基于双环渗水试验的银北地区典型包气带渗透性研究

2022-11-29徐兆祥王成文

地下水 2022年6期

方磊，吴瑞，徐兆祥，王成文

(宁夏回族自治区水文环境地质调查院，宁夏银川 750021)

包气带是极其重要的地带，多学科交叉地带，越来越受到人们的重视。其渗透性用于衡量水分的转换运动速度，是水资源转换评价的关键参数[1-2]。其中，双环渗水试验是一种简易可靠的方法，得到了广泛的应用和实践[3]。银北地区灌溉为主，引黄水通过包气带能够快速下渗转换为地下水，实现“三水”转换。为作物和植被提供长期水源，支撑了平原绿洲的生态。本次研究在银北选取几种典型的包气带，开展双环渗水试验，服务银川平原的生态建设。

图1 交通位置图

1 试验点概况

根据研究，银北地区有3类地区具有代表性。一是沙地区，包气带以细砂为主。二是农田区，包气带以黏砂土为主。三是湖泊湿地区以砂黏土为主。本次工作在银北的这三类地区的各开展一组试验，见图1。试验点所在的银北地区降雨量约是蒸发量10%，干旱少雨，以人工引黄灌溉为主[4]。

2 试验原理与试验数据

2.1 计算公式

根据包气带垂向一维渗流理论公式[5]，本次研究包气带渗透系数的公式为：

(1)

(2)

(3)

式中：H1为环中的水面高度，取0.1 m；Hb为毛细上升高度；Lx为某时间的平均渗入深度； Kx为某时间渗透系数；Δtx为某一时间间隔；Vx为某时间入渗水体积；A是内环渗透面积。

2.2 试验数据获取

试验内环直径0.25 m，外环直径为0.5 m。在试验开始之前用黄油均匀涂抹内环入土部分，防止连串。试验采用尖锐的大头针扎刚破水面这一现象来作为某体积水量在某一时段入渗结束的标志，也是一下时段加水记时的开始。这一判别标志在实践操作中有着非常好的试验效果。

3 试验分析

3.1 沙地区

本组试验用时80 min，入渗深度0.81 m，入渗速度6.2 ml/s，见表1和图2。

图2显示：银北该土体的Kx为7.12 m/d。Kx随试验累计时间而不断增加，入渗曲线非常规律有序，可以用数学公式进行刻画精确描述，见图2。

图2表明随着试验水的不断渗入包气带，其含水率不断的增加，致使其渗透系数也在不断增加[6]。

图2 沙地区包气带渗透系数历时图

表1 银北沙地区包气带入渗成果表

3.2 农田区

本组试验时间正是农田灌溉时期，地下水位浅埋，仅有0.40 m。试验共历时400 min，试验数据呈现出分段性。试验曲线基本可划分为不饱和、排气和饱和入渗3个过程，见表2和图3。

(1)不饱和入渗过程：在试验开始的80 min内，随着不断渗水，包气带含水量在不断增加，故Kx也增大。

(2)排气入渗过程：由于地下水位埋深仅有0.40 m，试验进行80 min以后，随着渗水试验的不断地进行，入渗的水体开始进入地下水。包气带气体遇到地下水位后无法继续向下运动，只能向上排出。在气体排出过程中滞缓了入渗过程，造成Kx突然变小。这一时段持续近90 min，说明包气带气体排出缓慢而复杂。

(3)饱和入渗过程：试验进行170 min后，随着气体全部排出，进入了饱和入渗阶段。出现了Kx发生突变增大，此时1.84 m/d即可代表该土体的渗透性。随着试验的进行，Kx又出现了缓慢的下降现象。一种解释是水中的泥沙进入包气带使其渗水性变差；另一种解释是该区含水层的渗透性差，随着试验的进行，入渗的水无法及时侧向排出，致使渗水速度越来越慢。

本次试验获得了农田区包气带的渗透系数。试验发现当地下水浅埋，包气带由不饱和转为饱和入渗过程中会出现一个排气过程，Kx会出现明显下降。