崔虎群，李文鹏，康卫东，刘振英，尹德超，吴 玺，安永会，耿红杰

（1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北 保定 071051；2.中国地质环境监测院,北京 100081；3.西北大学地质学系,陕西 西安 710069；4.河北地质大学水资源与环境学院,河北 石家庄 050031）

大气降水和灌溉水作为地下水的重要补给来源，不断地参与着自然界的水循环。降水入渗补给量和灌溉水入渗补给量是计算地下水补给量的重要组成部分[1]。利用示踪技术评价地下水补给量是近几十年来发展起来的一门新技术。该技术不是直接进行降水和灌溉水补给测定，而是通过水文和示踪试验间接估算降水入渗补给量和灌溉水入渗补给量[2]，国内学者广泛应用环境示踪法[3-7]、人工溴示踪法[8-11]和温度示踪法[12-13]评价地下水补给量。在试验过程中由于溴离子在一般环境下背景值低，测试方便，经常作为理想的人工示踪剂。王登等[14]、王健等[15]利用人工溴示踪法进行了潜水蒸发评价。

黑河是我国第二大内陆河，目前关于黑河中游大气降水和灌溉水入渗补给的研究较少。曹建廷等[16]认为灌溉水入渗系数随潜水位埋深增加而减小，在地下水埋深小于4 m 的范围内，灌溉水入渗系数变化范围为0.3～0.9。陈志辉等[17]确定了在埋深小于8.06 m 的地区灌溉过程中至少11.4% 的灌溉水量入渗补给地下水。聂振龙等[18]认为地下水水位埋深大于5 m的地带仍然存在降水入渗补给，年入渗补给量为13.3～18.4 mm。本次基于以上理论和试验基础，采用人工溴示踪方法，研究不同注入深度和不同灌溉方式对灌溉水入渗补给量的影响，定量确定不同灌溉方式的入渗补给量及入渗补给参数，为黑河流域地下水资源评价提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验原理

在土壤剖面内某深度投放人工示踪剂，定时采样分析剖面上人工示踪剂的垂向分布，根据其浓度峰值运移的速度和剖面含水量，计算潜在入渗补给量R[19]：

式中：Δt——示踪剂投放到取样的时间间隔/a；

Δz——示踪剂浓度峰值的运移距离/cm；

θ——Δt时段内峰值运移距离的平均土壤体积含水量。

计算的试验点潜在入渗补给量与该点总水量（降水量+灌溉水量）的比值定义为入渗补给系数α：

式中：R——潜在入渗补给量/mm；

Q——试验点总水量/mm。

该方法一般要满足以下条件：①示踪剂具有守恒性，在包气带运移过程中不被吸收、不发生化学变化；②土壤水运动为活塞流水流；③该方法需要在不发生优先型前行水流的区域进行，流动遵循的原则是土水势由高处向低处运移；④示踪剂应投放在单向入渗下行区。

1.2 试验点介绍

试验点位于黑河中游张掖盆地平原堡，是我国典型的干旱地区，属于温带大陆性干旱气候，具有夏季短而炎热、冬季长且严寒，干燥少雨，降雨分布不均的特点。多年平均气温7.4℃，多年平均降水量129.8 mm，多年平均蒸发量2 039.2 mm。试验场地下水水位埋深为10～11 m。

平原堡试验场总面积5 160 km2，长86 m，宽60 m，分为大气降水试验田（面积为369.95 km2）、大水灌溉试验田（面积为333.2 km2）、小水灌溉试验田（面积为333.2 km2）和滴灌试验田（面积为4 123.65 km2）。大气降水试验田无作物，其他试验田作物为制种玉米，玉米每年灌溉6～8 次。降雨、灌溉数据见表1。

表1 平原堡野外试验点降水和灌溉量Table 1 Rainfall and irrigation of the tracer injecting sites in Pingyuanpu

1.3 试验点投放取样

2012年10月开展野外示踪试验，选用NaBr 作为示踪剂，投放在黑河中游张掖盆地平原堡地区，在每个试验田布设2 个试验点，共计8 个（图1），投放方案为方坑布置（四壁注水方法）和圆孔布置（孔底注水方法），具体见表2。方坑深度为2.95～3.55 m，注药浓度为20 g/L；圆孔深度为3.26～3.46 m，注药浓度为20 g/L。2014年10月在滴灌试验田内，布设南北向4 列、东西向3 行共12 个试验点(图1)，其中4 列注药深度分别为1，2，3，4 m，3 行注药浓度分别为10，30，50 g/L。采用5 圆孔布置方案（中心1 孔、周边等距4 孔），主、副孔的间距均为0.4 m。在12 个试验点南侧每个试验田内布设一排4 个单孔点，均采用孔底注水方法，见表3，深度均为3 m，注药浓度为20 g/L。

表2 2012年示踪试验布设及投样Table 2 Arrangement form of the trace experiment in 2012

表3 2014年示踪试验布设及投样Table 3 Arrangement form of the trace experiment in 2014

图1 野外试验点平面位置图Fig.1 Location of the tracer injecting sites

取样采用国际先进的Geoprobe 6620 DT 直推式土壤钻机施工，现场对各个试验点土样按5～10 cm 长度分割装袋，称其重量，密封保存，并带回实验室进行测试。通过烘干法得出各个试验点土样的含水量。按土水比1∶1 稀释获取土壤溶液，充分搅拌、离心过滤得到清液。采用PXSJ-216 型离子计，通过离子选择电极法测试溴离子浓度，溴离子电极在使用前采用标准溶液进行校验，测试精度可达99%。

2 结果

平原堡试验场降雨数据由当地气象部门获得，灌溉数据为实测数据。由式（1）计算得到潜在入渗补给量，再除以相应的水量得到入渗补给系数。

研究区大气降水状态下，试验点多年平均输入水量为124.13 mm，包气带溴离子含量峰值年均运移距离为21.25 cm，年平均入渗补给量为11.93 mm，入渗补给系数为0.1。大水漫灌状态下，试验点多年平均输入水量为941.82 mm，包气带溴离子含量峰值年均运移距离为86.51 cm，年平均入渗补给量为148.7 mm，入渗补给系数为0.16。小水漫灌状态下，试验点多年平均输入水量为763.28 mm，包气带溴离子含量峰值年均运移距离为46.35 cm，年平均入渗补给量为53.81 mm，入渗补给系数为0.07。滴灌状态下，试验点多年平均输入水量为500.76 mm，包气带溴离子含量峰值年均运移距离为41.72 cm，年平均入渗补给量为52.6 mm，入渗补给系数为0.11，见表4。

表4 入渗补给量Table 4 Calculated results of groundwater recharge

3 讨论

3.1 不同灌溉方式的影响

灌溉方式包括大水漫灌、小水漫灌和滴灌，试验结果可知，平原堡试验田年平均入渗补给量大水漫灌（148.70 mm）＞小水漫灌（53.81 mm）＞滴灌（52.60 mm），入渗补给系数大水漫灌（0.16）＞滴灌（0.11）＞小水漫灌（0.07）。

3.2 示踪剂注入量的影响

试验场地注入孔旁采集土样的示踪剂浓度测试结果表明：12 个试验点60 个注入孔的示踪剂扩散水平距离均大于20 cm，孔中注入量小的示踪剂扩散水平距离小于40 cm，孔中注入量大的示踪剂扩散水平距离大于40 cm、小于60 cm。即试验场地内注入量达到5 L 的示踪剂扩散水平距离为20～40 cm，注入量达到15 L 的示踪剂扩散水平距离为40～60 cm。

按照注入量5 L 最大水平扩散距离40 cm，注入量15 L 最大水平扩散距离60 cm 计算，示踪剂水平扩散面积以及厚度计算结果见表5。各个试验点水平扩散面积为2.01～3.14 m2，水层厚度为14.93～23.89 mm。2014—2015年一个水文年滴灌量为480.88 mm，注入量水层厚度占滴灌量的3%～5%，比例较小，可以忽略示踪剂注入水量对试验的影响。

表5 示踪剂水平扩散面积以及厚度Table 5 Calculated results of horizontal diffusion area and thickness of tracer

3.3 示踪剂投放深度的影响

滴灌试验田注药深度为1 m 的2 个试验点呈现溴离子浓度峰值上移的情况（图2），原因在于蒸发作用导致了土壤中的水分上移，从而携带了示踪剂的向上运移。

图2 2014—2015年HR1 和HR9 溴离子剖面示意图Fig.2 Profile of concentration of bromide ion in HR1 and HR9 from 2014 to 2015

在滴灌状态下，不同埋药深度，年平均入渗补给量和入渗补给系数计算结果见表6。

表6 滴灌条件下不同深度年均入渗补给量和入渗补给系数Table 6 Recharge and recharge coefficient of different depths under drip irrigation

按水分运动特征分段：上部(一般3 m 以浅)为入渗蒸发双向运动区；下部为单向入渗下行运动区，示踪剂施于该区。示踪剂投放2 m 的试验点处在入渗蒸发双向运动区，仍受双向运动特征影响，导致入渗补给量偏小。本次研究采用投放深度3，4 m 的试验点测试结果。

3.4 体积含水量的影响

采用烘干法测试土壤样品的含水量过程中，含水量测试包含了结合水(不参与水分运动)，颗粒越细，结合水比例越高，导致计算的入渗补给量稍偏大。本次计算体积含水量时采用的是溴离子峰值运移过程中砂层的加权体积含水量，避开了黏性土质的体积含水量。关于不含结合水的含水量测试方法及应用，在今后的工作中有待进一步研究。

4 结论

（1）根据人工溴示踪试验，获得黑河中游平原堡地区大气降水状态下试验点多年平均入渗补给量为11.93 mm，入渗补给系数为0.1；大水漫灌状态下试验点多年平均入渗补给量为148.7 mm，入渗补给系数为0.16；小水漫灌状态下试验点多年平均入渗补给量为53.81 mm，入渗补给系数为0.07；滴灌状态下试验点多年平均入渗补给量为52.6 mm，入渗补给系数为0.11。

（2）人工示踪法应用于地下水水位埋深较大的区域，示踪剂投放在单向入渗下行运动区内，宜避开入渗蒸发双向运动区，内陆盆地一般投放在地表3 m 以下位置。

（3）滴灌条件下埋药深度在3，4 m 的入渗补给量趋于稳定，年平均入渗补给量为45.69，49.84 mm。

致谢：感谢武汉大学杨金忠老师给予的指导，感谢西北大学邢高哲硕士、皮锴鸿硕士、赵玺硕士和王倩雯硕士在试验过程中所做的工作。