华北平原农业密集区地下水补给动态的观测约束模拟与极端降水效应研究

本综述基于48米观测井原位数据，利用Hydrus-1D模型对华北平原（NCP）30米厚包气带进行34年（1990-2023）的水文模拟，揭示夏季极端降水事件对地下水补给的关键作用：年均潜在补给量达202 mm/yr，极端降雨使垂向水通量提升4.6–7.6%，为零流量面分布和农业区可持续水资源管理提供关键理论依据。

　　

Calibration and validation

图3和图4展示了模型校准后多个深度处土壤体积含水率（SWC）和基质势的模拟值与实测值对比。总体而言，在校准和验证阶段，模拟结果与观测数据高度吻合，表明模型在重现土壤水动力学方面具有强大性能。在八个选定深度（1.5米、4.5米、9.0米、13.5米、18.0米、22.5米、27.0米和30.0米）的SWC和基质势时间变化均被一致捕捉，包括短期波动和长期趋势。模型在大多数深度区间均表现出良好的一致性，尤其是在4.5米至27.0米区间，SWC的均方根误差（RMSE）范围为0.014至0.029 cm³/cm³，基质势的RMSE为0.285至0.981米。模型在模拟极端干湿事件时的性能进一步证实了其可靠性。例如，在2021年7月极端降雨期间，模型成功预测了30米深度处湿锋的到达时间和强度，与实测响应高度匹配。敏感性分析显示，饱和导水率（K_s）和van Genuchten参数（α和n）对模拟结果影响显著，而校准过程有效约束了这些参数的不确定性。

Impact of extreme precipitation events on groundwater recharge in the deep vadose zone of NCP

在研究区域，地下水补给主要由灌溉和自然降水共同维持，而夏季极端降雨事件对补给过程具有特别强烈的影响。为评估极端事件期间降雨时间集中对厚包气带区域的影响，我们设计了两种模拟情景：S1：将夏季总降水量均匀分配在整个雨季，同时保持总降水量和灌溉输入不变；S2：采用实际观测的降雨序列，包括极端事件的时间分布。对比结果显示，极端降雨的集中发生使垂向水通量增加了约4.6–7.6%，显著促进了深层渗漏。进一步分析表明，这种增强效应主要源于降雨强度超过土壤入渗能力的时段，导致优先流和快速压力传导，从而缩短了水分到达地下水的时间。值得注意的是，尽管灌溉对浅层土壤水分有重要调节作用，但其对深层补给的贡献相对较小且呈间歇性，这与极端降雨的集中输入形成鲜明对比。这些发现强调，在评估农业区地下水补给时，必须考虑降雨时间分布的变异性和极端事件的水文放大效应。

Summary and conclusion

华北平原数十年的灌溉驱动超采已导致地下水位下降和包气带增厚。结合集约化施肥，这些变化加剧了地下水水量和水质的风险。间歇性极端降雨会进一步加速地表污染物沿加深的包气带剖面向下迁移，对含水层构成化学风险。因此，阐明集约农业环境下的土壤水动力学对预测补给量和污染物运移至关重要。本研究通过结合原位监测和基于物理的建模，提供了华北平原山前灌溉区30米厚包气带中水通量和补给动态的长期重建结果。模型校准和验证显示，Hydrus-1D能够可靠地捕捉不同深度土壤水分和基质势的动态变化。模拟表明，年均潜在补给量为202毫米/年（相当于0.51毫米/天的深层渗漏率），但补给过程呈现高度非线性，强烈依赖降雨时间分布。极端降雨事件使垂向水通量显著增加，凸显了它们对补给的放大作用。此外，4米深度附近存在一个持续零通量面，限制了向上水流并促进向下运动。这些发现改进了对厚包气带中水流路径和补给机制的理解，为管理策略（如调整灌溉调度以利用自然补给潜力）提供了依据。未来研究应探索包气带结构异质性和气候变化情景下的长期模拟，以进一步支持水资源可持续性。