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,地表水與周圍地下水具有相互補(bǔ)排的水力聯(lián)系(圖1)。當(dāng)?shù)叵滤怀掷m(xù)下降時,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],此時在地表水下方會形成一個飽和地下水帶,稱為懸掛飽水帶。懸掛飽水帶與地下水面之間稱為非飽水帶[8],與無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,基于砂箱實驗和數(shù)值模擬,分析了河流與地下水之間由連接至完全脫節(jié)的動態(tài)演化過程,發(fā)現(xiàn)在脫節(jié)過程中入滲速率在完全脫節(jié)階段趨于最大值并保持相對穩(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,發(fā)現(xiàn)無論弱透水層是否存在,河流與地下水在一定條件下均會發(fā)生脫節(jié)。Xian等[12]開發(fā)了耦合模型并研究河流與地下水演化過程中營養(yǎng)鹽運(yùn)移與微生物生長之間的反饋關(guān)系及其對土壤入滲演化的控制作用。鮮陽[13]通過數(shù)值模擬和解析法對河流與地下水脫節(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活動因素的影響[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)一步研究和試驗驗證。

本研究利用室內(nèi)砂箱試驗裝置,分別在靜水和河水滲漏(動水)條件下,開展不同粒徑、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,分析河水下滲透介質(zhì)場內(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,并通過河水滲漏示蹤試驗,分析非飽水帶水沿水平和垂直兩個方向滲透速度隨時間的變化,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 試驗裝置與方法

1.1 砂箱試驗裝置

試驗采用長3 m、寬0.4 m、高2.2 m的矩形砂箱,砂箱裝置及觀測點布設(shè)如圖2所示。砂箱頂端中間設(shè)可控水位的水槽(長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個測壓(出水)孔,靠近模擬河流下方的觀測孔距為5 cm,外圍觀測孔距為10 cm,其他部位觀測孔距為20 cm。觀測孔用軟管與裝置旁邊直立的測壓排連接,試驗時排掉軟管中的氣泡,并監(jiān)測每個孔的水頭(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

本次試驗采用3種不同類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)西實驗裝置、毛細(xì)上升高度測試裝置等測試給水度等指標(biāo)。

表1 試驗所用砂樣物理特性參數(shù)

1.3 非飽水負(fù)壓測量原理

當(dāng)砂箱充滿水時,各觀測孔的測壓水頭相同;當(dāng)滲透水流發(fā)生時,各觀測孔的測壓水頭會相應(yīng)發(fā)生變化。觀測孔能夠自由流水,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)壓通過連接在觀測孔的滑動式U形軟管測定,具體操作為:將透明軟管的一端垂直固定在一根可移動的直尺上,軟管內(nèi)充水,另一端與觀測孔連接。上下移動直尺,使軟管內(nèi)的水柱移動,并與觀測孔產(chǎn)生水頭差,直至觀測孔有水流出來,記錄該水頭差。該水頭差近似等于觀測孔的負(fù)壓水頭值,這里將該值定義為非飽水帶出水壓,為負(fù)壓值的絕對值。當(dāng)該水頭差大于觀測孔負(fù)壓絕對值時,非飽水帶的水可以像飽水狀態(tài)時一樣連續(xù)流出;若非飽水帶沒有水源或負(fù)壓值過高,則無論該水頭差多大,觀測孔均不會有水流出。

1.4 試驗方法與步驟

將試驗砂樣以每層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。砂箱裝滿砂樣后,反復(fù)充水、排水,以確保箱內(nèi)砂樣完全密實。每次試驗前都要注滿水,并排出每根軟管中的氣泡。試驗中,軟管拔出后,水能從觀測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。具體試驗步驟如下。

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

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、測壓排水位穩(wěn)定后,記錄此時的時間、排水體積等數(shù)據(jù)。

需要說明的是,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)觀測到的測壓排水頭值,判定穩(wěn)定飽水帶水面;對飽水帶水面附近的各個觀測孔,拔除軟管、觀察是否出水,判斷各個觀測點的飽水狀態(tài)。

4) 對非飽水的觀測孔,利用非飽水負(fù)壓測量裝置逐個測量各點負(fù)壓值。

試驗中,若觀測孔無法測出負(fù)壓力值,說明該孔與飽水帶水面距離超過了毛細(xì)上升高度。

2 試驗結(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)壓測量裝置,在飽水帶水面以上的非飽水帶測量各觀測孔的負(fù)壓值。觀測結(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,各觀測孔負(fù)壓值與飽水帶水面距離的關(guān)系散點圖。試驗中,觀測到的最大負(fù)壓值為31 cm,該值與試驗前測得的細(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,無論負(fù)壓增加與否,均未發(fā)生觀測孔出水現(xiàn)象。因此,凡是利用本裝置測出負(fù)壓的觀測孔,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,非飽水帶中的水可以在一定壓差驅(qū)動下連續(xù)流出,也就是說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)壓的絕對值。河水通過懸掛飽水帶后,在下方的非飽水帶中繼續(xù)向下運(yùn)動,并發(fā)生彌散作用,產(chǎn)生向水平方向運(yùn)動的分量。

圖4 細(xì)砂條件下出水壓等值線圖

如圖4(a),當(dāng)河水深為18.5 cm時,非飽水帶中負(fù)壓等值線呈梯形分布。同一列觀測孔中,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,出水壓測量裝置無法測出其負(fù)壓值,觀測孔不能連續(xù)出水(圖4中空白區(qū)域)。此時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,非飽水帶水分布特征與河水深18.5 cm類似,但非飽水帶可連續(xù)出水區(qū)域變窄,出水壓25 cm線更加曲折。如圖4(c)所示,當(dāng)河水深為6.5 cm時,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、懸掛飽水帶向周圍的徑流量(排泄量)、懸掛飽水帶下任意橫斷面的過水量以及下部飽水帶獲得的河水補(bǔ)給量為同一個量。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量,但過水?dāng)嗝孑^之飽水帶有所增加。若將單位面積過水?dāng)嗝娴膹搅髁糠Q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)過懸掛飽水帶后,逐漸通過非飽水帶向下運(yùn)移至下部飽水帶(或稱潛水飽和帶)。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

砂樣試驗結(jié)果顯示,不同河水深、兩側(cè)水槽不同水位時的水分布特征一致,以粗砂、河水深18.5 cm為例說明砂箱內(nèi)的水分布特征及運(yùn)動情況。圖5顯示了砂箱兩側(cè)水槽水位分別為200、170、140、130、100、70 cm時的水分布特征及運(yùn)動方向圖,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)時砂箱水分布圖

根據(jù)測壓排水頭值繪制等值線,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曲線出現(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,為試驗砂箱充填不同砂樣,河水深分別為10、18.5 cm時,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

3) 懸掛飽水帶與河水深的關(guān)系

砂箱填充細(xì)砂時,河水深與懸掛飽水帶大小的試驗如圖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,懸掛飽水帶的大小為15～20 cm;當(dāng)河水深為12.5 cm時,懸掛飽水帶的大小為5～10 cm;當(dāng)河水深為6.5 cm時,未觀測到懸掛飽水帶,若存在懸掛飽水帶,推測應(yīng)小于5 cm。

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

本次試驗中砂箱內(nèi)是否飽水、砂箱內(nèi)水頭大小等,均通過觀察砂箱一側(cè)的552個觀測孔數(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等試驗數(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)計算的懸掛飽水帶大小以及實測數(shù)據(jù),如表3所示。其中,最小值和最大值分別根據(jù)實測數(shù)據(jù)區(qū)間的下限和上限計算得出?？傊?懸掛飽水帶大小與河水深成正比,但對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)實測值計算得出的區(qū)間值。

表3 河水深與懸掛飽水帶大小實測值及計算值統(tǒng)計表

2.3 河水滲漏條件下不同河水深的潛水面變化

本次試驗中河流位于砂箱正上方,因此河水滲漏會出現(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。試驗結(jié)果顯示,當(dāng)河水深為18.5 cm時,潛水面中央最大水力坡度為0.38;河水深為12.5 cm時,最大水力坡度為0.28;河水深為6.5 cm時,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,如圖8所示?？梢钥闯?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,開展水流運(yùn)移示蹤試驗。通過透明玻璃擋水墻,可觀測到水流運(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,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程。因此,水流運(yùn)移的鋒面一旦離開懸掛飽水帶就被認(rèn)為是非飽水的,試驗結(jié)果驗證了該推論,如圖9所示。

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

河水在滲漏補(bǔ)給地下水的過程中,隨著時間的推進(jìn),示蹤水流由河床底部長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。示蹤試驗顯示,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。

通過記錄示蹤水流鋒面位置獲得單位時間水流在x、y方向運(yùn)動的距離,并由此計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。利用觀測數(shù)據(jù),擬合出水平和垂向兩個方向的運(yùn)動距離Dx、Dy與時間t的經(jīng)驗關(guān)系式:

圖10 示蹤水流鋒面運(yùn)移曲線

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與時間t符合對數(shù)關(guān)系,沿垂直方向擴(kuò)展的距離Dy與時間t符合多項式關(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,速度較快,且運(yùn)移的范圍大于水平方向,新水推動老水不斷前進(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

本研究通過砂箱試驗,針對河水滲漏補(bǔ)給地下水時含水介質(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,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,等值線分布形態(tài)逐漸由“連續(xù)型”向“斷開型”演變,非飽水帶負(fù)壓值在靠近飽水帶水面時較小。

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

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,因此本次試驗也存在不足:試驗所采用的非飽水帶負(fù)壓值測量工具比較簡易,未能消除人為誤差對試驗結(jié)果的影響,還需要進(jìn)一步改進(jìn);本研究對試驗結(jié)果只做了簡單描述與分析,需做進(jìn)一步試驗驗證。