方 磊，吳 瑞，徐兆祥，王成文

(寧夏回族自治區(qū)水文環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，寧夏 銀川 750021)

包氣帶是極其重要的地帶，多學(xué)科交叉地帶，越來越受到人們的重視。其滲透性用于衡量水分的轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)速度，是水資源轉(zhuǎn)換評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)[1-2]。其中，雙環(huán)滲水試驗(yàn)是一種簡易可靠的方法，得到了廣泛的應(yīng)用和實(shí)踐[3]。銀北地區(qū)灌溉為主，引黃水通過包氣帶能夠快速下滲轉(zhuǎn)換為地下水，實(shí)現(xiàn)“三水”轉(zhuǎn)換。為作物和植被提供長期水源，支撐了平原綠洲的生態(tài)。本次研究在銀北選取幾種典型的包氣帶，開展雙環(huán)滲水試驗(yàn)，服務(wù)銀川平原的生態(tài)建設(shè)。

圖1 交通位置圖

1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

根據(jù)研究，銀北地區(qū)有3類地區(qū)具有代表性。一是沙地區(qū)，包氣帶以細(xì)砂為主。二是農(nóng)田區(qū)，包氣帶以黏砂土為主。三是湖泊濕地區(qū)以砂黏土為主。本次工作在銀北的這三類地區(qū)的各開展一組試驗(yàn)，見圖1。試驗(yàn)點(diǎn)所在的銀北地區(qū)降雨量約是蒸發(fā)量10%，干旱少雨，以人工引黃灌溉為主[4]。

2 試驗(yàn)原理與試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.1 計(jì)算公式

根據(jù)包氣帶垂向一維滲流理論公式[5]，本次研究包氣帶滲透系數(shù)的公式為：

(1)

(2)

(3)

式中：H1為環(huán)中的水面高度，取0.1 m；Hb為毛細(xì)上升高度；Lx為某時(shí)間的平均滲入深度； Kx為某時(shí)間滲透系數(shù)；Δtx為某一時(shí)間間隔；Vx為某時(shí)間入滲水體積；A是內(nèi)環(huán)滲透面積。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取

試驗(yàn)內(nèi)環(huán)直徑0.25 m，外環(huán)直徑為0.5 m。在試驗(yàn)開始之前用黃油均勻涂抹內(nèi)環(huán)入土部分，防止連串。試驗(yàn)采用尖銳的大頭針扎剛破水面這一現(xiàn)象來作為某體積水量在某一時(shí)段入滲結(jié)束的標(biāo)志，也是一下時(shí)段加水記時(shí)的開始。這一判別標(biāo)志在實(shí)踐操作中有著非常好的試驗(yàn)效果。

3 試驗(yàn)分析

3.1 沙地區(qū)

本組試驗(yàn)用時(shí)80 min，入滲深度0.81 m，入滲速度6.2 ml/s，見表1和圖2。

圖2顯示：銀北該土體的Kx為7.12 m/d。Kx隨試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間而不斷增加，入滲曲線非常規(guī)律有序，可以用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行刻畫精確描述，見圖2。

圖2表明隨著試驗(yàn)水的不斷滲入包氣帶，其含水率不斷的增加，致使其滲透系數(shù)也在不斷增加[6]。

圖2 沙地區(qū)包氣帶滲透系數(shù)歷時(shí)圖

表1 銀北沙地區(qū)包氣帶入滲成果表

3.2 農(nóng)田區(qū)

本組試驗(yàn)時(shí)間正是農(nóng)田灌溉時(shí)期，地下水位淺埋，僅有0.40 m。試驗(yàn)共歷時(shí)400 min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出分段性。試驗(yàn)曲線基本可劃分為不飽和、排氣和飽和入滲3個(gè)過程，見表2和圖3。

(1)不飽和入滲過程：在試驗(yàn)開始的80 min內(nèi)，隨著不斷滲水， 包氣帶含水量在不斷增加，故Kx也增大。

(2)排氣入滲過程：由于地下水位埋深僅有0.40 m，試驗(yàn)進(jìn)行80 min以后，隨著滲水試驗(yàn)的不斷地進(jìn)行，入滲的水體開始進(jìn)入地下水。包氣帶氣體遇到地下水位后無法繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，只能向上排出。在氣體排出過程中滯緩了入滲過程，造成Kx突然變小。這一時(shí)段持續(xù)近90 min，說明包氣帶氣體排出緩慢而復(fù)雜。

(3)飽和入滲過程：試驗(yàn)進(jìn)行170 min后，隨著氣體全部排出，進(jìn)入了飽和入滲階段。出現(xiàn)了Kx發(fā)生突變?cè)龃?，此時(shí)1.84 m/d即可代表該土體的滲透性。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，Kx又出現(xiàn)了緩慢的下降現(xiàn)象。一種解釋是水中的泥沙進(jìn)入包氣帶使其滲水性變差；另一種解釋是該區(qū)含水層的滲透性差，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，入滲的水無法及時(shí)側(cè)向排出，致使?jié)B水速度越來越慢。

本次試驗(yàn)獲得了農(nóng)田區(qū)包氣帶的滲透系數(shù)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)叵滤疁\埋，包氣帶由不飽和轉(zhuǎn)為飽和入滲過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)排氣過程，Kx會(huì)出現(xiàn)明顯下降。

表2 銀北農(nóng)田區(qū)包氣帶入滲成果表

表3 銀北湖泊濕地包氣帶入滲成果表

3.3 湖泊濕地區(qū)

本組試驗(yàn)共用時(shí)400 min，入滲深度只有0.20 m。Kx隨試驗(yàn)累計(jì)時(shí)間緩慢的增加，最終僅約0.004 7 m/d，見表3和圖4。由于滲水速度慢，入滲深度小，再加上試驗(yàn)過程中的蒸發(fā)等影響，試驗(yàn)結(jié)果還需進(jìn)一步研究。

通過本組試驗(yàn)，說明銀北地區(qū)湖泊濕地區(qū)砂黏土滲透性差，雙環(huán)法適用性差[5]。

圖3 農(nóng)田區(qū)包氣帶滲透系數(shù)歷時(shí)圖

圖4 湖泊濕地區(qū)包氣帶滲透系數(shù)歷時(shí)圖

4 結(jié)語

(1)銀北地區(qū)的細(xì)砂滲透系數(shù)為7.12 m/d。農(nóng)田區(qū)黏砂土為1.84 m/d。湖泊濕地區(qū)的砂黏土約為0.004 7 m/d。

(2)當(dāng)?shù)叵滤疁\埋，由不飽和轉(zhuǎn)為飽和入滲過程，還會(huì)出現(xiàn)一個(gè)排出氣體的入滲過程，滲透系數(shù)會(huì)明顯變小。

(3)銀北地區(qū)湖泊濕地區(qū)砂黏土滲透性差，雙環(huán)滲水試驗(yàn)適用性差。