王冬梅，陳勝利

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

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土壤給水度的計算方法研究

王冬梅，陳勝利

(遼寧省盤錦水文局，遼寧 盤錦 124010)

[摘要]水對我們的生命起著重要的作用 ,它是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。地下水是水資源的重要組成部分，它存在于地面以下土壤、巖石的孔隙、裂縫和洞穴中。地下水有水量穩(wěn)定、水溫低、水質(zhì)好、不易受污染和開采成本低等優(yōu)點。它不僅是農(nóng)業(yè)灌溉的可靠水源，也可為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供用水。土壤給水度在計算地下水資源量及“三水”轉(zhuǎn)換過程中起到重要作用，本文通過實驗，論述給水度的不同計算方法及各種計算方法的優(yōu)缺點，為地下水資源量的計算提供參考。

[關(guān)鍵詞]給水度；抽水試驗；地下水埋深；抽水歷時

1試驗區(qū)概況

臺安徑流實驗站和所屬的實驗區(qū)域位于遼河平原的中部，由遼河沖沉積物形成，第四紀(jì)含水層厚度較大，一般在200 m左右，上層由砂土、亞砂土、亞粘土和粘土組成，深層由顆粒較粗的細(xì)砂組成，中間有不完整的亞粘土隔水層。該區(qū)屬于半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降雨量640 mm，年降雨量的75%集中在6～9月份。降雨量年際變化較大，實測最大年降雨量967 mm，最小年降雨量412 mm。由于地勢低平，地下水埋深較淺(一般在1.0～2.5 m之間),土壤入滲能力強(qiáng)，降雨入滲補(bǔ)給量大，入滲補(bǔ)給系數(shù)一般都在0.20～0.32之間,地表徑流系數(shù)小，一般在0.1左右，地下水運動以垂直方向為主，即降雨入滲補(bǔ)給地下水，然后又消耗于蒸發(fā)。臺安徑流實驗站建于1963年，建站初期主要是對天然流域進(jìn)行實驗研究。分為海城河地下水源實驗區(qū)和遼河沿岸實驗區(qū)及新開河實驗區(qū)。1985年增設(shè)了潛水動態(tài)實驗場，利用地中蒸滲儀進(jìn)行室內(nèi)實驗研究。潛水動態(tài)實驗場地4 000 m2，主要觀測項目：潛水蒸發(fā)、水面蒸發(fā)、土壤蒸發(fā)、土壤徑流、土壤入滲、降雨徑流、土壤給水度、水稻需水量及給水度、降水補(bǔ)給系數(shù)等水文要素；輔助觀測項目有氣溫、濕度、地溫、降水、水面蒸發(fā)、日照、風(fēng)速等。

2給水度的試驗方法分析

飽和土壤經(jīng)過相當(dāng)長時間的疏干排水，釋水過程結(jié)束時，單位體積土壤釋放出來水的體積(或單位水頭下降時，土壤釋放出來水層厚度)，稱作完全給水度(即通常所稱的給水度)。給水度不但與土壤巖性有關(guān)，而且還與土層結(jié)構(gòu)、潛水埋深、土壤內(nèi)部的氣壓等因素有關(guān)。給水度在水資源計算，降水、地表水、地下水之間的水量循環(huán)和平衡規(guī)律分析及地下水動態(tài)預(yù)報中都是重要參數(shù)。臺安徑流試驗站通過室內(nèi)和野外觀測資料的綜合分析探討給水度的推求方法，計算給水度的方法包括地中滲透儀測定法、抽水試驗法、公式法，分析各方法求得的給水度的變化規(guī)律。

2.1地中滲透儀測定法

在臺安實驗區(qū)內(nèi)設(shè)有26個地中滲透儀試驗設(shè)備，(如圖1)，在試筒中分別裝有沙土、亞沙土、亞粘土、粘土4種土質(zhì)，在試筒上部進(jìn)行人工均勻降水，使試筒中的土質(zhì)達(dá)到飽和，打開連通管疏干平衡瓶水面以上的土體。每組試驗可以調(diào)節(jié)平衡瓶水面的高度(人為調(diào)節(jié)地下水埋深)，可以計算出試筒中不同土體的體積所排出水的體積，最后計算出給水度，即：

μ(Z)=V水/V土

式中：μ(Z)為不同地下水埋深Z條件下的土壤給水度；V水為排除水的體積；V土為相應(yīng)土體的體積。

圖1　實驗裝置圖

臺安徑流試驗站利用地中滲透儀測定法對沙土、亞沙土、亞粘土、粘土4中土質(zhì)進(jìn)行給水度試驗，表1為2005年各種土質(zhì)給水度的試驗結(jié)果：

通過試驗證明土壤給水度不但與土壤巖性有關(guān)，而且還與潛水埋深有關(guān)。

表1　各種土質(zhì)給水度的試驗數(shù)據(jù)

2.2抽水試驗法

抽水試驗法適用于典型地段特定巖性給水度測定。在含水層滿足均勻無限(或邊界條件允許簡化)的地區(qū)，可采用抽水試驗測定的給水度成果。在選定的鉆孔中或豎井中，對選定含水層(組)抽取地下水，形成人工降深場，利用涌水量與水位下降的歷時變化關(guān)系，測定含水層(組)給水度及其它水文地質(zhì)參數(shù)的試驗。臺安徑流試驗站2003年在新開河實驗區(qū)進(jìn)行了抽水試驗，利用疏干法計算給水度，實驗結(jié)果表明給水度與抽水歷時有一定關(guān)系，如圖2。

圖2　抽水試驗給水度與開采歷時關(guān)系圖

從圖中可以看出，給水度隨開采歷時的增加而增大，抽水歷時超過60 h，還沒有達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。利用抽水試驗法計算給水度抽水歷時多長能達(dá)到穩(wěn)定，這要看土壤性質(zhì)、透氣性能、地下水埋深、抽水實際情況而定，從新開實驗區(qū)的抽水試驗來看，抽水歷時需要100 h，給水度才能達(dá)到穩(wěn)定值0.053。

2.3公式計算法

在公式計算法中我們通常采用阿里揚(yáng)諾夫公式計算法計算給水度。在地下水無水平流動的地區(qū)，選擇無降水、無灌溉、無開采影響的地下水動態(tài)資料和水面蒸發(fā)資料，通過上述資料利用阿里揚(yáng)諾夫公式計算土層不同深度的給水度：

式中：μ(Z)為與潛水埋深對應(yīng)的土壤給水度；E0為土壤蒸發(fā)能力，用λE601蒸發(fā)代替；λ為潛水蒸發(fā)系數(shù)，取1.1；△Z為由于蒸發(fā)而引起的潛水位變幅；Z為潛水埋深； Zm為潛水極限埋深；n為經(jīng)驗指數(shù)；

臺安徑流試驗站新開河實驗區(qū)2002～2005年的地下水動態(tài)資料基本滿足阿里揚(yáng)諾夫公式計算要求，故用公式計算給水度。分析實驗區(qū)的地下水動態(tài)資料，參考地中滲透儀的實測資料，選用Zm=3.0 m，n=1.7。計算結(jié)果見表2。

表2　阿里揚(yáng)諾夫公式計算給水度

從上表可以看出利用阿里揚(yáng)諾夫公式計算出的給水度與其他方法計算出的給水度十分接近，從土質(zhì)上看也比較合理，這說明只要資料符合要求，選擇的參數(shù)恰當(dāng)合理，用阿里揚(yáng)諾夫公式計算出的給水度是具有一定精度的。

3各種計算給水度方法的優(yōu)缺點

給水度的計算方法很多，通過臺安徑流試驗站對各種方法計算給水度的優(yōu)缺點進(jìn)行分析總結(jié)。地中滲透儀測定法的優(yōu)點是能夠較精確地確定給水度，能夠測定給水度隨地下水埋深的變化規(guī)律，是認(rèn)識給水度和推求給水度的有效方法之一。他的缺點是只能測出某點的給水度，不能代表某個地區(qū)的給水度，如果有當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)資料，用這種方法比較合適。抽水試驗法的優(yōu)點是在天然環(huán)境下實際抽水求得的，具有較高的可信度，并且可以代表整個面的給水度；缺點是造價高，在釋水滯后的嚴(yán)重地區(qū)，抽水歷時不易掌握，容易受其他邊界條件干擾，給抽水試驗帶來一定的困難。阿里揚(yáng)諾夫公式法是利用野外觀測資料進(jìn)行的，符合自然條件的變化規(guī)律，具有一定的精度。缺點是在無試驗資料的情況下，Z—潛水極限埋深和n—經(jīng)驗指數(shù)都難以精確確定。但由于該法計算不復(fù)雜又節(jié)省資金，并能計算出垂直剖面上的各層給水度。從臺安徑流試驗站的試驗計算結(jié)果看，只要資料符合公式要就，參數(shù)選擇合適，計算結(jié)果具有可靠的精度，在實際生產(chǎn)中具有一定的應(yīng)用價值。

4結(jié)語

從以上給水度各計算方法的優(yōu)缺點來看，它們都有各自的應(yīng)用條件，因此在實際應(yīng)用中必須根據(jù)具體情況具體分析，選擇適合本地區(qū)特征的方法，不能盲目引用。由于各地的自然條件不同，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，同一個流域內(nèi)的給水度也有很大差距，在計算時必須多收集各種資料數(shù)據(jù)，選擇多種計算方法，把各種方法計算的結(jié)果結(jié)合自然地質(zhì)條件綜合分析，最后，要采用較合理的給水度，以免在計算地下水資源量時帶來較大誤差。

[收稿日期]2015-10-28

[作者簡介]王冬梅(1969-)，女，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事水文資料整編，水資源評價及論證工作。

[中圖分類號]S152.7+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]B

[文章編號]1004-1184(2016)01-0046-02