水的力主要有重力、土壤顆粒的吸力和土壤水所含溶質的滲透力，所以，土壤水勢主要由基質勢、重力勢、溶質勢和溫度勢組成。水勢概念是從熱力學的基本規律中推導齣來的，它由自由能、化學勢引申而來。水勢是驅動水分移動的能量。包氣帶中水分總是由高水勢處自發流嚮低水勢處，直到兩處水勢相等為止。純水的水勢被規定：在1個大氣壓下、與體係同溫度時（標準狀況）為零。這裏說的純水是指不以任何方式（物理或化學）與其他物質結閤的純自由水。當純水中溶有任何物質時，由於溶質（分子或離子）與水分子相互作用，消耗瞭部分自由能，所以，任何溶液的水勢比純水低。
土壤水勢一般錶示為負的壓力，也稱為土壤水分張力。當土壤飽和時，土壤水勢的絕對值小；當土壤含水量很低時，土壤水勢的絕對值大。因此，土壤水勢絕對值的大小反映瞭包氣帶水分虧缺程度。土壤水勢中的重力勢由與某一參照麵的相對高度而定，通常把參照麵設在地錶麵，以使重力勢為零值。在包氣帶的非飽和水環境中，重力勢與測點的深度有關。測點埋深越大，重力勢值越大。基質勢由岩土基膜對水的吸附力和顆粒間形成的毛管作用共同決定。在非飽和土壤中，除毛管作用外，岩土粒錶麵吸附著水膜。溶質勢也稱滲透勢，即由於土壤水中存在溶質而具有化學勢能。溫度勢是指包氣帶中存在溫差而導緻水分具有運動趨勢的能量。溶質勢和溫度勢在總水勢中所占比例極小，一般忽略不計。
水勢、基質勢、重力勢、溶質勢和溫度勢的度量單位為帕，曾用巴(bAr)、大氣壓(Atm)、水柱高(cmH2O)和汞柱高(mmHg)等錶示，其換算係數見錶1��1。錶1��1土壤水勢單位換算關係換算指標帕［斯卡］
(PA)毫巴
(mbAr)標準大氣壓
(Atm)厘米水柱
(cmH2O)毫米汞柱
(mmHg)帕［斯卡］(PA)10��019��87×10-61��02×10-27��5×10-3毫巴(mbAr)10019��87×10-41��020��75標準大氣壓(Atm)1013251013��2511033��6760厘米水柱(cmH2O)98��070��989��68×10-410��74毫米汞柱(mmHg)133��321��331��32×10-31��361
水勢梯度是指兩點之間水勢差與其之間距離比值，即單位距離的水勢差大小。土壤吸水過程又稱“吸濕過程”，是指被研究土層的含水量增加過程。土壤過水過程是指流入和流齣被研究土層的水量相等，土層含水量不變的入滲過程。土壤脫水過程又稱“脫濕過程”，是指被研究土層的含水量減少過程。
(二) 試驗條件1�筆匝榍�與監測條件野外原位試驗場區位於華北平原黑龍港平原，地處河北省南宮市地下水庫試驗區內，海拔28��4m，地形平坦，地貌形態為微波狀崗地。區內包氣帶以亞砂土為主，局部夾薄層亞黏土層或透鏡體，包氣帶厚度4～5m，岩土顆粒組成見錶1��2。多年平均降水量為478��5mm，70%以上集中在每年的6～8月；多年平均水麵蒸發量為1261mm，屬於乾旱半乾旱季風氣候區。錶1��2試驗區地層岩性組成粒級2～
0��5mm0��5～
0��25mm0��25～
0��1mm0��1～
0��05mm0��05～
0��01mm0��01～
0��005mm0��005～
0��002mm<0��002mm試驗區亞砂土
組成/%11��266��819��01��02��0室內試驗土
組成/%8��015��034��037��01��02��0
試驗區分為農作物試驗區和裸地對比試驗區。各試驗分區分彆設有水傳感、氣傳感水銀式負壓計和錶式負壓計以及中子水分監測儀3組觀測孔（每組2眼、每次平行觀測），它們的監測（土壤水勢和含水量）深度6��8m，剖麵中監測點間距0��10～0��20m。在試驗區內，還設有0～3��2m的不同深度地錶及地中溫度觀測、地麵與70cm高度的雨量、水麵蒸發監測以及風嚮、風速和空氣濕度等氣象要素觀測。
2�筆匝橛氬饈躍�度
先後進行瞭20～80mm不同水量的人工降水灌溉入滲試驗，有關數據監測情況如下。
（1）利用英國進口的中子水分儀監測土壤含水量變化、濕潤峰位置和降水入滲速率。該儀器的水中標定讀數為880counts/s（counts為“計數”，是中子儀觀測讀數的基本單位），測點位置誤差<0��5cm，每次觀測平行讀數3次，誤差為≤4counts/s。
（2）利用WM型負壓計監測降水入滲前後的土壤水勢和水勢梯度變化、水分運移方嚮和土壤中空氣對入滲水流作用程度。水銀式負壓計讀數誤差<0��3mmHg，水柱式負壓計讀數誤差<0��5mmH2O。
(3)人工降水、供水量的測量，平均單位麵積的誤差為0��01～0��08mm。
(4)觀測時間的間隔：降水或灌溉期間（48小時或者72小時之內）為15min、30min及60min，試驗後期為6小時或12小時。
二、 “三水”轉化過程中水勢梯度特徵
平原地區的包氣帶是大氣降水或灌溉水與地下水之間轉化的一個中間帶，土壤水是大氣水與地下水之間水力聯係的媒質，它的活動場所是包氣帶，一般處於非飽和狀態。所以，來自地錶及其以上空間的飽和水補給地下水，都須通過包氣帶中的水分量和水勢梯度變化完成。土壤水分運動同其他物質一樣，也遵循熱力學第二定律，水分從勢能高（水勢絕對值小）處自發地嚮能量低（絕對值大）處運動。這種非飽和土壤水分運動，水勢梯度（IusA=�功咋筞）是驅動力，主要由基質勢梯度和重力勢梯度構成。重力勢梯度等於1��0cmH2O/cm，指嚮潛水麵（規定：水勢梯度指嚮潛水麵為正）。基質勢梯度與包氣帶含水量大小相關，是決定土壤水分運動方嚮和水分通量（q）大小的主要因素之一。作為垂嚮一維流水分運移，其錶現為q=K(θ)�功誱�筞+�功誫�筞�功誫�筞=1（1��2）式中，�功誱為被研究土層基質勢差，cmH2O或mmHg；�筞為被研究土層頂底闆垂直距離，cm；�功誱�筞為水勢梯度或稱為基質勢梯度，cmH2O/cm或mmHg/cm；�功誫�筞為重力勢梯度,單位同�功誱�筞，其他符號的意義和單位同式（1��1）。
在自然條件下，“三水”轉化關係如圖1��1所示，常見五種情景。
情景1：大氣降水或灌溉水、土壤水和地下水之間“三水”水量轉化處於平衡狀態，來自地麵以上和地下水的水分進入或流齣包氣帶水量相等，土壤含水量和總水勢梯度為常量包氣帶非飽和水動力場特徵如圖1��2所示。在自然條件下，這種情況少見，在實體模型試驗中居多。
圖1��1“三水”轉化關係示意圖
圖1��2“三水”轉化情景1水動力場特徵

情景2：包氣帶中水分的一部分通過蒸散進入大氣中，轉化為大氣水；另一部分通過入滲進入潛水中，轉化為地下水。該情景“三水”轉化的水動力場特徵如圖1��3所示。在包氣帶上部，總水勢梯度小於零，指嚮地錶，土壤水通過蒸散轉化為大氣水，該段土壤含水量減少；在中部，總水勢梯度等於零，該段土壤水分通量為常量；在下部，總水勢梯度大於零，指嚮潛水麵，土壤水通過入滲轉化為地下水，該段土壤含水量減少。在自然條件下，這是降水或灌溉後最常見的一種情景，尤其在半乾旱、半濕潤地區。
情景3：地下水通過蒸發進入包氣帶，然後，在蒸散作用下進入大氣中，轉化為大氣水。其中來自地下水的、隨著水分進入包氣帶中的鹽分殘留在錶部蒸發麵處。該情景“三水”轉化的水動力場特徵如圖1��4所示。在潛水麵以上的包氣帶全剖麵中，總水勢梯度小於零，指嚮地錶，包氣帶含水量減少，鹽分含量增多，甚至可能存在潛水位下降情況。這種情景往往發生在地下水水位埋深較淺的地區，在華北平原的東部濱海平原區和西北各流域的下遊區常見。
圖1��3“三水”轉化情景2水動力場特徵
圖1��4“三水”轉化情景3水動力場特徵

在情景2下，當遭遇持續較長時間的乾旱天氣，易形成情景3。這種情景也是易發生土壤鹽漬化的情景。
情景4：有限降水或灌溉水入滲和地下水通過蒸發分彆進入包氣帶，同時補給包氣帶，轉化為土壤水，其水動力場特徵如圖1��5 所示。在包氣帶的上部，受有限量的降水或灌溉水入滲影響，總水勢梯度大於零，指嚮潛水麵，該段土壤含水量增加；在包氣帶的下部，因地下水蒸發補給包氣帶，總水勢梯度小於零，指嚮地錶，該段土壤含水量也呈增加狀態；在包氣帶的中部，存在總水勢梯度等於零的區段，該段土壤水分通量為常量。
圖1��5“三水”轉化情景4水動力場特徵
圖1��6“三水”轉化情景5水動力場特徵
在情景3下，當遭遇有限量降水或灌溉水入滲時，易形成該情景。但是，該情景存在時間較短，很快演變成情景5。
情景5： 充分降水或大水量漫灌水通過入滲進入包氣帶水，轉化為土壤水；然後，包氣帶下部的水分在入滲水遞推動力傳遞作用下轉化為地下水。該情景“三水”轉化的水動力場特徵，如圖1��6所示。在潛水麵以上的包氣帶全剖麵中，總水勢梯度大於零，指嚮地下水，包氣帶含水量增加，鹽分含量減少，甚至可能潛水位明顯上升情況。這種情景一般多發生在地下水位埋深較淺、包氣帶滲透性較強的地區，是比較常見的一種情景。
在降水入滲過程中，當土壤剖麵各處含水量相等，即q≠0時，齣現瞭�功誱�筞=0cmH2O/cm（�功誱�筞為基質勢梯度）、�功咋筞=�功誫�筞=1��0cmH2O/cm的現象，於是有�功誱�筞<0cmH2O/cm和�功誱�筞>0、�功咋筞<1��0cmH2O/cm和�功咋筞>1��0cmH2O/cm的水勢梯度變化過程（錶1��3）。即當被研究土層含水量處於增加過程中，其總水勢梯度大於1��0cmH2O/cm，且逐漸變小；被研究土層含水量處於減少過程中，其總水勢梯度小於1��0cmH2O/cm，且也逐漸變小。每一場降水入滲過程中的總水勢梯度最大值和單位時間最大變化量的大小，不僅與入滲前土壤含水量密切相關，而且還與當次纍計降水量和雨強的大小有關。如果地錶積水深度較大，在包氣帶錶層會形成正嚮水勢（即壓力勢，非吸力勢）。被研究土層的初始含水量越低，降水量越大，或地

前言/序言

　　地下水是賦存於地殼錶層中可被人類利用的自然資源和維係生態環境不可缺少的因子，水循環是地下水補給與更新的源泉，包括區域或流域水循環、降水一土壤水一地錶水一地下水的“四水”轉化過程以及淺層地下水與深層承壓地下水係統的層問越流過程，存在不同時空尺度上水的數量、質量和水位動態的周期變化規律及差異性，尤其是區域地下水演變。這些規律和差異性，與氣候變化和人類活動影響的周期性和不確定性密切相關。未來區域地下水演化與過去和現在的規律或特徵之間存在趨勢相同或相似性，也存在不可完全重復性的特點。由此，區域地下水評價理論方法的境界，應是恰到好處地提供滿足所需尺度下研究成果，既不是更高的精度，也不是泛論的結果，而是能確保相應時空尺度下區域地下水可持續利用，其間某些時段或局域可能齣現暫時性的超采或缺水，但是，從全區或整個規劃周期來看，區域地下水開發利用是均衡的。　　在我國北方地區，地下水資源已成為生活用水、經濟社會發展的基礎資源和綜閤國力的有機組成部分，目前，我國國民經濟高速發展，人口不斷增長和城市化率不斷提高，以及區域水資源短缺和地下水超采日益加劇，唯有閤理可持續地利用和有效保護地下水資源及其環境，纔能保證經濟社會可持續發展。全國地下水天然資源量為9235億m3／a，隻有26．86％分布於平原區；孔隙水、岩溶水和裂隙水的地下淡水可開采資源量分彆占全國淡水可開采資源總量的47．79％、24．71％和27．50％。占全國總麵積60％的北方地區，地下水資源量僅占全國地下水資源總量的36．41％。但是北方地區孔隙水資源量占全國孔隙水資源總量的80．07％，主要分布在大型拗陷盆地和斷陷盆地的平原區。近幾年來我國地下水年均開采量1110億m。，北方地區的地下水開采量占全國總開采量的88．45％，其中華北地區(海河流域)占21．13％，鬆花江流域占18．12％，淮河流域占16．08％，黃河流域占11．63％。90％的北方大中城市、鄉鎮的生活飲用水和工業用水，以地下水作為主要供水水源。　　在華北地區，河北省地下水開采量占全國總開采量的13．97％，河南省和山東省分彆占11．84％、8．05％。華北平原的地下水開采量已占當地總供用水量的60％以上，其中河北平原達80％以上。在過去30年中，由於過度開采地下水，許多地區地下水位不斷下降，第Ⅰ含水層組已被大範圍地超采疏乾，地麵沉降和生態環境退化問題日趨嚴重。因此，自20世紀80年代以來，區域地下水演變及其相關研究備受關注，學者們先後開展瞭眾多的國傢和省部級重大、重點科技項目研究，取得瞭豐碩成果，促進瞭我國地下水資源閤理開發利用，有力地支撐瞭區域經濟社會高速發展。　　值此本書的首席作者——張光輝博士從事水文地質學30周年之際，依托國土資源部“科技領軍人纔開發與培養計劃(首批，2013年入選)”和國傢自然科學基金項目(編號41172214，2012～2015)，凝練和深化作者耕耘30年的基礎研究創新成果。　　……

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆

評分☆☆☆☆☆