地下水补给评价是地下水资源评价的重要组成部分,准确评价地下水的补给量或补给资源是分析水文循环规律、合理制定水资源规划和地下水可持续开采方案的基础,对于实现当地经济社会的可持续发展具有重要的战略意义,特别是干旱、半干旱的水资源短缺地区。近几十年来,受自然和人为因素的影响,华北平原气象、水文、土地利用、灌溉条件等都发生了较大的变化,地下水补给受这些因素的影响随之而变化。如用于计算降雨或灌溉入渗补给的主要参数降雨入渗系数和灌溉入渗系数一般都只考虑了包气带岩性和地下水位埋深两个因素,很少考虑土地利用类型、节水措施的变化。因此,探讨节水措施(如灌溉方式、秸秆覆盖等)以及土地利用方式对地下水补给的影响也就显得尤其重要;对环境条件(如水位埋深、灌溉、土地利用、气象等)变化情况下,如何适时动态评价地下水补给也是一个迫切需要解决的问题。另外,地下水侧向补给量的计算一般采用达西断面法求取,计算中需要水力坡度、水力传导度、含水层分布等参数,而这些参数求取困难而且具有很大的不确定性,因此如何解决这些参数的不确定性问题,并力求在评价方法上有所突破,以提高评价的可靠性,也就显得异常重要。目前地下水补给评价方法很多,鉴于不同的研究对象(包气带、饱水带),评价方法不同,而不同评价方法适用的时空尺度、范围以及可靠性不同,如何根据研究问题的需要,选择合适的方法进行地下水补给评价就显得特别重要。因此,迫切需要探讨不同评价方法的适用性,建立不同评价方法评价的时空尺度、范围以及可靠性档案,为地下水的补给评价提供可靠的理论和方法保障。因此,选择可信度高的评价方法准确评价地下水的补给量,对于揭示地下水补给的时空变化规律,完善地下水资源评价的理论与方法,具有重要的理论与现实意义。鉴于地下水补给和评价方法的不确定性,本文通过在华北平原选择典型区开展地下水补给评价的综合试验,尝试利用地下水天然流速测井技术,开展盆地孔隙水系统的山前侧向补给量评价,多通道获取包气带、饱水带水分时空变化信息,综合采用天然环境氯离子示踪方法、人工氚溴联合示踪技术、土壤水分通量法、多模块集中参数模型(EARTH)以及饱和——非饱和水流数值模型(HYDRUS-ID)等多通道方法评价地下水垂向入渗补给强度,揭示了地下水补给的时空变化规律,提出适合研究需要可信度高的地下水补给评价方法。主要结论如下:1.利用地下水天然流速测井技术测得鹿泉—灵寿46km的山前地带含水层渗透流速为0.11-1.16m/d,鹿泉—灵寿46.2km实际测流断面的侧向补给量为5073.19×10~4m~3/a,其中鹿泉市境内测段的侧向补给量为3555.61×10~4m~3/a,该结果与鹿泉市水利局1992年采用达西断面法的计算结果(3972.9×10~4m~3/a)基本吻合。表明,同位素流速测井技术在提供地下水流速、流向、含水层分布等信息基础上,采用“流速断面法”计算山前地下水侧向补给量,方法可行,结果可信。采用“流速断面法”无需水力梯度和水力传导度等参数,可以克服获取参数的困难以及参数的不确定性问题,提高了地下水侧向补给量评价的可信度,是对山前地下水侧向补给量评价方法的重要补充,在水资源调查评价中具重要实际意义。2.采用运用天然环境氯离子质量平衡方法求得鹿泉和栾城多年平均大气降水垂向入渗补给强度分别为63.7mm/a和60.8mm/a,分别占多年平均降雨量的12.3%和12.5%;运用氯离子累积法计算的鹿泉和栾城多年平均大气降水垂向入渗补给强度分别为45.19mm/a和45.46mm/a,其值相对于氯离子质量平衡法偏小。该方法在河北平原山前地带水位埋深大的淡水区应用较好,在浅层咸水分布区、盐渍化地区、受灌溉(或施肥)影响的地区以及地下水水位埋深小的地区应用受到限制。3.应用人工氚、溴示踪方法评价了研究区不同灌溉方案、不同包气带岩性、不同土地利用方式以及秸秆覆盖状况等条件下的地下水垂向入渗补给强度(0.00-1.05mm/d,均值0.35mm/d)和综合入渗补给系数(0.0-42.5%,均值15.9%),揭示了地下水垂向入渗补给的时空变化规律,主要表现为:一般畦灌农田的入渗补给强度(0.29-0.65mm/d)大于不灌溉荒地(0.15-0.32mm/d):一般畦灌农田(0.42-0.58mm/d)大于节水喷灌农田(0.17-0.23mm/d),不灌溉荒地(0.22-0.32mm/d)大于节水喷灌农田;不盖秸秆灌溉农田(0.56-0.80mm/d)大于覆盖秸秆灌溉农田(0.44-0.60mm/d);菜地(0.70mm/d)大于冬小麦-夏玉米田(0.38mm/d):花生地(0.51mm/d)大于桃园(0.43mm/d)。氚溴示踪结果对比分析表明,溴的计算的补给量相对于氚平均高23%,这可能是由于“阴离子排斥效应”所致。该方法相对于历史示踪剂具有定时、定位和定量投放的优点,可以克服土壤根系、大空隙流和耕作的影响。但由于该法没有考虑优先流的入渗补给,评价结果可能偏小,在优先流补给占较大份额时,该方法的精度降低,其使用受到限制。该方法在地下水位埋深较大的地区应用效果好,但在潜水位浅埋的地区应用受限,有必要开展地下水位浅埋区的示踪试验,探讨运用示踪技术定量确定潜水补给与蒸发的可能性。4.运用土壤水分通量法确定了不同水位埋深条件下不同土壤水分调控下的地下水垂向补给量,研究结果表明在大水位埋深条件下,覆盖秸秆麦田的地下水垂向入渗补给量比不盖秸秆的小,土壤水腾发量和消耗量也比不覆盖的小,说明秸秆覆盖不利于大气降水、灌溉水的入渗补给,但可以保持土壤水分,抑制土壤水分蒸发;在小水位埋深条件下,降水或灌溉量小(约45mm)时,基本不产生入渗补给,采用该法计算的精度和可靠性大大降低,研究还表明秸秆或膜覆盖可显著减少潜水蒸发量和土壤水腾发量,充分利用土壤水,揭示了其土壤水分调控机理;并对该法计算的入渗补给强度和氚示踪法进行了对比,评价结果基本一致,二者可以相互印证。5.综合运用气象、土壤水和地下水动态观测资料,建立了集中参数模型(EARTH)模型,对典型区地下水补给量和补给过程进行了模拟,进一步揭示了地下水补给的时空变化规律,研究表明从山前到滨海,年入渗补给量和综合入渗补给系数呈递减趋势,年降雨和灌溉量是影响年入渗补给量的决定性因子。根据模拟结果,通过逐步回归分析方法,找出了不同水位埋深下影响地下水补给量(或根层渗漏量)的控制因子,并建立了地下水补给量(或根层渗漏量)与相关因子的响应关系模型。研究表明:在大水位埋深条件下,潜在腾发量(ET_p)、降雨量(P)、地下水位(H)和灌溉量(I)是影响地下水入渗补给量(R_d)的主要控制因子,其响应关系可用R_d=1.754-0.065ET_p-0.005P-0.045H-0.002I来表示,降雨量和灌溉量是影响根层渗漏量(R_p的主要控制因子,其响应关系可用R_p=0.287+0.463P+0.224I来表示:在小水位埋深条件下,土壤储水量(S)、灌溉量和地下水位是影响地下水入渗补给量的主要控制因子,其响应关系可用R_d=14.142+0.029S-0.0161-0.068H来表示,对于根层渗漏量,所有变量均为控制因子,其响应关系可用R_p=-8.34+0.222P+0.081I+0.021S-0.152H-0.059ET_p来表示。6.运用一维变饱和水流数值模拟模型(HYDRUS-ID)确定的典型区地下水垂向补给强度和综合入渗补给系数分别为:鹿泉258.22 mm/a(31.1%)、栾城215.25 mm/a(23.4%)、衡水47.95 mm/a(9.4%)、德州220.35 mm/a(20.0%)、沧州209.34 mm/a(24.5%),这与EARTH模型所揭示的规律基本一致。对比有无灌溉条件下地下水入渗补给量的模拟结果,结果表明:无灌溉条件下地下水补给明显减小,灌溉入渗补给占降水和灌溉总入渗补给的13.86-41.68%,鹿泉典型区最大,达41.68%,说明目前的灌水定额(一般为750-900m~3/ha)过大,灌水定额宜控制在450-675m~3/ha,基本上不产生灌溉渗漏,可以达到节水的目的。7.对不同评价方法的评价结果进行了对比,分析了不同评价方法的适用条件和局限性,提出要根据研究目标、气候条件、不同评价方法的评价范围和时空尺度、精度和可靠性以及时间和经济因素等方面来优选合适的地下水补给评价方法,在此基础上,结合华北平原对不同评价方法在区域的应用进行了探讨。本文创新点体现在:(1)运用同位素测井技术确定山前地下水侧向补给量,可以克服获取水力梯度、水力传导度等参数的困难以及参数的不确定性问题,提高了地下水侧向补给量评价的可信度,是对山前地下水侧向补给量评价方法的重要补充,在水资源调查评价中具重要实际意义:(2)综合运用天然环境氯离子示踪技术、人工氚溴联合示踪技术、土壤水分通量法、多模块集中参数模型和非饱和流数值模型等方法确定了华北平原典型区的地下水垂向入渗补给强度,多种方法相互印证,这在方法上是一种创新;(3)通过人工氚、溴示踪试验,发现溴计算的补给强度比氚平均高23%,这为溴作为示踪剂进行地下水补给评价提供了较为可靠的保证;(4)揭示了不同水位埋深条件下秸秆或膜覆盖对土壤水分的调控机理;(5)提出了不同水位埋深条件下影响地下水补给量(或根层渗漏量)的控制因子,并建立了地下水补给量(或根层渗漏量)与相关因子的响应关系模型。