河水渗漏量影响因素的砂箱试验研究

高宗军，王贞岩，刘久潭，王 姝

(山东科技大学，山东 青岛 266590)

0 引言

地表水和地下水均是水循环的重要组成部分[1]。地表水与地下水之间有着十分密切的水力联系和频繁的转化关系，是自然界中普遍存在的现象[2]。理解地表水与地下水之间的相互作用及其演化关系，可以为区域地下水资源的可持续利用、管理与保护提供科学参考，特别是在地下水的主要的补给来源为河水渗漏的干旱半干旱地区[3-4]。长期以来，人们对地表水与地下水相互关系的研究主要集中于两者之间为饱和水力联系的情况[5]。随着人口数量增加、城镇化加快，人类对地下水需求量越来越大。人们对地表水与地下水的研究越来越多，逐渐地认识到随着地下水开采量不断增加，地下水位持续下降，导致地表水与地下水逐渐失去饱和水力联系，不再具有统一的浸润曲线，发生脱节现象[6-7]。而地表水与地下水脱节以后，在地表水的下方形成倒挂饱水区，而在倒挂饱水面与地下水面之间形成一个非饱和带[8-9]。

地表水与地下水之间的相互作用是一个复杂的过程，受诸多因素影响。通常随着时间的延长，受到物理的、化学的及生物的作用，地表水入渗会逐渐减小甚至完全堵塞。在不考虑堵塞的前提下，新鲜的河床条件，地表水形态、河床组成、地表水水动力条件以及人类活动等各种因素[10-12]都会对地表水入渗产生影响。本文讨论的就是这种不考虑堵塞的情况，近年来，诸多学者多对该种情况下地表水与地下水之间的相互作用关系进行了大量研究。Rivière等人[13]通过砂箱试验及数值模拟研究了在地表水深不变、地下水位逐渐降低条件下，地表水与地下水之间逐渐由饱和连接发展为完全脱节的动态演化过程，得出在地表水与地下水脱节的过程中入渗速率因受水力梯度控制，在完全脱节阶段趋于最大值并保持稳定。Rivière等人的研究结果与Fox和Durnford以及Brunner等学者先前研究所提出的稳定条件下地表水-地下水关系演化中入渗速率与水位差的关系一致。非完整切割地表水是地表水与地下水发生脱节的必要条件，因为完整切割地表水与地下水之间总是处于饱和连接状态。渗透性较低的河床对河水的入渗作用有着明显的影响。Fox和Durnford以及Brunner等学者对地表水与含水层之间的渗流规律进行了研究，认为河床发育有低渗透性堵塞层是地表水与地下水发生脱节的必要条件。然而，王文科等人于室内砂箱试验得出，无论河床底部是否存在弱透水层，在一定条件下地表水与地下水都会发生脱节。另外，王文科等人[14]还基于数值模拟和方程求解等方法得出河床下部发育的悬挂饱水带厚度总是等于河水深度，这与谢月清等人[15]的数值模拟结果存在差别。随着不断的深入研究，人们对地表水与地下水之间的脱节演化过程、机理以及相应的河水入渗规律，都有了新的认识。鲜阳等人[16]通过研究得出由毛细作用或非均质性引起的侧向流对地表水与含水层之间的相互作用也起着重要作用，并指出倒挂饱水面的最低点不仅可以在河床底部发育，还可以在河床或含水层中发育。为对地表水与地下水之间的水力联系做出进一步研究，本研究在前人研究的基础上，利用三种砂完成了砂箱实验试验，对地表河水的渗漏量及其影响因素进行了分析。

1 试验装置与材料方法

1.1 砂箱试验装置

试验用砂箱如图1所示。主体为一个高2.2 m、宽(厚)0.4 m、长3 m的矩形砂箱。砂箱上部中间设置可控水位的河流水槽，其两侧及底部均透水，可模拟河道长0.4 m，宽0.2 m，最大深度0.2 m的河水由底部及两侧渗漏的情形。砂箱左、右两端分别设有可调控水头的水槽，高2.2 m、宽(厚)0.4 m、长0.25 m呈矩形体。砂箱背面是透明玻璃质完整挡水墙，正面按规则共设有552个测压(出水)孔，用胶管将各测压孔与测压水排(把各个测压管敞口端按照一定顺序绑定在一起的排面)连接，观测各孔处的水头变化。在该装置的顶部中央位置，放置一个模拟自然河道的在河流下部区域测压孔加密设置。通过该装置，可以完成不同粒度砂箱、不同河流水深、不同河流-地下水的水头差条件下的河流补给地下水的试验。

图1 试验砂箱装置示意图

1.2 试验用砂属性

试验选用三种粒径的试验用石英砂，分别为细砂(120～180目)、中砂(40～70目)、粗砂(20～40目)，各砂样的实测粒度曲线如图2所示，其他相关参数均按照标准测定方法测得，其数值列于表1所示。试验所用粗砂(0.425～0.85 mm)与前人砂箱试验研究(Wang et al. 2011)中的砂的颗粒(0.5～1.0 mm)大小较为接近。

表1 试验用砂物理特性参数

1.3 试验方法步骤

砂箱采用分层装填的方式填满砂。每次装砂5～10 cm厚，然后从砂箱底部充水，至水没过砂表面止；然后继续装砂5～10 cm后再充水，直至装满砂箱。砂箱填满后，再进行多次完全排水与完全充水，直至砂箱内砂介质完全充分密实。每次试验前，都将砂箱充满水，并将各个测压管中的气泡全部排出。

试验须控制顶部河水和砂箱两端水槽的水深，以调控渗漏量及砂箱地下水位，待两者稳定后，记录两端水槽的排泄流量，即顶部河水渗漏量，并记录测压排上各测压管测得的数据。将测压孔拔除胶管后，能自由流出水的视为饱水，否则视为非饱水。由此可圈定河流下倒挂饱水区范围和下部饱水区顶部的地下水面。每一种砂样的试验都设计了2个不同河流水深，分别为10 cm和18.5 cm；每次试验先确定两端水槽水位，待河流水深、排泄流量和两端水槽水位均稳定后，进行测压排观测记录，完成一次试验；之后降低两端水槽水位10 cm，重复另一次试验；依此类推。每一种砂样的试验结束后，按上述过程进行重新装砂和重复试验。

细砂试验是最后完成的，除了完成以上试验外，增加了三次试验，将两端水槽水位降到到最低的30 cm，完成了河水深度分别为6.5 cm、12.5 cm和18.5 cm时的相关试验，划分了饱水区与非饱水区，并对非饱水区进行了负压值测定。

对试验数据进行整理，总结归纳相关特征规律，分析其水文地质意义。

图2 试验用砂样粒度分析曲线

2 试验结果与讨论

2.1 典型试验结果介绍

由于设置了552个观测孔，所以可以通过测压排上的测压管内的水位高度，时刻记录砂箱552个位置的水位变动情况，从而确定水的运动方向。

如前所述，本次试验采用粗中细三种试验用均质石英砂作为砂箱的填充料形成均匀渗透介质场。当河水控制水位不变时，砂箱两端的水槽的水位不同，就会构成与河水的水头差，从而形成不同的渗漏量；三种不同砂介质的交替，就会得出不同粒径砂情况下的渗漏量差异性。为了说明河水渗漏量极大值出现时的河水与地下水脱节的情况，介绍典型试验过程。

该典型试验是(通过调节河水位控制阀控制流量的办法)控制河水位保持10 cm深度不变，不断地改变砂箱两端水槽的水位。待河水位10 cm不变和砂箱两端水槽水位不变并保持一定时间的稳定后，测量两端水槽的排泄量，两水槽排泄量之和即为河水的渗漏量。此时可通过552个观测孔的水位测量情况，绘制出该时刻的等水位线图。图3给出了河水深度10 cm，砂箱两端水槽水位分别是200 cm、170 cm、140 cm、100 cm、90 cm、60 cm时的砂箱552个观测孔连接的测压管内的水头显示值的等值线。需要说明的是：(1)砂箱高度220 cm，顶部中央的河流成矩形，总深20 cm，因此河底位置高度为200cm；(2)弯曲的蓝实线表示地下水面，即砂箱饱水区的水面，是自由水面，其下倒挂饱水区内，水是饱和的，观测孔可以自由流出水；除上述外为非饱水区，观测孔不能自由流出水。从饱水状态一旦转化为非饱水状态，就会由正压转为负压状态，有的直接进入空气，使测压管原本连续的水柱断开，从而在测压管的测压排一端产生水头骤然上升的虚假情况。在这里，为真实起见，采用了真实的记录数据，并做出等值线，即非饱水区等水位线是测压管内充气后的数据得出的。由于观测孔之间的间隔是5 cm、10 cm和20 cm，所以做出的代表地下水面的水位线不够圆滑，是数据使然。

可以看出，当控制河水深度为10 cm时，当砂箱两端的水槽的水位(简称排泄水位，下同)高于140 cm时，河水与地下水具有连续的水力联系(见图3中A、B、C)。但是当排泄水位降低到140 cm时，河水下方的浸润曲线开始向中间收缩，进入过渡脱节阶段。当排泄水位继续下降至100 cm时，饱水区在河水下一定距离上出现颈形狭口，几近脱节；当排泄水位进一步下降至90 cm时，河水与地下水浸润曲线断开，已经完全脱节，并残留倒挂饱水区，宛如包裹在垂直向下的钝首的水滴，其厚度(由河底至倒挂饱水区下垂中央位置)介于20～25 cm之间。当排泄水位继续下降时，倒挂饱水区的厚度反而减小为10～15 cm之间，试验证明，排泄水位继续下降，倒挂饱水区大小均保持不变(见图3中D、E、F)。

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

2.2 河水渗漏量结果汇总与分析

实验过程中，每一种砂子作为渗透介质时，都会通过控制河水供给装置的流量的调节，保持河水深度、砂箱两端水槽的水位高度符合要求的数据，然后保持稳定一段时间后，才会测量砂箱两端水槽的排泄量，从而求得河水的(总)渗漏量。

图4、图5、图6分别是粗砂、中砂及细砂作为充填渗透介质的情况下的不同河水深及不同砂箱两端水槽水位情况下的河水渗漏量变化曲线。

图4 透水介质为粗砂时河水渗漏量与排泄水位及河水深度的关系

图5 透水介质为中砂时河水渗漏量与排泄水位及河水深度的关系

图6 透水介质为细砂时河水渗漏量与排泄水位及河水深度的关系

由图4～图6可以看出，无论是哪种砂构成的渗透流场，河水与地下水脱节前，在相同排泄水位(砂箱两端水槽水位)时，河水深越大，排泄流量越大，反之亦然。当河水与地下水发生脱节时，排泄流量达到极值。脱节之后，即使排泄水位继续降低，排泄流量也基本保持不变。说明河水与地下水发生脱节，是河水渗漏量或砂槽排泄流量达到极值的标志。

3 结果与讨论

本次对三种不同粒径的新鲜砂样构成的砂箱所做的不同河水深度、不同排泄水位的观测结果可以看出，在不考虑渗漏堵塞的情况下，河水渗漏量的大小主要与以下几个因素有关：

(1)河水深度。河水渗漏量与河水深度成正比。一是由于河水深度加大，使得河水的势能及压力都增加，河水的湿周面积即河水渗漏的过水断面的面积增大，因而导致河水的渗漏量加大。

(2)渗透介质的渗透性，渗透性好，则渗漏量大。

(3)排泄水位，或称地下水位埋深。这里要分三种情况：

首先，地下水埋藏较浅，河水与地下水不发生脱节。此时的河水面与地下水面的距离越大，即河水与地下水之间的水头差越大，则河水的渗漏量越大；其次是河水与地下水发生脱节，此时的河水的渗漏量达到最大；最后是地下水位埋藏较深，河水与地下水发生脱节，河水下倒挂饱水区与下伏的饱水区之间产生非饱水区，此时的河水渗漏量维持在脱节时的量基本不变。在试验中还发现，粗砂时河水与地下水脱节后，继续增大河水与地下水的水头差，河水的渗漏量反而出现了小幅度的减少的情况。