基于雙環滲水試驗對任丘地區包氣帶垂直滲透系數的研究

劉詠康

（河北省煤田地質局環境地質調查院,河北 石家莊 050091）

0 引言

包氣帶是陸地水循環中重要的組成部分,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鍵參數[1]。

王晶晶等認為雙環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的有效方法,該方法基本排除了側向滲透的影響,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組雙環法滲水試驗進行對比分析。

1 工作區概況

工作區為任丘市中心城區及周邊地區,位于河北省滄州市西北部,西北與雄安新區相接,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。工作區地勢自西南向東北傾斜。工作區地貌呈現崗、坡、洼分布,區內洼地星羅棋布,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、泛濫洼地小區和平地小區,工作區屬暖溫帶大陸性季風氣候區,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℃。區內多年平均降雨量為457.4 mm,年內降雨量分配不平衡,降水量集中在6月～9月,占全年的75.86%。區內地處低平原區,地表水多呈自由漫流狀態,順地勢由西南向東北排泄。區內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。

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

工作區位于中朝準地臺（Ⅰ2）,華北斷拗（Ⅱ24）西北部；西部及中部為Ⅲ級構造單元的冀中臺陷（Ⅲ212）,Ⅳ級構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級構造單元滄縣臺拱區（Ⅲ213）的大城斷凸（Ⅳ244）。構造主要由任丘背斜潛山帶、北漢、鄚州兩個向斜組成。構造形態及構造運動的差異性,控制著新生界的沉積厚度。

工作區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向徑流補給。降水入滲補給量是本區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 雙環滲水試驗

2.1 試驗原理

試驗原理是在一定的水文地質邊界以內,挖一試坑,并且在坑底插入內外雙環,同時向雙環內注水,并使環內水柱的高度保持同一高度,見圖1,這樣使滲入的水量達到穩定,并延續2 h～4 h,即可停止注水,內環的穩定滲透速度,即為該包氣帶的垂向滲透系數。

圖1 雙環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據,本次試驗采用雙環滲水試驗。同時工作區內有三個不同的地貌單元。一是故河道微高地小區地貌,包氣帶巖性以粉土為主,主要分布在工作區的中南部和東部,二是泛濫洼地小區地貌,包氣帶巖性以粉質粘土為主,主要分布在工作區南部和中部；三是平地小區地貌,包氣帶巖性以粘土為主,主要分布在工作區的西北部和中北部,處于故河道微高地小區和泛濫洼地小區地貌之間[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,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,然后將同心鐵環壓入坑底,并且鐵環需壓入5 cm以上。

試驗開始時,往內外兩環同時注水,要注意的是兩環內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外兩環水的入滲量,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時,再延續2 h～4 h,即可停止試驗。穩定標準為滲入流量Q呈隨機波動變化且變幅＜5%。

2.3 數據處理方法

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

式中：Q為穩定滲透流量,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,可測定或用經驗數據；Z為滲水坑內水層厚度；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）,于是公式可變為：

2.4 試驗數據處理

故河道微高地小區地貌單元,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后試驗數據開始趨于穩定,由入滲速度近似法求得,該點及周圍區域的包氣帶非飽和松散巖層垂向滲透系數K為0.29 m/d。

表1 河道微高地小區地貌單元試驗成果表

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

表2 泛濫洼地小區地貌單元試驗成果表

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

表3 平地小區地貌單元試驗成果表

3 結語

（1）雙環滲水試驗由于操作簡單、價格低廉和精度較高,試驗結果貼近現實,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,但是要慎重注意試驗數據的采集和處理,數據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,為后續工作區研究水均衡、水庫、坑地表水滲入量等提供了基礎數據。

（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偏小。