河水滲漏量影響因素的砂箱試驗(yàn)研究

高宗軍，王貞巖，劉久潭，王 姝

(山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

0 引言

地表水和地下水均是水循環(huán)的重要組成部分[1]。地表水與地下水之間有著十分密切的水力聯(lián)系和頻繁的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是自然界中普遍存在的現(xiàn)象[2]。理解地表水與地下水之間的相互作用及其演化關(guān)系，可以為區(qū)域地下水資源的可持續(xù)利用、管理與保護(hù)提供科學(xué)參考，特別是在地下水的主要的補(bǔ)給來源為河水滲漏的干旱半干旱地區(qū)[3-4]。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)地表水與地下水相互關(guān)系的研究主要集中于兩者之間為飽和水力聯(lián)系的情況[5]。隨著人口數(shù)量增加、城鎮(zhèn)化加快，人類對(duì)地下水需求量越來越大。人們對(duì)地表水與地下水的研究越來越多，逐漸地認(rèn)識(shí)到隨著地下水開采量不斷增加，地下水位持續(xù)下降，導(dǎo)致地表水與地下水逐漸失去飽和水力聯(lián)系，不再具有統(tǒng)一的浸潤(rùn)曲線，發(fā)生脫節(jié)現(xiàn)象[6-7]。而地表水與地下水脫節(jié)以后，在地表水的下方形成倒掛飽水區(qū)，而在倒掛飽水面與地下水面之間形成一個(gè)非飽和帶[8-9]。

地表水與地下水之間的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過程，受諸多因素影響。通常隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，受到物理的、化學(xué)的及生物的作用，地表水入滲會(huì)逐漸減小甚至完全堵塞。在不考慮堵塞的前提下，新鮮的河床條件，地表水形態(tài)、河床組成、地表水水動(dòng)力條件以及人類活動(dòng)等各種因素[10-12]都會(huì)對(duì)地表水入滲產(chǎn)生影響。本文討論的就是這種不考慮堵塞的情況，近年來，諸多學(xué)者多對(duì)該種情況下地表水與地下水之間的相互作用關(guān)系進(jìn)行了大量研究。Rivière等人[13]通過砂箱試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究了在地表水深不變、地下水位逐漸降低條件下，地表水與地下水之間逐漸由飽和連接發(fā)展為完全脫節(jié)的動(dòng)態(tài)演化過程，得出在地表水與地下水脫節(jié)的過程中入滲速率因受水力梯度控制，在完全脫節(jié)階段趨于最大值并保持穩(wěn)定。Rivière等人的研究結(jié)果與Fox和Durnford以及Brunner等學(xué)者先前研究所提出的穩(wěn)定條件下地表水-地下水關(guān)系演化中入滲速率與水位差的關(guān)系一致。非完整切割地表水是地表水與地下水發(fā)生脫節(jié)的必要條件，因?yàn)橥暾懈畹乇硭c地下水之間總是處于飽和連接狀態(tài)。滲透性較低的河床對(duì)河水的入滲作用有著明顯的影響。Fox和Durnford以及Brunner等學(xué)者對(duì)地表水與含水層之間的滲流規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為河床發(fā)育有低滲透性堵塞層是地表水與地下水發(fā)生脫節(jié)的必要條件。然而，王文科等人于室內(nèi)砂箱試驗(yàn)得出，無論河床底部是否存在弱透水層，在一定條件下地表水與地下水都會(huì)發(fā)生脫節(jié)。另外，王文科等人[14]還基于數(shù)值模擬和方程求解等方法得出河床下部發(fā)育的懸掛飽水帶厚度總是等于河水深度，這與謝月清等人[15]的數(shù)值模擬結(jié)果存在差別。隨著不斷的深入研究，人們對(duì)地表水與地下水之間的脫節(jié)演化過程、機(jī)理以及相應(yīng)的河水入滲規(guī)律，都有了新的認(rèn)識(shí)。鮮陽等人[16]通過研究得出由毛細(xì)作用或非均質(zhì)性引起的側(cè)向流對(duì)地表水與含水層之間的相互作用也起著重要作用，并指出倒掛飽水面的最低點(diǎn)不僅可以在河床底部發(fā)育，還可以在河床或含水層中發(fā)育。為對(duì)地表水與地下水之間的水力聯(lián)系做出進(jìn)一步研究，本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，利用三種砂完成了砂箱實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，對(duì)地表河水的滲漏量及其影響因素進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)裝置與材料方法

1.1 砂箱試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)用砂箱如圖1所示。主體為一個(gè)高2.2 m、寬(厚)0.4 m、長(zhǎng)3 m的矩形砂箱。砂箱上部中間設(shè)置可控水位的河流水槽，其兩側(cè)及底部均透水，可模擬河道長(zhǎng)0.4 m，寬0.2 m，最大深度0.2 m的河水由底部及兩側(cè)滲漏的情形。砂箱左、右兩端分別設(shè)有可調(diào)控水頭的水槽，高2.2 m、寬(厚)0.4 m、長(zhǎng)0.25 m呈矩形體。砂箱背面是透明玻璃質(zhì)完整擋水墻，正面按規(guī)則共設(shè)有552個(gè)測(cè)壓(出水)孔，用膠管將各測(cè)壓孔與測(cè)壓水排(把各個(gè)測(cè)壓管敞口端按照一定順序綁定在一起的排面)連接，觀測(cè)各孔處的水頭變化。在該裝置的頂部中央位置，放置一個(gè)模擬自然河道的在河流下部區(qū)域測(cè)壓孔加密設(shè)置。通過該裝置，可以完成不同粒度砂箱、不同河流水深、不同河流-地下水的水頭差條件下的河流補(bǔ)給地下水的試驗(yàn)。

圖1 試驗(yàn)砂箱裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)用砂屬性

試驗(yàn)選用三種粒徑的試驗(yàn)用石英砂，分別為細(xì)砂(120～180目)、中砂(40～70目)、粗砂(20～40目)，各砂樣的實(shí)測(cè)粒度曲線如圖2所示，其他相關(guān)參數(shù)均按照標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法測(cè)得，其數(shù)值列于表1所示。試驗(yàn)所用粗砂(0.425～0.85 mm)與前人砂箱試驗(yàn)研究(Wang et al. 2011)中的砂的顆粒(0.5～1.0 mm)大小較為接近。

表1 試驗(yàn)用砂物理特性參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方法步驟

砂箱采用分層裝填的方式填滿砂。每次裝砂5～10 cm厚，然后從砂箱底部充水，至水沒過砂表面止；然后繼續(xù)裝砂5～10 cm后再充水，直至裝滿砂箱。砂箱填滿后，再進(jìn)行多次完全排水與完全充水，直至砂箱內(nèi)砂介質(zhì)完全充分密實(shí)。每次試驗(yàn)前，都將砂箱充滿水，并將各個(gè)測(cè)壓管中的氣泡全部排出。

試驗(yàn)須控制頂部河水和砂箱兩端水槽的水深，以調(diào)控滲漏量及砂箱地下水位，待兩者穩(wěn)定后，記錄兩端水槽的排泄流量，即頂部河水滲漏量，并記錄測(cè)壓排上各測(cè)壓管測(cè)得的數(shù)據(jù)。將測(cè)壓孔拔除膠管后，能自由流出水的視為飽水，否則視為非飽水。由此可圈定河流下倒掛飽水區(qū)范圍和下部飽水區(qū)頂部的地下水面。每一種砂樣的試驗(yàn)都設(shè)計(jì)了2個(gè)不同河流水深，分別為10 cm和18.5 cm；每次試驗(yàn)先確定兩端水槽水位，待河流水深、排泄流量和兩端水槽水位均穩(wěn)定后，進(jìn)行測(cè)壓排觀測(cè)記錄，完成一次試驗(yàn)；之后降低兩端水槽水位10 cm，重復(fù)另一次試驗(yàn)；依此類推。每一種砂樣的試驗(yàn)結(jié)束后，按上述過程進(jìn)行重新裝砂和重復(fù)試驗(yàn)。

細(xì)砂試驗(yàn)是最后完成的，除了完成以上試驗(yàn)外，增加了三次試驗(yàn)，將兩端水槽水位降到到最低的30 cm，完成了河水深度分別為6.5 cm、12.5 cm和18.5 cm時(shí)的相關(guān)試驗(yàn)，劃分了飽水區(qū)與非飽水區(qū)，并對(duì)非飽水區(qū)進(jìn)行了負(fù)壓值測(cè)定。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，總結(jié)歸納相關(guān)特征規(guī)律，分析其水文地質(zhì)意義。

圖2 試驗(yàn)用砂樣粒度分析曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 典型試驗(yàn)結(jié)果介紹

由于設(shè)置了552個(gè)觀測(cè)孔，所以可以通過測(cè)壓排上的測(cè)壓管內(nèi)的水位高度，時(shí)刻記錄砂箱552個(gè)位置的水位變動(dòng)情況，從而確定水的運(yùn)動(dòng)方向。

如前所述，本次試驗(yàn)采用粗中細(xì)三種試驗(yàn)用均質(zhì)石英砂作為砂箱的填充料形成均勻滲透介質(zhì)場(chǎng)。當(dāng)河水控制水位不變時(shí)，砂箱兩端的水槽的水位不同，就會(huì)構(gòu)成與河水的水頭差，從而形成不同的滲漏量；三種不同砂介質(zhì)的交替，就會(huì)得出不同粒徑砂情況下的滲漏量差異性。為了說明河水滲漏量極大值出現(xiàn)時(shí)的河水與地下水脫節(jié)的情況，介紹典型試驗(yàn)過程。

該典型試驗(yàn)是(通過調(diào)節(jié)河水位控制閥控制流量的辦法)控制河水位保持10 cm深度不變，不斷地改變砂箱兩端水槽的水位。待河水位10 cm不變和砂箱兩端水槽水位不變并保持一定時(shí)間的穩(wěn)定后，測(cè)量?jī)啥怂鄣呐判沽?，兩水槽排泄量之和即為河水的滲漏量。此時(shí)可通過552個(gè)觀測(cè)孔的水位測(cè)量情況，繪制出該時(shí)刻的等水位線圖。圖3給出了河水深度10 cm，砂箱兩端水槽水位分別是200 cm、170 cm、140 cm、100 cm、90 cm、60 cm時(shí)的砂箱552個(gè)觀測(cè)孔連接的測(cè)壓管內(nèi)的水頭顯示值的等值線。需要說明的是：(1)砂箱高度220 cm，頂部中央的河流成矩形，總深20 cm，因此河底位置高度為200cm；(2)彎曲的藍(lán)實(shí)線表示地下水面，即砂箱飽水區(qū)的水面，是自由水面，其下倒掛飽水區(qū)內(nèi)，水是飽和的，觀測(cè)孔可以自由流出水；除上述外為非飽水區(qū)，觀測(cè)孔不能自由流出水。從飽水狀態(tài)一旦轉(zhuǎn)化為非飽水狀態(tài)，就會(huì)由正壓轉(zhuǎn)為負(fù)壓狀態(tài)，有的直接進(jìn)入空氣，使測(cè)壓管原本連續(xù)的水柱斷開，從而在測(cè)壓管的測(cè)壓排一端產(chǎn)生水頭驟然上升的虛假情況。在這里，為真實(shí)起見，采用了真實(shí)的記錄數(shù)據(jù)，并做出等值線，即非飽水區(qū)等水位線是測(cè)壓管內(nèi)充氣后的數(shù)據(jù)得出的。由于觀測(cè)孔之間的間隔是5 cm、10 cm和20 cm，所以做出的代表地下水面的水位線不夠圓滑，是數(shù)據(jù)使然。

可以看出，當(dāng)控制河水深度為10 cm時(shí)，當(dāng)砂箱兩端的水槽的水位(簡(jiǎn)稱排泄水位，下同)高于140 cm時(shí)，河水與地下水具有連續(xù)的水力聯(lián)系(見圖3中A、B、C)。但是當(dāng)排泄水位降低到140 cm時(shí)，河水下方的浸潤(rùn)曲線開始向中間收縮，進(jìn)入過渡脫節(jié)階段。當(dāng)排泄水位繼續(xù)下降至100 cm時(shí)，飽水區(qū)在河水下一定距離上出現(xiàn)頸形狹口，幾近脫節(jié)；當(dāng)排泄水位進(jìn)一步下降至90 cm時(shí)，河水與地下水浸潤(rùn)曲線斷開，已經(jīng)完全脫節(jié)，并殘留倒掛飽水區(qū)，宛如包裹在垂直向下的鈍首的水滴，其厚度(由河底至倒掛飽水區(qū)下垂中央位置)介于20～25 cm之間。當(dāng)排泄水位繼續(xù)下降時(shí)，倒掛飽水區(qū)的厚度反而減小為10～15 cm之間，試驗(yàn)證明，排泄水位繼續(xù)下降，倒掛飽水區(qū)大小均保持不變(見圖3中D、E、F)。

排泄水位A：200cm，B：170cm，C：140cm，D：100cm，E：90cm，F(xiàn)：60cm

2.2 河水滲漏量結(jié)果匯總與分析

實(shí)驗(yàn)過程中，每一種砂子作為滲透介質(zhì)時(shí)，都會(huì)通過控制河水供給裝置的流量的調(diào)節(jié)，保持河水深度、砂箱兩端水槽的水位高度符合要求的數(shù)據(jù)，然后保持穩(wěn)定一段時(shí)間后，才會(huì)測(cè)量砂箱兩端水槽的排泄量，從而求得河水的(總)滲漏量。

圖4、圖5、圖6分別是粗砂、中砂及細(xì)砂作為充填滲透介質(zhì)的情況下的不同河水深及不同砂箱兩端水槽水位情況下的河水滲漏量變化曲線。

圖4 透水介質(zhì)為粗砂時(shí)河水滲漏量與排泄水位及河水深度的關(guān)系

圖5 透水介質(zhì)為中砂時(shí)河水滲漏量與排泄水位及河水深度的關(guān)系

圖6 透水介質(zhì)為細(xì)砂時(shí)河水滲漏量與排泄水位及河水深度的關(guān)系

由圖4～圖6可以看出，無論是哪種砂構(gòu)成的滲透流場(chǎng)，河水與地下水脫節(jié)前，在相同排泄水位(砂箱兩端水槽水位)時(shí)，河水深越大，排泄流量越大，反之亦然。當(dāng)河水與地下水發(fā)生脫節(jié)時(shí)，排泄流量達(dá)到極值。脫節(jié)之后，即使排泄水位繼續(xù)降低，排泄流量也基本保持不變。說明河水與地下水發(fā)生脫節(jié)，是河水滲漏量或砂槽排泄流量達(dá)到極值的標(biāo)志。

3 結(jié)果與討論

本次對(duì)三種不同粒徑的新鮮砂樣構(gòu)成的砂箱所做的不同河水深度、不同排泄水位的觀測(cè)結(jié)果可以看出，在不考慮滲漏堵塞的情況下，河水滲漏量的大小主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)：

(1)河水深度。河水滲漏量與河水深度成正比。一是由于河水深度加大，使得河水的勢(shì)能及壓力都增加，河水的濕周面積即河水滲漏的過水?dāng)嗝娴拿娣e增大，因而導(dǎo)致河水的滲漏量加大。

(2)滲透介質(zhì)的滲透性，滲透性好，則滲漏量大。

(3)排泄水位，或稱地下水位埋深。這里要分三種情況：

首先，地下水埋藏較淺，河水與地下水不發(fā)生脫節(jié)。此時(shí)的河水面與地下水面的距離越大，即河水與地下水之間的水頭差越大，則河水的滲漏量越大；其次是河水與地下水發(fā)生脫節(jié)，此時(shí)的河水的滲漏量達(dá)到最大；最后是地下水位埋藏較深，河水與地下水發(fā)生脫節(jié)，河水下倒掛飽水區(qū)與下伏的飽水區(qū)之間產(chǎn)生非飽水區(qū)，此時(shí)的河水滲漏量維持在脫節(jié)時(shí)的量基本不變。在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，粗砂時(shí)河水與地下水脫節(jié)后，繼續(xù)增大河水與地下水的水頭差，河水的滲漏量反而出現(xiàn)了小幅度的減少的情況。