黄河冲积平原灌溉入渗研究

谭菊萍

（河南省地质调查院，郑州 450001）

黄河冲积平原灌溉入渗研究

谭菊萍

（河南省地质调查院，郑州 450001）

黄河冲积平原面积广大，农田灌溉频繁，灌水量大，在地下水资源评价时对灌溉入渗系数取值困难。本文在现场灌溉入渗试验的基础上，分析包气带岩性及结构、水位埋深、灌溉水量对灌溉入渗系数的影响，总结提出了多种条件下灌溉入渗系数的取值范围。在单位灌水量40～60 m3/亩和水位埋深小于4 m、4～8 m、大于8 m的井灌区中，当包气带岩性为粉土、粉砂时，灌溉入渗系数可分别取值0.21～0.10、0.10～0.05、0.05～0；当包气带岩性夹有粉质粘土层时，灌溉入渗系数可分别取值0.15～0.09、0.09～0.05、0.05～0。在单位灌水量较大的渠灌区，灌溉入渗系数可按单位灌水量的增大倍数而增加，由此为黄河冲积平原区地下水补给量计算中灌溉入渗系数的确定提供了依据。

灌溉；入渗系数；黄河冲积平原

灌溉入渗系数是地下水资源计算中的一个重要参数，以往求取的方法主要有均衡法、相关分析法[1～2]、室内试验法［3］、双环入渗法、反求法［4］等，而通过现场试验求取灌溉入渗系数的研究较少，张云等［5］对滹沱河及其漫滩地带地面水入渗地下过程中对水质起限制性影响的氮行为进行了模拟试验研究。入渗是水分进入土体，在土体中运动和存储的过程，影响入渗系数的主要因素是土体岩性与结构、初始含水量和地下水位埋深、灌水定额等［3，6-7］。

黄河冲积平原分布范围广，包气带土体结构多样，厚度变化大，农田灌溉频繁，灌溉水量大，精确确定灌溉入渗系数是提高地下水资源计算精度的关键。笔者通过现场试验法，分析不同土体结构类型、不同地下水位埋深、土壤初始含水量和灌溉水量对入渗的影响，提出了相应的灌溉入渗系数取值范围。

1 试验场地特征

黄河水泥沙含量高，泥沙在河道内淤积，河道不断抬高，洪水期极易造成决口、改道，形成黄河故道、背河洼地、泛流平地、决口扇等地貌形态相间分布。包气带岩性为全新世沉积物，以粉土、粉砂为主，结构松散。在冲积扇前缘、背河洼地，包气带岩性以粉质粘土、粉土为主（图1）。黄河以北，地势由西南向东北缓倾斜，地面平均坡降0.25‰～0.14‰，黄河以南，地势由西北向东南缓倾斜，地面平均坡降约为0.50‰～0.20‰。

黄河冲积平原是我国粮食主产区，以开采浅层地下水井灌为主，灌溉面积2348×104亩，年平均灌水定额200～300 m3/亩，农田灌溉开采总量超过50×108m3。黄河从研究区中部穿过，属南北流域的分水岭，引黄灌溉非常便利，分布有1万亩以上灌区26个，灌溉面积502×104亩，年灌水定额400～600 m3/亩，年灌溉引水量24.31×108m3。灌溉水入渗成为浅层地下水的补给来源之一。上世纪八十年代以来，由于农田井灌和工业开采量的不断增大，地下水位下降，尤其是黄河以北的滑县-清丰-南乐一带，形成地下水降落漏斗，水位埋深大于15 m，灌溉水入渗明显减小。

1.1 包气带岩性结构

黄河冲积平原区（河南省部分）包气带岩性为粉土、粉质粘土、粉砂。岩性结构类型有粉土单层结构，粉土、粉砂双层结构，粉土、粉质粘土双层结构，粉土、粉质粘土、粉砂多层结构。新乡县王连屯、商丘北郊两处试验场地包气带岩性为粉土+粉砂双层结构，新乡县忠义试验场地为粉土单层结构，长垣县常村、商丘市南郊两处为粉质粘土+粉土双层结构，延

津县贾堤试验场地为粉砂+粉土双层结构。试验地段包气带最小厚度1.6 m，最大厚度8.87 m，一般2.15～3.4 m。

1.2 试验场地面积及观测孔的布置

选择矩型试验场地，面积2～4亩，每个试验地段布设二排相互垂直的观测剖面，观测孔8～10眼，中心观测孔位于试验场地的几何中心，场地四边均有观测孔，场地外侧布置2～3个观测孔，距离场地边缘15～40 m，观测孔深度10～18 m，应经过彻底清洗，能灵敏反映地下水位变化。

1.3 灌溉试验前有关参数的确定

水位变动带地层的给水度是计算灌溉入渗量的重要参数，通过孔组非稳定流抽水试验求取。粉砂给水度0.059，粉土给水度0.053，粉质粘土+粉土给水度0.012。为合理确定水位观测频率，进行双环渗水试验，判定灌溉入渗引起地下水位回升的最快时间。

图1 研究区包气带岩性结构及厚度分布图Fig.1 lithologic character and thickness in the vadose zone1.粉砂单层结构或粉砂、粉土双层结构；2.粉土单层结构或粉土、粉质粘土双层结构；3.粉质粘土单层结构或粉质粘土、粉土双层结构；4.包气带岩性结构分区界线；5.水位埋深或包气带厚度（m）；6.灌溉入渗试验场地

2 灌溉入渗影响因素

灌溉水通过充填土层空隙，并在重力作用下渗入补给地下水，影响入渗能力的主要因素有土壤质地、结构、初始含水量、渗透性能等［3，8］。结合黄河冲积平原特征，从包气带岩性结构、地下水位埋深、灌水量、土层初始含水量等因素，分析对灌溉入渗的影响。

2.1 包气带岩性结构对入渗的影响

包气带岩性和结构是控制灌溉入渗的最主要因素。通过试验场区地表双环渗水试验结果说明（表1），土体颗粒越粗、结构越松散，灌溉水越容易入渗，入渗速度和入渗量越大。在双层和多层结构地区

（图2），入渗量主要取决于细颗粒土层与厚度，且上部分布细颗粒土层的地区，入渗困难。上部为粉砂、下部为粉土的贾堤试验区较上部为粉土，下部为粉砂的王连屯试验区的垂向渗透系数大，而上部夹有粉质粘土层的常村试验区的垂向渗透系数更小。

2.2 地下水位埋深对入渗的影响

在包气带岩性与结构相似条件下，水位埋深越大，灌溉水入渗路径越长，入渗至地下水位的时间越长，在入渗过程中消耗于土层颗粒吸水、蒸发的水量就越多，相应的，对地下水的入渗补给量越少。

2.3 单位灌水量对入渗的影响

单位灌水量越大，淹没高度或水头压力就越大，灌溉水入渗速率和入渗量就越大。灌溉水量越大，入渗所需时间越长［9］。研究区灌溉水量40～80 m3/亩，相当于淹没深度6～10 cm，在水位埋深2～3 m的粉砂、粉土双层结构区，灌溉后的1～2 d即引起地下水位上升。

2.4 初始含水量对入渗的影响

灌溉入渗是在水压力作用下，灌溉水充填土层空隙的过程，并同时在重力作用下向深部运移。在运移过程中，土壤一边吸水一边向下部土层释水，土层初始含水量是其吸水量大小的控制因素之一，土层初始含水量越高，灌溉水在入渗过程中消耗的水量越小，越有利于灌溉水的入渗。郑健等［10］通过控制地下浸润灌溉土壤入渗特征研究得出，初始含水量较高土壤的湿润锋运移速度较初始含水量低的土壤快，原理是水势梯度是影响入渗速率大小的主要因素，初始含水量越低的土壤需要更多的累计水量充填土壤空隙从而延缓了湿润锋的前进。

表1 垂向渗透系数试验结果表Table 1 Test data of the vertical infiltration coefficient

图2 试验场区包气带岩性结构图Fig.2 Lithologic characters of the vadose zone in the testing field

3 灌溉入渗试验

3.1 灌溉水量

选择试验场地以外机井作为灌溉水源，灌溉水量以满足农田用水要求为标准，不同的试验地段灌

溉需水量差异较大，从40～90 m3/亩不等，主要影响因素为农田平整程度，耕作层岩性及含水量，农作物种类和浇灌速度等。

3.2 入渗观测

灌水之前3天开始观测地下水位，每8 h观测一次，掌握地下水位变化趋势与速率，作为校正灌溉后水位变幅的依据。灌水后每2 h观测水位一次，观测延续时间以水位变化趋于自然变幅为标准。观测精度至毫米。

4 试验结果及分析

灌溉入渗系数计算，根据各观测孔水位回升幅度，绘制地下水升幅曲线，计算出灌溉入渗量，由下式求取灌溉入渗系数（β）。

式中

贾堤、王连屯试验区观测数据及计算成果见表2，研究区灌溉入渗系数统计结果见表3。

从表2、3分析说明：

（1）灌溉入渗系数与包气带岩性颗粒大小呈正相关，且关系密切，颗粒越粗，入渗系数越大。粉土+粉砂结构的灌溉入渗系数是分布粉质粘土夹层地区的1.5～2.0倍。在水位埋深1.8～3.4 m的粉砂+粉土或粉土+粉砂试验区，入渗系数为0.083～0.265，而粉质粘土+粉土试验区入渗系数为0.086～0.104。

表2 灌溉入渗试验计算结果表Table 2 Calculating data of the irrigation infiltration test

表3 灌溉入渗系数统计表Table 3 Statistics of the irrigation infiltration coefficient

（2）由图3分析，在水位埋深大于2 m的地区，灌溉入渗系数与地下水位埋深呈负相关，即水位埋深越大，入渗系数越小。在粉土、粉砂分布区，水位埋深大于15 m后，入渗系数趋于0；在有粉质粘土夹层的地区，当水位埋深大于12 m后，入渗系数趋于0。

图3 灌溉入渗系数与水位埋深关系图Fig.3 Relationship between the irrigation infiltration coefficient and water level

（3）由图4分析，灌溉入渗系数与单位灌水量大小呈正相关，即在同一灌区内，入渗水消耗于包气带的水量一定，单位灌水量越大，渗入到饱水带的水量越大。单位灌水量80 m3/亩时的入渗系数是50 m3/亩的1.95倍。

图4 忠义试验场地入渗系数与灌水量关系图Fig. 4 Relationship between the irrigation infiltration coefficient and irrigation water quantities

（4）灌溉入渗速度受包气带岩性结构的控制，粉砂+粉土比粉土+粉砂结构入渗速度快。贾堤试验区，水位埋深2.3 m，包气带岩性结构为粉砂+粉土，灌水后第2天即造成地下水位开始回升，回升持续时间28 h。

5 结论

包气带岩性结构、地下水位埋深、单位灌水量、土层初始含水量是控制灌溉入渗系数的主要因素。黄河冲积平原区，包气带岩性以粉土、粉砂为主，厚度一般2～8 m,灌溉入渗条件良好。粉土+粉砂结构的灌溉入渗系数是分布有粉质粘土夹层地区的1.5～2.0倍。入渗系数与水位埋深呈负相关，与单位灌水量大小呈正相关。在单位灌水量40～60 m3/亩和水位埋深＜4 m、4～8 m、＞8 m的井灌区，当包气带岩性为粉土、粉砂时，灌溉入渗系数可分别取值0.21～0.10、0.10～0.05、0.05～0；而包气带岩性夹有粉质粘土层时，灌溉入渗系数可分别取值0.15～0.09、0.09～0.05、0.05～0。在单位灌水量较大的渠灌区，灌溉入渗系数可随单位灌水量的增大倍数而增加。

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Research on the Irrigation Infiltration in the Yellow River A lluvial Plain

TAN Ju-ping
（Henan instituteof geologicalsurvey,Zhengzhou,450001,China）

The Yellow River alluvial plain isa large area,whose farm land irrigation isvery frequency thatwasted a largeamountofwater.It ishard to obtain irrigation infiltration coefficientvalueswhen thegroundwater resourcesareevaluated.In thispaper,on the basisof the field irrigation infiltration test,the lithology,structure,water level,and irrigation water in the vadose zone impacting on the irrigation infiltration coefficientwassummarized,and the range of irrigation infiltration coefficienton various conditions isproposed.In thewell irrigated area,the unit of irrigation water is 240～360m3peracre and thegroundwater level range is＜4m,4～8m and＞8m.If there is floury soil and silt in the vadose zone,the value rang of irrigation coefficient infiltration is 0.21～0.10、0.10～0.05、0.05～0,respectively;If itm ixed w ith silty clay layer in the vadose zone,the value rang of irrigation coefficient infiltration is0.15～0.09、0.09～0.05、0.05～0,respectively.In the canal irrigation districtwhere the unitof irrigation is big,irrigation coefficient infiltration is increased with themultiple increase of unit irrigation water. This conclusion provide the basis for determ ining the irrigation coefficient infiltration when calculate the quantity of groundwater recharge in the area of the yellow river alluvialplain.

irrigation;infiltration coefficient;Yellow Riveralluvialplain

P641.6

：A

：1672-4135（2013）04-0299-06

2013-07-20

中国地质调查项目：黄河下游（河南段）环境地质调查评价资助（编号：200312300014）

谭菊萍（1963-），女，工程师，长期从事水文地质、工程地质和环境地质调查工作，E-mail∶541474956@qq.com。