鄂尔多斯风沙滩地区地处我国西北干旱半干旱地区,该区蒸发强烈,降水稀少,地下水作为该区域的主要供水水源,影响着社会经济系统和生态环境保护的可持续发展。前期研究表明,垂向交换为区域地下水主要循环模式,该模式的主要补给源为大气降水,主要排泄方式为蒸发。包气带作为大气降水、地表水和地下水循环传输的关键部分,其岩性结构对水分传输过程有着明显的影响,同时流域径流和其他水分平衡分量的分配也在很大程度上受岩性结构的制约。为研究岩性结构对补给的影响,本文将野外原位试验与数值模拟相结合,以数理统计、土壤水动力学等作为理论基础,运用Hydrus-1d软件建立非饱和带水分运移数值仿真模型,结合野外长期动态观测数据对模型进行识别与验证,获取野外不同岩性土壤水力参数。以“大气降水-包气带水-地下水”作为主线,建立饱和-非饱和带水分运移数值仿真模型,结合鄂尔多斯风沙滩地区典型岩性剖面特征,模拟研究多种包气带岩性结构对降雨入渗补给的影响。由于岩性的渗透性能决定了岩性结构的分布,为了叙述的方便,本文根据岩性颗粒的粗细将层状结构分为“上粗下细”和“上细下粗”两种层状结构进行叙述。研究主要得到了以下认识:1.通过建立非饱和带水分运移数值仿真模型,反演了野外条件下非饱和带动力学参数,为进一步深刻认识非饱和带水分的迁移转化,研究不同岩性结构中降雨入渗补给通量变化建立了重要的参数基础。2.基于原位试验观测数据发现,包气带岩性结构控制着水分运移的深度和水分入渗滞后时间。在相同降雨条件下,对于风积沙、风化砂岩均质岩性结构,颗粒越粗,水分入渗越深,滞后时间越短;风积沙-风化砂岩和风积沙-淤泥质沙“上粗下细”岩性结构,水分运移深度比均质岩性风积沙中水分运移深度浅,层状结构对入渗峰的推进产生了一定的阻挡作用,同时在“上粗下细”岩性结构中下层岩性颗粒越细,水分入渗深度越浅,滞后时间越长。3.通过建立饱和-非饱和带水分运移数值仿真模型,对不同岩性结构降雨入渗补给模拟研究发现,包气带岩性结构对降雨入渗补给量和降雨入渗滞后时间有较大的影响。在相同年降雨条件下,当地下水位埋深为5m,层状结构上覆岩性厚度为2.5m时,风积沙、风积沙-沙土、沙土、风积沙-风化砂岩、风化砂岩-沙土、风化砂岩、淤泥质沙-沙土和淤泥质沙的年降雨入渗系数分别为0.16、0.121、0.097、0.088、0.035、0.018、0.014和0.008;风积沙、风积沙-沙土、沙土、风积沙-风化砂岩、风化砂岩-沙土和风化砂岩的年降雨补给地下水滞后时间分别为315d、317d、328d、333d、345d和350d。同时,上述不同岩性结构降雨入渗补给能力具有以下特征:(1)岩性颗粒越粗,降雨入渗补给地下水滞后时间越短;(2)“上粗下细”岩性结构比“上细下粗”岩性结构更有利于降水的入渗,细质土控制水分的入渗过程;(3)均质岩性与层状岩性降雨入渗补给能力大小具有以下关系:均质粗颗粒岩性结构>“上粗下细”岩性结构>均质细颗粒岩性结构,均质粗颗粒岩性结构>“上细下粗”岩性结构>均质细颗粒岩性结构;(4)当包气带为粗细交替的多层层状岩性结构时,最不利于水分的入渗。4.对于风积沙-风化砂岩“上粗下细”岩性结构,在相同年降雨和同一地下水埋深条件下,上层土的厚度对层状土中水分的入渗有明显的影响。当在均质风化砂岩岩性之上覆盖3cm~10cm厚的风积沙时,降雨入渗补给量比均质风化砂岩的降雨入渗补给量提高了6.07~7.34倍,相应的土面蒸发量减少了46%~59%。此种方法为提高降雨入渗补给量、减少土面蒸发量提供了新的途径。