土壤給水度的計(jì)算方法研究

王冬梅，陳勝利

(遼寧省盤(pán)錦水文局，遼寧 盤(pán)錦 124010)

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土壤給水度的計(jì)算方法研究

王冬梅，陳勝利

(遼寧省盤(pán)錦水文局，遼寧 盤(pán)錦 124010)

[摘要]水對(duì)我們的生命起著重要的作用 ,它是生命的源泉，是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。地下水是水資源的重要組成部分，它存在于地面以下土壤、巖石的孔隙、裂縫和洞穴中。地下水有水量穩(wěn)定、水溫低、水質(zhì)好、不易受污染和開(kāi)采成本低等優(yōu)點(diǎn)。它不僅是農(nóng)業(yè)灌溉的可靠水源，也可為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供用水。土壤給水度在計(jì)算地下水資源量及“三水”轉(zhuǎn)換過(guò)程中起到重要作用，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，論述給水度的不同計(jì)算方法及各種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為地下水資源量的計(jì)算提供參考。

[關(guān)鍵詞]給水度；抽水試驗(yàn)；地下水埋深；抽水歷時(shí)

1試驗(yàn)區(qū)概況

臺(tái)安徑流實(shí)驗(yàn)站和所屬的實(shí)驗(yàn)區(qū)域位于遼河平原的中部，由遼河沖沉積物形成，第四紀(jì)含水層厚度較大，一般在200 m左右，上層由砂土、亞砂土、亞粘土和粘土組成，深層由顆粒較粗的細(xì)砂組成，中間有不完整的亞粘土隔水層。該區(qū)屬于半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量640 mm，年降雨量的75%集中在6～9月份。降雨量年際變化較大，實(shí)測(cè)最大年降雨量967 mm，最小年降雨量412 mm。由于地勢(shì)低平，地下水埋深較淺(一般在1.0～2.5 m之間),土壤入滲能力強(qiáng)，降雨入滲補(bǔ)給量大，入滲補(bǔ)給系數(shù)一般都在0.20～0.32之間,地表徑流系數(shù)小，一般在0.1左右，地下水運(yùn)動(dòng)以垂直方向?yàn)橹鳎唇涤耆霛B補(bǔ)給地下水，然后又消耗于蒸發(fā)。臺(tái)安徑流實(shí)驗(yàn)站建于1963年，建站初期主要是對(duì)天然流域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。分為海城河地下水源實(shí)驗(yàn)區(qū)和遼河沿岸實(shí)驗(yàn)區(qū)及新開(kāi)河實(shí)驗(yàn)區(qū)。1985年增設(shè)了潛水動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，利用地中蒸滲儀進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。潛水動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地4 000 m2，主要觀測(cè)項(xiàng)目：潛水蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、土壤徑流、土壤入滲、降雨徑流、土壤給水度、水稻需水量及給水度、降水補(bǔ)給系數(shù)等水文要素；輔助觀測(cè)項(xiàng)目有氣溫、濕度、地溫、降水、水面蒸發(fā)、日照、風(fēng)速等。

2給水度的試驗(yàn)方法分析

飽和土壤經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的疏干排水，釋水過(guò)程結(jié)束時(shí)，單位體積土壤釋放出來(lái)水的體積(或單位水頭下降時(shí)，土壤釋放出來(lái)水層厚度)，稱作完全給水度(即通常所稱的給水度)。給水度不但與土壤巖性有關(guān)，而且還與土層結(jié)構(gòu)、潛水埋深、土壤內(nèi)部的氣壓等因素有關(guān)。給水度在水資源計(jì)算，降水、地表水、地下水之間的水量循環(huán)和平衡規(guī)律分析及地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中都是重要參數(shù)。臺(tái)安徑流試驗(yàn)站通過(guò)室內(nèi)和野外觀測(cè)資料的綜合分析探討給水度的推求方法，計(jì)算給水度的方法包括地中滲透儀測(cè)定法、抽水試驗(yàn)法、公式法，分析各方法求得的給水度的變化規(guī)律。

2.1地中滲透儀測(cè)定法

在臺(tái)安實(shí)驗(yàn)區(qū)內(nèi)設(shè)有26個(gè)地中滲透儀試驗(yàn)設(shè)備，(如圖1)，在試筒中分別裝有沙土、亞沙土、亞粘土、粘土4種土質(zhì)，在試筒上部進(jìn)行人工均勻降水，使試筒中的土質(zhì)達(dá)到飽和，打開(kāi)連通管疏干平衡瓶水面以上的土體。每組試驗(yàn)可以調(diào)節(jié)平衡瓶水面的高度(人為調(diào)節(jié)地下水埋深)，可以計(jì)算出試筒中不同土體的體積所排出水的體積，最后計(jì)算出給水度，即：

μ(Z)=V水/V土

式中：μ(Z)為不同地下水埋深Z條件下的土壤給水度；V水為排除水的體積；V土為相應(yīng)土體的體積。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖

臺(tái)安徑流試驗(yàn)站利用地中滲透儀測(cè)定法對(duì)沙土、亞沙土、亞粘土、粘土4中土質(zhì)進(jìn)行給水度試驗(yàn)，表1為2005年各種土質(zhì)給水度的試驗(yàn)結(jié)果：

通過(guò)試驗(yàn)證明土壤給水度不但與土壤巖性有關(guān)，而且還與潛水埋深有關(guān)。

表1　各種土質(zhì)給水度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2抽水試驗(yàn)法

抽水試驗(yàn)法適用于典型地段特定巖性給水度測(cè)定。在含水層滿足均勻無(wú)限(或邊界條件允許簡(jiǎn)化)的地區(qū)，可采用抽水試驗(yàn)測(cè)定的給水度成果。在選定的鉆孔中或豎井中，對(duì)選定含水層(組)抽取地下水，形成人工降深場(chǎng)，利用涌水量與水位下降的歷時(shí)變化關(guān)系，測(cè)定含水層(組)給水度及其它水文地質(zhì)參數(shù)的試驗(yàn)。臺(tái)安徑流試驗(yàn)站2003年在新開(kāi)河實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，利用疏干法計(jì)算給水度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明給水度與抽水歷時(shí)有一定關(guān)系，如圖2。

圖2　抽水試驗(yàn)給水度與開(kāi)采歷時(shí)關(guān)系圖

從圖中可以看出，給水度隨開(kāi)采歷時(shí)的增加而增大，抽水歷時(shí)超過(guò)60 h，還沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。利用抽水試驗(yàn)法計(jì)算給水度抽水歷時(shí)多長(zhǎng)能達(dá)到穩(wěn)定，這要看土壤性質(zhì)、透氣性能、地下水埋深、抽水實(shí)際情況而定，從新開(kāi)實(shí)驗(yàn)區(qū)的抽水試驗(yàn)來(lái)看，抽水歷時(shí)需要100 h，給水度才能達(dá)到穩(wěn)定值0.053。

2.3公式計(jì)算法

在公式計(jì)算法中我們通常采用阿里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算法計(jì)算給水度。在地下水無(wú)水平流動(dòng)的地區(qū)，選擇無(wú)降水、無(wú)灌溉、無(wú)開(kāi)采影響的地下水動(dòng)態(tài)資料和水面蒸發(fā)資料，通過(guò)上述資料利用阿里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算土層不同深度的給水度：

式中：μ(Z)為與潛水埋深對(duì)應(yīng)的土壤給水度；E0為土壤蒸發(fā)能力，用λE601蒸發(fā)代替；λ為潛水蒸發(fā)系數(shù)，取1.1；△Z為由于蒸發(fā)而引起的潛水位變幅；Z為潛水埋深； Zm為潛水極限埋深；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)；

臺(tái)安徑流試驗(yàn)站新開(kāi)河實(shí)驗(yàn)區(qū)2002～2005年的地下水動(dòng)態(tài)資料基本滿足阿里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算要求，故用公式計(jì)算給水度。分析實(shí)驗(yàn)區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)資料，參考地中滲透儀的實(shí)測(cè)資料，選用Zm=3.0 m，n=1.7。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　阿里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算給水度

從上表可以看出利用阿里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算出的給水度與其他方法計(jì)算出的給水度十分接近，從土質(zhì)上看也比較合理，這說(shuō)明只要資料符合要求，選擇的參數(shù)恰當(dāng)合理，用阿里揚(yáng)諾夫公式計(jì)算出的給水度是具有一定精度的。

3各種計(jì)算給水度方法的優(yōu)缺點(diǎn)

給水度的計(jì)算方法很多，通過(guò)臺(tái)安徑流試驗(yàn)站對(duì)各種方法計(jì)算給水度的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析總結(jié)。地中滲透儀測(cè)定法的優(yōu)點(diǎn)是能夠較精確地確定給水度，能夠測(cè)定給水度隨地下水埋深的變化規(guī)律，是認(rèn)識(shí)給水度和推求給水度的有效方法之一。他的缺點(diǎn)是只能測(cè)出某點(diǎn)的給水度，不能代表某個(gè)地區(qū)的給水度，如果有當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料，用這種方法比較合適。抽水試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是在天然環(huán)境下實(shí)際抽水求得的，具有較高的可信度，并且可以代表整個(gè)面的給水度；缺點(diǎn)是造價(jià)高，在釋水滯后的嚴(yán)重地區(qū)，抽水歷時(shí)不易掌握，容易受其他邊界條件干擾，給抽水試驗(yàn)帶來(lái)一定的困難。阿里揚(yáng)諾夫公式法是利用野外觀測(cè)資料進(jìn)行的，符合自然條件的變化規(guī)律，具有一定的精度。缺點(diǎn)是在無(wú)試驗(yàn)資料的情況下，Z—潛水極限埋深和n—經(jīng)驗(yàn)指數(shù)都難以精確確定。但由于該法計(jì)算不復(fù)雜又節(jié)省資金，并能計(jì)算出垂直剖面上的各層給水度。從臺(tái)安徑流試驗(yàn)站的試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果看，只要資料符合公式要就，參數(shù)選擇合適，計(jì)算結(jié)果具有可靠的精度，在實(shí)際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

4結(jié)語(yǔ)

從以上給水度各計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)來(lái)看，它們都有各自的應(yīng)用條件，因此在實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)具體情況具體分析，選擇適合本地區(qū)特征的方法，不能盲目引用。由于各地的自然條件不同，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，同一個(gè)流域內(nèi)的給水度也有很大差距，在計(jì)算時(shí)必須多收集各種資料數(shù)據(jù)，選擇多種計(jì)算方法，把各種方法計(jì)算的結(jié)果結(jié)合自然地質(zhì)條件綜合分析，最后，要采用較合理的給水度，以免在計(jì)算地下水資源量時(shí)帶來(lái)較大誤差。

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡(jiǎn)介]王冬梅(1969-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事水文資料整編，水資源評(píng)價(jià)及論證工作。

[中圖分類(lèi)號(hào)]S152.7+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2016)01-0046-02