河水下懸掛飽水帶及非飽水帶水分布與運(yùn)移特征試驗(yàn)研究

高宗軍,丁子祺,劉久潭,王貞巖,王 姝,劉文悅

(山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590)

非飽水帶是降水、地表水和地下水的樞紐,是連接地表水與地下水的關(guān)鍵區(qū)域[1-2]。非飽水帶屬于“四相結(jié)構(gòu)”體,除了巖土顆粒骨架外,空隙中還含有水、氣及生物組分[3]。因此,研究非飽水帶中水的分布及運(yùn)移特征,對(duì)于揭示地表水與地下水的相互作用及生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

地表水與飽水帶地下水均被看作可正常傳導(dǎo)水壓的連續(xù)流體[4]。當(dāng)飽水帶地下水位與地表水位相近時(shí),地表水與周?chē)叵滤哂邢嗷パa(bǔ)排的水力聯(lián)系(圖1)。當(dāng)?shù)叵滤怀掷m(xù)下降時(shí),地表水向地下水不斷滲透,地下水面先在地表水兩側(cè)形成,并隨著地下水面的持續(xù)下降,出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象[5-7],此時(shí)在地表水下方會(huì)形成一個(gè)飽和地下水帶,稱(chēng)為懸掛飽水帶。懸掛飽水帶與地下水面之間稱(chēng)為非飽水帶[8],與無(wú)地表水分布的非飽水帶(包氣帶)不同,該非飽水帶中,由地表水下滲的水以不連續(xù)的形式、持續(xù)地向下伏飽水帶運(yùn)移,因而該非飽水帶中的水不斷向下運(yùn)移[9]。本研究將河床底部到懸掛飽水帶外緣的最大垂直距離稱(chēng)為懸掛飽水帶大小。

有關(guān)懸掛飽水帶的形成、大小等前人做了一些研究,Rivière等[10]在河水深不變、地下水位逐漸下降條件下,基于砂箱實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬,分析了河流與地下水之間由連接至完全脫節(jié)的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在脫節(jié)過(guò)程中入滲速率在完全脫節(jié)階段趨于最大值并保持相對(duì)穩(wěn)定。Wang等[11]基于數(shù)值模擬得出懸掛飽水帶厚度等于河水深,并利用室內(nèi)砂箱試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)無(wú)論弱透水層是否存在,河流與地下水在一定條件下均會(huì)發(fā)生脫節(jié)。Xian等[12]開(kāi)發(fā)了耦合模型并研究河流與地下水演化過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)鹽運(yùn)移與微生物生長(zhǎng)之間的反饋關(guān)系及其對(duì)土壤入滲演化的控制作用。鮮陽(yáng)[13]通過(guò)數(shù)值模擬和解析法對(duì)河流與地下水脫節(jié)演化機(jī)理進(jìn)行了定量分析。地表水與地下水之間的相互作用復(fù)雜,且受多種自然和人類(lèi)活動(dòng)因素的影響[14-19]。因此,懸掛飽水帶的控制因素、下伏非飽水帶的水分布及運(yùn)移特征、脫節(jié)現(xiàn)象的形成演化及其控制因素等,均值得進(jìn)一步研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

本研究利用室內(nèi)砂箱試驗(yàn)裝置,分別在靜水和河水滲漏(動(dòng)水)條件下,開(kāi)展不同粒徑、地表水深、地下水水位埋深的河水滲漏補(bǔ)給地下水模擬試驗(yàn),分析河水下滲透介質(zhì)場(chǎng)內(nèi)水的分布形態(tài)及運(yùn)移特征、地表水下懸掛飽水帶的發(fā)育特征、形成機(jī)制及影響因素等,并通過(guò)河水滲漏示蹤試驗(yàn),分析非飽水帶水沿水平和垂直兩個(gè)方向滲透速度隨時(shí)間的變化,以彌補(bǔ)目前非飽水帶水分布及運(yùn)移特征的研究空白。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 砂箱試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用長(zhǎng)3 m、寬0.4 m、高2.2 m的矩形砂箱,砂箱裝置及觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖2所示。砂箱頂端中間設(shè)可控水位的水槽(長(zhǎng)0.4 m、寬0.2 m、高0.2 m),以模擬不同水深的自然河流。砂箱左右兩側(cè)也設(shè)可調(diào)控水位的水槽(長(zhǎng)0.25 m、寬0.4 m、高2.2 m),用以控制砂箱兩側(cè)的排泄水位。砂箱正面設(shè)552個(gè)測(cè)壓(出水)孔,靠近模擬河流下方的觀測(cè)孔距為5 cm,外圍觀測(cè)孔距為10 cm,其他部位觀測(cè)孔距為20 cm。觀測(cè)孔用軟管與裝置旁邊直立的測(cè)壓排連接,試驗(yàn)時(shí)排掉軟管中的氣泡,并監(jiān)測(cè)每個(gè)孔的水頭(這里用水壓或水位代替)變化情況。砂箱背面是由半透明有機(jī)玻璃制成的擋墻。

1.2 砂樣屬性

本次試驗(yàn)采用3種不同類(lèi)型的石英砂作為砂箱填充物:細(xì)砂、中砂、粗砂,砂樣物理特征參數(shù)如表1所示。利用達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置、毛細(xì)上升高度測(cè)試裝置等測(cè)試給水度等指標(biāo)。

表1 試驗(yàn)所用砂樣物理特性參數(shù)

1.3 非飽水負(fù)壓測(cè)量原理

當(dāng)砂箱充滿(mǎn)水時(shí),各觀測(cè)孔的測(cè)壓水頭相同;當(dāng)滲透水流發(fā)生時(shí),各觀測(cè)孔的測(cè)壓水頭會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。觀測(cè)孔能夠自由流水,表明含水介質(zhì)處于飽水狀態(tài),否則處于非飽水狀態(tài)。非飽水帶的負(fù)壓通過(guò)連接在觀測(cè)孔的滑動(dòng)式U形軟管測(cè)定,具體操作為:將透明軟管的一端垂直固定在一根可移動(dòng)的直尺上,軟管內(nèi)充水,另一端與觀測(cè)孔連接。上下移動(dòng)直尺,使軟管內(nèi)的水柱移動(dòng),并與觀測(cè)孔產(chǎn)生水頭差,直至觀測(cè)孔有水流出來(lái),記錄該水頭差。該水頭差近似等于觀測(cè)孔的負(fù)壓水頭值,這里將該值定義為非飽水帶出水壓,為負(fù)壓值的絕對(duì)值。當(dāng)該水頭差大于觀測(cè)孔負(fù)壓絕對(duì)值時(shí),非飽水帶的水可以像飽水狀態(tài)時(shí)一樣連續(xù)流出;若非飽水帶沒(méi)有水源或負(fù)壓值過(guò)高,則無(wú)論該水頭差多大,觀測(cè)孔均不會(huì)有水流出。

1.4 試驗(yàn)方法與步驟

將試驗(yàn)砂樣以每層5～10 cm的厚度逐層填入砂箱,并從砂箱底部進(jìn)水,使砂樣全部浸透,然后繼續(xù)填砂,直至砂箱裝滿(mǎn)。砂箱裝滿(mǎn)砂樣后,反復(fù)充水、排水,以確保箱內(nèi)砂樣完全密實(shí)。每次試驗(yàn)前都要注滿(mǎn)水,并排出每根軟管中的氣泡。試驗(yàn)中,軟管拔出后,水能從觀測(cè)孔中自由流出為飽水狀態(tài),否則為非飽水狀態(tài),據(jù)此確定砂箱飽水帶和非飽水帶的范圍,標(biāo)記地下水面和懸掛飽水帶水面。具體試驗(yàn)步驟如下。

1) 檢查各裝置連接完好,將砂箱充滿(mǎn)水,并排出軟管中氣泡;觀察與觀測(cè)孔相連的測(cè)壓排水位,若測(cè)壓排顯示水位相同,說(shuō)明試驗(yàn)裝置正常,繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

2) 保持兩側(cè)水槽的水位在同一水平,將水槽水位每次下降或上升10 cm,同時(shí)保持河水深穩(wěn)定,使河水自然下滲,等兩側(cè)水槽的水位、排水量、測(cè)壓排水位穩(wěn)定后,記錄此時(shí)的時(shí)間、排水體積等數(shù)據(jù)。

需要說(shuō)明的是,砂箱兩側(cè)水槽的排水量穩(wěn)定后,該排水量即為河水穩(wěn)定下滲量,也是試驗(yàn)砂箱下部飽水帶(地下潛水)獲得的河水滲漏補(bǔ)給量。

3) 根據(jù)觀測(cè)到的測(cè)壓排水頭值,判定穩(wěn)定飽水帶水面;對(duì)飽水帶水面附近的各個(gè)觀測(cè)孔,拔除軟管、觀察是否出水,判斷各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的飽水狀態(tài)。

4) 對(duì)非飽水的觀測(cè)孔,利用非飽水負(fù)壓測(cè)量裝置逐個(gè)測(cè)量各點(diǎn)負(fù)壓值。

試驗(yàn)中,若觀測(cè)孔無(wú)法測(cè)出負(fù)壓力值,說(shuō)明該孔與飽水帶水面距離超過(guò)了毛細(xì)上升高度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 非飽水帶水分布與運(yùn)移特征

1) 靜水環(huán)境下非飽水帶水分布特征

砂箱不供水情況下,調(diào)節(jié)砂箱兩側(cè)水槽的水位處于同一高度,砂箱內(nèi)部水體處于靜水環(huán)境,飽水帶水面呈水平狀態(tài)。利用負(fù)壓測(cè)量裝置,在飽水帶水面以上的非飽水帶測(cè)量各觀測(cè)孔的負(fù)壓值。觀測(cè)結(jié)果顯示,負(fù)壓值與飽水帶水面距離成正比。圖3為細(xì)砂情況下,各觀測(cè)孔負(fù)壓值與飽水帶水面距離的關(guān)系散點(diǎn)圖。試驗(yàn)中,觀測(cè)到的最大負(fù)壓值為31 cm,該值與試驗(yàn)前測(cè)得的細(xì)砂毛細(xì)上升高度值30 cm相近。當(dāng)飽水帶距離繼續(xù)增大,無(wú)論負(fù)壓增加與否,均未發(fā)生觀測(cè)孔出水現(xiàn)象。因此,凡是利用本裝置測(cè)出負(fù)壓的觀測(cè)孔,均被認(rèn)定為處于支持毛細(xì)水帶。即距離地下水面(飽水帶水面)0～31 cm時(shí),非飽水帶中的水可以在一定壓差驅(qū)動(dòng)下連續(xù)流出,也就是說(shuō)非飽水帶的支持毛細(xì)水可以“連續(xù)出水”。由圖3還可以看出,距離飽水帶的水面越遠(yuǎn),抽出時(shí)所需的壓力就越大,即其負(fù)壓值越大,這與以往結(jié)論一致。也進(jìn)一步說(shuō)明,隨著遠(yuǎn)離飽和水面,含水介質(zhì)中的含水量及水的連通性變差。

圖3 負(fù)壓值及與飽水帶水面距離的關(guān)系

2) 河水滲漏條件下非飽水帶水分布與運(yùn)移特征

當(dāng)河流與地下水發(fā)生脫節(jié)后,懸掛飽水帶和下部飽水帶水面之間的非飽水帶負(fù)壓值的分布具有一定規(guī)律。圖4是細(xì)砂條件下砂箱兩側(cè)水槽水頭保持30 cm時(shí)不同河水深的非飽水帶不同位置的負(fù)壓值分布情況,這里用出水壓表示,是負(fù)壓的絕對(duì)值。河水通過(guò)懸掛飽水帶后,在下方的非飽水帶中繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng),并發(fā)生彌散作用,產(chǎn)生向水平方向運(yùn)動(dòng)的分量。

圖4 細(xì)砂條件下出水壓等值線(xiàn)圖

如圖4(a),當(dāng)河水深為18.5 cm時(shí),非飽水帶中負(fù)壓等值線(xiàn)呈梯形分布。同一列觀測(cè)孔中,距離懸掛飽水帶或者下部飽水帶水面越近,其負(fù)壓值越小;同一水平觀測(cè)孔中,離河水越近,其負(fù)壓值也越小。當(dāng)負(fù)壓值超出細(xì)砂的毛細(xì)上升高度時(shí),出水壓測(cè)量裝置無(wú)法測(cè)出其負(fù)壓值,觀測(cè)孔不能連續(xù)出水(圖4中空白區(qū)域)。此時(shí)的非飽水帶已不受河水下滲的影響或影響很小。如圖4(b)所示,河水深為12.5 cm時(shí),非飽水帶水分布特征與河水深18.5 cm類(lèi)似,但非飽水帶可連續(xù)出水區(qū)域變窄,出水壓25 cm線(xiàn)更加曲折。如圖4(c)所示,當(dāng)河水深為6.5 cm時(shí),非飽水帶水分布特征與河水深12.5 cm較一致,但非飽水帶可連續(xù)出水區(qū)進(jìn)一步變窄。因此,隨著河水深的減小,滲漏量減小,河水滲漏水影響的強(qiáng)度和范圍也在減小。

河水滲漏量、懸掛飽水帶向周?chē)膹搅髁?排泄量)、懸掛飽水帶下任意橫斷面的過(guò)水量以及下部飽水帶獲得的河水補(bǔ)給量為同一個(gè)量。非飽水帶與飽水帶均存在地下水“徑流”,其徑流量與河水滲漏量也為同一個(gè)量,但過(guò)水?dāng)嗝孑^之飽水帶有所增加。若將單位面積過(guò)水?dāng)嗝娴膹搅髁糠Q(chēng)為徑流強(qiáng)度,則非飽水帶地下水的徑流強(qiáng)度小于飽水帶。懸掛飽水帶與非飽水帶地下水的徑流強(qiáng)度均不同且分布不勻。隨著遠(yuǎn)離飽水帶水面,非飽水帶地下水的徑流強(qiáng)度逐漸減弱。

綜上所述,無(wú)論是飽水帶還是非飽水帶,河水滲漏水流的滲透途徑均在河水下方以垂直向下為主,并受彌散作用的影響,沿此縱軸向兩側(cè)方向的分量逐漸增大。與飽水狀態(tài)類(lèi)似,在重力與水壓力的共同作用下,非飽水帶水總是從水頭高處向水頭低處運(yùn)移。河流與地下水脫節(jié)后,河水滲漏的水經(jīng)過(guò)懸掛飽水帶后,逐漸通過(guò)非飽水帶向下運(yùn)移至下部飽水帶(或稱(chēng)潛水飽和帶)。由此可推知,大氣降水到達(dá)地面后下滲轉(zhuǎn)化為地下水,并非必須達(dá)到飽和后才能下滲補(bǔ)給飽水的含水層,成為飽水帶的重力水,而是只要有降水不斷地補(bǔ)充,在重力及水壓力共同作用下,即使在非飽水情況下,這些以毛細(xì)水為主的非飽和水,也能近似連續(xù)向下運(yùn)移,直至補(bǔ)充到飽水的含水層中,引起飽水帶水面的升高。

2.2 懸掛飽水帶水分布與運(yùn)移特征

1) 砂箱水分布特征

砂樣試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同河水深、兩側(cè)水槽不同水位時(shí)的水分布特征一致,以粗砂、河水深18.5 cm為例說(shuō)明砂箱內(nèi)的水分布特征及運(yùn)動(dòng)情況。圖5顯示了砂箱兩側(cè)水槽水位分別為200、170、140、130、100、70 cm時(shí)的水分布特征及運(yùn)動(dòng)方向圖,圖5中的“排泄水位”為砂箱兩側(cè)水槽的水位,砂箱底部水位為0。

圖5 河水深18.5 cm粗砂介質(zhì)時(shí)砂箱水分布圖

根據(jù)測(cè)壓排水頭值繪制等值線(xiàn),并標(biāo)記懸掛飽水帶及下部飽水帶范圍,如圖5所示。由圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)可以看出,兩端水槽的排泄水位從200 cm降至140 cm的過(guò)程中,河流與下方的飽水排泄水位帶具有連續(xù)飽和水力聯(lián)系,但河水下滲形成的浸潤(rùn)曲線(xiàn)出現(xiàn)下凹,并進(jìn)一步向河流正下方逐漸收縮。排泄水位達(dá)140 cm,飽水帶在河流下部一定距離處出現(xiàn)頸形狹口,幾近“脫節(jié)”。 水位繼續(xù)降至130 cm,河流與飽水帶完全脫節(jié),河流下方形成懸掛飽水帶。河流底部至懸掛飽水帶正下方的垂直距離為20～25 cm,即懸掛飽水帶的大小為20～25 cm。由圖5(d)、5(e)、5(f)可以看出,兩側(cè)水槽的水位繼續(xù)降低,懸掛飽水帶的大小減至10～15 cm后,基本保持穩(wěn)定。

2) 河水滲漏量與排泄水位的關(guān)系

如圖6所示,為試驗(yàn)砂箱充填不同砂樣,河水深分別為10、18.5 cm時(shí),河水滲漏量與排泄水位之間的關(guān)系?？梢钥闯?隨著河水深的增加,河水滲漏量不斷增加。隨著排泄水位的降低,脫節(jié)前滲漏量隨水頭差的增加而增大;脫節(jié)后河水滲漏量保持相對(duì)穩(wěn)定,即河水與地下水脫節(jié)后滲漏量達(dá)到最大值。

圖6 不同條件下滲漏量與排泄水位關(guān)系曲線(xiàn)

3) 懸掛飽水帶與河水深的關(guān)系

砂箱填充細(xì)砂時(shí),河水深與懸掛飽水帶大小的試驗(yàn)如圖7所示,河水下懸掛飽水帶的大小隨河水深的增加而增大,且懸掛飽水帶最大處位于河流正下方位置。當(dāng)河水深為18.5 cm時(shí),懸掛飽水帶的大小為15～20 cm;當(dāng)河水深為12.5 cm時(shí),懸掛飽水帶的大小為5～10 cm;當(dāng)河水深為6.5 cm時(shí),未觀測(cè)到懸掛飽水帶,若存在懸掛飽水帶,推測(cè)應(yīng)小于5 cm。

圖7 細(xì)砂介質(zhì)中不同河水深時(shí)懸掛飽水帶大小與下伏飽水帶水面分布情況

本次試驗(yàn)中砂箱內(nèi)是否飽水、砂箱內(nèi)水頭大小等,均通過(guò)觀察砂箱一側(cè)的552個(gè)觀測(cè)孔數(shù)據(jù)獲得,得到的飽水帶水面位置為區(qū)間值,并不是一個(gè)準(zhǔn)確的固定數(shù)值,懸掛飽水帶的參數(shù)值如表2所示。

表2 河水深與排泄量及懸掛飽水帶周長(zhǎng)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表

綜合考慮砂樣顆粒的粒度、孔隙度、給水度、滲透系數(shù)、毛細(xì)上升高度、河水深等參數(shù),建立懸掛飽水帶經(jīng)驗(yàn)估算關(guān)系式:

(1)

式中:M為懸掛飽水帶大小;α為系數(shù);n為含水介質(zhì)的孔隙度;K為含水介質(zhì)的滲透系數(shù);h為含水介質(zhì)的毛細(xì)上升高度;u為含水介質(zhì)的給水度;d為含水介質(zhì)的粒度均值。

利用式(1)計(jì)算的懸掛飽水帶大小以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),如表3所示。其中,最小值和最大值分別根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)區(qū)間的下限和上限計(jì)算得出?？傊?懸掛飽水帶大小與河水深成正比,但對(duì)于不同顆粒大小的砂樣,其懸掛飽水帶的大小存在差異。本研究未給出準(zhǔn)確值,只給出根據(jù)實(shí)測(cè)值計(jì)算得出的區(qū)間值。

表3 河水深與懸掛飽水帶大小實(shí)測(cè)值及計(jì)算值統(tǒng)計(jì)表

2.3 河水滲漏條件下不同河水深的潛水面變化

本次試驗(yàn)中河流位于砂箱正上方,因此河水滲漏會(huì)出現(xiàn)中央凸起的潛水面,如圖7所示。隨著河水深的增加滲漏量隨之增加,潛水面越高且越陡,即潛水面的水力坡度增大,則砂箱兩側(cè)的水槽水位與潛水面之間的滲出面也隨之增大,a>b>c(如圖7)。因此,潛水面的水力坡度在砂箱中央處最大、向兩側(cè)水槽處逐漸變小。試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)河水深為18.5 cm時(shí),潛水面中央最大水力坡度為0.38;河水深為12.5 cm時(shí),最大水力坡度為0.28;河水深為6.5 cm時(shí),最大水力坡度為0.18。由此得到河水深與潛水面水力坡度之間的關(guān)系曲線(xiàn),如圖8所示。可以看出,河水深越大則滲漏量越大,潛水面中央的水位與兩側(cè)水槽的水位差以及對(duì)應(yīng)的水力坡度就越大。

圖8 河水深與細(xì)砂飽水區(qū)水面水力坡度之間的關(guān)系

2.4 水流示蹤結(jié)果

為進(jìn)一步了解非飽水帶水的運(yùn)移特征,以細(xì)砂為含水介質(zhì),紅色顏料作為示蹤劑,開(kāi)展水流運(yùn)移示蹤試驗(yàn)。通過(guò)透明玻璃擋水墻,可觀測(cè)到水流運(yùn)移情況。砂箱兩側(cè)水槽水位保持在30 cm、河水深18.5 cm時(shí),懸掛飽水帶垂向最大厚度為15～20 cm,且水流運(yùn)移經(jīng)歷了從飽水到非飽水再到飽水的過(guò)程。因此,水流運(yùn)移的鋒面一旦離開(kāi)懸掛飽水帶就被認(rèn)為是非飽水的,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該推論,如圖9所示。

圖9 砂箱兩側(cè)水槽水位30 cm、河水深18.5 cm時(shí)不同時(shí)間示蹤流體鋒面位置示意圖

河水在滲漏補(bǔ)給地下水的過(guò)程中,隨著時(shí)間的推進(jìn),示蹤水流由河床底部長(zhǎng)條形先向橢圓形再向梯形演變,60 s后示蹤水流出呈向砂箱頂部上溯運(yùn)移的趨勢(shì)。示蹤試驗(yàn)顯示,非飽水帶的水流首先向四周均勻擴(kuò)展,橫向擴(kuò)展速度向外圍逐漸減慢,上溯擴(kuò)散運(yùn)移(毛細(xì)上升)也較慢,而向下運(yùn)移的速度保持基本穩(wěn)定。

通過(guò)記錄示蹤水流鋒面位置獲得單位時(shí)間水流在x、y方向運(yùn)動(dòng)的距離,并由此計(jì)算縱橫兩方向的滲透速度,如圖10所示。由圖9可以看出,示蹤水流在含水介質(zhì)中的垂向滲透速度Vy大于水平滲透速度Vx。利用觀測(cè)數(shù)據(jù),擬合出水平和垂向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)距離Dx、Dy與時(shí)間t的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:

圖10 示蹤水流鋒面運(yùn)移曲線(xiàn)

Dx=0.07lnt+0.08,R2=0.98;

(2)

Dy=-0.000 09t2+0.02t,R2=0.994 2。

(3)

因此,沿水平方向擴(kuò)展的距離Dx與時(shí)間t符合對(duì)數(shù)關(guān)系,沿垂直方向擴(kuò)展的距離Dy與時(shí)間t符合多項(xiàng)式關(guān)系。在水平方向,非飽水帶內(nèi)的水主要在毛細(xì)力的作用下運(yùn)移,速度較慢;而在垂直方向,非飽水帶水在重力和壓力的共同作用下運(yùn)動(dòng),速度較快,且運(yùn)移的范圍大于水平方向,新水推動(dòng)老水不斷前進(jìn),可進(jìn)一步得出非飽水帶水在介質(zhì)中呈逐步推進(jìn)式前進(jìn)。

3 結(jié)論與展望

本研究通過(guò)砂箱試驗(yàn),針對(duì)河水滲漏補(bǔ)給地下水時(shí)含水介質(zhì)飽水與非飽水兩種狀態(tài),分析了河水下懸掛飽水帶的發(fā)育及非飽水帶水的運(yùn)移特征等,得到如下主要結(jié)論。

1) 河水位高于地下水位時(shí),隨水頭差的增大,河水滲漏方式由飽水連續(xù)滲漏逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)非飽水帶滲漏,其表現(xiàn)為河水與地下水發(fā)生脫節(jié)。脫節(jié)后河水下保留懸掛飽水帶,懸掛飽水帶與地下水飽水帶之間為非飽水帶。

2) 河水與地下水脫節(jié)前,河水滲漏量隨著河水位與地下水位水頭差的增大而增大,至脫節(jié)時(shí)達(dá)到極大值;脫節(jié)后,河水滲漏量保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3) 非飽水帶中靠近飽水的重力水區(qū)支持毛細(xì)水,一般不能自由流出,可在一定外力作用條件下被連續(xù)抽出,但遠(yuǎn)離飽水帶的非飽水帶中的水不能被連續(xù)抽出。

4) 脫節(jié)情況下,河水深不同,非飽水帶負(fù)壓的分布形態(tài)不同。隨著河水深的減小,等值線(xiàn)分布形態(tài)逐漸由“連續(xù)型”向“斷開(kāi)型”演變,非飽水帶負(fù)壓值在靠近飽水帶水面時(shí)較小。

5) 河水滲漏示蹤試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,非飽水帶的水沿水平方向的滲透速度隨時(shí)間逐漸的減小,而沿垂直向下的滲透速度基本不隨時(shí)間發(fā)生變化。在毛細(xì)力的作用下,地下水流還會(huì)出現(xiàn)上溯而行的趨勢(shì)。

6) 河水下由懸掛飽水帶到非飽水帶,均為地下水的徑流帶,且任何過(guò)水?dāng)嗝娴目倧搅髁烤嗟?但隨著與河水距離的增大,其徑流斷面上單位面積的徑流強(qiáng)度減小。

由于河水與地下水之間的相互作用十分復(fù)雜,因此本次試驗(yàn)也存在不足:試驗(yàn)所采用的非飽水帶負(fù)壓值測(cè)量工具比較簡(jiǎn)易,未能消除人為誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,還需要進(jìn)一步改進(jìn);本研究對(duì)試驗(yàn)結(jié)果只做了簡(jiǎn)單描述與分析,需做進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。