黃河沖積平原灌溉回滲系數(shù)研究

袁錫泰，龔曉潔，余長合，李 娜

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，河南 鄭州 450045;2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

黃河沖積平原灌溉回滲系數(shù)研究

袁錫泰1，龔曉潔2，余長合1，李 娜2

(1.河南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，河南 鄭州 450045;2.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001)

在黃河下游沖積平原，劃分不同的包氣帶巖性組合，通過野外灌溉回滲試驗，科學(xué)合理地確定灌溉回滲系數(shù)，為平原區(qū)淺層地下水資源評價中重要的補給項——農(nóng)田灌溉回滲量的準(zhǔn)確計算提供依據(jù)。

農(nóng)田灌溉;回滲系數(shù);包氣帶;巖性組合

在進(jìn)行平原區(qū)淺層地下水資源評價時，農(nóng)田灌溉回滲量是一項重要的補給量?？茖W(xué)合理地確定灌溉回滲系數(shù)，對正確計算灌溉回滲量、提高平原區(qū)地下水資源評價精度具有重要意義。

以往關(guān)于灌溉回滲系數(shù)的研究，多局限于個別地段。在選取灌溉回滲系數(shù)時，往往要參照相鄰或相似地段資料或經(jīng)驗值，因而具有一定的隨意性，降低了水資源計算精度。鑒于此，本文對黃河沖積平原區(qū)(河南部分)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究，將其歸納為三種典型的結(jié)構(gòu)類型，在此基礎(chǔ)上，選擇有代表性的三個地段進(jìn)行現(xiàn)場灌溉回滲試驗，同時結(jié)合已有的成果資料進(jìn)行分析總結(jié)，確定其灌溉回滲系數(shù)。

1 包氣帶結(jié)構(gòu)模式的確定

黃河沖積平原區(qū)(河南部分)受黃河多次泛濫改道的影響，沉積了巨厚的第四系松散堆積物。包氣帶巖性以粉砂、粉土、粉質(zhì)粘土為主，一般厚度2～10 m。根據(jù)其結(jié)構(gòu)、巖性、組合方式的差異，將包氣帶巖性結(jié)構(gòu)歸納為三種典型的結(jié)構(gòu)類型:單層結(jié)構(gòu)型、雙層結(jié)構(gòu)型、多層結(jié)構(gòu)型。

單層結(jié)構(gòu)型:廣泛分布于黃河沖積平原區(qū)，巖性以粉土為主，厚度4～6 m，其中內(nèi)黃東部一帶巖性為粉砂，厚度6～10 m，呈近南北向條形展布。

雙層結(jié)構(gòu)型:分布于豫北平原的柳青河以北的部分地區(qū)及河道帶兩側(cè)，包氣帶巖性組合為粉土+粉質(zhì)粘土或粉土+粉砂，厚度4～10 m。

多層結(jié)構(gòu)型:零星分布于延津、封丘一帶，巖性組合方式為粉土+粉砂+粉土或粉質(zhì)粘土+粉土+粉砂，厚度6～10 m。

2 灌溉回滲試驗

2.1 試驗場地的選擇及基本情況

在試驗場地選擇過程中，采用測繪、鉆探及室內(nèi)實驗等手段調(diào)查了包氣帶巖性及組合方式，同時根據(jù)不同包氣帶結(jié)構(gòu)類型、不同水位埋深、不同植被類型等，結(jié)合灌溉水源及環(huán)境等影響因素，確定了三個有代表性的試驗區(qū)(各區(qū)平面布置見圖 1、2、3)，基本情況如下:

試區(qū)①:長方形，東西長 108 m，南北寬 17 m，總面積1 836 m2，植被為小麥青苗。試區(qū)內(nèi)外共有觀測孔8眼。包氣帶巖性為:0～1.7 m 為粉土，1.7～3.12m 為粉砂(未揭穿)，水位埋深3.12 m。為雙層結(jié)構(gòu)型，灌溉水源為井水。

試區(qū)②:長方形，南北長 54.5 m，東西寬 21.5 m，總面積1 171.75 m2，為菜地。試區(qū)內(nèi)外共有觀測孔10眼。包氣帶巖性為:0～1 m為粉砂，1～2.4 m為粉土(未揭穿)，水位埋深2.15 m。為雙層結(jié)構(gòu)型，灌溉水源為井水。

試區(qū)③:長方形，南北寬 44.5 m，東西長 60 m，總面積2 670 m2，種植作物為大豆，試區(qū)內(nèi)外共有觀測孔10眼。包氣帶巖性為:0 ～0.2 m 為粉質(zhì)粘土，0.2 ～2.4 m 為粉土，2.4～8.5 m 為粉砂，8.5 ～15.3 m 為粉土，水位埋深 8.87 m。為多層結(jié)構(gòu)型，灌溉水源為井水。

為便于計算，在布置觀測孔時，均呈“十”字型通過試區(qū)中心布置二條觀測線并延伸到試區(qū)外一定距離，試區(qū)中心及各邊都布有觀測孔，觀測孔數(shù)量以能控制試區(qū)內(nèi)外水位為依據(jù)。為消除區(qū)域水位變化的影響，各試區(qū)均布置了外圍觀測孔。

2.2 灌溉回滲試驗

2.2.1 試驗前的準(zhǔn)備工作

試驗前，各試區(qū)均進(jìn)行了孔組非穩(wěn)定流抽水試驗和雙環(huán)滲水試驗，分別求取了水位變動帶給水度及垂向滲透系數(shù)，預(yù)測了自灌水開始后的水位抬升時間。

一般于試驗前3 d開始觀測試區(qū)自然水位，待水位穩(wěn)定后即進(jìn)行輸水灌溉，灌水定額參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)灌實際澆地用水量，灌溉水源為試區(qū)外圍民井。灌水后及時進(jìn)行水位觀測，觀測頻率為每2小時1次，區(qū)域觀測每天2次。

2.2.2 試驗過程

試區(qū)①、②觀測結(jié)果見表1、表2，試區(qū)③由于水位埋深較大，歷時26 d未觀測到灌溉回滲影響。

2.3 灌溉回滲試驗成果

2.3.1 回滲系數(shù)計算方法

回滲系數(shù)計算采用水位上升值法，即根據(jù)各觀測孔水位上升高度繪制地下水浸潤曲線，計算出灌溉回滲量(Qh)，然后除以總灌溉水量(Qz)，求得灌溉回滲系數(shù)(β)。其中灌溉回滲量包括試區(qū)內(nèi)儲存量(Qc)和試區(qū)外擴(kuò)散量(Qs)二部分，計算公式為:

式中:Δh為試區(qū)內(nèi)平均水位升幅(m);R為試區(qū)各邊擴(kuò)散距離(m);A為試區(qū)各邊邊長(m);Δh'為試區(qū)各邊水位升幅(m)

2.3.2 試驗成果

試區(qū)①:根據(jù)表1水位觀測資料繪制地下水浸潤曲線，得到各邊擴(kuò)散距離見表3。

表1 試區(qū)①灌水前后水位變化表

表2 試區(qū)②灌水前后水位變化表

表3 灌水后各邊擴(kuò)散距離

則計算出灌溉回滲量 =9.117 3 m3，灌溉回滲系數(shù)=8.29﹪

試區(qū)②:根據(jù)表2水位觀測資料繪制地下水浸潤曲線，得到各邊擴(kuò)散距離見表3。

則計算出灌溉回滲量 =13.67 m3，灌溉回滲系數(shù)=11.02﹪

試區(qū)③包氣帶巖性以粉質(zhì)粘土、粉土為主，水位埋深大于8 m，經(jīng)過26 d延續(xù)觀測，未觀測到灌水回滲影響，推測灌溉回滲系數(shù)小于5﹪。

將本次試驗成果與已有資料匯總于表4。

表4 灌溉回滲系數(shù)選值表

由上表可以看出，對于砂性土類，如粉土或粉土+粉砂等，在灌溉定額為80～40 t/畝、水位埋深＜2 m、2～4 m和＞4 m時，井灌回滲系數(shù)取值范圍分別為 0.30 ～0.15、0.15 ～0.10 和0.10 ～0.05，渠灌回滲系數(shù)取值范圍分別為 0.30 ～0.20、0.20～0.10和 0.10～0.05;對于粘性土類如粉質(zhì)粘土 +粉土等，在灌水定額80～60 t/畝、水位埋深＜4 m、4～8 m和＞8 m時，井灌回滲系數(shù)分別為 0.15 ～0.10、0.10 ～0.05、0.05 ～0，渠灌回滲系數(shù)分別 0.20 ～0.10、0.10 ～0.05、0.05 ～0。

2.3.3 影響因素分析

根據(jù)本次試驗資料及前人取得成果分析，灌溉回滲系數(shù)的大小與灌區(qū)植被、土質(zhì)、水位埋深、灌水定額等關(guān)系密切，尤其受土質(zhì)及水位埋深影響較大，總體來看有以下規(guī)律:

①在包氣帶巖性、水位埋深、灌水定額相同時，植被越密，回滲系數(shù)越小;

②在水位埋深及灌水定額相同時，巖性顆粒越粗，回滲系數(shù)越大;

③同一地段，灌溉回滲系數(shù)隨灌水定額增加而增大;

④在巖性、灌水定額等相同時，埋深越大，回滲系數(shù)越小;

⑤埋深小于4 m時，在同一地段，地表水灌溉回滲系數(shù)略大于井灌回滲系數(shù);

⑥同一地段，灌溉回滲系數(shù)一般小于降水入滲系數(shù)。

3 結(jié)語

本次試驗對河南省黃河沖積平原區(qū)面積大、分布范圍廣泛的包氣帶巖性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)，并概括為三種具有代表性的結(jié)構(gòu)類型;通過試驗確定了黃河下游沖積平原(河南部分)在不同條件下的灌溉回滲系數(shù)取值范圍，選擇的試驗地段具有區(qū)域代表性，其成果可作為本區(qū)灌溉回滲系數(shù)選取的依據(jù)并可為相似條件地區(qū)參考。

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1004－1184(2012)05－0169－02

2012－07－20

袁錫泰(1969－)，男，河南鄢陵人，工程師，主要從事水質(zhì)檢測方面工作。