黃河沖積平原灌溉入滲研究

譚菊萍

（河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001）

黃河沖積平原灌溉入滲研究

譚菊萍

（河南省地質(zhì)調(diào)查院，鄭州 450001）

黃河沖積平原面積廣大，農(nóng)田灌溉頻繁，灌水量大，在地下水資源評(píng)價(jià)時(shí)對(duì)灌溉入滲系數(shù)取值困難。本文在現(xiàn)場(chǎng)灌溉入滲試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析包氣帶巖性及結(jié)構(gòu)、水位埋深、灌溉水量對(duì)灌溉入滲系數(shù)的影響，總結(jié)提出了多種條件下灌溉入滲系數(shù)的取值范圍。在單位灌水量40～60 m3/畝和水位埋深小于4 m、4～8 m、大于8 m的井灌區(qū)中，當(dāng)包氣帶巖性為粉土、粉砂時(shí)，灌溉入滲系數(shù)可分別取值0.21～0.10、0.10～0.05、0.05～0；當(dāng)包氣帶巖性?shī)A有粉質(zhì)粘土層時(shí)，灌溉入滲系數(shù)可分別取值0.15～0.09、0.09～0.05、0.05～0。在單位灌水量較大的渠灌區(qū)，灌溉入滲系數(shù)可按單位灌水量的增大倍數(shù)而增加，由此為黃河沖積平原區(qū)地下水補(bǔ)給量計(jì)算中灌溉入滲系數(shù)的確定提供了依據(jù)。

灌溉；入滲系數(shù)；黃河沖積平原

灌溉入滲系數(shù)是地下水資源計(jì)算中的一個(gè)重要參數(shù)，以往求取的方法主要有均衡法、相關(guān)分析法[1～2]、室內(nèi)試驗(yàn)法［3］、雙環(huán)入滲法、反求法［4］等，而通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)求取灌溉入滲系數(shù)的研究較少，張?jiān)频龋?］對(duì)滹沱河及其漫灘地帶地面水入滲地下過程中對(duì)水質(zhì)起限制性影響的氮行為進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究。入滲是水分進(jìn)入土體，在土體中運(yùn)動(dòng)和存儲(chǔ)的過程，影響入滲系數(shù)的主要因素是土體巖性與結(jié)構(gòu)、初始含水量和地下水位埋深、灌水定額等［3，6-7］。

黃河沖積平原分布范圍廣，包氣帶土體結(jié)構(gòu)多樣，厚度變化大，農(nóng)田灌溉頻繁，灌溉水量大，精確確定灌溉入滲系數(shù)是提高地下水資源計(jì)算精度的關(guān)鍵。筆者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，分析不同土體結(jié)構(gòu)類型、不同地下水位埋深、土壤初始含水量和灌溉水量對(duì)入滲的影響，提出了相應(yīng)的灌溉入滲系數(shù)取值范圍。

1 試驗(yàn)場(chǎng)地特征

黃河水泥沙含量高，泥沙在河道內(nèi)淤積，河道不斷抬高，洪水期極易造成決口、改道，形成黃河故道、背河洼地、泛流平地、決口扇等地貌形態(tài)相間分布。包氣帶巖性為全新世沉積物，以粉土、粉砂為主，結(jié)構(gòu)松散。在沖積扇前緣、背河洼地，包氣帶巖性以粉質(zhì)粘土、粉土為主（圖1）。黃河以北，地勢(shì)由西南向東北緩傾斜，地面平均坡降0.25‰～0.14‰，黃河以南，地勢(shì)由西北向東南緩傾斜，地面平均坡降約為0.50‰～0.20‰。

黃河沖積平原是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)，以開采淺層地下水井灌為主，灌溉面積2348×104畝，年平均灌水定額200～300 m3/畝，農(nóng)田灌溉開采總量超過50×108m3。黃河從研究區(qū)中部穿過，屬南北流域的分水嶺，引黃灌溉非常便利，分布有1萬(wàn)畝以上灌區(qū)26個(gè)，灌溉面積502×104畝，年灌水定額400～600 m3/畝，年灌溉引水量24.31×108m3。灌溉水入滲成為淺層地下水的補(bǔ)給來源之一。上世紀(jì)八十年代以來，由于農(nóng)田井灌和工業(yè)開采量的不斷增大，地下水位下降，尤其是黃河以北的滑縣-清豐-南樂一帶，形成地下水降落漏斗，水位埋深大于15 m，灌溉水入滲明顯減小。

1.1 包氣帶巖性結(jié)構(gòu)

黃河沖積平原區(qū)（河南省部分）包氣帶巖性為粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂。巖性結(jié)構(gòu)類型有粉土單層結(jié)構(gòu)，粉土、粉砂雙層結(jié)構(gòu)，粉土、粉質(zhì)粘土雙層結(jié)構(gòu)，粉土、粉質(zhì)粘土、粉砂多層結(jié)構(gòu)。新鄉(xiāng)縣王連屯、商丘北郊兩處試驗(yàn)場(chǎng)地包氣帶巖性為粉土+粉砂雙層結(jié)構(gòu)，新鄉(xiāng)縣忠義試驗(yàn)場(chǎng)地為粉土單層結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)垣縣常村、商丘市南郊兩處為粉質(zhì)粘土+粉土雙層結(jié)構(gòu)，延

津縣賈堤試驗(yàn)場(chǎng)地為粉砂+粉土雙層結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)地段包氣帶最小厚度1.6 m，最大厚度8.87 m，一般2.15～3.4 m。

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地面積及觀測(cè)孔的布置

選擇矩型試驗(yàn)場(chǎng)地，面積2～4畝，每個(gè)試驗(yàn)地段布設(shè)二排相互垂直的觀測(cè)剖面，觀測(cè)孔8～10眼，中心觀測(cè)孔位于試驗(yàn)場(chǎng)地的幾何中心，場(chǎng)地四邊均有觀測(cè)孔，場(chǎng)地外側(cè)布置2～3個(gè)觀測(cè)孔，距離場(chǎng)地邊緣15～40 m，觀測(cè)孔深度10～18 m，應(yīng)經(jīng)過徹底清洗，能靈敏反映地下水位變化。

1.3 灌溉試驗(yàn)前有關(guān)參數(shù)的確定

水位變動(dòng)帶地層的給水度是計(jì)算灌溉入滲量的重要參數(shù)，通過孔組非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)求取。粉砂給水度0.059，粉土給水度0.053，粉質(zhì)粘土+粉土給水度0.012。為合理確定水位觀測(cè)頻率，進(jìn)行雙環(huán)滲水試驗(yàn)，判定灌溉入滲引起地下水位回升的最快時(shí)間。

圖1 研究區(qū)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)及厚度分布圖Fig.1 lithologic character and thickness in the vadose zone1.粉砂單層結(jié)構(gòu)或粉砂、粉土雙層結(jié)構(gòu)；2.粉土單層結(jié)構(gòu)或粉土、粉質(zhì)粘土雙層結(jié)構(gòu)；3.粉質(zhì)粘土單層結(jié)構(gòu)或粉質(zhì)粘土、粉土雙層結(jié)構(gòu)；4.包氣帶巖性結(jié)構(gòu)分區(qū)界線；5.水位埋深或包氣帶厚度（m）；6.灌溉入滲試驗(yàn)場(chǎng)地

2 灌溉入滲影響因素

灌溉水通過充填土層空隙，并在重力作用下滲入補(bǔ)給地下水，影響入滲能力的主要因素有土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)、初始含水量、滲透性能等［3，8］。結(jié)合黃河沖積平原特征，從包氣帶巖性結(jié)構(gòu)、地下水位埋深、灌水量、土層初始含水量等因素，分析對(duì)灌溉入滲的影響。

2.1 包氣帶巖性結(jié)構(gòu)對(duì)入滲的影響

包氣帶巖性和結(jié)構(gòu)是控制灌溉入滲的最主要因素。通過試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地表雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果說明（表1），土體顆粒越粗、結(jié)構(gòu)越松散，灌溉水越容易入滲，入滲速度和入滲量越大。在雙層和多層結(jié)構(gòu)地區(qū)

（圖2），入滲量主要取決于細(xì)顆粒土層與厚度，且上部分布細(xì)顆粒土層的地區(qū)，入滲困難。上部為粉砂、下部為粉土的賈堤試驗(yàn)區(qū)較上部為粉土，下部為粉砂的王連屯試驗(yàn)區(qū)的垂向滲透系數(shù)大，而上部夾有粉質(zhì)粘土層的常村試驗(yàn)區(qū)的垂向滲透系數(shù)更小。

2.2 地下水位埋深對(duì)入滲的影響

在包氣帶巖性與結(jié)構(gòu)相似條件下，水位埋深越大，灌溉水入滲路徑越長(zhǎng)，入滲至地下水位的時(shí)間越長(zhǎng)，在入滲過程中消耗于土層顆粒吸水、蒸發(fā)的水量就越多，相應(yīng)的，對(duì)地下水的入滲補(bǔ)給量越少。

2.3 單位灌水量對(duì)入滲的影響

單位灌水量越大，淹沒高度或水頭壓力就越大，灌溉水入滲速率和入滲量就越大。灌溉水量越大，入滲所需時(shí)間越長(zhǎng)［9］。研究區(qū)灌溉水量40～80 m3/畝，相當(dāng)于淹沒深度6～10 cm，在水位埋深2～3 m的粉砂、粉土雙層結(jié)構(gòu)區(qū)，灌溉后的1～2 d即引起地下水位上升。

2.4 初始含水量對(duì)入滲的影響

灌溉入滲是在水壓力作用下，灌溉水充填土層空隙的過程，并同時(shí)在重力作用下向深部運(yùn)移。在運(yùn)移過程中，土壤一邊吸水一邊向下部土層釋水，土層初始含水量是其吸水量大小的控制因素之一，土層初始含水量越高，灌溉水在入滲過程中消耗的水量越小，越有利于灌溉水的入滲。鄭健等［10］通過控制地下浸潤(rùn)灌溉土壤入滲特征研究得出，初始含水量較高土壤的濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速度較初始含水量低的土壤快，原理是水勢(shì)梯度是影響入滲速率大小的主要因素，初始含水量越低的土壤需要更多的累計(jì)水量充填土壤空隙從而延緩了濕潤(rùn)鋒的前進(jìn)。

表1 垂向滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表Table 1 Test data of the vertical infiltration coefficient

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)包氣帶巖性結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Lithologic characters of the vadose zone in the testing field

3 灌溉入滲試驗(yàn)

3.1 灌溉水量

選擇試驗(yàn)場(chǎng)地以外機(jī)井作為灌溉水源，灌溉水量以滿足農(nóng)田用水要求為標(biāo)準(zhǔn)，不同的試驗(yàn)地段灌

溉需水量差異較大，從40～90 m3/畝不等，主要影響因素為農(nóng)田平整程度，耕作層巖性及含水量，農(nóng)作物種類和澆灌速度等。

3.2 入滲觀測(cè)

灌水之前3天開始觀測(cè)地下水位，每8 h觀測(cè)一次，掌握地下水位變化趨勢(shì)與速率，作為校正灌溉后水位變幅的依據(jù)。灌水后每2 h觀測(cè)水位一次，觀測(cè)延續(xù)時(shí)間以水位變化趨于自然變幅為標(biāo)準(zhǔn)。觀測(cè)精度至毫米。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

灌溉入滲系數(shù)計(jì)算，根據(jù)各觀測(cè)孔水位回升幅度，繪制地下水升幅曲線，計(jì)算出灌溉入滲量，由下式求取灌溉入滲系數(shù)（β）。

式中

賈堤、王連屯試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算成果見表2，研究區(qū)灌溉入滲系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

從表2、3分析說明：

（1）灌溉入滲系數(shù)與包氣帶巖性顆粒大小呈正相關(guān)，且關(guān)系密切，顆粒越粗，入滲系數(shù)越大。粉土+粉砂結(jié)構(gòu)的灌溉入滲系數(shù)是分布粉質(zhì)粘土夾層地區(qū)的1.5～2.0倍。在水位埋深1.8～3.4 m的粉砂+粉土或粉土+粉砂試驗(yàn)區(qū)，入滲系數(shù)為0.083～0.265，而粉質(zhì)粘土+粉土試驗(yàn)區(qū)入滲系數(shù)為0.086～0.104。

表2 灌溉入滲試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果表Table 2 Calculating data of the irrigation infiltration test

表3 灌溉入滲系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of the irrigation infiltration coefficient

（2）由圖3分析，在水位埋深大于2 m的地區(qū)，灌溉入滲系數(shù)與地下水位埋深呈負(fù)相關(guān)，即水位埋深越大，入滲系數(shù)越小。在粉土、粉砂分布區(qū)，水位埋深大于15 m后，入滲系數(shù)趨于0；在有粉質(zhì)粘土夾層的地區(qū)，當(dāng)水位埋深大于12 m后，入滲系數(shù)趨于0。

圖3 灌溉入滲系數(shù)與水位埋深關(guān)系圖Fig.3 Relationship between the irrigation infiltration coefficient and water level

（3）由圖4分析，灌溉入滲系數(shù)與單位灌水量大小呈正相關(guān)，即在同一灌區(qū)內(nèi)，入滲水消耗于包氣帶的水量一定，單位灌水量越大，滲入到飽水帶的水量越大。單位灌水量80 m3/畝時(shí)的入滲系數(shù)是50 m3/畝的1.95倍。

圖4 忠義試驗(yàn)場(chǎng)地入滲系數(shù)與灌水量關(guān)系圖Fig. 4 Relationship between the irrigation infiltration coefficient and irrigation water quantities

（4）灌溉入滲速度受包氣帶巖性結(jié)構(gòu)的控制，粉砂+粉土比粉土+粉砂結(jié)構(gòu)入滲速度快。賈堤試驗(yàn)區(qū)，水位埋深2.3 m，包氣帶巖性結(jié)構(gòu)為粉砂+粉土，灌水后第2天即造成地下水位開始回升，回升持續(xù)時(shí)間28 h。

5 結(jié)論

包氣帶巖性結(jié)構(gòu)、地下水位埋深、單位灌水量、土層初始含水量是控制灌溉入滲系數(shù)的主要因素。黃河沖積平原區(qū)，包氣帶巖性以粉土、粉砂為主，厚度一般2～8 m,灌溉入滲條件良好。粉土+粉砂結(jié)構(gòu)的灌溉入滲系數(shù)是分布有粉質(zhì)粘土夾層地區(qū)的1.5～2.0倍。入滲系數(shù)與水位埋深呈負(fù)相關(guān)，與單位灌水量大小呈正相關(guān)。在單位灌水量40～60 m3/畝和水位埋深＜4 m、4～8 m、＞8 m的井灌區(qū)，當(dāng)包氣帶巖性為粉土、粉砂時(shí)，灌溉入滲系數(shù)可分別取值0.21～0.10、0.10～0.05、0.05～0；而包氣帶巖性?shī)A有粉質(zhì)粘土層時(shí)，灌溉入滲系數(shù)可分別取值0.15～0.09、0.09～0.05、0.05～0。在單位灌水量較大的渠灌區(qū)，灌溉入滲系數(shù)可隨單位灌水量的增大倍數(shù)而增加。

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Research on the Irrigation Infiltration in the Yellow River A lluvial Plain

TAN Ju-ping
（Henan instituteof geologicalsurvey,Zhengzhou,450001,China）

The Yellow River alluvial plain isa large area,whose farm land irrigation isvery frequency thatwasted a largeamountofwater.It ishard to obtain irrigation infiltration coefficientvalueswhen thegroundwater resourcesareevaluated.In thispaper,on the basisof the field irrigation infiltration test,the lithology,structure,water level,and irrigation water in the vadose zone impacting on the irrigation infiltration coefficientwassummarized,and the range of irrigation infiltration coefficienton various conditions isproposed.In thewell irrigated area,the unit of irrigation water is 240～360m3peracre and thegroundwater level range is＜4m,4～8m and＞8m.If there is floury soil and silt in the vadose zone,the value rang of irrigation coefficient infiltration is 0.21～0.10、0.10～0.05、0.05～0,respectively;If itm ixed w ith silty clay layer in the vadose zone,the value rang of irrigation coefficient infiltration is0.15～0.09、0.09～0.05、0.05～0,respectively.In the canal irrigation districtwhere the unitof irrigation is big,irrigation coefficient infiltration is increased with themultiple increase of unit irrigation water. This conclusion provide the basis for determ ining the irrigation coefficient infiltration when calculate the quantity of groundwater recharge in the area of the yellow river alluvialplain.

irrigation;infiltration coefficient;Yellow Riveralluvialplain

P641.6

：A

：1672-4135（2013）04-0299-06

2013-07-20

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目：黃河下游（河南段）環(huán)境地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)資助（編號(hào)：200312300014）

譚菊萍（1963-），女，工程師，長(zhǎng)期從事水文地質(zhì)、工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)調(diào)查工作，E-mail∶541474956@qq.com。