刘咏康

（河北省煤田地质局环境地质调查院,河北 石家庄 050091）

0 引言

包气带是陆地水循环中重要的组成部分,负责水分在地表、土壤和地下之间的运输,越来越受到人们的重视,包气带的渗透性决定着他们之间的运输速度,是进行水资源评价的关键参数[1]。

王晶晶等认为双环法渗水试验是获取野外包气带非饱和松散岩层的渗透系数的有效方法,该方法基本排除了侧向渗透的影响,试验精度较高,符合实际情况[2]。本文考虑不同的地貌单元和岩性的影响因素,开展3组双环法渗水试验进行对比分析。

1 工作区概况

工作区为任丘市中心城区及周边地区,位于河北省沧州市西北部,西北与雄安新区相接,东与廊坊市文安、大城两县相连,南与河间市毗邻,西与保定高阳县接壤。中心城区位于市域中部偏西,北距北京151 km,东北距天津135 km,东南距沧州114 km,西距保定66 km,西南距省会石家庄201 km。工作区位于太行山东麓前平原和渤西岸滨海平原之间的河流冲积平原与湖泊淤积的平原交错地带。工作区地势自西南向东北倾斜。工作区地貌呈现岗、坡、洼分布,区内洼地星罗棋布,狭长带状岗地穿插其间,岗地主要分布在中南部和东部,所处部位地形较高,海拔多在8 m以上。坡地处于岗地与洼地之间,海拔多在6 m～8 m左右。洼地处于坡地下端,相对凹陷,季节性积水,海拔多在4.5 m～7.5 m之间。北、北东走向的中部和东部岗地把其市境分成东、西、中三条近似平行的带状洼地,带状洼地又被次一级的小缓岗分割成若干大小不同的近藤瓜状洼地。地貌类型主要有故河道微高地小区、泛滥洼地小区和平地小区,工作区属暖温带大陆性季风气候区,四季分明；多年平均气温为12.7℃,7月温度最高,平均温度为26.5℃,1月气温最低,月平均气温为-4.8℃。区内多年平均降雨量为457.4 mm,年内降雨量分配不平衡,降水量集中在6月～9月,占全年的75.86%。区内地处低平原区,地表水多呈自由漫流状态,顺地势由西南向东北排泄。区内河流均为大清河水系南支,无自然河,多是利用原来的天然排水沟人工开挖的排灌河道。较大的河道有西部的古洋河、东部的小白河、中部的任文干渠。

工作区地表以冲积相为主,岩性为黄及黄灰色粉土、粉质粘土,河道或古河道地带为细粉砂,见少量钙核,富含腐殖质和炭化植物根茎,具冲孔。局部地带有洼地或洪泛相粉质粘土、粘土堆积,夹沼泽相,见有螺壳。

工作区位于中朝准地台（Ⅰ2）,华北断拗（Ⅱ24）西北部；西部及中部为Ⅲ级构造单元的冀中台陷（Ⅲ212）,Ⅳ级构造单元主要为饶阳断凹（Ⅳ242）、武清霸县断凹（Ⅳ239）。东部小部分为Ⅲ级构造单元沧县台拱区（Ⅲ213）的大城断凸（Ⅳ244）。构造主要由任丘背斜潜山带、北汉、鄚州两个向斜组成。构造形态及构造运动的差异性,控制着新生界的沉积厚度。

工作区包气带地下水的补给来源有大气降水入渗补给、渠道渗漏补给、渠灌入渗补给、井灌回归补给,同时,由于近年来白洋淀蓄水,在不同年份可以获得不同程度的侧向径流补给。降水入渗补给量是本区地下水最主要的补给来源,包气带岩性是决定入渗条件的主导因素。

2 双环渗水试验

2.1 试验原理

试验原理是在一定的水文地质边界以内,挖一试坑,并且在坑底插入内外双环,同时向双环内注水,并使环内水柱的高度保持同一高度,见图1,这样使渗入的水量达到稳定,并延续2 h～4 h,即可停止注水,内环的稳定渗透速度,即为该包气带的垂向渗透系数。

图1 双环渗水试验装置示意图

2.2 试验方法

为获得精度较高的试验数据,本次试验采用双环渗水试验。同时工作区内有三个不同的地貌单元。一是故河道微高地小区地貌,包气带岩性以粉土为主,主要分布在工作区的中南部和东部,二是泛滥洼地小区地貌,包气带岩性以粉质粘土为主,主要分布在工作区南部和中部；三是平地小区地貌,包气带岩性以粘土为主,主要分布在工作区的西北部和中北部,处于故河道微高地小区和泛滥洼地小区地貌之间[3]。为了取得不同地貌单元类型的包气带非饱和松散岩层的渗透系数,渗水试验位置选在不同地貌单元上进行。

首先去除表土,露出目的层,在水文边界内挖一基坑,基坑深度0.80 m左右,基坑面积在1.3 m×1.0 m左右,以消除包气带表层植被根系的影响,然后将同心铁环压入坑底,并且铁环需压入5 cm以上。

试验开始时,往内外两环同时注水,要注意的是两环内水柱的高度要保持一致,一般控制在10 cm左右；按一定的时间间隔观测内外两环水的入渗量,并且随时做好记录。由于开始水的入渗速度较快,观测时间间隔较短,每5 min观测一次,连续观测5个5 min后,入渗速度变慢,改为每20 min观测一次。当渗入水量～时间曲线呈近似水平状态时,再延续2 h～4 h,即可停止试验。稳定标准为渗入流量Q呈随机波动变化且变幅＜5%。

2.3 数据处理方法

本次采用的是入渗速度近似法。其原理是当单位时间内环注入水量（即包气带岩层的渗透流量）保持稳定时,内环的稳定渗透速度,即为该包气带的垂向渗透系数,即：

式中：Q为稳定渗透流量,即注入水量,m3；V为渗透水流速度,m/d；I为垂向水力坡度；Hk为包气带土层的毛细上升高度,可测定或用经验数据；Z为渗水坑内水层厚度；L为水从坑底向下渗入的深度。

由于Hk、L、Z均为已知,故可计算出水力坡度I值。但在通常情况下,当渗入水到达潜水面后,等于0。又因Z远远小于L,故水力坡度值近似等于1（I等于1）,于是公式可变为：

2.4 试验数据处理

故河道微高地小区地貌单元,地表出露岩性为粉土,由表1可以看出,本次试验用时为405 min,145 min后试验数据开始趋于稳定,由入渗速度近似法求得,该点及周围区域的包气带非饱和松散岩层垂向渗透系数K为0.29 m/d。

表1 河道微高地小区地貌单元试验成果表

泛滥洼地小区地貌单元,地表出露岩性为粉质粘土,由表2可以看出本次试验用时为405 min,125 min后试验开始趋于稳定,由入渗速度近似法求得,该点及周围区域的包气带非饱和松散岩层垂向渗透系数K为0.030 m/d。

表2 泛滥洼地小区地貌单元试验成果表

平地小区地貌单元,地表出露岩性为粘土,由表3本次试验用时为405 min,45 min后试验开始趋于稳定,由入渗速度近似法求得,该点及周围区域的包气带非饱和松散岩层垂向渗透系数K为0.0058 m/d。

表3 平地小区地貌单元试验成果表

3 结语

（1）双环渗水试验由于操作简单、价格低廉和精度较高,试验结果贴近现实,因此常用该试验测定野外包气带非饱和松散岩层的渗透系数,但是要慎重注意试验数据的采集和处理,数据采集过程中尽量要避免人为误差。

（2）本次试验从不同的地貌单元和岩性进行了试验,取得了较好的效果,为后续工作区研究水均衡、水库、坑地表水渗入量等提供了基础数据。

（3）本次试验进行时不能完全排除松散岩层中的空气,测定的包气带非饱和松散岩层的渗透系数偏小。