黑河中游不同灌溉方式下地下水入滲補(bǔ)給特征研究

崔虎群，李文鵬，康衛(wèi)東，劉振英，尹德超，吳 璽，安永會(huì)，耿紅杰

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北 保定 071051；2.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069；4.河北地質(zhì)大學(xué)水資源與環(huán)境學(xué)院,河北 石家莊 050031）

大氣降水和灌溉水作為地下水的重要補(bǔ)給來源，不斷地參與著自然界的水循環(huán)。降水入滲補(bǔ)給量和灌溉水入滲補(bǔ)給量是計(jì)算地下水補(bǔ)給量的重要組成部分[1]。利用示蹤技術(shù)評價(jià)地下水補(bǔ)給量是近幾十年來發(fā)展起來的一門新技術(shù)。該技術(shù)不是直接進(jìn)行降水和灌溉水補(bǔ)給測定，而是通過水文和示蹤試驗(yàn)間接估算降水入滲補(bǔ)給量和灌溉水入滲補(bǔ)給量[2]，國內(nèi)學(xué)者廣泛應(yīng)用環(huán)境示蹤法[3-7]、人工溴示蹤法[8-11]和溫度示蹤法[12-13]評價(jià)地下水補(bǔ)給量。在試驗(yàn)過程中由于溴離子在一般環(huán)境下背景值低，測試方便，經(jīng)常作為理想的人工示蹤劑。王登等[14]、王健等[15]利用人工溴示蹤法進(jìn)行了潛水蒸發(fā)評價(jià)。

黑河是我國第二大內(nèi)陸河，目前關(guān)于黑河中游大氣降水和灌溉水入滲補(bǔ)給的研究較少。曹建廷等[16]認(rèn)為灌溉水入滲系數(shù)隨潛水位埋深增加而減小，在地下水埋深小于4 m 的范圍內(nèi)，灌溉水入滲系數(shù)變化范圍為0.3～0.9。陳志輝等[17]確定了在埋深小于8.06 m 的地區(qū)灌溉過程中至少11.4% 的灌溉水量入滲補(bǔ)給地下水。聶振龍等[18]認(rèn)為地下水水位埋深大于5 m的地帶仍然存在降水入滲補(bǔ)給，年入滲補(bǔ)給量為13.3～18.4 mm。本次基于以上理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，采用人工溴示蹤方法，研究不同注入深度和不同灌溉方式對灌溉水入滲補(bǔ)給量的影響，定量確定不同灌溉方式的入滲補(bǔ)給量及入滲補(bǔ)給參數(shù)，為黑河流域地下水資源評價(jià)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原理

在土壤剖面內(nèi)某深度投放人工示蹤劑，定時(shí)采樣分析剖面上人工示蹤劑的垂向分布，根據(jù)其濃度峰值運(yùn)移的速度和剖面含水量，計(jì)算潛在入滲補(bǔ)給量R[19]：

式中：Δt——示蹤劑投放到取樣的時(shí)間間隔/a；

Δz——示蹤劑濃度峰值的運(yùn)移距離/cm；

θ——Δt時(shí)段內(nèi)峰值運(yùn)移距離的平均土壤體積含水量。

計(jì)算的試驗(yàn)點(diǎn)潛在入滲補(bǔ)給量與該點(diǎn)總水量（降水量+灌溉水量）的比值定義為入滲補(bǔ)給系數(shù)α：

式中：R——潛在入滲補(bǔ)給量/mm；

Q——試驗(yàn)點(diǎn)總水量/mm。

該方法一般要滿足以下條件：①示蹤劑具有守恒性，在包氣帶運(yùn)移過程中不被吸收、不發(fā)生化學(xué)變化；②土壤水運(yùn)動(dòng)為活塞流水流；③該方法需要在不發(fā)生優(yōu)先型前行水流的區(qū)域進(jìn)行，流動(dòng)遵循的原則是土水勢由高處向低處運(yùn)移；④示蹤劑應(yīng)投放在單向入滲下行區(qū)。

1.2 試驗(yàn)點(diǎn)介紹

試驗(yàn)點(diǎn)位于黑河中游張掖盆地平原堡，是我國典型的干旱地區(qū)，屬于溫帶大陸性干旱氣候，具有夏季短而炎熱、冬季長且嚴(yán)寒，干燥少雨，降雨分布不均的特點(diǎn)。多年平均氣溫7.4℃，多年平均降水量129.8 mm，多年平均蒸發(fā)量2 039.2 mm。試驗(yàn)場地下水水位埋深為10～11 m。

平原堡試驗(yàn)場總面積5 160 km2，長86 m，寬60 m，分為大氣降水試驗(yàn)田（面積為369.95 km2）、大水灌溉試驗(yàn)田（面積為333.2 km2）、小水灌溉試驗(yàn)田（面積為333.2 km2）和滴灌試驗(yàn)田（面積為4 123.65 km2）。大氣降水試驗(yàn)田無作物，其他試驗(yàn)田作物為制種玉米，玉米每年灌溉6～8 次。降雨、灌溉數(shù)據(jù)見表1。

表1 平原堡野外試驗(yàn)點(diǎn)降水和灌溉量Table 1 Rainfall and irrigation of the tracer injecting sites in Pingyuanpu

1.3 試驗(yàn)點(diǎn)投放取樣

2012年10月開展野外示蹤試驗(yàn)，選用NaBr 作為示蹤劑，投放在黑河中游張掖盆地平原堡地區(qū)，在每個(gè)試驗(yàn)田布設(shè)2 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，共計(jì)8 個(gè)（圖1），投放方案為方坑布置（四壁注水方法）和圓孔布置（孔底注水方法），具體見表2。方坑深度為2.95～3.55 m，注藥濃度為20 g/L；圓孔深度為3.26～3.46 m，注藥濃度為20 g/L。2014年10月在滴灌試驗(yàn)田內(nèi)，布設(shè)南北向4 列、東西向3 行共12 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(圖1)，其中4 列注藥深度分別為1，2，3，4 m，3 行注藥濃度分別為10，30，50 g/L。采用5 圓孔布置方案（中心1 孔、周邊等距4 孔），主、副孔的間距均為0.4 m。在12 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)南側(cè)每個(gè)試驗(yàn)田內(nèi)布設(shè)一排4 個(gè)單孔點(diǎn)，均采用孔底注水方法，見表3，深度均為3 m，注藥濃度為20 g/L。

表2 2012年示蹤試驗(yàn)布設(shè)及投樣Table 2 Arrangement form of the trace experiment in 2012

表3 2014年示蹤試驗(yàn)布設(shè)及投樣Table 3 Arrangement form of the trace experiment in 2014

圖1 野外試驗(yàn)點(diǎn)平面位置圖Fig.1 Location of the tracer injecting sites

取樣采用國際先進(jìn)的Geoprobe 6620 DT 直推式土壤鉆機(jī)施工，現(xiàn)場對各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土樣按5～10 cm 長度分割裝袋，稱其重量，密封保存，并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測試。通過烘干法得出各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)土樣的含水量。按土水比1∶1 稀釋獲取土壤溶液，充分?jǐn)嚢?、離心過濾得到清液。采用PXSJ-216 型離子計(jì)，通過離子選擇電極法測試溴離子濃度，溴離子電極在使用前采用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校驗(yàn)，測試精度可達(dá)99%。

2 結(jié)果

平原堡試驗(yàn)場降雨數(shù)據(jù)由當(dāng)?shù)貧庀蟛块T獲得，灌溉數(shù)據(jù)為實(shí)測數(shù)據(jù)。由式（1）計(jì)算得到潛在入滲補(bǔ)給量，再除以相應(yīng)的水量得到入滲補(bǔ)給系數(shù)。

研究區(qū)大氣降水狀態(tài)下，試驗(yàn)點(diǎn)多年平均輸入水量為124.13 mm，包氣帶溴離子含量峰值年均運(yùn)移距離為21.25 cm，年平均入滲補(bǔ)給量為11.93 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.1。大水漫灌狀態(tài)下，試驗(yàn)點(diǎn)多年平均輸入水量為941.82 mm，包氣帶溴離子含量峰值年均運(yùn)移距離為86.51 cm，年平均入滲補(bǔ)給量為148.7 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.16。小水漫灌狀態(tài)下，試驗(yàn)點(diǎn)多年平均輸入水量為763.28 mm，包氣帶溴離子含量峰值年均運(yùn)移距離為46.35 cm，年平均入滲補(bǔ)給量為53.81 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.07。滴灌狀態(tài)下，試驗(yàn)點(diǎn)多年平均輸入水量為500.76 mm，包氣帶溴離子含量峰值年均運(yùn)移距離為41.72 cm，年平均入滲補(bǔ)給量為52.6 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.11，見表4。

表4 入滲補(bǔ)給量Table 4 Calculated results of groundwater recharge

3 討論

3.1 不同灌溉方式的影響

灌溉方式包括大水漫灌、小水漫灌和滴灌，試驗(yàn)結(jié)果可知，平原堡試驗(yàn)田年平均入滲補(bǔ)給量大水漫灌（148.70 mm）＞小水漫灌（53.81 mm）＞滴灌（52.60 mm），入滲補(bǔ)給系數(shù)大水漫灌（0.16）＞滴灌（0.11）＞小水漫灌（0.07）。

3.2 示蹤劑注入量的影響

試驗(yàn)場地注入孔旁采集土樣的示蹤劑濃度測試結(jié)果表明：12 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)60 個(gè)注入孔的示蹤劑擴(kuò)散水平距離均大于20 cm，孔中注入量小的示蹤劑擴(kuò)散水平距離小于40 cm，孔中注入量大的示蹤劑擴(kuò)散水平距離大于40 cm、小于60 cm。即試驗(yàn)場地內(nèi)注入量達(dá)到5 L 的示蹤劑擴(kuò)散水平距離為20～40 cm，注入量達(dá)到15 L 的示蹤劑擴(kuò)散水平距離為40～60 cm。

按照注入量5 L 最大水平擴(kuò)散距離40 cm，注入量15 L 最大水平擴(kuò)散距離60 cm 計(jì)算，示蹤劑水平擴(kuò)散面積以及厚度計(jì)算結(jié)果見表5。各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)水平擴(kuò)散面積為2.01～3.14 m2，水層厚度為14.93～23.89 mm。2014—2015年一個(gè)水文年滴灌量為480.88 mm，注入量水層厚度占滴灌量的3%～5%，比例較小，可以忽略示蹤劑注入水量對試驗(yàn)的影響。

表5 示蹤劑水平擴(kuò)散面積以及厚度Table 5 Calculated results of horizontal diffusion area and thickness of tracer

3.3 示蹤劑投放深度的影響

滴灌試驗(yàn)田注藥深度為1 m 的2 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)呈現(xiàn)溴離子濃度峰值上移的情況（圖2），原因在于蒸發(fā)作用導(dǎo)致了土壤中的水分上移，從而攜帶了示蹤劑的向上運(yùn)移。

圖2 2014—2015年HR1 和HR9 溴離子剖面示意圖Fig.2 Profile of concentration of bromide ion in HR1 and HR9 from 2014 to 2015

在滴灌狀態(tài)下，不同埋藥深度，年平均入滲補(bǔ)給量和入滲補(bǔ)給系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 滴灌條件下不同深度年均入滲補(bǔ)給量和入滲補(bǔ)給系數(shù)Table 6 Recharge and recharge coefficient of different depths under drip irrigation

按水分運(yùn)動(dòng)特征分段：上部(一般3 m 以淺)為入滲蒸發(fā)雙向運(yùn)動(dòng)區(qū)；下部為單向入滲下行運(yùn)動(dòng)區(qū)，示蹤劑施于該區(qū)。示蹤劑投放2 m 的試驗(yàn)點(diǎn)處在入滲蒸發(fā)雙向運(yùn)動(dòng)區(qū)，仍受雙向運(yùn)動(dòng)特征影響，導(dǎo)致入滲補(bǔ)給量偏小。本次研究采用投放深度3，4 m 的試驗(yàn)點(diǎn)測試結(jié)果。

3.4 體積含水量的影響

采用烘干法測試土壤樣品的含水量過程中，含水量測試包含了結(jié)合水(不參與水分運(yùn)動(dòng))，顆粒越細(xì)，結(jié)合水比例越高，導(dǎo)致計(jì)算的入滲補(bǔ)給量稍偏大。本次計(jì)算體積含水量時(shí)采用的是溴離子峰值運(yùn)移過程中砂層的加權(quán)體積含水量，避開了黏性土質(zhì)的體積含水量。關(guān)于不含結(jié)合水的含水量測試方法及應(yīng)用，在今后的工作中有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)人工溴示蹤試驗(yàn)，獲得黑河中游平原堡地區(qū)大氣降水狀態(tài)下試驗(yàn)點(diǎn)多年平均入滲補(bǔ)給量為11.93 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.1；大水漫灌狀態(tài)下試驗(yàn)點(diǎn)多年平均入滲補(bǔ)給量為148.7 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.16；小水漫灌狀態(tài)下試驗(yàn)點(diǎn)多年平均入滲補(bǔ)給量為53.81 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.07；滴灌狀態(tài)下試驗(yàn)點(diǎn)多年平均入滲補(bǔ)給量為52.6 mm，入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.11。

（2）人工示蹤法應(yīng)用于地下水水位埋深較大的區(qū)域，示蹤劑投放在單向入滲下行運(yùn)動(dòng)區(qū)內(nèi)，宜避開入滲蒸發(fā)雙向運(yùn)動(dòng)區(qū)，內(nèi)陸盆地一般投放在地表3 m 以下位置。

（3）滴灌條件下埋藥深度在3，4 m 的入滲補(bǔ)給量趨于穩(wěn)定，年平均入滲補(bǔ)給量為45.69，49.84 mm。

致謝：感謝武漢大學(xué)楊金忠老師給予的指導(dǎo)，感謝西北大學(xué)邢高哲碩士、皮鍇鴻碩士、趙璽碩士和王倩雯碩士在試驗(yàn)過程中所做的工作。