孟凡星,孫建軍 (合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
在研究大氣降水、灌溉水、渠水、暫時(shí)性表流等對(duì)地下水的補(bǔ)給能力時(shí),經(jīng)常需要測(cè)定包氣帶介質(zhì)的垂向滲透性能[1]。目前國(guó)內(nèi)缺少針對(duì)不同地表巖性、不同土地利用類型等條件下土壤包氣帶介質(zhì)性質(zhì)研究,部分點(diǎn)開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn),其試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏可對(duì)比性,且不足以用于土壤包氣帶滲透系數(shù)的研究。
王晶晶等[2]認(rèn)為雙環(huán)法滲水試驗(yàn)是獲取包氣帶介質(zhì)滲透系數(shù)較精確有效的方法,滲水過(guò)程符合實(shí)際情況。本文考慮了巖性、土地利用類型等影響因素的前提下,在地表巖性為松散巖類(淮南、六安、太和、宿州、亳州)、碳酸鹽巖(淮北)的地區(qū)分別開(kāi)展了不同土地利用類型(建筑用地、農(nóng)業(yè)用地)的雙環(huán)滲水試驗(yàn);利用滲透試驗(yàn)所獲得的滲透系數(shù),為研究淮河流域土壤包氣帶垂向入滲系數(shù)提供了基礎(chǔ)資料,具有重要的工程和理論意義。
研究區(qū)主要為安徽省內(nèi)淮河干流以北的平原區(qū),研究區(qū)范圍位于:東經(jīng)114°50′~118°10′,北緯32°20′~34°40′之間。地處淮北平原中部,地貌要素的差異較大,西北黃河故道地勢(shì)略高,中部有相山丘陵,其余大部分為平原洼地見(jiàn)圖1所示。
圖1 研究區(qū)地貌圖
研究區(qū)屬北亞熱帶至暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),是我國(guó)南北氣候過(guò)渡地帶。主要特點(diǎn)是夏熱多雨,冬寒晴燥,春干秋旱,冷暖旱澇轉(zhuǎn)變較快。年降水量多在600 mm~1400mm,空間上降水量由南向北遞減。降雨量的年際,年內(nèi)分布極不均勻,差異較大。汛期(6月~8月)降水占全年降水的50%~70%。研究區(qū)湖泊、洼地眾多,較大的湖泊有華家湖、老汪湖、沱湖、香澗湖、四方湖、天河、焦崗湖、花家湖、八里湖等。
淮河流域(安徽段)大地構(gòu)造位于中朝淮地臺(tái)的淮河臺(tái)坳范圍,僅西南角屬江淮臺(tái)隆。其基底由上太古界五河群、霍邱群及下元古界風(fēng)陽(yáng)群變質(zhì)巖系組成。風(fēng)陽(yáng)運(yùn)動(dòng),地殼隆起,中元古界缺失。本區(qū)除東北部孤山丘陵有零星巖體出露外,均為土體所覆蓋。30m深度內(nèi)土體主要為粘性土(包括粘土、粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土)和砂性土(主要為粉砂、細(xì)砂)組成,多為雙層或多層結(jié)構(gòu)類型,且多上覆粘性土,工程地質(zhì)條件一般尚好,但其間局部地段有特殊土,如淤泥質(zhì)土、鹽漬土,需加注意。出露在孤山丘陵的巖體主要為上元古界─下古生界碳酸鹽巖建造與碎屑巖建造。其工程地質(zhì)條件一般良好,但碳酸鹽巖建造局部巖溶發(fā)育,對(duì)地下水形成有利,對(duì)地基則存在著嚴(yán)重隱患。研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)見(jiàn)圖2所示。
圖2 淮河流域安徽段區(qū)域地質(zhì)圖
試驗(yàn)選用雙環(huán)滲水試驗(yàn)法,原因在于排除了側(cè)向滲透的影響,提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。雙環(huán)滲水試驗(yàn)法具體試驗(yàn)步驟:
先除去表土,在水文地質(zhì)邊界內(nèi)挖一基坑,然后在地表嵌入高50cm、內(nèi)徑20cm,底面積為314cm2的鐵環(huán),且鐵環(huán)須壓入土層5cm以上[2];如果沿鐵環(huán)底部向外漏水,但是土質(zhì)過(guò)于堅(jiān)硬,而不易繼續(xù)壓入鐵環(huán)時(shí),需在鐵環(huán)底部外沿做止水處理。為減小側(cè)向滲透對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,以同心軸的方式埋置一直徑50cm的大環(huán)于小環(huán)外,而且要確保大環(huán)高度與小環(huán)高度相同;
注水水源以秒表計(jì)時(shí),人工量筒定量加注的方式。定水頭注水時(shí),控制環(huán)底水面高度,一般控制在10cm以內(nèi),實(shí)際試驗(yàn)中環(huán)底水面高度為8 cm~10cm,水面高度包括環(huán)底鋪礫厚度在內(nèi),并且保證大環(huán)和小環(huán)水面高度相同[3];
試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),向環(huán)內(nèi)注水并始終保持其水深為10cm不變,并記錄注水量,初始階段由于表土較干燥,滲水量變化較大,適當(dāng)加密觀測(cè)次數(shù)。當(dāng)注入水量穩(wěn)定2h后,試驗(yàn)即告結(jié)束。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為滲入流量Q呈隨機(jī)波動(dòng)變化且變幅<5%[4]。最后按穩(wěn)定時(shí)的水量計(jì)算表土的垂向滲透系數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖3所示。
圖3 雙環(huán)滲水試驗(yàn)裝置示意圖
雙環(huán)滲水試驗(yàn)主要是利用內(nèi)環(huán)滲水模擬垂向一維滲流來(lái)求取垂向滲透系數(shù),外環(huán)排除了側(cè)向滲透的影響。當(dāng)試驗(yàn)滲水量趨于穩(wěn)定之后,可以較好地利用達(dá)西定律原理計(jì)算滲透系數(shù)[5]:
式中:k—試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)(m/d);
Q—內(nèi)環(huán)穩(wěn)定滲入水量(m3/d);
l—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水的滲入深度(m);
Z—試坑(內(nèi)環(huán))中水柱高度(m);
HK—毛細(xì)壓力水頭(m);F—試坑(內(nèi)環(huán))注水面積(m2)。
3.3.1 定水頭注水,觀察記錄
以環(huán)底水標(biāo)尺為準(zhǔn),保持定水頭注水。同時(shí)用量筒觀測(cè)注入水量,記錄的時(shí)間間隔一般開(kāi)始為1min、3min、5min,最后為10min、20min、30min[4]。
3.3.2 滲水量穩(wěn)定,完成試驗(yàn)
試驗(yàn)記錄的過(guò)程中,描繪滲水量—時(shí)間(v-t)曲線,待曲線保持在較小的區(qū)間穩(wěn)定擺動(dòng)時(shí),再延續(xù)2h~3h,即結(jié)束試驗(yàn)。
為了避免隨機(jī)因素形成的誤差,一般在同一地段,重復(fù)開(kāi)展2~3組實(shí)驗(yàn)。以淮北烈山區(qū)數(shù)據(jù)整理為例,各點(diǎn)滲水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1,滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖5所示。
滲水試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 表1
圖4 雙環(huán)滲水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖
圖5 滲透系數(shù)—時(shí)間(k-t)曲線
由圖5、表1可以看出,兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,淮北市烈山區(qū)包氣帶垂向滲透系數(shù)為1.46×10-6cm/s~4.53×10-6cm/s。
本次項(xiàng)目組在淮河流域不同地表巖性、不同土地利用類型地區(qū)做了共6組45個(gè)雙環(huán)滲水試驗(yàn),試驗(yàn)點(diǎn)分布見(jiàn)圖6所示。
圖6 雙環(huán)滲水試驗(yàn)點(diǎn)位分布
各地段雙環(huán)滲水試驗(yàn)點(diǎn)位信息及結(jié)果見(jiàn)表2所示。
雙環(huán)滲水試驗(yàn)成果綜合表 表2
由多因素雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果分析表見(jiàn)表3所示,在淮河流域松散巖類地區(qū),地表巖性為粉土的農(nóng)業(yè)用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為5.56×10-5cm/s~2.89×10-4cm/s;地表巖性為粉土的建筑用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為2.31×10-5cm/s~1.18×10-3cm/s;地表巖性為粉質(zhì)粘土的農(nóng)業(yè)用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為4.90×10-6cm/s~5.33×10-6cm/s;地表巖性為粉質(zhì)粘土的建筑用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為3.82×10-6cm/s~5.26×10-6cm/s。
多因素雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果分析表 表3
在淮河流域碳酸巖類地區(qū),地表巖性為粘質(zhì)粉土的農(nóng)業(yè)用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為4.16×10-4cm/s~4.81×10-4cm/s;地表巖性為粘質(zhì)粉土的建筑用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為5.01×10-4cm/s;地表巖性為細(xì)砂土的農(nóng)業(yè)用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為3.37×10-5cm/s~2.35×10-4cm/s;地表巖性為細(xì)砂土的建筑用地,包氣帶垂向滲透系數(shù)為2.18×10-4cm/s。
依據(jù)工作區(qū)以往工作經(jīng)驗(yàn)及本次項(xiàng)目組取得成果,淮河流域(安徽段)垂向滲透系數(shù)分區(qū)見(jiàn)圖7所示,工作區(qū)內(nèi)垂向滲透系數(shù)主要分為六級(jí)。
圖7 淮河流域(安徽段)垂向滲透系數(shù)分區(qū)圖
①0~0.1m/d該區(qū)面積比較大,其主要分布在太和北部、淮南市區(qū)、六安市霍邱、蚌埠市區(qū)、靈璧、泗縣、利辛、潁上、淮北市區(qū)等地,巖性主要為松散巖類,所占小部分淮北地區(qū)為碳酸鹽類,表土主要為粉土。
②0.1m/d~0.2m/d主要分布于太和東部小部分區(qū)域、淮南大通區(qū)、蒙城、固鎮(zhèn)、懷遠(yuǎn),巖性主要為松散巖類,表土主要為粉土。
③0.2m/d~0.5m/d該區(qū)主要分布在濉溪、宿州埇橋區(qū)、靈璧西北部、鳳陽(yáng)、五河一帶,巖性包括松散巖類和碳酸鹽類,表土主要為粉土、小部分黃土及細(xì)砂。
④0.5m/d~1m/d該區(qū)主要分布在阜陽(yáng)市區(qū)、界首、臨泉、阜南、亳州譙城區(qū)、渦陽(yáng)北部等,巖性主要為松散巖類,表土主要為粉砂。
⑤1m/d~2m/d該區(qū)主要分布在碭山南部等,巖性主要為松散巖類,表土主要為細(xì)砂。
⑥2m/d~5m/d該區(qū)主要分布在渦陽(yáng)、碭山南部、蕭縣等,巖性主要為松散巖類,表土主要為細(xì)砂。
①雙環(huán)滲水試驗(yàn)是在野外測(cè)定包氣帶滲透系數(shù)的常用方法,其操作簡(jiǎn)便、可行性強(qiáng),試驗(yàn)結(jié)果貼近實(shí)際情況,對(duì)于研究工作區(qū)土壤滲透能力具有很好的實(shí)用性。
②本項(xiàng)目在考慮巖性、土地利用類型等影響因素的前提下,項(xiàng)目組在地表巖性為松散巖類(淮南、六安、太和、宿州、亳州)、碳酸鹽巖(淮北)的地區(qū)開(kāi)展了不同土地利用類型(建筑用地、農(nóng)業(yè)用地)的雙環(huán)滲水試驗(yàn),初步得到了上述地區(qū)的滲透系數(shù)范圍值。這為研究淮河流域土壤包氣帶垂向入滲系數(shù)提供了基礎(chǔ)資料,也為其他地區(qū)土壤包氣帶垂向滲透系數(shù)試驗(yàn)研究提供了實(shí)例。