《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Interaction of soil water and shallow groundwater in a hillslope in the Ordos Basin: Insights from transient 2D flow system analysis
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研究区：中国鄂尔多斯高原的一个半干旱地区，具有浅层地下水和显著地形起伏。研究焦点：本研究旨在探究土壤水与地下水之间的相互作用以及瞬态二维非饱和-饱和水流系统。特别关注低地快速入渗和强蒸散发（evapotranspiration）的影响及其在驱动高地与低地之间侧
研究区：中国鄂尔多斯高原的一个半干旱地区，具有浅层地下水和显著地形起伏。研究焦点：本研究旨在探究土壤水与地下水之间的相互作用以及瞬态二维非饱和-饱和水流系统。特别关注低地快速入渗和强蒸散发（evapotranspiration）的影响及其在驱动高地与低地之间侧向地下水流（lateral groundwater flow, LGF）中的作用。区域新水文地质认识：结果揭示了低地快速入渗和强蒸散发诱发的瞬态二维非饱和-饱和水流系统的出现。前者导致从低地到高地的侧向地下水流，而后者则产生相反方向的侧向地下水流。在高地非饱和带中，存在汇聚或发散零通量面（zero flux plane, ZFP），将向上或向下的土壤水流分开。在干旱期，高地剖面向下通量造成的水分损失占比为33%至72%，表明大部分土壤水损失并非由原位蒸散发引起，而是通过侧向地下水流导致的异地蒸散发（ex situ evapotranspiration，即地形高处的水分在地形低处被消耗）。因此，在浅层地下水区域，只要有地形起伏，分析瞬态二维非饱和-饱和水流系统有助于解释土壤水流动。
**论文解读文章**
**1. 研究背景与问题**
浅层地下水区域（水位埋深小于2米）占陆地表面约32%，在水循环和生物地球化学过程中发挥关键作用。这类区域促进了土壤水、地下水与大气条件之间的相互作用，进而影响入渗和蒸散发（evapotranspiration, ET）等关键过程。在山坡尺度上，稳态地下水流动通常由托特（Tóth）的水流系统概念描述，连接高地的补给区和低地的排泄区。然而，由于毛细上升作用，微小地形起伏会导致非饱和带厚度变化，进而引起土壤含水量（soil water content, SWC）和导水率的空间差异。在低地，较高的SWC有利于降雨快速入渗并形成地下水丘（groundwater mound）；反之，当潜在蒸散发（potential evapotranspiration, PET）速率较高时，低地会发生强烈土壤蒸散发，导致地下水洼陷（groundwater depression）。地下水丘和洼陷的出现会驱动不同方向的侧向地下水流（lateral groundwater flow, LGF），即朝向或远离高地，从而引起多时空尺度的水位波动。尽管已有研究注意到这种高度动态的大气诱导地下水流动系统，并揭示了流动系统间停滞点（stagnation point）的暂时出现，但此类流动系统对非饱和带土壤水流动的影响尚未被充分探讨。此外，在非饱和带中，零通量面（zero flux plane, ZFP）是土壤水均衡评价的关键概念，但以往研究多基于一维模型，忽略了侧向流动对ZFP动态的影响。因此，有必要开展此项研究，以揭示山坡尺度上瞬态二维非饱和-饱和水流系统如何影响土壤水流动。
**2. 研究内容与意义**
研究人员选取鄂尔多斯盆地五都湖流域一个代表性山坡，通过长期监测土壤含水量和地下水位波动，并结合HYDRUS-2D数值模拟，分析了瞬态二维非饱和-饱和水流系统的演化。研究发现，低地快速入渗和强蒸散发会诱发方向相反的侧向地下水流，进而导致高地非饱和带中土壤水流动呈现复杂模式，并产生汇聚或发散零通量面。该研究量化了侧向地下水流对高地土壤水损失的高贡献（干旱期可达72%），揭示了“异地蒸散发”机制的重要性。论文发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》，为浅层地下水区域的水均衡估算和生态水文过程理解提供了新视角。
**3. 主要关键技术方法**
（1）**现场监测**：在五都湖流域的一个代表性山坡（包括湿地、低地、坡地和高地）设置监测点，使用5TM传感器（Decagon Devices Inc.）监测S1和S2剖面不同深度的土壤含水量（SWC），使用水位记录仪监测W0、W1和W2井的地下水位，同时通过气象站记录大气条件。（2）**数值模拟**：采用HYDRUS-2D软件求解二维Richards方程，建立非饱和-饱和水流模型，采用Mualem-van Genuchten模型描述土壤水力特性，并使用Feddes方法估算根系吸水。（3）**参数校准**：基于土壤质地分层，利用HYDRUS-1D参数优化模块，结合SWC和地下水位观测数据，逐步校准五个分区的土壤水力参数。（4）**谱分析**：对干旱期SWC时序数据进行谱分析，识别日周期信号，以区分地表蒸散发和地下水波动对SWC的影响。
**4. 研究结果**
**4.1 低地与高地地下水位波动及SWC对降雨的滞后时间差异**
通过对低地（剖面S1）和高地（剖面S2）的SWC监测，研究人员发现：低地SWC滞后时间随深度变化小，且地下水位上升幅度大于高地，表明降雨快速入渗形成地下水丘；高地SWC在中等深度（50–75 cm）滞后时间最长（可达11小时），而地下水位响应迅速（2–4小时），说明水位波动由来自低地的侧向地下水流驱动，而非直接入渗。
**4.2 蒸散发诱导的低地与高地SWC波动差异**
通过谱分析干旱期SWC数据，研究人员发现：低地S1剖面各深度SWC均呈现24小时周期，且功率谱密度随深度递减，表明仅受地表蒸散发影响；高地S2剖面在特定深度（水位深于1.0米时为75 cm，浅于1.0米时为50 cm）24小时周期信号微弱，该深度以上功率谱密度随深度递减（受地表蒸散发控制），以下则增大（受毛细上升与波动水位控制），表明高地SWC同时受上下边界控制。
**4.3 低地与高地之间的侧向地下水流系统**
通过分析降雨事件前后非饱和-饱和水流系统的演化，研究人员发现：干旱期，低地强蒸散发导致地下水洼陷，驱动从高地流向低地的侧向地下水流，形成三个水流系统（高地至坡地、湿地至低地、底部至低地）；降雨期，低地快速入渗形成地下水丘，驱动从低地至高地的侧向地下水流，暂时反转水流方向。这种水流系统反转解释了高地地下水位和SWC的波动机制。
**4.4 非饱和带零通量面（ZFP）的演化**
在高地非饱和带，研究人员发现干旱期存在发散ZFP，上方为蒸发引起的向上水流，下方为侧向地下水流导致的水位下降引起的向下水流；降雨期则形成汇聚ZFP，浅部入渗向下，深部水位上升向上。ZFP深度随水位波动而变化（35–70 cm），且土壤水流在毛细带中呈现水平分量，表明侧向地下水流对非饱和带底部土壤水运动具有控制作用。
**4.5 侧向地下水流对高地土壤水预算的控制**
在模拟的124天中，发散ZFP存在94天，指示旱期。在选定的六个干旱阶段，由侧向地下水流引起的向下通量占总水分损失的比例为33%–72%，且向下通量对潜在蒸散发（PET）的敏感性高于向上通量，表明强蒸散发不仅增加地表向上损失，还加速侧向水流驱动的向下排水。
**4.6 ZFP对底部通量和土壤质地的敏感性**
敏感性分析表明，底部边界通量（0–2 mm/d）对高地ZFP形成影响较小；而土壤质地显著影响ZFP发育：砂壤土条件下ZFP持续存在，粉土条件下仅降雨期出现汇聚ZFP，旱期无ZFP。
**5. 讨论与结论**
**讨论部分**：研究人员指出，二维模型不仅再现了一维剖面中发现的零通量面（ZFP），还揭示了不同驱动力诱导的侧向地下水流如何引起毛细带土壤水的侧向运动，从而深化了对山坡土壤水流动的理解。此外，高地土壤水预算中向下通量的高比例（高达72%）表明，土壤水损失主要来自通过侧向地下水流介导的异地蒸散发（ex situ evapotranspiration），而非原位蒸散发。敏感性分析进一步确认了土壤质地是控制ZFP形成和持续性的关键因素，而底部边界通量影响较小。
**结论部分**：基于对沙质山坡低地和高地土壤含水量（SWC）及水位测量，以及二维非饱和-饱和水流模拟，本研究证明了低地中的集中入渗和快速蒸散发会产生瞬态非饱和-饱和水流系统，其侧向地下水流方向不同，极大地增加了高地非饱和带土壤水动态的复杂性。具体而言，地表以下50–75 cm处SWC在无降雨的干旱期内波动最弱，且对降雨的响应时间最长。此外，研究人员发现，由侧向地下水流引起的非饱和带深部土壤水流方向始终与浅部土壤水流方向不同，导致非饱和带中部出现汇聚或发散零通量面（ZFP）。在干旱期，由侧向地下水流引起的向下通量可占剖面总水分损失的72%，表明相当一部分土壤水消耗是通过地下水流动介导的异地蒸散发，而非直接地表蒸散发。总之，通过分析由入渗/蒸散发空间差异驱动的不同方向瞬态非饱和-饱和水流系统，本研究增强了对地形起伏和浅水位条件下大气条件、土壤水与地下水相互作用的认知。该发现强调了在探究非饱和带土壤水流动时，必须考虑饱和带中多维地下水流动，并有助于未来浅层地下水区域的水均衡研究。
