基于雙環(huán)滲水試驗對任丘地區(qū)包氣帶垂直滲透系數(shù)的研究

劉詠康

（河北省煤田地質(zhì)局環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院,河北 石家莊 050091）

0 引言

包氣帶是陸地水循環(huán)中重要的組成部分,負責水分在地表、土壤和地下之間的運輸,越來越受到人們的重視,包氣帶的滲透性決定著他們之間的運輸速度,是進行水資源評價的關(guān)鍵參數(shù)[1]。

王晶晶等認為雙環(huán)法滲水試驗是獲取野外包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數(shù)的有效方法,該方法基本排除了側(cè)向滲透的影響,試驗精度較高,符合實際情況[2]。本文考慮不同的地貌單元和巖性的影響因素,開展3組雙環(huán)法滲水試驗進行對比分析。

1 工作區(qū)概況

工作區(qū)為任丘市中心城區(qū)及周邊地區(qū),位于河北省滄州市西北部,西北與雄安新區(qū)相接,東與廊坊市文安、大城兩縣相連,南與河間市毗鄰,西與保定高陽縣接壤。中心城區(qū)位于市域中部偏西,北距北京151 km,東北距天津135 km,東南距滄州114 km,西距保定66 km,西南距省會石家莊201 km。工作區(qū)位于太行山東麓前平原和渤西岸濱海平原之間的河流沖積平原與湖泊淤積的平原交錯地帶。工作區(qū)地勢自西南向東北傾斜。工作區(qū)地貌呈現(xiàn)崗、坡、洼分布,區(qū)內(nèi)洼地星羅棋布,狹長帶狀崗地穿插其間,崗地主要分布在中南部和東部,所處部位地形較高,海拔多在8 m以上。坡地處于崗地與洼地之間,海拔多在6 m～8 m左右。洼地處于坡地下端,相對凹陷,季節(jié)性積水,海拔多在4.5 m～7.5 m之間。北、北東走向的中部和東部崗地把其市境分成東、西、中三條近似平行的帶狀洼地,帶狀洼地又被次一級的小緩崗分割成若干大小不同的近藤瓜狀洼地。地貌類型主要有故河道微高地小區(qū)、泛濫洼地小區(qū)和平地小區(qū),工作區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候區(qū),四季分明；多年平均氣溫為12.7℃,7月溫度最高,平均溫度為26.5℃,1月氣溫最低,月平均氣溫為-4.8℃。區(qū)內(nèi)多年平均降雨量為457.4 mm,年內(nèi)降雨量分配不平衡,降水量集中在6月～9月,占全年的75.86%。區(qū)內(nèi)地處低平原區(qū),地表水多呈自由漫流狀態(tài),順地勢由西南向東北排泄。區(qū)內(nèi)河流均為大清河水系南支,無自然河,多是利用原來的天然排水溝人工開挖的排灌河道。較大的河道有西部的古洋河、東部的小白河、中部的任文干渠。

工作區(qū)地表以沖積相為主,巖性為黃及黃灰色粉土、粉質(zhì)粘土,河道或古河道地帶為細粉砂,見少量鈣核,富含腐殖質(zhì)和炭化植物根莖,具沖孔。局部地帶有洼地或洪泛相粉質(zhì)粘土、粘土堆積,夾沼澤相,見有螺殼。

工作區(qū)位于中朝準地臺（Ⅰ2）,華北斷拗（Ⅱ24）西北部；西部及中部為Ⅲ級構(gòu)造單元的冀中臺陷（Ⅲ212）,Ⅳ級構(gòu)造單元主要為饒陽斷凹（Ⅳ242）、武清霸縣斷凹（Ⅳ239）。東部小部分為Ⅲ級構(gòu)造單元滄縣臺拱區(qū)（Ⅲ213）的大城斷凸（Ⅳ244）。構(gòu)造主要由任丘背斜潛山帶、北漢、鄚州兩個向斜組成。構(gòu)造形態(tài)及構(gòu)造運動的差異性,控制著新生界的沉積厚度。

工作區(qū)包氣帶地下水的補給來源有大氣降水入滲補給、渠道滲漏補給、渠灌入滲補給、井灌回歸補給,同時,由于近年來白洋淀蓄水,在不同年份可以獲得不同程度的側(cè)向徑流補給。降水入滲補給量是本區(qū)地下水最主要的補給來源,包氣帶巖性是決定入滲條件的主導因素。

2 雙環(huán)滲水試驗

2.1 試驗原理

試驗原理是在一定的水文地質(zhì)邊界以內(nèi),挖一試坑,并且在坑底插入內(nèi)外雙環(huán),同時向雙環(huán)內(nèi)注水,并使環(huán)內(nèi)水柱的高度保持同一高度,見圖1,這樣使?jié)B入的水量達到穩(wěn)定,并延續(xù)2 h～4 h,即可停止注水,內(nèi)環(huán)的穩(wěn)定滲透速度,即為該包氣帶的垂向滲透系數(shù)。

圖1 雙環(huán)滲水試驗裝置示意圖

2.2 試驗方法

為獲得精度較高的試驗數(shù)據(jù),本次試驗采用雙環(huán)滲水試驗。同時工作區(qū)內(nèi)有三個不同的地貌單元。一是故河道微高地小區(qū)地貌,包氣帶巖性以粉土為主,主要分布在工作區(qū)的中南部和東部,二是泛濫洼地小區(qū)地貌,包氣帶巖性以粉質(zhì)粘土為主,主要分布在工作區(qū)南部和中部；三是平地小區(qū)地貌,包氣帶巖性以粘土為主,主要分布在工作區(qū)的西北部和中北部,處于故河道微高地小區(qū)和泛濫洼地小區(qū)地貌之間[3]。為了取得不同地貌單元類型的包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數(shù),滲水試驗位置選在不同地貌單元上進行。

首先去除表土,露出目的層,在水文邊界內(nèi)挖一基坑,基坑深度0.80 m左右,基坑面積在1.3 m×1.0 m左右,以消除包氣帶表層植被根系的影響,然后將同心鐵環(huán)壓入坑底,并且鐵環(huán)需壓入5 cm以上。

試驗開始時,往內(nèi)外兩環(huán)同時注水,要注意的是兩環(huán)內(nèi)水柱的高度要保持一致,一般控制在10 cm左右；按一定的時間間隔觀測內(nèi)外兩環(huán)水的入滲量,并且隨時做好記錄。由于開始水的入滲速度較快,觀測時間間隔較短,每5 min觀測一次,連續(xù)觀測5個5 min后,入滲速度變慢,改為每20 min觀測一次。當滲入水量～時間曲線呈近似水平狀態(tài)時,再延續(xù)2 h～4 h,即可停止試驗。穩(wěn)定標準為滲入流量Q呈隨機波動變化且變幅＜5%。

2.3 數(shù)據(jù)處理方法

本次采用的是入滲速度近似法。其原理是當單位時間內(nèi)環(huán)注入水量（即包氣帶巖層的滲透流量）保持穩(wěn)定時,內(nèi)環(huán)的穩(wěn)定滲透速度,即為該包氣帶的垂向滲透系數(shù),即：

式中：Q為穩(wěn)定滲透流量,即注入水量,m3；V為滲透水流速度,m/d；I為垂向水力坡度；Hk為包氣帶土層的毛細上升高度,可測定或用經(jīng)驗數(shù)據(jù)；Z為滲水坑內(nèi)水層厚度；L為水從坑底向下滲入的深度。

由于Hk、L、Z均為已知,故可計算出水力坡度I值。但在通常情況下,當滲入水到達潛水面后,等于0。又因Z遠遠小于L,故水力坡度值近似等于1（I等于1）,于是公式可變?yōu)椋?/p>

2.4 試驗數(shù)據(jù)處理

故河道微高地小區(qū)地貌單元,地表出露巖性為粉土,由表1可以看出,本次試驗用時為405 min,145 min后試驗數(shù)據(jù)開始趨于穩(wěn)定,由入滲速度近似法求得,該點及周圍區(qū)域的包氣帶非飽和松散巖層垂向滲透系數(shù)K為0.29 m/d。

表1 河道微高地小區(qū)地貌單元試驗成果表

泛濫洼地小區(qū)地貌單元,地表出露巖性為粉質(zhì)粘土,由表2可以看出本次試驗用時為405 min,125 min后試驗開始趨于穩(wěn)定,由入滲速度近似法求得,該點及周圍區(qū)域的包氣帶非飽和松散巖層垂向滲透系數(shù)K為0.030 m/d。

表2 泛濫洼地小區(qū)地貌單元試驗成果表

平地小區(qū)地貌單元,地表出露巖性為粘土,由表3本次試驗用時為405 min,45 min后試驗開始趨于穩(wěn)定,由入滲速度近似法求得,該點及周圍區(qū)域的包氣帶非飽和松散巖層垂向滲透系數(shù)K為0.0058 m/d。

表3 平地小區(qū)地貌單元試驗成果表

3 結(jié)語

（1）雙環(huán)滲水試驗由于操作簡單、價格低廉和精度較高,試驗結(jié)果貼近現(xiàn)實,因此常用該試驗測定野外包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數(shù),但是要慎重注意試驗數(shù)據(jù)的采集和處理,數(shù)據(jù)采集過程中盡量要避免人為誤差。

（2）本次試驗從不同的地貌單元和巖性進行了試驗,取得了較好的效果,為后續(xù)工作區(qū)研究水均衡、水庫、坑地表水滲入量等提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）本次試驗進行時不能完全排除松散巖層中的空氣,測定的包氣帶非飽和松散巖層的滲透系數(shù)偏小。