雨水花园集中入渗补给地下水受土壤非饱和区影响的试验研究

作     者：许目瑶 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗纨

授予年度：2020年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学] 

主      题：雨水花园 非饱和土壤 降雨入渗 地下水 数值模拟 

摘      要：科学合理地蓄存雨水并补给地下水,对于缓解城市排水压力、打造自然和谐的水智慧城市具有重要意义。利用雨水花园入渗雨水径流补给到地下水的过程中,土壤非饱和区是连接地表水和地下水的重要媒介。本文通过一项在江苏省扬州市开展的雨水花园集中入渗补给地下水的监测试验,研究了不同非饱和区土层厚度影响下,雨水花园集中入渗对地下水的补给效果;并利用HYDRUS-1D模型模拟了不同因素影响下地下水得到的补给量,分析了不同非饱和区特性影响下,土壤持水能力与地下水补给效果的差异。论文取得了如下研究成果:（1）雨水花园集中入渗雨水径流过程中,非饱和区土壤水分的整体分布情况受制于土壤质地、降雨特征、雨水花园入渗量、土壤初始水分状况、气象条件及非饱和区土层厚度等因素。中雨可湿润1m深的非饱和区土壤,暴雨可补给2.3m深的非饱和区土壤水分亏缺。受降雨特征及非饱和区土层厚度的影响,次降雨对地下水的补给效果差异较大。（2）历经9个月的观测期,地下水埋深抬升约2.5m,试验用雨水花园对地下水产生了有效补给。利用雨水花园有效汇集雨水径流后,雨强小的降雨径流可湿润非饱和区土壤或对地下水产生微小的补给作用;雨强大、雨峰密集的降雨对非饱和区土壤水分进行了充分补给,2.3m厚的非饱和区土壤水增加量是地下水补给量的7.3倍,入渗补给到非饱和区的雨水径流中,约12%的水分在雨后继续向下入渗。（3）地下水接受入渗补给具有滞后性:当土层厚度超过3.5m,发生暴雨或大暴雨时,地下水补给滞后时间一般超过12h;当土层厚度超过3m时,研究区常见的中雨不足以对地下水产生有效补给;当土层厚度小于2.5m时,中雨可有效补给地下水。土层厚度从3.5m减小至2m,地下水补给滞后时间从12h以上缩短至4h。（4）应用HYDRUS-1D模型的模拟结果显示,雨水花园区非饱和土层厚度、园内植物根系深度、初始土壤含水量对补给地下水存在不同影响:①当非饱和区土层厚度小于根区深度时,地下水补给量高度响应不同等级降雨的集中入渗以及潜水蒸发作用;当非饱和区土层厚度大于根区深度,小于极限埋深时,非饱和区土层厚度增加,削弱了潜水蒸发作用,在一定程度上增加了地下水补给量;当非饱和区土层厚度大于极限埋深时,集中入渗对地下水的潜在补给与实际补给在数量和时间尺度上存在明显差异,地下水接受入渗补给具有滞后性。随着地下水埋深从0.8m增至5m,集中入渗补给系数从0.64降至0.2,模拟得出的补给系数高于实际情况。②雨水花园内种植植物的根系深度对集中入渗补给地下水影响较小。③长期作用下,雨水花园集中入渗对地下水的补给量与初始土壤含水量呈线性正相关;次降雨过程的地下水补给量随初始土壤含水量的增加呈指数形式增长。利用雨水花园集中入渗雨水径流,充分发挥土壤非饱和区在此过程中的调节作用,可实现对雨水资源的科学管理,有效增加地下水存储量。