崔虎群，李文鵬，康衛(wèi)東，劉振英，尹德超，吳 璽，安永會，耿紅杰

（1.中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心,河北 保定 071051；2.中國地質環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081；3.西北大學地質學系,陜西 西安 710069；4.河北地質大學水資源與環(huán)境學院,河北 石家莊 050031）

大氣降水和灌溉水作為地下水的重要補給來源，不斷地參與著自然界的水循環(huán)。降水入滲補給量和灌溉水入滲補給量是計算地下水補給量的重要組成部分[1]。利用示蹤技術評價地下水補給量是近幾十年來發(fā)展起來的一門新技術。該技術不是直接進行降水和灌溉水補給測定，而是通過水文和示蹤試驗間接估算降水入滲補給量和灌溉水入滲補給量[2]，國內學者廣泛應用環(huán)境示蹤法[3-7]、人工溴示蹤法[8-11]和溫度示蹤法[12-13]評價地下水補給量。在試驗過程中由于溴離子在一般環(huán)境下背景值低，測試方便，經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行了潛水蒸發(fā)評價。

黑河是我國第二大內陸河，目前關于黑河中游大氣降水和灌溉水入滲補給的研究較少。曹建廷等[16]認為灌溉水入滲系數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，灌溉水入滲系數變化范圍為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% 的灌溉水量入滲補給地下水。聶振龍等[18]認為地下水水位埋深大于5 m的地帶仍然存在降水入滲補給，年入滲補給量為13.3～18.4 mm。本次基于以上理論和試驗基礎，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給量的影響，定量確定不同灌溉方式的入滲補給量及入滲補給參數，為黑河流域地下水資源評價提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗原理

在土壤剖面內某深度投放人工示蹤劑，定時采樣分析剖面上人工示蹤劑的垂向分布，根據其濃度峰值運移的速度和剖面含水量，計算潛在入滲補給量R[19]：

式中：Δt——示蹤劑投放到取樣的時間間隔/a；

Δz——示蹤劑濃度峰值的運移距離/cm；

θ——Δt時段內峰值運移距離的平均土壤體積含水量。

計算的試驗點潛在入滲補給量與該點總水量（降水量+灌溉水量）的比值定義為入滲補給系數α：

式中：R——潛在入滲補給量/mm；

Q——試驗點總水量/mm。

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

1.2 試驗點介紹

試驗點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、冬季長且嚴寒，干燥少雨，降雨分布不均的特點。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。試驗場地下水水位埋深為10～11 m。

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

表1 平原堡野外試驗點降水和灌溉量Table 1 Rainfall and irrigation of the tracer injecting sites in Pingyuanpu

1.3 試驗點投放取樣

2012年10月開展野外示蹤試驗，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)，在每個試驗田布設2 個試驗點，共計8 個（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月在滴灌試驗田內，布設南北向4 列、東西向3 行共12 個試驗點(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 個試驗點南側每個試驗田內布設一排4 個單孔點，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年示蹤試驗布設及投樣Table 2 Arrangement form of the trace experiment in 2012

表3 2014年示蹤試驗布設及投樣Table 3 Arrangement form of the trace experiment in 2014

圖1 野外試驗點平面位置圖Fig.1 Location of the tracer injecting sites

取樣采用國際先進的Geoprobe 6620 DT 直推式土壤鉆機施工，現場對各個試驗點土樣按5～10 cm 長度分割裝袋，稱其重量，密封保存，并帶回實驗室進行測試。通過烘干法得出各個試驗點土樣的含水量。按土水比1∶1 稀釋獲取土壤溶液，充分攪拌、離心過濾得到清液。采用PXSJ-216 型離子計，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準溶液進行校驗，測試精度可達99%。

2 結果

平原堡試驗場降雨數據由當地氣象部門獲得，灌溉數據為實測數據。由式（1）計算得到潛在入滲補給量，再除以相應的水量得到入滲補給系數。

研究區(qū)大氣降水狀態(tài)下，試驗點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移距離為21.25 cm，年平均入滲補給量為11.93 mm，入滲補給系數為0.1。大水漫灌狀態(tài)下，試驗點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移距離為86.51 cm，年平均入滲補給量為148.7 mm，入滲補給系數為0.16。小水漫灌狀態(tài)下，試驗點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移距離為46.35 cm，年平均入滲補給量為53.81 mm，入滲補給系數為0.07。滴灌狀態(tài)下，試驗點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移距離為41.72 cm，年平均入滲補給量為52.6 mm，入滲補給系數為0.11，見表4。

表4 入滲補給量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，試驗結果可知，平原堡試驗田年平均入滲補給量大水漫灌（148.70 mm）＞小水漫灌（53.81 mm）＞滴灌（52.60 mm），入滲補給系數大水漫灌（0.16）＞滴灌（0.11）＞小水漫灌（0.07）。

3.2 示蹤劑注入量的影響

試驗場地注入孔旁采集土樣的示蹤劑濃度測試結果表明：12 個試驗點60 個注入孔的示蹤劑擴散水平距離均大于20 cm，孔中注入量小的示蹤劑擴散水平距離小于40 cm，孔中注入量大的示蹤劑擴散水平距離大于40 cm、小于60 cm。即試驗場地內注入量達到5 L 的示蹤劑擴散水平距離為20～40 cm，注入量達到15 L 的示蹤劑擴散水平距離為40～60 cm。

按照注入量5 L 最大水平擴散距離40 cm，注入量15 L 最大水平擴散距離60 cm 計算，示蹤劑水平擴散面積以及厚度計算結果見表5。各個試驗點水平擴散面積為2.01～3.14 m2，水層厚度為14.93～23.89 mm。2014—2015年一個水文年滴灌量為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的影響。

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

3.3 示蹤劑投放深度的影響

滴灌試驗田注藥深度為1 m 的2 個試驗點呈現溴離子濃度峰值上移的情況（圖2），原因在于蒸發(fā)作用導致了土壤中的水分上移，從而攜帶了示蹤劑的向上運移。

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，年平均入滲補給量和入滲補給系數計算結果見表6。

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

按水分運動特征分段：上部(一般3 m 以淺)為入滲蒸發(fā)雙向運動區(qū)；下部為單向入滲下行運動區(qū)，示蹤劑施于該區(qū)。示蹤劑投放2 m 的試驗點處在入滲蒸發(fā)雙向運動區(qū)，仍受雙向運動特征影響，導致入滲補給量偏小。本次研究采用投放深度3，4 m 的試驗點測試結果。

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合水(不參與水分運動)，顆粒越細，結合水比例越高，導致計算的入滲補給量稍偏大。本次計算體積含水量時采用的是溴離子峰值運移過程中砂層的加權體積含水量，避開了黏性土質的體積含水量。關于不含結合水的含水量測試方法及應用，在今后的工作中有待進一步研究。

4 結論

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

（2）人工示蹤法應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動區(qū)內，宜避開入滲蒸發(fā)雙向運動區(qū)，內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 的入滲補給量趨于穩(wěn)定，年平均入滲補給量為45.69，49.84 mm。

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