沙质床面河道演化过程湿润带渗流规律试验分析

杨树青，白玉川，彭永勤，周 鹏

(1.重庆交通大学 重庆西南水运工程科学研究所，重庆 400074；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250000)

1 研究背景

天然河流大多数为部分切割含水层或悬置于含水层之上的“非完整”河流，且河道两岸均为不饱和或者干燥状态。在洪水期河流急剧演化过程中，河床中有渗流存在且渗流量较大，河水下渗和侧渗部分将补给地下水。1991-2005年，黄河下游年均来水量为233.37×108m3，年均渗漏水量为8.01×108m3，约为总流量的3.43%[1]。而对于干旱地区，河道渗漏量更是非常之大，甚至河道水全部损失于渗漏过程[2]。

在河流演变试验模拟中，模型河流均为“非完整”的河流状态，渗漏损失是河道演化过程中河流自然耗水量的重要组成部分[3]。因此，不能将渗流量归结在流量的测量误差上[4]。实际河道渗流量的大小受到多种因素的影响，包括河宽、河长、河床下颗粒物质的厚度与渗透系数以及河水位与地下水位差值等。Winter[5]和Butler等[6]研究了河流宽度、河床底部沉积层厚度对渗透系数的影响。Liu等[7]在室内进行模拟试验，分析了“非完整”河流的渗流特征。

一些学者[8]注意到了在河道演化过程中的渗流问题及其对曲流现象的重要性。对于黏性沙，其保水性好且渗流较小，因此河道可以充分发展；而对于无黏性沙，其渗流较强，很难形成充分发展的蜿蜒河流[9]。在室内试验中，为减少渗流引起的流量损失，通常于试验前向模拟床沙内加水，使泥沙中孔隙水饱和[9-11]。事实上，在河道演化过程中的整个试验周期，渗流损失是依然存在且随时间变化的，并且河道总流量、床沙粒径及河岸的植被覆盖程度等边界条件对渗流量的影响较大[9,12]。

目前对于河道渗流的研究多为定河道不同水沙条件及河道边界条件对渗流的影响[13]，以及不同渗流条件下引起的明渠水流结构[14]、床沙起动[15]、渗流输沙[16]和河道崩岸[17]等的响应，而对于河道演化发展过程的渗流规律及区域含水率随时间变化情况并没有太多关注。

本文运用自然模型法，在传统的河道演化试验装置基础上，设置渗流通道，测量湿润带含水率的时空变化，探讨试验过程中影响河道渗流流量的主要影响因子。在减小试验误差的同时为研究渗流对河流演变带来的影响提供支持。

2 试验装置

试验水槽长400 cm，宽150 cm，深50 cm，在其尾部设置储水箱，通过循环水泵将水流输送至前端供水箱。供水箱出流经过两次平水后进入水槽，后经尾门进入储水箱，形成水流自循环。水流经过流域时会分为两部分，一部分在河床与河岸边界内流动，形成河道水流；另一部分则渗入地下，形成渗流。为此，在河流演变试验装置的基础上，设计了与自然河流渗流过程近似且便于量测渗流的改进装置，河道渗流试验装置、采样点布置及河岸植被示意图见图1。

图1 河道渗流试验装置、采样点布置及河岸植被示意图(单位：cm)

沿水槽进、出口及两侧留有渗流通道，保证渗水挡沙。下游出口处设置双出水通道，用以量测河道流量及渗流流量。试验湿度为70%，蒸发量相对较小可以忽略不计。因此，理论上试验总流量(Q)=河道流量(QR)+渗流流量(QS)，但实际河流演变和渗流过程中，水在非饱和带中的运移比较慢[18]，水分到达渗流通道所需要的时间较长。由于时间的延迟性，试验结果存在部分误差。

3 试验方法

河道渗流量与河道断面形状、河道水位、河床质的透水性及厚度等特性有关[19]，而在河床演变过程中河道的断面形状及水位又取决于上游的来水来沙情况、河道自身的床沙特性以及河床河岸边界条件。因此，本文设定控制变量为床沙粒径、入流流量、坡降、河岸植被分布情况，以分析不同因素对河床湿润带渗流的影响，各试验工况的参数统计及稳定河型见表1。根据试验条件选定河道试验用沙的中值粒径为0.62和0.22 mm，床面铺沙厚13 cm，其沙粒粒径级配曲线如图2所示。工况RUN3～RUN13演化过程流量恒定，工况RUN1、RUN2设定两个流量阶段，初始为小流量冲刷，待河道演化至相对平衡状态时，瞬间加大入流流量以分析流量改变对渗流的影响，且两阶段均为恒定流状态。

图2 试验河床沙粒级配曲线

含水率测点沿河道横向共布置4排(见图1(b))，距初始河道左岸20 cm开始每隔15 cm布置1排测点，每排测点之间沿河道纵向间隔为50 cm；距初始河道右岸20 cm只布置1排测点。含水率测定采用烘干法，测点取样为4 cm×4 cm×13 cm的立方体。试验开始放水后，待下游出口有渗流流量时，开始测量试验各测点含水率，此时表面床沙还处于非饱和状态，与Kinzli等[4]将底层沙饱和，表层沙缓慢浸没基本吻合。

河岸植被边界条件设定两个控制变量：布设方式和植被密度(参数设定见表1)，种植密度用河岸植被覆盖率表示。种植植被草为四季青(见图1(c))成梅花形种植，间距为1 cm。成草的平均根系长度达2.7 cm，有效根系覆盖平均直径d≈1 cm。将有效根系覆盖面积作为植被覆盖率，计算得到4种植被有效覆盖率分别为0(无植被)、20%、40%、80%(K1=0；K2=4(πd2/4)/A≈20%；K3=2×K2≈40%；K4= 4×K2≈80%)。

表1 各试验工况的参数统计及稳定河型

4 试验结果与分析

4.1 渗流流量分析

表1中统计了13组工况河道演化过程中的渗流量以及占总流量平均百分比。将工况RUN1～RUN7渗流流量随入流总流量的变化关系绘制为图3，工况RUN3～RUN7(细沙无植被工况)渗流流量随河道坡降的变化关系绘制为图4。由图3(a)可看出，河床质为粗沙的渗流量较细沙大得多，沙的性质决定了其渗透系数，而孔隙大小起到了主要作用，虽然粗沙的非均匀系数较小，但其孔隙率大，透水性好，河流的入渗速率明显更大。由图3(b)可见，河床质为细沙时，工况RUN3的渗流量明显大于工况RUN4～RUN7，是因为工况RUN3为细沙试验的第1组，初始床面处于干燥无水状态，渗流梯度远远大于饱和状态。这也是很多学者在进行河道演变试验研究时，先向河道注水的原因。

当床沙达到饱和状态时，渗流可以近似分解为横向渗流与纵向渗流两部分，横向渗流量的大小主要取决于入流量的大小，而纵向渗流取决于河道纵向坡降。河道坡降也可认为是水坡比降，对渗流影响主要表现为渗流水头的变化。通常情况下，渗流量会随着河道流量及水力坡降的增大而增加，但影响程度不同。从图3、4可以看到，工况RUN4与RUN5的坡度相同，但流量相差较大时，两组试验中渗流量变化范围相差较小；工况RUN1和RUN2也是如此。RUN7虽然流量较RUN5及RUN6小，河道渗流量却较RUN4、RUN5及RUN6都大。因此可以得出，水力坡降对于渗流量大小的影响作用明显大于流量的作用。

图3 工况RUN1～RUN7渗流流量-入流总流量关系 图4 工况RUN3～RUN7渗流流量-河道坡降关系

图5为工况RUN1～RUN6的河道流量及渗流流量随时间的变化曲线。为进一步研究河道流量与渗流流量的变化规律及关系，试验工况RUN1、RUN2分别选取50和90 mL/s两个初始大小不同的总流量，通过观察该两个流量下河道演变发展过程发现，总流量不同，则河道流量明显不同。由图5可知，在初始总流量下，工况RUN1和RUN2的河道流量分别稳定在12和55 mL/s左右，而两组的渗流流量相差不大，基本均在35 mL/s左右。当河道演变达到相对稳定状态时，分别加大流量至90和120 mL/s，工况RUN1和RUN2 河道流量均开始突变，经过调整后工况RUN1和RUN2河道流量分别稳定在55和90 mL/s左右，而两组的渗流流量经微小调整后依然稳定在35 mL/s左右。对比两种粗细程度不同的试验沙，细沙河道在演化过程中，其渗流流量小于粗沙的渗流流量，河流的入渗速率明显更小。工况RUN4和RUN5渗流流量均稳定在5 mL/s左右，河道流量分别稳定在69和112 mL/s左右。

由以上分析可以得出，对于每一种床沙，当河道坡降及初始含水率一定时，存在稳定的相对饱和渗流流量Qb,当入流总流量Q>Qb时无论河流流量如何变化，渗流流量将保持相对稳定不变；当Q

试验开始后5～10 min，河道出口开始出流。由图5(a)～5(f)可以看出，无论粗沙还是细沙，初始50 min内河道流量及渗流流量均不断增大，床面逐渐充水。随后，渗流流量逐渐趋于稳定，而河道流量则在一定时间段内出现了减小的趋势，而后趋于稳定。观察图5中工况RUN4、RUN5的河道流量可以发现，200～300 min流量达到低点，随后趋于稳定。这种现象主要是由于初始状态床面含水率较低时，介质内的基质吸力较大，使入渗速度较大。随着入渗的进行，含水率增加，基质吸力迅速减小，孔隙水运移的速度也逐渐稳定，因此渗流流量在初始阶段会有迅速增加的趋势，与土槽模型试验有相同的规律[20]。同时，河道水流随着初始河道的迅速演化展宽，水流由急流逐渐转化为缓流，从而流量在某种意义上有所减小。

工况RUN3～RUN7(细沙无植被工况) 河道宽度随时间变化规律见图6。由图6可见，各组次试验的河道宽度-时间关系曲线基本在试验开始后200 min左右明显出现拐点，河道展宽变慢。但针对工况RUN3而言，由于初始床沙处于不饱和状态，渗流损失严重，其河道最大宽度形成时间较长，在t=380 min左右，其河道流量在t=300 min之后出现减小的趋势(图5(c))。观察河道的展宽规律可以明显看出这与河道流量变化规律具有的一致性。

图5 工况RUN1～RUN6的河道流量及渗流流量随时间变化曲线

图6 工况RUN3～RUN7河道宽度随时间变化规律 图7 工况RUN3～RUN7渗流流量随时间变化规律

工况RUN3～RUN7(细沙无植被工况)渗流流量随时间变化规律见图7。根据图7可将河道的渗流过程分为非稳定渗流阶段和稳定渗流阶段，其中非稳定渗流持续时间较短。武桂芝[21]通过野外现场试验测量得到河道非稳定渗流过程约为1.5～2.0 h，过水时间为3 d时，非稳定渗流流量占总渗流量的比例为2.75%～4.36%。对于本试验，非稳定渗流过程约为40～120 min，则按时间比例计算，应与实际过水时间为3 300 min时做对比。本文最长过水时间为1 000 min，因此按照稳定渗流阶段渗流量基本不变的规律，计算得到河床演变至3 300 min时，RUN3～RUN7工况非稳定渗流流量占总渗流量的比例。对应组次结果分别为：5.65%、5.11%、3.69%、2.64%、2.18%，与野外河流渗流比例相近。

河岸植被情况对渗流产生的影响也不可忽视。图8为总流量、河床沙粒径及河道坡降均相同的7组试验(工况RUN5、工况RUN8～RUN13)，不同河岸植被情况下渗流流量的变化。由图8可以看到，有植被种植的河岸的渗漏损失较无植被的大很多。植被的根系作用，为渗流提供了更好的通道，但并不是植被越密渗流越强烈，随着植被覆盖率的增大，根系更加密集，渗透性反而变小。同时一岸植被覆盖河道渗流量较两岸植被的略大。试验观察发现，对于只有一岸植被覆盖的河道，由于两岸演变的不同步，其河道演化过程中床面稳定性较差，河床也一直处于不断的淤积和冲刷调整过程。在某种意义上,河道的稳定性能反映渗流的大小。河道越稳定，则渗流越小；相反，河道越不稳定，则渗流越大。在室内小尺度自然模型试验中,渗流所显示的差异反映在实际河流中是巨大的，应该得到重视。在研究河道渗流损失时,应明确考虑河岸植被覆盖效应。

图8 工况RUN5、工况RUN8～RUN13渗流流量-河岸植被情况关系

由各组试验观察发现，不同时刻河道流量与渗流流量两部分之和不完全与入流总流量相等，这是由于床面渗流往往滞后于河道水流所致。而观察工况RUN3～RUN7稳定时刻及RUN1、RUN2小流量稳定时刻发现，渗流量较前期有小幅的减少，这是因为在河流演变趋于相对稳定时，由于长期的淤积及泥沙分选，往往在固有河床上形成“次生细粒堆积层”，介质致密，渗透性变差，将会明显降低河流的入渗速率[13,19]。因此当河道流量大于相对饱和渗流流量时，渗流流量与河道入流总流量无明显相关关系，只受到河床初始含水率、床沙特性、床面坡降及河岸植被覆盖情况的影响。

4.2 区域含水率随时空的变化规律

试验测定的不同时刻河道各测点含水率的变化见图9。RUN1、RUN2工况设定3条测线共21个测点；RUN3、RUN7工况设定两条测线共14个测点。选取粗沙RUN1、RUN2工况和细沙RUN3、RUN7工况4个组次进行分析。

图9 4种工况各采样点不同时刻含水率变化曲线

由图9可以看到，RUN3初始床面各测点含水率较低，处于非饱和含水状态，为非饱和入渗。经过40 min的河道演化，各测点含水率仍偏低。随着时间的推移，含水率达到相对平衡状态。而RUN7是在前4组细沙试验后进行的，初始含水率较高，很快达到饱和状态。应指出的是，工况RUN7测点6、7、13、14在前期演变至20 min时，由于下游出口附近表面张力作用，含水率反而较大，形成短暂壅水。随后水流通道打开，下游水位坡降变大，含水率变小。演变至250 min时，河床含水率较初始状态小。剔除上、下游出口的影响，可看到RUN3、RUN7两组各测点含水率随时间并没有明显的变化规律，稳定在一定范围内。因此通过分析认为，河道含水率在时间尺度上相对稳定，变化较小。

以RUN1、RUN2为例，观察河床含水率横向空间变化规律，各采样点测线不同时刻含水率变化曲线如图10所示。由图10可看出，河道演变的初始阶段，测线L3多数沿程测点的含水率较L1、L2的小，L1与L2上各测点含水率接近。随着河道演变进行，测线L3逐渐靠近测线L2，两测线含水率接近，而L1由于靠近河道且长时间处于稳定渗流，其含水率明显偏高，逐渐与测线L2及L3分离。当整个床面渗流达到相对稳定状态时，测线L3与L2分离，沿床面横向形成了稳定的含水率梯度。该过程的稳定时间远比渗流流量达到稳定的时间长。因本文所测含水率为沿垂向采样点的整体含水率，含水率的梯度变化也反映了床面地下水位的变化梯度。由图10还可看出，L1上各测点含水率均在20%以上。靠近河道含水率最高，离河道越远，床面含水率越低。若床面沿横向无限延伸，则无限远处含水率逐渐减小趋于0。因此，实际河流的渗流作用也只是在一定流域范围内影响较大。沿河地区植被生长情况也会受地下水位的影响，学者们常常用植被的覆盖率来间接测量河道流域地下水位。

图10 各采样点测线不同时刻河床含水率变化曲线

值得指出的是，工况RUN1河道演变在t=1 460 min时及工况RUN2河道演变在t=1 430 min时，靠近尾门的测点并未完全形成梯度，这是因为受尾门处河道出流的影响，渗流作用相对减弱。虽然出现含水率梯度但梯度较小。

4.3 渗流流量变化对区域含水率的影响

由4.2小节分析得到，区域含水率在时间尺度上变化较小，而在区域空间尺度上变化明显。因此，选取河流演变任意中间时刻不同组次相同位置的采样点进行对比，分析不同的渗流流量对区域含水率的影响。

选取床面坡降均为12‰且河岸无植被覆盖的6组渗流流量组次进行分析，对应的渗流流量QS分别为40.67、32.67、9.60、5.45、5.27、3.50 mL/s，其中前2组为粗沙对应的渗流流量，后4组为细沙对应的渗流流量。该6组不同河道渗流流量下各采样点含水率变化曲线见图11。

由图11可看到，前4组渗流流量下各测点的含水率基本保持在20%～35%之间，平均在24%左右；后两组渗流流量较小(QS=5.27 mL/s及QS=3.50 mL/s)，床面未达到充分渗流状态，相应的平均含水率在22%左右，最小含水率低至15%。

图11 不同河道渗流流量下各采样点含水率变化曲线

因此，当区域渗流充分时，即对应Q>Qb时，整个河道各区域含水率将稳定在一定范围保持不变，与渗流流量大小无明显相关关系。

5 结 论

采用自然模型法，通过试验模拟了河道在自然演化过程中的渗流作用并分析了湿润带渗流规律，主要结论如下：

(1)在河道演化过程中，当河道床沙达到饱和状态时，渗流损失量与来流量关系不大，主要取决于床沙组成、河岸状态及河道水力坡降。床沙非均匀性一致时，粒径越粗，则渗流能力越强；河道坡降越大，渗流量也越大。无植被河岸渗流能力较有植被河岸小，但河岸植被对渗流量的影响不是简单的线性关系，与不同植被覆盖率情况下河岸渗流通道的渗流能力及河床稳定性有关。

(2)河道演化初始阶段河床处于不饱和状态时，河床区域含水率较低，而从长期来看，其含水率随时间并没有明显的变化，稳定在一定的范围内。

(3)河道演化至相对稳定状态时，含水率在空间上沿河床横向湿润带形成稳定的变化梯度，且达到稳定梯度的历时较渗流稳定的历时长得多。当河床渗流饱和时，区域含水率与其渗流量无关，保持在稳定的区间内。

本文只针对两种级配的粗沙和细沙进行试验，并且由于试验组次的限制，仅分析了河流演化中的渗流规律，而关于渗流量与坡降、泥沙特性、河床区域大小等因素的具体函数关系等问题，还有待进一步分析研究。同时，本文仅也就渗流规律进行了定性描述，对其机理问题还须进行探讨。