基于双环渗水试验的包气带垂向渗透系数研究

孟凡星，孙建军 (合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

1 引言

在研究大气降水、灌溉水、渠水、暂时性表流等对地下水的补给能力时，经常需要测定包气带介质的垂向渗透性能[1]。目前国内缺少针对不同地表岩性、不同土地利用类型等条件下土壤包气带介质性质研究，部分点开展了相关试验，其试验数据缺乏可对比性，且不足以用于土壤包气带渗透系数的研究。

王晶晶等[2]认为双环法渗水试验是获取包气带介质渗透系数较精确有效的方法，渗水过程符合实际情况。本文考虑了岩性、土地利用类型等影响因素的前提下，在地表岩性为松散岩类（淮南、六安、太和、宿州、亳州）、碳酸盐岩（淮北）的地区分别开展了不同土地利用类型（建筑用地、农业用地）的双环渗水试验；利用渗透试验所获得的渗透系数，为研究淮河流域土壤包气带垂向入渗系数提供了基础资料，具有重要的工程和理论意义。

2 研究区概况

研究区主要为安徽省内淮河干流以北的平原区，研究区范围位于：东经114°50′～118°10′，北纬32°20′～34°40′之间。地处淮北平原中部，地貌要素的差异较大，西北黄河故道地势略高，中部有相山丘陵，其余大部分为平原洼地见图1所示。

图1 研究区地貌图

研究区属北亚热带至暖温带半湿润季风气候区，是我国南北气候过渡地带。主要特点是夏热多雨，冬寒晴燥，春干秋旱，冷暖旱涝转变较快。年降水量多在600 mm～1400mm，空间上降水量由南向北递减。降雨量的年际，年内分布极不均匀，差异较大。汛期(6月～8月)降水占全年降水的50%～70%。研究区湖泊、洼地众多，较大的湖泊有华家湖、老汪湖、沱湖、香涧湖、四方湖、天河、焦岗湖、花家湖、八里湖等。

淮河流域(安徽段)大地构造位于中朝淮地台的淮河台坳范围，仅西南角属江淮台隆。其基底由上太古界五河群、霍邱群及下元古界风阳群变质岩系组成。风阳运动，地壳隆起，中元古界缺失。本区除东北部孤山丘陵有零星岩体出露外，均为土体所覆盖。30m深度内土体主要为粘性土(包括粘土、粘质砂土、砂质粘土)和砂性土(主要为粉砂、细砂)组成，多为双层或多层结构类型，且多上覆粘性土，工程地质条件一般尚好，但其间局部地段有特殊土，如淤泥质土、盐渍土，需加注意。出露在孤山丘陵的岩体主要为上元古界─下古生界碳酸盐岩建造与碎屑岩建造。其工程地质条件一般良好，但碳酸盐岩建造局部岩溶发育，对地下水形成有利，对地基则存在着严重隐患。研究区区域地质见图2所示。

图2 淮河流域安徽段区域地质图

3 野外双环渗水试验

3.1 试验方法

试验选用双环渗水试验法，原因在于排除了侧向渗透的影响，提高了实验结果的精度。双环渗水试验法具体试验步骤：

先除去表土，在水文地质边界内挖一基坑，然后在地表嵌入高50cm、内径20cm，底面积为314cm2的铁环，且铁环须压入土层5cm以上[2]；如果沿铁环底部向外漏水，但是土质过于坚硬，而不易继续压入铁环时，需在铁环底部外沿做止水处理。为减小侧向渗透对试验结果的影响，以同心轴的方式埋置一直径50cm的大环于小环外，而且要确保大环高度与小环高度相同；

注水水源以秒表计时，人工量筒定量加注的方式。定水头注水时，控制环底水面高度，一般控制在10cm以内，实际试验中环底水面高度为8 cm～10cm，水面高度包括环底铺砾厚度在内，并且保证大环和小环水面高度相同[3]；

试验开始时，向环内注水并始终保持其水深为10cm不变，并记录注水量，初始阶段由于表土较干燥，渗水量变化较大，适当加密观测次数。当注入水量稳定2h后，试验即告结束。稳定标准为渗入流量Q呈随机波动变化且变幅<5%[4]。最后按稳定时的水量计算表土的垂向渗透系数。试验装置如图3所示。

图3 双环渗水试验装置示意图

3.2 试验原理

双环渗水试验主要是利用内环渗水模拟垂向一维渗流来求取垂向渗透系数，外环排除了侧向渗透的影响。当试验渗水量趋于稳定之后，可以较好地利用达西定律原理计算渗透系数[5]：

式中：k—试验土层的渗透系数（m/d）；

Q—内环稳定渗入水量（m3/d）；

l—试验结束时水的渗入深度（m）；

Z—试坑（内环）中水柱高度（m）；

HK—毛细压力水头（m）；F—试坑（内环）注水面积（m2）。

3.3 实验过程

3.3.1 定水头注水，观察记录

以环底水标尺为准，保持定水头注水。同时用量筒观测注入水量，记录的时间间隔一般开始为1min、3min、5min，最后为10min、20min、30min[4]。

3.3.2 渗水量稳定，完成试验

试验记录的过程中，描绘渗水量—时间（v-t）曲线，待曲线保持在较小的区间稳定摆动时，再延续2h～3h，即结束试验。

3.4 试验数据整理

为了避免随机因素形成的误差，一般在同一地段，重复开展2～3组实验。以淮北烈山区数据整理为例，各点渗水试验结果统计见表1，渗透系数随时间变化曲线见图5所示。

渗水试验数据结果统计表 表1

图4 双环渗水试验现场图

图5 渗透系数—时间（k-t）曲线

由图5、表1可以看出，两组试验数据基本一致，淮北市烈山区包气带垂向渗透系数为1.46×10-6cm/s～4.53×10-6cm/s。

4 结果与分析

本次项目组在淮河流域不同地表岩性、不同土地利用类型地区做了共6组45个双环渗水试验，试验点分布见图6所示。

图6 双环渗水试验点位分布

各地段双环渗水试验点位信息及结果见表2所示。

双环渗水试验成果综合表 表2

由多因素双环渗水试验结果分析表见表3所示，在淮河流域松散岩类地区，地表岩性为粉土的农业用地，包气带垂向渗透系数为5.56×10-5cm/s～2.89×10-4cm/s；地表岩性为粉土的建筑用地，包气带垂向渗透系数为2.31×10-5cm/s～1.18×10-3cm/s；地表岩性为粉质粘土的农业用地，包气带垂向渗透系数为4.90×10-6cm/s～5.33×10-6cm/s；地表岩性为粉质粘土的建筑用地，包气带垂向渗透系数为3.82×10-6cm/s～5.26×10-6cm/s。

多因素双环渗水试验结果分析表 表3

在淮河流域碳酸岩类地区，地表岩性为粘质粉土的农业用地，包气带垂向渗透系数为4.16×10-4cm/s～4.81×10-4cm/s；地表岩性为粘质粉土的建筑用地，包气带垂向渗透系数为5.01×10-4cm/s；地表岩性为细砂土的农业用地，包气带垂向渗透系数为3.37×10-5cm/s～2.35×10-4cm/s；地表岩性为细砂土的建筑用地，包气带垂向渗透系数为2.18×10-4cm/s。

依据工作区以往工作经验及本次项目组取得成果，淮河流域（安徽段）垂向渗透系数分区见图7所示，工作区内垂向渗透系数主要分为六级。

图7 淮河流域（安徽段）垂向渗透系数分区图

①0～0.1m/d该区面积比较大，其主要分布在太和北部、淮南市区、六安市霍邱、蚌埠市区、灵璧、泗县、利辛、颍上、淮北市区等地，岩性主要为松散岩类，所占小部分淮北地区为碳酸盐类，表土主要为粉土。

②0.1m/d～0.2m/d主要分布于太和东部小部分区域、淮南大通区、蒙城、固镇、怀远，岩性主要为松散岩类，表土主要为粉土。

③0.2m/d～0.5m/d该区主要分布在濉溪、宿州埇桥区、灵璧西北部、凤阳、五河一带，岩性包括松散岩类和碳酸盐类，表土主要为粉土、小部分黄土及细砂。

④0.5m/d～1m/d该区主要分布在阜阳市区、界首、临泉、阜南、亳州谯城区、涡阳北部等，岩性主要为松散岩类，表土主要为粉砂。

⑤1m/d～2m/d该区主要分布在砀山南部等，岩性主要为松散岩类，表土主要为细砂。

⑥2m/d～5m/d该区主要分布在涡阳、砀山南部、萧县等，岩性主要为松散岩类，表土主要为细砂。

5 结语

①双环渗水试验是在野外测定包气带渗透系数的常用方法，其操作简便、可行性强，试验结果贴近实际情况，对于研究工作区土壤渗透能力具有很好的实用性。

②本项目在考虑岩性、土地利用类型等影响因素的前提下，项目组在地表岩性为松散岩类（淮南、六安、太和、宿州、亳州）、碳酸盐岩（淮北）的地区开展了不同土地利用类型（建筑用地、农业用地）的双环渗水试验，初步得到了上述地区的渗透系数范围值。这为研究淮河流域土壤包气带垂向入渗系数提供了基础资料，也为其他地区土壤包气带垂向渗透系数试验研究提供了实例。