土壤给水度的计算方法研究

王冬梅，陈胜利

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)



土壤给水度的计算方法研究

王冬梅，陈胜利

(辽宁省盘锦水文局，辽宁 盘锦 124010)

[摘要]水对我们的生命起着重要的作用 ,它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。地下水是水资源的重要组成部分，它存在于地面以下土壤、岩石的孔隙、裂缝和洞穴中。地下水有水量稳定、水温低、水质好、不易受污染和开采成本低等优点。它不仅是农业灌溉的可靠水源，也可为工业生产和人民生活提供用水。土壤给水度在计算地下水资源量及“三水”转换过程中起到重要作用，本文通过实验，论述给水度的不同计算方法及各种计算方法的优缺点，为地下水资源量的计算提供参考。

[关键词]给水度；抽水试验；地下水埋深；抽水历时

1试验区概况

台安径流实验站和所属的实验区域位于辽河平原的中部，由辽河冲沉积物形成，第四纪含水层厚度较大，一般在200 m左右，上层由砂土、亚砂土、亚粘土和粘土组成，深层由颗粒较粗的细砂组成，中间有不完整的亚粘土隔水层。该区属于半湿润大陆性季风气候，多年平均降雨量640 mm，年降雨量的75%集中在6～9月份。降雨量年际变化较大，实测最大年降雨量967 mm，最小年降雨量412 mm。由于地势低平，地下水埋深较浅(一般在1.0～2.5 m之间),土壤入渗能力强，降雨入渗补给量大，入渗补给系数一般都在0.20～0.32之间,地表径流系数小，一般在0.1左右，地下水运动以垂直方向为主，即降雨入渗补给地下水，然后又消耗于蒸发。台安径流实验站建于1963年，建站初期主要是对天然流域进行实验研究。分为海城河地下水源实验区和辽河沿岸实验区及新开河实验区。1985年增设了潜水动态实验场，利用地中蒸渗仪进行室内实验研究。潜水动态实验场地4 000 m2，主要观测项目：潜水蒸发、水面蒸发、土壤蒸发、土壤径流、土壤入渗、降雨径流、土壤给水度、水稻需水量及给水度、降水补给系数等水文要素；辅助观测项目有气温、湿度、地温、降水、水面蒸发、日照、风速等。

2给水度的试验方法分析

饱和土壤经过相当长时间的疏干排水，释水过程结束时，单位体积土壤释放出来水的体积(或单位水头下降时，土壤释放出来水层厚度)，称作完全给水度(即通常所称的给水度)。给水度不但与土壤岩性有关，而且还与土层结构、潜水埋深、土壤内部的气压等因素有关。给水度在水资源计算，降水、地表水、地下水之间的水量循环和平衡规律分析及地下水动态预报中都是重要参数。台安径流试验站通过室内和野外观测资料的综合分析探讨给水度的推求方法，计算给水度的方法包括地中渗透仪测定法、抽水试验法、公式法，分析各方法求得的给水度的变化规律。

2.1地中渗透仪测定法

在台安实验区内设有26个地中渗透仪试验设备，(如图1)，在试筒中分别装有沙土、亚沙土、亚粘土、粘土4种土质，在试筒上部进行人工均匀降水，使试筒中的土质达到饱和，打开连通管疏干平衡瓶水面以上的土体。每组试验可以调节平衡瓶水面的高度(人为调节地下水埋深)，可以计算出试筒中不同土体的体积所排出水的体积，最后计算出给水度，即：

μ(Z)=V水/V土

式中：μ(Z)为不同地下水埋深Z条件下的土壤给水度；V水为排除水的体积；V土为相应土体的体积。

图1　实验装置图

台安径流试验站利用地中渗透仪测定法对沙土、亚沙土、亚粘土、粘土4中土质进行给水度试验，表1为2005年各种土质给水度的试验结果：

通过试验证明土壤给水度不但与土壤岩性有关，而且还与潜水埋深有关。

表1　各种土质给水度的试验数据

2.2抽水试验法

抽水试验法适用于典型地段特定岩性给水度测定。在含水层满足均匀无限(或边界条件允许简化)的地区，可采用抽水试验测定的给水度成果。在选定的钻孔中或竖井中，对选定含水层(组)抽取地下水，形成人工降深场，利用涌水量与水位下降的历时变化关系，测定含水层(组)给水度及其它水文地质参数的试验。台安径流试验站2003年在新开河实验区进行了抽水试验，利用疏干法计算给水度，实验结果表明给水度与抽水历时有一定关系，如图2。

图2　抽水试验给水度与开采历时关系图

从图中可以看出，给水度随开采历时的增加而增大，抽水历时超过60 h，还没有达到稳定状态。利用抽水试验法计算给水度抽水历时多长能达到稳定，这要看土壤性质、透气性能、地下水埋深、抽水实际情况而定，从新开实验区的抽水试验来看，抽水历时需要100 h，给水度才能达到稳定值0.053。

2.3公式计算法

在公式计算法中我们通常采用阿里扬诺夫公式计算法计算给水度。在地下水无水平流动的地区，选择无降水、无灌溉、无开采影响的地下水动态资料和水面蒸发资料，通过上述资料利用阿里扬诺夫公式计算土层不同深度的给水度：

式中：μ(Z)为与潜水埋深对应的土壤给水度；E0为土壤蒸发能力，用λE601蒸发代替；λ为潜水蒸发系数，取1.1；△Z为由于蒸发而引起的潜水位变幅；Z为潜水埋深； Zm为潜水极限埋深；n为经验指数；

台安径流试验站新开河实验区2002～2005年的地下水动态资料基本满足阿里扬诺夫公式计算要求，故用公式计算给水度。分析实验区的地下水动态资料，参考地中渗透仪的实测资料，选用Zm=3.0 m，n=1.7。计算结果见表2。

表2　阿里扬诺夫公式计算给水度

从上表可以看出利用阿里扬诺夫公式计算出的给水度与其他方法计算出的给水度十分接近，从土质上看也比较合理，这说明只要资料符合要求，选择的参数恰当合理，用阿里扬诺夫公式计算出的给水度是具有一定精度的。

3各种计算给水度方法的优缺点

给水度的计算方法很多，通过台安径流试验站对各种方法计算给水度的优缺点进行分析总结。地中渗透仪测定法的优点是能够较精确地确定给水度，能够测定给水度随地下水埋深的变化规律，是认识给水度和推求给水度的有效方法之一。他的缺点是只能测出某点的给水度，不能代表某个地区的给水度，如果有当地的地质资料，用这种方法比较合适。抽水试验法的优点是在天然环境下实际抽水求得的，具有较高的可信度，并且可以代表整个面的给水度；缺点是造价高，在释水滞后的严重地区，抽水历时不易掌握，容易受其他边界条件干扰，给抽水试验带来一定的困难。阿里扬诺夫公式法是利用野外观测资料进行的，符合自然条件的变化规律，具有一定的精度。缺点是在无试验资料的情况下，Z—潜水极限埋深和n—经验指数都难以精确确定。但由于该法计算不复杂又节省资金，并能计算出垂直剖面上的各层给水度。从台安径流试验站的试验计算结果看，只要资料符合公式要就，参数选择合适，计算结果具有可靠的精度，在实际生产中具有一定的应用价值。

4结语

从以上给水度各计算方法的优缺点来看，它们都有各自的应用条件，因此在实际应用中必须根据具体情况具体分析，选择适合本地区特征的方法，不能盲目引用。由于各地的自然条件不同，地质条件复杂多样，同一个流域内的给水度也有很大差距，在计算时必须多收集各种资料数据，选择多种计算方法，把各种方法计算的结果结合自然地质条件综合分析，最后，要采用较合理的给水度，以免在计算地下水资源量时带来较大误差。

[收稿日期]2015-10-28

[作者简介]王冬梅(1969-)，女，辽宁沈阳人，高级工程师，主要从事水文资料整编，水资源评价及论证工作。

[中图分类号]S152.7+1

[文献标识码]B

[文章编号]1004-1184(2016)01-0046-02