砂穴式入滲初步試驗研究

劉繼朝 高業(yè)新 馮欣 張冰 張英平 張亞哲

摘要：以雙重介質(zhì)滲流理論為基礎(chǔ)，借鑒復合地基施工技術(shù)，選取沖積砂、河砂等作為試驗填充材料，在粉砂、中砂地層中開展砂穴式入滲試驗，研究了砂穴這一入滲方式的入滲效率。結(jié)果表明：分選好的多孔介質(zhì)更適宜作為砂穴填料；河砂作為填料比沖積砂入滲效果更好；入滲效率受受水介質(zhì)影響明顯。在不同巖性中利用穴式入滲，入滲效率明顯不同。中砂地層的入滲效率是粉砂地層的76倍，是粉砂地表入滲的481倍。在同一巖性中利用不同的入滲方式，其入滲效率有很大差距。在粉砂地層中利用穴式入滲，其入滲效率是粉砂地表的63倍。

砂穴式入滲是一種可以加快入滲速率可操控性的技術(shù)方法，它將促進滲流理論轉(zhuǎn)化為減輕雨洪災(zāi)害的技術(shù)形成生產(chǎn)力服務(wù)于城市（或者山區(qū)）洪澇減災(zāi)，提高水資源的有效利用水平，促進水循環(huán)體系自我恢復和良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：包氣帶；砂穴式入滲；受水介質(zhì)；入滲效率；入滲速率

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05019307

A primary tentative study on sand hole infiltration

LIU Jichao，GAO Yexin，F(xiàn)ENG Xin，ZHANG Bing，ZHANG Yingping，ZHANG Yazhe

（

Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang 050061，China）

Abstract：

According to the double porosity media flow theory and the construction technology of composite foundation，with alluvial sand and river sand as experimental padding，we carried out a sand hole infiltration test in the silt and medium sand strata，and studied the efficiency of sand hole infiltration.The results showed that the separated porous media was more suitable for filling sand holes.River sand was more effective as padding than alluvial sand.Infiltration efficiency was obviously affected by aqueous medium.Using sand hole infiltration for different lithological characteristics showed obviously different infiltration efficiency.The infiltration efficiency of medium sand stratum was 76 times of that of the silt stratum and 481 times of that of the silt surface.Using different infiltration modes for the same lithological characteristic also showed very different infiltration efficiency.The infiltration efficiency of silt stratum was 63 times of that of the silt surface.Sand hole infiltration is a manageable technical method which can speed up the infiltration rate.It will promote the conversion of the percolation theory into technologies for alleviating flood disasters in urban or mountainous areas.It will enhance the effective utilization of water resources，and promote the selfrecovery and healthy development of water cycle system.

Key words：

vadose zone；sand hole infiltration；aqueous medium；infiltration efficiency；infiltration rate

隨著城市發(fā)展，不透水面積擴大，人工附加徑流量增大，導致洪峰流量超越了排水渠泄洪能力調(diào)節(jié)極限，城市排水設(shè)施無法增加泄洪能力，排水受阻，引起了一系列的水文效應(yīng)，誘發(fā)了城市雨洪災(zāi)害等環(huán)境問題[1]。土地利用/土地覆蓋（被）變化（LUCC）誘發(fā)水環(huán)境效應(yīng)引起了人們的高度關(guān)注，入滲研究成為當前水文學、土壤學等領(lǐng)域研究的熱點問題之一[2]。為應(yīng)對入滲途徑受阻帶來的一系列水環(huán)境問題，科研工作者開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。在研究方法方面，除最早應(yīng)用于描述土壤中動物活動所形成的孔洞方面的染色劑示蹤技術(shù)[3]、土壤含水量TDR監(jiān)測技術(shù)[4]等常規(guī)手段外，利用CT掃描技術(shù)可以在不擾動土壤的前提下獲得土體孔隙的三維結(jié)構(gòu)[5]以及對土壤中的團聚體結(jié)構(gòu)、粒徑組成等進行探究[6]；另外，核磁共振技術(shù)[7]、探地雷達（GPR）技術(shù)[8]等也成為了土壤優(yōu)勢流入滲研究的得力助手。在基礎(chǔ)研究方面，研究結(jié)果表明：表層土疏松多孔，利于水向更深層次入滲，大孔隙能使水分在土壤中以較快的速度運移，加快水分在土中的傳導[9]；在孔隙直徑相差較大的界面上大孔隙流和基質(zhì)流是包氣帶滲流的主要形式[10]；松散沉積物組成的包氣帶有儲水性和滯水性，上層滯水只有在降雨量或者雨強較大時才會產(chǎn)生[11]，在包氣帶中沿不同透水性土層界面流動的水流峰值往往滯后于降雨徑流主峰[12]；穩(wěn)定滲透速率隨著失穩(wěn)性團粒含量的增加而減小，表層土失穩(wěn)性團粒層狀聚集封堵土壤水分入滲的通道，可使入滲能力急劇衰減[13]，表層土團聚體遭到破壞，失穩(wěn)的顆粒填充了土體的孔隙，表層土被壓實造成的入滲的影響大大超過其它因素的影響，其減少入滲量可達80%左右[14]?？焖贊B濾取得了良好的發(fā)展，如：張子元等[15]闡述了人工快速滲濾系統(tǒng)（CRI）對主要污染元素氮、磷、有機物的主要去除機理和去除過程，以及凈化過程中的限制因素；董瑞海等[16]研究認為地下滲濾系統(tǒng)具有氮、磷去除能力強、可降解病原體等優(yōu)點。改進的快速滲濾系統(tǒng)，處理效率高，而且對水體各種污染物的去除率均較高，可以對污水進行適當處理，達到目標用途的水質(zhì)標準，避免了水體的污染，使之成為多種用途的水資源，能在很大程度上緩解我國水資源的緊缺狀況[17]，已在污水處理生產(chǎn)中得以推廣應(yīng)用。

在城市雨洪問題專項研究方面：唐雙成等[18]研究了城市化對區(qū)域水環(huán)境的不利影響；邢薇等[19]研究了針對可持續(xù)城市雨水系統(tǒng)的科學動態(tài)評估方法；王文亮等[20]探討了城市低影響開發(fā)雨水控制利用系統(tǒng)的設(shè)計標準及設(shè)施規(guī)模計算方法；彭秋偉等[21]研究了不同LID措施實施后對城市排澇模數(shù)的定量影響；車伍等[22]研究認為在城市雨水排放系統(tǒng)中建造雨水多功能調(diào)蓄設(shè)施既可以減少雨水資源的流失，又可以緩解城市水澇；黃俊杰等[23]研究了植草溝對道路降雨徑流的水文控制效果；趙兵兵等[24]研究了土地利用方式的改變對徑流污染負荷輸出的影響，提出控制屋面徑流和路面徑流污染的低影響開發(fā)（LID） 技術(shù)措施；孫艷偉等[25]通過 SWMM 軟件建立模型，對不同重現(xiàn)期降水的典型 LID 措施截流池、入滲帶、透水性路面和生物滯留池進行了模擬研究；深圳市光明新區(qū)在全國率先創(chuàng)建了低影響開發(fā)雨水綜合利用示范區(qū)[26]。雨洪合理開發(fā)利用技術(shù)研究正在作為解決城市缺水和防洪問題的一項重要措施[27]成為研究焦點。

前人的研究工作在入滲過程探查的技術(shù)方法、入滲影響因子、水質(zhì)控制及城市雨洪專項研究等方面取得了豐碩成果，但由于對人工速滲通道構(gòu)建技術(shù)研究偏少，仍未能針對面狀水源補給地下水過程中存在的“肚大口小、能容難進”[28]問題，

也就是說，地下儲水空間大，但上覆土層滲透性小，地表水不能及時進入地下空間，

給出可操控性技術(shù)方法。國家對城市雨水的管理從傳統(tǒng)“快排式”管理轉(zhuǎn)變?yōu)楹＞d城市建設(shè)的科學管理模式[29]，出臺了《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》《關(guān)于推進海綿城市建設(shè)的指導意見》，提出將70%的降雨就地消納和利用的建設(shè)目標，但承擔著增強城市防澇能力重任的30個試點海綿城市中仍然有19個城市發(fā)生了內(nèi)澇[30]。為了管理汛期多余水量，以備枯水期之用，就需要制定合理的水量調(diào)控措施[31]。發(fā)展具有占地少、施工方便、入滲速度快、攔蓄量大、可零星分布等特征的城市雨水就地快速攔蓄理論技術(shù)方法，解決“城市看?！眴栴}、確保城市秀美，成為新時代對水文地質(zhì)學科發(fā)展的呼喚。

本次試驗研究工作，從地層蓄水處著眼，以大孔隙優(yōu)先流理論為指導，從構(gòu)建雨水快速入滲通道著手，用提高入滲速率的方法解決城市用地受限問題，實現(xiàn)雨水快速入滲。通過砂穴填料滲透性優(yōu)選試驗、砂穴入滲效率試驗，確立砂穴填料原則、測試入滲速率、分析應(yīng)用前景，形成城市雨水快速入滲技術(shù)方法，為劃分集水區(qū)、構(gòu)建擇地而入的城市雨水就地攔蓄管理模式打下基礎(chǔ)，實現(xiàn)自然界水循環(huán)與人類城市建設(shè)的和諧相處。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)為第四紀沖洪積平原，水位埋深45 m左右。根據(jù)試驗區(qū)地層巖性特征劃分為粉砂試驗場和中砂試驗場。粉砂試驗場巖性結(jié)構(gòu)自上而下為：0～20 cm是以粉土為主的填土；20～90 cm為近粉土的粉砂，其基本特征為粒徑大于0075 mm的顆粒占總質(zhì)量的531%，粒徑小于0075 mm的顆粒占總質(zhì)量的469%，滲透系數(shù)073 m/d，底部無上層滯水；其下為粉質(zhì)黏土。中砂試驗場巖性結(jié)構(gòu)自上而下為：0～20 cm是以粉土為主的填土；其下為厚度大于2 m的中砂層，其基本特征為粒徑大于025 mm的顆粒占總質(zhì)量的526%，粒徑0075～025 mm的顆粒占總質(zhì)量的283%，粒徑小于0075 mm的顆粒占總質(zhì)量的191%，滲透系數(shù)86 m/d。

1.2 試驗材料

主要使用四種材料。分別為沖積砂、河砂、濾料質(zhì)石英砂和水洗沖積砂，詳見表1。

1.3 試驗設(shè)計

試驗分兩組進行，第一組為砂穴填料滲透性優(yōu)選試驗，第二組為砂穴入滲效率試驗。試驗現(xiàn)場情況見圖1。

第一組包括4個試驗，分別是：填料為沖積砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（M1）、填料為水洗沖積砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（M2）、填料為河砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（M3）和作為對照的粉砂地層入滲試驗（M4）。

第二組包括3個試驗，分別是：填料為濾料質(zhì)石英砂的中砂層砂穴式入滲試驗（V1）、填料為濾料質(zhì)石英砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（V2）和作為對照的粉砂層入滲試驗（V3）。

試驗操作方法主要借鑒自樁基施工的洛陽鏟挖孔法。此方法在切土、取土過程中對周圍土體擾動小，易于保持孔壁穩(wěn)定，且可避免振動和噪音，能在極狹窄的場地和空間內(nèi)作業(yè)，可大量節(jié)約能源，環(huán)保且造價低、工期短、質(zhì)量可靠、適用范圍大。

施工時，清除上部雜填土。用洛陽鏟打直徑10 cm、深50 cm的孔，分別填入沖積砂、水洗沖積砂、河砂。填料不做壓實處理，以防破壞孔壁孔隙，影響入滲速率。設(shè)置孔口護管以防孔口破壞并方便控制定水頭供水。直接在粉砂表面設(shè)置直徑10 cm的滲水試驗環(huán)進行入滲試驗作為對照。試驗均采用馬氏瓶定水頭供水，控制水面高出粉砂表面5 cm。以自來水作為水源、清水入滲。各試驗間保持較大的間距避免干擾。及時記錄入滲水量歷時變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 填充介質(zhì)選取分析

土的粒度組合、空間結(jié)構(gòu)等特征是影響滲透性的主要因子。在試驗中，為避免砂穴填充介質(zhì)壓實過程對砂穴孔壁產(chǎn)生擠密效應(yīng)影響其滲透性，對砂穴填入的多孔介質(zhì)不做壓實處理，僅依靠水分入滲過程中的飽水自重壓密作用重建其穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，故存在砂穴充填介質(zhì)中的顆粒失穩(wěn)再平衡問題。土壤顆粒的大小決定了土壤孔隙的大小、多少以及分布位置，進而影響入滲速率。

圖2為砂穴中填充的不同介質(zhì)入滲過程歷時曲線。該圖顯示：（1）對照組（M4）穩(wěn)定入滲速率最小且入滲速率變化不大，砂穴中填充的未經(jīng)處理的沖積砂（M1）穩(wěn)定入滲速率小于經(jīng)過處理的沖積砂（M2）的穩(wěn)定入滲速率且遠遠小于河砂（M3）的穩(wěn)定入滲速率。（2）M1、M2的前期入滲速率衰減較快，在歷時60 min左右出現(xiàn)速率拐點，它們的入滲速率分別由初期的020 L/min、030 L/min衰減至005 L/min、007 L/min，穩(wěn)定速率僅為初期入滲速率的025和023；M3的入滲速率由初期的040 L/min衰減至024 L/min，穩(wěn)定速率為初期入滲速率的060。分析認為：調(diào)節(jié)砂穴充填介質(zhì)中的細粒含量可以有效影響其滲透性。M1、M2入滲速率受結(jié)構(gòu)重建影響較大，粗粒河砂受影響相對較小。沖積砂穩(wěn)定后的入滲速率與相應(yīng)的地表入滲相近，起不到加速入滲的效果。水洗后的沖積砂介質(zhì)作為填料穩(wěn)定入滲速率是地表入滲速率的175倍，也不宜作為充填介質(zhì)。河砂由于其分選好，主要由水穩(wěn)性顆粒組成，含黏粒少，入滲速率受飽水壓密及失穩(wěn)等因素影響小，穩(wěn)定入滲速率達到地表入滲的近6倍，可以作為填料類型的選取對象。

試驗砂穴的開挖結(jié)果表明：黏粒失穩(wěn)平衡后主要集中分布在孔的底部；砂性細粒在上部產(chǎn)生局部聚集，形成堵塞。這是由于起始時砂穴松散、孔隙較大飽水鋒面攜帶細粒土向下運移，隨著深度增加攜帶物在飽水鋒面越聚越多，導致砂性顆粒形成了局部堵塞，而黏粒由于個體較小以懸浮狀態(tài)隨水運移，最終沉積在底部。

綜合分析認為，在選擇填充介質(zhì)時宜選用粒度均勻的，以保障所填的多孔介質(zhì)在飽水自重壓實條件下失穩(wěn)重建后的結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生較大的局部堵塞而影響入滲速率；鑒于黏粒主要聚集于底部，現(xiàn)實中又不可能完全以清水入滲，因此在設(shè)計砂穴時宜預(yù)留沉定空間。

2.2 單穴入滲效率對比分析

不同入滲方式下水分累積入滲量隨時間的變化關(guān)系見圖3。圖3顯示，試驗時段內(nèi)的水分累積入滲量為：V1>V2>V3。V2、V3的受水介質(zhì)相同，而試驗中V2水分累積入滲量是V3水分累積入滲量的6倍以上，說明砂穴式入滲提高入滲效果顯著。V1、V2的砂穴充填介質(zhì)相同，而試驗中V1水分累積入滲量是V2水分累積入滲量的7倍以上，說明受水介質(zhì)的性質(zhì)在砂穴式入滲中依然對入滲量起著控制性作用，也證明了V2試驗中人工充填多孔介質(zhì)（1～3 mm濾料質(zhì)石英砂）對于周圍的粉砂供水充分，即是一種充分供水試驗。分析認為，水分不飽和的土體，意味著土體傾向于吸收水分，當外界向土體輸入水分，則水分將受到基質(zhì)勢、滲透勢與重力勢的層層約束，并在土壤孔道里逐漸入浸，沿著水勢梯度差的方向浸潤擴展，直至整體水勢均衡為止。一般情況下，土壤水不存在壓力勢。而對于砂穴式入滲，水在人工砂穴中的傳導符合大孔隙優(yōu)勢流運移理論，它不但造成大孔隙優(yōu)勢流使得水可以快速向深部傳遞使砂穴達到飽和狀態(tài)、水土接觸面積增大，而且由于砂穴飽和后連續(xù)存在自由水體產(chǎn)生壓力勢與重力勢，與地面入滲相比砂穴式入滲成為一種有壓入滲，從而入滲速率相對較快。

2.3 砂穴式入滲應(yīng)用前景分析

包氣帶是良好的儲水空間，粉土、砂性土的滲透性都能成為蓄水層。據(jù)給水度經(jīng)驗值估算，近地表粉土、粉砂、細砂蓄水能力分別約為其體積的10%、15%、20%，也就是說2 m左右的地層進行處理后足可以容納200 mm降雨量。但是長期以來受制于入滲速率慢，入滲面積不斷減少，包氣帶儲水空間不能很好的發(fā)揮作用。

根據(jù)圖2，砂穴入滲效率試驗數(shù)據(jù)線性回歸分析結(jié)果（表2）表明：入滲量與時間是線性關(guān)系，入滲量隨著時間的增加而增加；擬合度近似于1，說明時間與入滲量關(guān)系密切，趨勢線可靠。在趨勢線公式中斜率也就是入滲速率，在試驗約束條件不，分析對比趨勢線斜率可知：V1的入滲速率是V2入滲速率的76倍，是V3入滲速率的481倍；V2入滲速率是V3入滲速率的63倍。這說明，砂穴式入滲是一種可以提高入滲速率的入滲技術(shù)。

當包氣帶不發(fā)生變化的條件下（如儲水空間不足，水位與砂穴直接聯(lián)通等情況），砂穴可以連續(xù)入滲。結(jié)合降雨強度分級和我國《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南—低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建》（所有低影響開發(fā)設(shè)施的綠化均滿足景觀要求，設(shè)計最大雨水排空時間為24 h），按雨水匯集量與單個砂穴24 h入滲量相等的原則，通過公式（1）估算不同降雨強度下單個砂穴可調(diào)控面積。

實際中的雨水流量指的是降雨量中扣除植物截留、下滲、填洼與蒸發(fā)等各種損失后所剩下的那部分量。以匯水各種損失為安全量（也就是不計匯水損失），假設(shè)有蓄水體存在可以緩存雨水24 h的情況下，估算24 h不同降雨強度下單個砂穴可調(diào)控面積，見表4。

可見，初步試驗中，一個V1式砂穴可調(diào)控約60～120 m2大雨的降雨量，是其占地面積的數(shù)千倍，一個V2式砂穴可調(diào)控約8～16 m2大雨的降雨量，是其占地面積的數(shù)百倍。也就是說，一個V1式砂穴24 h入滲量最小相當于60 m2大雨的降雨量，一個V2式砂穴24 h入滲量最小相當于8 m2大雨的降雨量，也就具有調(diào)控相應(yīng)面積降雨量的能力。

同時，包氣帶水分傳導的特征是干土導水力弱，傳輸緩慢，只有當土壤逐漸浸潤之后，才能恢復其較高的傳導力，保證水分的下滲。在多個砂穴面狀施工時，砂穴還能加速穴間土飽水，盡快發(fā)揮其較高的水分傳導力。

在華北平原地區(qū)，一般砂穴的深度限制在6 m以內(nèi)。 結(jié)合地層實際情況，上部采用不透水管作為導水通道，下部伸入強透水介質(zhì)中的砂穴結(jié)構(gòu)，可以很好的解決水分入滲軟化地基持力層的問題，利用零星場地形成入滲點。城市建筑垃圾經(jīng)適當粉碎篩選即可用作砂穴充填介質(zhì)，實現(xiàn)建筑垃圾的就地利用。

砂穴式入滲還在調(diào)節(jié)微觀水循環(huán)、減輕災(zāi)害、提高雨水利用率等方面有良好的應(yīng)用前景。地球表層系統(tǒng)受人類活動影響，透水性孔隙大量減少形成滲透性差的阻水層，使得雨水以地表徑流方式運移流失，加劇了雨洪災(zāi)害與干旱的發(fā)生。遵循水循環(huán)平衡的法則和要求，以砂穴式入滲為手段，田格法劃分構(gòu)建集水區(qū)，化整為零控制徑流攜沙量，依據(jù)包氣帶儲水空間分布特征，就地構(gòu)建砂穴入滲區(qū)，將雨水入滲至深部，減少了地表蒸發(fā)量，使更多的降雨轉(zhuǎn)化為可被植被直接利用的生態(tài)水資源及可采水資源，達到調(diào)節(jié)水循環(huán)、提高雨水利用率、減輕災(zāi)害的目的。

綜合分析認為，砂穴式入滲是一種解決地下水庫“肚大口小，能容難進”的瓶頸問題的可操控性手段，它將促進滲流理論轉(zhuǎn)化為減輕雨洪災(zāi)害的技術(shù)，形成生產(chǎn)力服務(wù)于城市（或者山區(qū)）洪澇減災(zāi)，提高水資源的有效利用水平，促進水循環(huán)體系自我恢復和良性發(fā)展，從而實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展以及人與自然和諧相處。

3 結(jié)論

（1） 砂穴式入滲是一種可以加快入滲速率的技術(shù)方法。它為解決地下水庫“肚大口小，能容難進”的瓶頸問題提供了一種可操控性技術(shù)方法。在試驗中，它對于提高入滲速率效果顯著，直徑10 cm、深50 cm粉砂穴式入滲速率即可達到同等面積粉砂地表入滲速率的6倍以上。

（2） 砂穴填料宜選用分選好的多孔介質(zhì)。為保障孔壁入滲性不受影響，填料主要依靠飽水自重壓密。分選差的多孔介質(zhì)中粒徑較小的組份在飽水時會發(fā)生失穩(wěn)運移，易產(chǎn)生局部堵塞影響入滲速率。試驗中，河砂作為填料時的入滲速率是水洗沖積砂作為填實時入滲速率的34倍。

（3） 砂穴式入滲技術(shù)在雨水就地攔蓄入滲等方面有較好的應(yīng)用前景。

初步試驗中，一個中砂穴24 h的入滲量最小相當于面積60 m2大雨的降雨量，

而且施工占地少、施工無污染等，完全適應(yīng)在場地狹窄的城市建成區(qū)施工，因此它在城市降雨就地消納和利用方面具有良好的應(yīng)用前景。此外，它能將雨水徑流直接入滲至土壤深部，減少了地表蒸發(fā)量，為植被恢復提供更多的生態(tài)水量，因此它將在西北干旱地區(qū)利用土壤水庫提高雨水利用率加快生態(tài)恢復治理領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

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