黄河冲积平原灌溉入渗研究
第36卷第4期地质调查与研究
Vol.36No.4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）
摘
要：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40～60m3/亩和水位埋深小于4m、4～8m、大于8m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。
关键词：灌溉；入渗系数；黄河冲积平原中图分类号：P641.6
文献标识码：A
文章编号：1672－4135（2013）04－0299-06
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
［3，6-7］
地下水位埋深、灌水定额等。
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200～300m3/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400～600m3/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15m，灌溉水入渗明显减小。1.1包气带岩性结构
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
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
收稿日期：2013-07-20基金项目：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：[1**********]4）作者简介：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:[email protected]。
300地质调查与研究第36卷
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1.6m，最大厚度8.87m，一般2.15～3.4m。
1.2试验场地面积及观测孔的布置
水试验，判定灌溉入渗引起地下水位回升的最快时间。
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
8］
地、结构、初始含水量、渗透性能等［3，。结合黄河冲
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15～40m，观测孔深度10～18m，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
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
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
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1研究区包气带岩性结构及厚度分布图
Fig.1lithologiccharacterandthicknessinthevadosezone
1.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
第4期谭菊萍：黄河冲积平原灌溉入渗研究301
（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
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
［10］
量越小，越有利于灌溉水的入渗。郑健等通过控制
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
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。
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40～80m3/亩，相当于淹没深度6～10cm，在水位埋深2～3m的粉砂、粉土双层结构区，灌溉后的1～2d即引起地下水位上升。
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
表1垂向渗透系数试验结果表
Table1Testdataoftheverticalinfiltration
coefficient
图2试验场区包气带岩性结构图
Fig.2Lithologiccharactersofthevadosezoneinthetestingfield
302地质调查与研究第36卷
溉需水量差异较大，从40～90m3/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
式中：QC－试验区内灌溉入渗量（m3）；
Qs－试验区外围影响范围计算的入渗量（m3）；Q－总灌水量（m3）；μ－水位变动带给水度；Δh－试验区内平均水位升幅（m）；F－试验区面积（m2）；
Ri、Ai、Δhi－试验区相应一侧水位影响距离（m）、边长（m）、水位升幅（m）。
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1.8～3.4m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
灌水之前3天开始观测地下水位，每8h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2h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）。
QC+QSβ=Qc=μ⋅F⋅Δh
Qs=μ∑Ri⋅Ai⋅Δhi
i=1
n
（i=1，2，3，4）
0.086～0.104
。
表2灌溉入渗试验计算结果表
Table2Calculatingdataoftheirrigationinfiltration
test
表3灌溉入渗系数统计表
Table3Statisticsoftheirrigationinfiltrationcoefficient
第4期谭菊萍：黄河冲积平原灌溉入渗研究303
（2）由图3分析，在水位埋深大于2m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15m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12m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.3Relationshipbetweentheirrigationinfiltrationcoefficientandwater
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80m3
/亩时的入渗系数是50m3
/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.4Relationshipbetweentheirrigationinfil-trationcoefficientandirrigationwaterquantities
（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2.3m，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28h。
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2～8m,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40～60m3/亩和水位埋深＜4m、4～8m、＞8m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。
参考文献：
1］林滨霞，刘扬，范晓兰.计算灌溉入渗系数的一种方法［J］.
黑龙江水专学报，2001，28（3）：56－57.
2］杨金波，辛红兰.鲁西平原区灌溉入渗及地下水可采量分
析［J］.地下水，2009，31（6）：38－39.
3］吴争光，张华.土体类型、干密度和初始含水量对土体入渗
影响的试验研究［J］.三峡大学学报（自然科学版），2010，32（5）：48－51.
4］董孟军，白美健，李益农，等，地面灌溉土壤入渗系数及糙
率系数确定方法研究综述［J］.灌溉排水学报，2010，29（1）：129－132.
5］张云，王秀艳，刘长礼，等.石家庄地面水回渗地下过程的
氮行为影响试验研究［J］.地球学报，2007，28（1）：43－49.6］邱玥，魏新平，廖华胜，等.夹砂层土壤水分入渗试验研究［J］.水资源与工程学报，2009，20（1）：120－123.
7］石建省，刘长礼等.黄河中下游主要环境地质问题研究［M］.中国在地出版社，2009，222－244.
8］郭彩华，江净.土壤水分入渗的影响因素研究［J］.山西科
技，2011，26（5）：39－40.
9］陈志辉，程旭学.河西走廊灌溉水田间入渗补给地下水机
理研究［J］.西安工程学院学报，2002，24（1）：33－38.10］郑健，胡笑涛，菜焕杰，等.局部控制地下浸润灌溉土壤入
渗特征研究［J］.西北农村科技大学学报，2007，35（3）：227－232.
11］许志荣.河南省商丘地区浅层地下水资源评价攻关研究
报告［R］.郑州，河南省地质局，
1980.
［［［［［［［［［［［
第4期谭菊萍：黄河冲积平原灌溉入渗研究303
（2）由图3分析，在水位埋深大于2m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15m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12m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.3Relationshipbetweentheirrigationinfiltrationcoefficientandwater
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80m3
/亩时的入渗系数是50m3
/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.4Relationshipbetweentheirrigationinfil-trationcoefficientandirrigationwaterquantities
（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2.3m，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28h。
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2～8m,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40～60m3/亩和水位埋深＜4m、4～8m、＞8m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。
参考文献：
1］林滨霞，刘扬，范晓兰.计算灌溉入渗系数的一种方法［J］.
黑龙江水专学报，2001，28（3）：56－57.
2］杨金波，辛红兰.鲁西平原区灌溉入渗及地下水可采量分
析［J］.地下水，2009，31（6）：38－39.
3］吴争光，张华.土体类型、干密度和初始含水量对土体入渗
影响的试验研究［J］.三峡大学学报（自然科学版），2010，32（5）：48－51.
4］董孟军，白美健，李益农，等，地面灌溉土壤入渗系数及糙
率系数确定方法研究综述［J］.灌溉排水学报，2010，29（1）：129－132.
5］张云，王秀艳，刘长礼，等.石家庄地面水回渗地下过程的
氮行为影响试验研究［J］.地球学报，2007，28（1）：43－49.6］邱玥，魏新平，廖华胜，等.夹砂层土壤水分入渗试验研究［J］.水资源与工程学报，2009，20（1）：120－123.
7］石建省，刘长礼等.黄河中下游主要环境地质问题研究［M］.中国在地出版社，2009，222－244.
8］郭彩华，江净.土壤水分入渗的影响因素研究［J］.山西科
技，2011，26（5）：39－40.
9］陈志辉，程旭学.河西走廊灌溉水田间入渗补给地下水机
理研究［J］.西安工程学院学报，2002，24（1）：33－38.10］郑健，胡笑涛，菜焕杰，等.局部控制地下浸润灌溉土壤入
渗特征研究［J］.西北农村科技大学学报，2007，35（3）：227－232.
11］许志荣.河南省商丘地区浅层地下水资源评价攻关研究
报告［R］.郑州，河南省地质局，
1980.
［［［［［［［［［［［
304地质调查与研究第36卷
ResearchontheIrrigationInfiltrationintheYellowRiver
AlluvialPlain
TANJu-ping
（Henaninstituteofgeologicalsurvey,Zhengzhou,450001,China）
Abstract：TheYellowRiveralluvialplainisalargearea,whosefarmlandirrigationisveryfrequencythatwasted
alargeamountofwater.Itishardtoobtainirrigationinfiltrationcoefficientvalueswhenthegroundwaterresourc-esareevaluated.Inthispaper,onthebasisofthefieldirrigationinfiltrationtest,thelithology,structure,waterlev-el,andirrigationwaterinthevadosezoneimpactingontheirrigationinfiltrationcoefficientwassummarized,andtherangeofirrigationinfiltrationcoefficientonvariousconditionsisproposed.Inthewellirrigatedarea,theunitofirrigationwateris240~360m3peracreandthegroundwaterlevelrangeis8m.Ifthereisflourysoilandsiltinthevadosezone,thevaluerangofirrigationcoefficientinfiltrationis0.21~0.10、0.10~0.05、0.05~0,respectively;Ifitmixedwithsiltyclaylayerinthevadosezone,thevaluerangofirrigationcoeffi-cientinfiltrationis0.15~0.09、0.09~0.05、0.05~0,respectively.Inthecanalirrigationdistrictwheretheunitofirrigationisbig,irrigationcoefficientinfiltrationisincreasedwiththemultipleincreaseofunitirrigationwater.Thisconclusionprovidethebasisfordeterminingtheirrigationcoefficientinfiltrationwhencalculatethequantityofgroundwaterrechargeintheareaoftheyellowriveralluvialplain.Keywords：irrigation;infiltrationcoefficient;YellowRiveralluvialplain
泥质海岸带研究动态：《海岸带研究进展》征订消息
天津地质调查中心“天津滨海新区海平面变化影响研究”项目根据任务书要求，鉴于对（泥质）海岸带基础理论和最新研究进展的了解相对薄弱的状况，自2011年以来加强了海岸带地学基础理论与新成果的跟踪研究工作。现准备将两年多来的翻译资料选择重要者，以《海岸带研究进展》为名结集内部发行，该文集内容包括：1)Gibbard等关于第四纪下限、晚更新世底界和全新世底界三个重要地质界线的论述；2)Walker等关于“全新世内分”的正式建议；3)Tamura关于沿岸堤的综述；4)Hayes关于障壁岛的综述；5)Davis和Hayes关于潮控、浪控海岸的综述；6)McBridge等关于路易斯安纳州沿岸堤亚类Chenier的综述；7)海面变化与海岸带研究进展综述（IPCCAR4和AR5的海面变化综述、德国及西北欧全新世RSL研究、Törnqvist小组、王张华小组、刘健小组及王福小组的研究、Weill等应用GPR探测沿岸堤等）；8)Shennan等主编的将于2014年出版的《海面研究手册》简介（这是继已故Dr.O.vandePlassche于1986年主编的《海面研究手册》之后时隔近30年的该研究领域新的集大成性专著）。全集共计约10.7万字（包括98张图），是海岸带地质研究者案头应备的“工具书”。有需要者，请与天津地质调查中心的李建芬、陈永胜博士联系，电话：022-84112926；E-mail:[email protected],[email protected]。
（天津地质调查中心海岸带与第四纪地质研究所）