地下水是半干旱农牧交错带经济发展和生态安全的关键,天然情况下降雨入渗是其主要的补给方式。近几十年灌溉农业发展迅速,半干旱农牧交错带成为我国重要的农业开发区,灌溉条件下地下水的补给主要来自降雨与灌溉回归水。随着灌区的发展以及灌溉技术的推广,膜下滴灌在西辽河平原得到了规模化的实施,对于普遍以地面灌为主的西辽河平原地区,推广膜下滴灌后将对降雨入渗和回归水量都产生重大影响,改变入渗补给临界埋深。一方面基本不会产生灌溉回归水,导致地下水的采补平衡水位上升,另一方面对降雨入渗补给地下水这一关键水文过程产生影响,进一步影响地下水的采补平衡水位,形成新的临界埋深,给区域水资源的合理开发利用带来新问题,对区域的水资源管理产生根本性的影响。因此揭示灌溉方式改变对降雨入渗补给地下水过程及地下水临界埋深的影响成为当前半干旱农牧交错带地下水科学管理面临的关键问题,同时对保障半干旱农牧交错带的地下水安全和水资源的可持续开发利用具有重要的现实意义。基于上述问题,本文通过在半干旱农牧交错带典型区西辽河平原设置田间原位观测、深层土壤取样、地下水埋深动态观测以及北京大兴人工控制降雨观测试验等多角度对比分析灌溉方式由传统地面灌改为膜下滴灌后对土壤水运动及水分入渗的影响。并在试验的基础上,利用土壤水动力学模型分析不同次降雨情景下膜下滴灌和地面灌降雨入渗的差异,此外还结合研究区内的降雨、灌溉及蒸散发等综合情况,模拟作物(玉米)生育期以及完整年内膜下滴灌和地面灌两种灌溉方式下的水分入渗差异。基于以上试验和模拟,通过改进地面灌条件下的降雨入渗补给地下水临界埋深计算模型,提出膜下滴灌方式下降雨入渗补给地下水临界埋深的机理和计算方法,定量计算灌溉方式改变后地下水临界埋深的改变,提出灌溉方式改变后保障农灌区地下水安全的控制性临界水位,并以此为管理目标探索膜下滴灌推广的适宜面积。形成的主要结论如下:(1)根据田间原位观测分析结果,膜下滴灌对于土壤含水量的影响可按照玉米的生长情况划分为以下两个阶段。一是覆膜苗期阶段:膜下滴灌的土壤初始含水量要比地面灌高5.8%,覆膜保墒明显提高土壤含水量。二是主要生长阶段:膜下滴灌提供相对更好的生长环境,玉米生长消耗水分导致其土壤水分亏缺大于渗量和入渗深度两个指标来体现。天然降雨情况下,综合两处试验点数据,膜下滴灌的次降雨有效入渗量小于地面灌,二者相差5.9%,即与地面灌相比,膜下滴灌的实施会减少降雨有效入渗量。就降雨入渗深度而言,单次降雨量在30mm左右时,入渗深度基本在2m以内,当雨量超过40mm后,两种灌溉方式下的降雨入渗深度基本都能达到2m,根据不同时刻入渗深度的大小比较关系趋势,地面灌的入渗深度将首先达到2m。(2)通过深层土壤(4-5m)取样分析表明,地面灌方式下土壤水分入渗深度可以达到5m或者更深,而膜下滴灌方式下土壤水分入渗深度较少能达到4m。通过监测井井水位动态数据得到,在汛前至汛后稳定阶段内,在灌溉、降水、蒸发等多种因素共同影响的条件下,地面灌区域降雨入渗补给和灌溉回归水补给地下水明显,井水位出现抬升现象,而膜下滴灌区域的井水位则处于下降趋势。玉米主要生长阶段内,大降雨事件对地面灌区域的地下水具有一定的补给作用,而膜下滴灌区域的地下水则基本接受不到降雨入渗的补给。(3)人工降雨条件下,入渗水量分析结果表明,降雨过程中膜下滴灌垄沟位置土壤水分增幅最大,地面灌次之,膜中位置增幅最小。降雨结束后垄沟位置水分消退明显,地面灌水分变化平缓。时间变化上垄沟位置水分最早增加,且水分在各深度间运移时间最短,地面灌次之,膜中位置存在明显延迟。结合两种灌溉方式下雨后不同时间的入渗深度,刻画出膜下滴灌方式下降雨的二维入渗形式,展现随雨量的增加和入渗的持续,波状曲面入渗逐渐坦化并趋于平面的入渗特征。(4)通过次降雨及完整年两种灌溉方式的水分入渗模拟,得出了不同土壤含水量情况下两种灌溉方式的入渗深度差异,综合西辽河平原降雨年内分布及作物生长情况,灌溉方式改变后入渗深度的变化趋势多属作物主要生长阶段模拟结果的范畴,即膜下滴灌的入渗深度都小于地面灌入渗深度;结合完整年模拟的水分通量和入渗深度结果,完整年入渗过程可分为入渗波动阶段、入渗显著阶段和入渗稳定阶段,膜下滴灌最终的入渗深度比地面灌小1.3m。(5)根据田间原位观测试验及人工降雨试验得到的两种灌溉方式在入渗过程、有效入渗量及土壤含水量上的差别,建立了膜下滴灌方式下降雨入渗补给地下临界埋深的计算方法,得到膜下滴灌方式下入渗补给地下水的临界埋深范围介于5.1～8.0m,则灌溉方式由传统地面灌改为膜下滴灌后地下水埋深的管理目标应该有所收紧。以此临界埋深为控制条件,引入开采强度法将膜下滴灌区域概化为开采区,根据开采强度和最大允许降深算得半干旱农牧交错带内膜下滴灌单片推广的面积宜控制在15万亩左右,以保障降雨对地下水的补给,维护区域的地下水安全。