河水滲漏量影響因素的砂箱試驗研究

高宗軍，王貞巖，劉久潭，王 姝

(山東科技大學，山東 青島 266590)

0 引言

地表水和地下水均是水循環的重要組成部分[1]。地表水與地下水之間有著十分密切的水力聯系和頻繁的轉化關系，是自然界中普遍存在的現象[2]。理解地表水與地下水之間的相互作用及其演化關系，可以為區域地下水資源的可持續利用、管理與保護提供科學參考，特別是在地下水的主要的補給來源為河水滲漏的干旱半干旱地區[3-4]。長期以來，人們對地表水與地下水相互關系的研究主要集中于兩者之間為飽和水力聯系的情況[5]。隨著人口數量增加、城鎮化加快，人類對地下水需求量越來越大。人們對地表水與地下水的研究越來越多，逐漸地認識到隨著地下水開采量不斷增加，地下水位持續下降，導致地表水與地下水逐漸失去飽和水力聯系，不再具有統一的浸潤曲線，發生脫節現象[6-7]。而地表水與地下水脫節以后，在地表水的下方形成倒掛飽水區，而在倒掛飽水面與地下水面之間形成一個非飽和帶[8-9]。

地表水與地下水之間的相互作用是一個復雜的過程，受諸多因素影響。通常隨著時間的延長，受到物理的、化學的及生物的作用，地表水入滲會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、河床組成、地表水水動力條件以及人類活動等各種因素[10-12]都會對地表水入滲產生影響。本文討論的就是這種不考慮堵塞的情況，近年來，諸多學者多對該種情況下地表水與地下水之間的相互作用關系進行了大量研究。Rivière等人[13]通過砂箱試驗及數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展為完全脫節的動態演化過程，得出在地表水與地下水脫節的過程中入滲速率因受水力梯度控制，在完全脫節階段趨于最大值并保持穩定。Rivière等人的研究結果與Fox和Durnford以及Brunner等學者先前研究所提出的穩定條件下地表水-地下水關系演化中入滲速率與水位差的關系一致。非完整切割地表水是地表水與地下水發生脫節的必要條件，因為完整切割地表水與地下水之間總是處于飽和連接狀態。滲透性較低的河床對河水的入滲作用有著明顯的影響。Fox和Durnford以及Brunner等學者對地表水與含水層之間的滲流規律進行了研究，認為河床發育有低滲透性堵塞層是地表水與地下水發生脫節的必要條件。然而，王文科等人于室內砂箱試驗得出，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發生脫節。另外，王文科等人[14]還基于數值模擬和方程求解等方法得出河床下部發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]的數值模擬結果存在差別。隨著不斷的深入研究，人們對地表水與地下水之間的脫節演化過程、機理以及相應的河水入滲規律，都有了新的認識。鮮陽等人[16]通過研究得出由毛細作用或非均質性引起的側向流對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不僅可以在河床底部發育，還可以在河床或含水層中發育。為對地表水與地下水之間的水力聯系做出進一步研究，本研究在前人研究的基礎上，利用三種砂完成了砂箱實驗試驗，對地表河水的滲漏量及其影響因素進行了分析。

1 試驗裝置與材料方法

1.1 砂箱試驗裝置

試驗用砂箱如圖1所示。主體為一個高2.2 m、寬(厚)0.4 m、長3 m的矩形砂箱。砂箱上部中間設置可控水位的河流水槽，其兩側及底部均透水，可模擬河道長0.4 m，寬0.2 m，最大深度0.2 m的河水由底部及兩側滲漏的情形。砂箱左、右兩端分別設有可調控水頭的水槽，高2.2 m、寬(厚)0.4 m、長0.25 m呈矩形體。砂箱背面是透明玻璃質完整擋水墻，正面按規則共設有552個測壓(出水)孔，用膠管將各測壓孔與測壓水排(把各個測壓管敞口端按照一定順序綁定在一起的排面)連接，觀測各孔處的水頭變化。在該裝置的頂部中央位置，放置一個模擬自然河道的在河流下部區域測壓孔加密設置。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給地下水的試驗。

圖1 試驗砂箱裝置示意圖

1.2 試驗用砂屬性

試驗選用三種粒徑的試驗用石英砂，分別為細砂(120～180目)、中砂(40～70目)、粗砂(20～40目)，各砂樣的實測粒度曲線如圖2所示，其他相關參數均按照標準測定方法測得，其數值列于表1所示。試驗所用粗砂(0.425～0.85 mm)與前人砂箱試驗研究(Wang et al. 2011)中的砂的顆粒(0.5～1.0 mm)大小較為接近。

表1 試驗用砂物理特性參數

1.3 試驗方法步驟

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；然后繼續裝砂5～10 cm后再充水，直至裝滿砂箱。砂箱填滿后，再進行多次完全排水與完全充水，直至砂箱內砂介質完全充分密實。每次試驗前，都將砂箱充滿水，并將各個測壓管中的氣泡全部排出。

試驗須控制頂部河水和砂箱兩端水槽的水深，以調控滲漏量及砂箱地下水位，待兩者穩定后，記錄兩端水槽的排泄流量，即頂部河水滲漏量，并記錄測壓排上各測壓管測得的數據。將測壓孔拔除膠管后，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范圍和下部飽水區頂部的地下水面。每一種砂樣的試驗都設計了2個不同河流水深，分別為10 cm和18.5 cm；每次試驗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定后，進行測壓排觀測記錄，完成一次試驗；之后降低兩端水槽水位10 cm，重復另一次試驗；依此類推。每一種砂樣的試驗結束后，按上述過程進行重新裝砂和重復試驗。

細砂試驗是最后完成的，除了完成以上試驗外，增加了三次試驗，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時的相關試驗，劃分了飽水區與非飽水區，并對非飽水區進行了負壓值測定。

對試驗數據進行整理，總結歸納相關特征規律，分析其水文地質意義。

圖2 試驗用砂樣粒度分析曲線

2 試驗結果與討論

2.1 典型試驗結果介紹

由于設置了552個觀測孔，所以可以通過測壓排上的測壓管內的水位高度，時刻記錄砂箱552個位置的水位變動情況，從而確定水的運動方向。

如前所述，本次試驗采用粗中細三種試驗用均質石英砂作為砂箱的填充料形成均勻滲透介質場。當河水控制水位不變時，砂箱兩端的水槽的水位不同，就會構成與河水的水頭差，從而形成不同的滲漏量；三種不同砂介質的交替，就會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時的河水與地下水脫節的情況，介紹典型試驗過程。

該典型試驗是(通過調節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間的穩定后，測量兩端水槽的排泄量，兩水槽排泄量之和即為河水的滲漏量。此時可通過552個觀測孔的水位測量情況，繪制出該時刻的等水位線圖。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時的砂箱552個觀測孔連接的測壓管內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)彎曲的藍實線表示地下水面，即砂箱飽水區的水面，是自由水面，其下倒掛飽水區內，水是飽和的，觀測孔可以自由流出水；除上述外為非飽水區，觀測孔不能自由流出水。從飽水狀態一旦轉化為非飽水狀態，就會由正壓轉為負壓狀態，有的直接進入空氣，使測壓管原本連續的水柱斷開，從而在測壓管的測壓排一端產生水頭驟然上升的虛假情況。在這里，為真實起見，采用了真實的記錄數據，并做出等值線，即非飽水區等水位線是測壓管內充氣后的數據得出的。由于觀測孔之間的間隔是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，是數據使然。

可以看出，當控制河水深度為10 cm時，當砂箱兩端的水槽的水位(簡稱排泄水位，下同)高于140 cm時，河水與地下水具有連續的水力聯系(見圖3中A、B、C)。但是當排泄水位降低到140 cm時，河水下方的浸潤曲線開始向中間收縮，進入過渡脫節階段。當排泄水位繼續下降至100 cm時，飽水區在河水下一定距離上出現頸形狹口，幾近脫節；當排泄水位進一步下降至90 cm時，河水與地下水浸潤曲線斷開，已經完全脫節，并殘留倒掛飽水區，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下垂中央位置)介于20～25 cm之間。當排泄水位繼續下降時，倒掛飽水區的厚度反而減小為10～15 cm之間，試驗證明，排泄水位繼續下降，倒掛飽水區大小均保持不變(見圖3中D、E、F)。

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

2.2 河水滲漏量結果匯總與分析

實驗過程中，每一種砂子作為滲透介質時，都會通過控制河水供給裝置的流量的調節，保持河水深度、砂箱兩端水槽的水位高度符合要求的數據，然后保持穩定一段時間后，才會測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、中砂及細砂作為充填滲透介質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 透水介質為粗砂時河水滲漏量與排泄水位及河水深度的關系

圖5 透水介質為中砂時河水滲漏量與排泄水位及河水深度的關系

圖6 透水介質為細砂時河水滲漏量與排泄水位及河水深度的關系

由圖4～圖6可以看出，無論是哪種砂構成的滲透流場，河水與地下水脫節前，在相同排泄水位(砂箱兩端水槽水位)時，河水深越大，排泄流量越大，反之亦然。當河水與地下水發生脫節時，排泄流量達到極值。脫節之后，即使排泄水位繼續降低，排泄流量也基本保持不變。說明河水與地下水發生脫節，是河水滲漏量或砂槽排泄流量達到極值的標志。

3 結果與討論

本次對三種不同粒徑的新鮮砂樣構成的砂箱所做的不同河水深度、不同排泄水位的觀測結果可以看出，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因素有關：

(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，使得河水的勢能及壓力都增加，河水的濕周面積即河水滲漏的過水斷面的面積增大，因而導致河水的滲漏量加大。

(2)滲透介質的滲透性，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，河水與地下水不發生脫節。此時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生脫節，此時的河水的滲漏量達到最大；最后是地下水位埋藏較深，河水與地下水發生脫節，河水下倒掛飽水區與下伏的飽水區之間產生非飽水區，此時的河水滲漏量維持在脫節時的量基本不變。在試驗中還發現，粗砂時河水與地下水脫節后，繼續增大河水與地下水的水頭差，河水的滲漏量反而出現了小幅度的減少的情況。