大气降水入渗到地下转化成土壤水,土壤水经由非饱和带(或渗流带)到达地下水面,补给地下水。土壤水和地下水是干旱半干旱地区水资源最重要的组成部分,它们支撑着该地区工业、农业、生活及生态需水。为了保证水资源的可持续利用,需要准确地估计地下水补给量(或速率)。近年来,随着经济的发展和人民生活水平的提高,青岛市水资源日益匮乏。大沽河作为青岛市的重要水源地,虽然流域面积广阔,但面临着地下水位下降、海水入侵和地下水污染等诸多问题,而探究土壤水入渗过程是研究这些问题的关键之一。近二十年来,高密度电阻率成像法(ERT)作为一种新兴的水文地球物理技术,因其非破坏性、时空连续性和高分辨率等特点在土壤水分入渗研究中得到广泛应用,而染色示踪试验由于能清晰、直观地反映土壤水分流动路径而受到人们的关注。为了解水分在土壤中的运动过程,本文共进行了室内土壤水分入渗实验和田间土壤水分入渗试验两个部分,分析了在不同入渗量条件下,均质土壤和非均质土壤中水分的运动过程。室内土柱水分入渗实验过程中,采用土壤水分传感器作为监测装置,将其安装于土柱的不同深度处,监测不同入渗水量时剖面含水量变化情况,并利用不同的模型模拟水分的运动。田间水分入渗试验于大沽河下游的即墨市蓝村镇四里村农田进行,布设2~4条测线,采用类似于双套环的试验装置,在测线中央插入尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m的铁框(内框)和1.2 m×1.0 m×0.8 m的有机玻璃框(外框),内框中注入3.0 g/L的亮蓝溶液,外框内注入同等高度的水,在内外框水头高度都是3.0 cm的条件下,亮蓝溶液和水分都会向下入渗。利用DCX-1G多功能高密度电法仪—实时成像系统(ERT)原位监测水分和亮蓝溶液入渗前、入渗过程中及入渗后的电阻率变化。将二维剖面电阻率信息整理并导入到三维Voxler软件中,实现由二维到三维图像的转换,以便更加清晰地观察土壤水分入渗过程,并用Hydrus-1D软件模拟土壤水分运动,以便进一步验证ERT监测土壤入渗过程的可行性。在试验结束后,对铁框范围内的土壤沿东西方向每隔5~10 cm开挖剖面,一直开挖至无法看到染色示踪剂为止,并用数码相机记录剖面的染色状况。本文的研究得出以下几点结论:(1)通过对室内土柱入渗实验的分析,发现水分在入渗开始时的入渗率较大,累积入渗量的变化较快;随着时间的推移,入渗率逐渐减小并趋于稳定。室内实验的入渗过程可用Philip模型和Kostiakov模型进行模拟,Kostiakov模型的拟合度优于Philip模型;入渗过程和再分布过程均可用Hydrus-1D模拟,它对前者的模拟结果较好,但对后者的模拟结果稍差。(2)根据ERT反演后计算得到的电阻率值,将其与实测的含水量数据用改进后的Archie公式拟合,获得了含水量与电阻率之间的定量关系,其拟合度为0.765,相关性较好,能较为准确地反映含水量与电阻率之间的关系。(3)利用ERT监测田间土壤水分运动时,在入渗初期,入渗区域土壤的表层电阻率迅速降低,随着时间的延续,表层电阻率的变化逐渐减小;比较试验不同时刻土壤水分入渗剖面和亮蓝溶液入渗剖面,发现土壤水分的入渗速度比亮蓝溶液的入渗速度要快;在亮蓝溶液入渗的过程中,由于上部土壤会对亮蓝溶液产生吸附,所以在优先流区域引起电阻率变化的主要原因是水分的运动;在入渗量特别大时,水分会在渗透性较差的区域产生积聚。(4)将系列二维电阻率剖面信息导入到Voxler软件转换成三维空间电阻率分布模型,得到了更加丰富的地电断面信息,可以更清晰地反映土壤水分入渗过程。通过将二维电阻率剖面信息与三维电阻率立体信息相对比,发现三维电阻率模型能够准确地反映土壤水分运动过程。(5)利用Photoshop图像处理软件将入渗试验结束时的土壤染色剖面图像处理成为二值图像,并统计分析土壤剖面染色比例在垂直方向上的变化,发现随着入渗量的增大,亮蓝的最大染色深度、均匀染色范围、优先流的均匀程度都随之增加。