河水下懸掛飽水帶及非飽水帶水分布與運移特征試驗研究

高宗軍,丁子祺,劉久潭,王貞巖,王 姝,劉文悅

(山東科技大學 地球科學與工程學院,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鍵區域[1-2]。非飽水帶屬于“四相結構”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移特征,對于揭示地表水與地下水的相互作用及生態環境保護具有重要意義。

地表水與飽水帶地下水均被看作可正常傳導水壓的連續流體[4]。當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排的水力聯系(圖1)。當地下水位持續下降時,地表水向地下水不斷滲透,地下水面先在地表水兩側形成,并隨著地下水面的持續下降,出現脫節現象[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的形式、持續地向下伏飽水帶運移,因而該非飽水帶中的水不斷向下運移[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,基于砂箱實驗和數值模擬,分析了河流與地下水之間由連接至完全脫節的動態演化過程,發現在脫節過程中入滲速率在完全脫節階段趨于最大值并保持相對穩定。Wang等[11]基于數值模擬得出懸掛飽水帶厚度等于河水深,并利用室內砂箱試驗,發現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生脫節。Xian等[12]開發了耦合模型并研究河流與地下水演化過程中營養鹽運移與微生物生長之間的反饋關系及其對土壤入滲演化的控制作用。鮮陽[13]通過數值模擬和解析法對河流與地下水脫節演化機理進行了定量分析。地表水與地下水之間的相互作用復雜,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移特征、脫節現象的形成演化及其控制因素等,均值得進一步研究和試驗驗證。

本研究利用室內砂箱試驗裝置,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給地下水模擬試驗,分析河水下滲透介質場內水的分布形態及運移特征、地表水下懸掛飽水帶的發育特征、形成機制及影響因素等,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,以彌補目前非飽水帶水分布及運移特征的研究空白。

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如圖2所示。砂箱頂端中間設可控水位的水槽(長0.4 m、寬0.2 m、高0.2 m),以模擬不同水深的自然河流。砂箱左右兩側也設可調控水位的水槽(長0.25 m、寬0.4 m、高2.2 m),用以控制砂箱兩側的排泄水位。砂箱正面設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:細砂、中砂、粗砂,砂樣物理特征參數如表1所示。利用達西實驗裝置、毛細上升高度測試裝置等測試給水度等指標。

表1 試驗所用砂樣物理特性參數

1.3 非飽水負壓測量原理

當砂箱充滿水時,各觀測孔的測壓水頭相同;當滲透水流發生時,各觀測孔的測壓水頭會相應發生變化。觀測孔能夠自由流水,表明含水介質處于飽水狀態,否則處于非飽水狀態。非飽水帶的負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,軟管內充水,另一端與觀測孔連接。上下移動直尺,使軟管內的水柱移動,并與觀測孔產生水頭差,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壓水頭值,這里將該值定義為非飽水帶出水壓,為負壓值的絕對值。當該水頭差大于觀測孔負壓絕對值時,非飽水帶的水可以像飽水狀態時一樣連續流出;若非飽水帶沒有水源或負壓值過高,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,并從砂箱底部進水,使砂樣全部浸透,然后繼續填砂,直至砂箱裝滿。砂箱裝滿砂樣后,反復充水、排水,以確保箱內砂樣完全密實。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,否則為非飽水狀態,據此確定砂箱飽水帶和非飽水帶的范圍,標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,繼續進行試驗。

2) 保持兩側水槽的水位在同一水平,將水槽水位每次下降或上升10 cm,同時保持河水深穩定,使河水自然下滲,等兩側水槽的水位、排水量、測壓排水位穩定后,記錄此時的時間、排水體積等數據。

需要說明的是,砂箱兩側水槽的排水量穩定后,該排水量即為河水穩定下滲量,也是試驗砂箱下部飽水帶(地下潛水)獲得的河水滲漏補給量。

3) 根據觀測到的測壓排水頭值,判定穩定飽水帶水面;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。

4) 對非飽水的觀測孔,利用非飽水負壓測量裝置逐個測量各點負壓值。

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

2 試驗結果與討論

2.1 非飽水帶水分布與運移特征

1) 靜水環境下非飽水帶水分布特征

砂箱不供水情況下,調節砂箱兩側水槽的水位處于同一高度,砂箱內部水體處于靜水環境,飽水帶水面呈水平狀態。利用負壓測量裝置,在飽水帶水面以上的非飽水帶測量各觀測孔的負壓值。觀測結果顯示,負壓值與飽水帶水面距離成正比。圖3為細砂情況下,各觀測孔負壓值與飽水帶水面距離的關系散點圖。試驗中,觀測到的最大負壓值為31 cm,該值與試驗前測得的細砂毛細上升高度值30 cm相近。當飽水帶距離繼續增大,無論負壓增加與否,均未發生觀測孔出水現象。因此,凡是利用本裝置測出負壓的觀測孔,均被認定為處于支持毛細水帶。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動下連續流出,也就是說非飽水帶的支持毛細水可以“連續出水”。由圖3還可以看出,距離飽水帶的水面越遠,抽出時所需的壓力就越大,即其負壓值越大,這與以往結論一致。也進一步說明,隨著遠離飽和水面,含水介質中的含水量及水的連通性變差。

圖3 負壓值及與飽水帶水面距離的關系

2) 河水滲漏條件下非飽水帶水分布與運移特征

當河流與地下水發生脫節后,懸掛飽水帶和下部飽水帶水面之間的非飽水帶負壓值的分布具有一定規律。圖4是細砂條件下砂箱兩側水槽水頭保持30 cm時不同河水深的非飽水帶不同位置的負壓值分布情況,這里用出水壓表示,是負壓的絕對值。河水通過懸掛飽水帶后,在下方的非飽水帶中繼續向下運動,并發生彌散作用,產生向水平方向運動的分量。

圖4 細砂條件下出水壓等值線圖

如圖4(a),當河水深為18.5 cm時,非飽水帶中負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,其負壓值越小;同一水平觀測孔中,離河水越近,其負壓值也越小。當負壓值超出細砂的毛細上升高度時,出水壓測量裝置無法測出其負壓值,觀測孔不能連續出水(圖4中空白區域)。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,但非飽水帶可連續出水區域變窄,出水壓25 cm線更加曲折。如圖4(c)所示,當河水深為6.5 cm時,非飽水帶水分布特征與河水深12.5 cm較一致,但非飽水帶可連續出水區進一步變窄。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,但過水斷面較之飽水帶有所增加。若將單位面積過水斷面的徑流量稱為徑流強度,則非飽水帶地下水的徑流強度小于飽水帶。懸掛飽水帶與非飽水帶地下水的徑流強度均不同且分布不勻。隨著遠離飽水帶水面,非飽水帶地下水的徑流強度逐漸減弱。

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,沿此縱軸向兩側方向的分量逐漸增大。與飽水狀態類似,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移。河流與地下水脫節后,河水滲漏的水經過懸掛飽水帶后,逐漸通過非飽水帶向下運移至下部飽水帶(或稱潛水飽和帶)。由此可推知,大氣降水到達地面后下滲轉化為地下水,并非必須達到飽和后才能下滲補給飽水的含水層,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,這些以毛細水為主的非飽和水,也能近似連續向下運移,直至補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移特征

1) 砂箱水分布特征

砂樣試驗結果顯示,不同河水深、兩側水槽不同水位時的水分布特征一致,以粗砂、河水深18.5 cm為例說明砂箱內的水分布特征及運動情況。圖5顯示了砂箱兩側水槽水位分別為200、170、140、130、100、70 cm時的水分布特征及運動方向圖,圖5中的“排泄水位”為砂箱兩側水槽的水位,砂箱底部水位為0。

圖5 河水深18.5 cm粗砂介質時砂箱水分布圖

根據測壓排水頭值繪制等值線,并標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飽和水力聯系,但河水下滲形成的浸潤曲線出現下凹,并進一步向河流正下方逐漸收縮。排泄水位達140 cm,飽水帶在河流下部一定距離處出現頸形狹口,幾近“脫節”。 水位繼續降至130 cm,河流與飽水帶完全脫節,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,兩側水槽的水位繼續降低,懸掛飽水帶的大小減至10～15 cm后,基本保持穩定。

2) 河水滲漏量與排泄水位的關系

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,脫節前滲漏量隨水頭差的增加而增大;脫節后河水滲漏量保持相對穩定,即河水與地下水脫節后滲漏量達到最大值。

圖6 不同條件下滲漏量與排泄水位關系曲線

3) 懸掛飽水帶與河水深的關系

砂箱填充細砂時,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。當河水深為18.5 cm時,懸掛飽水帶的大小為15～20 cm;當河水深為12.5 cm時,懸掛飽水帶的大小為5～10 cm;當河水深為6.5 cm時,未觀測到懸掛飽水帶,若存在懸掛飽水帶,推測應小于5 cm。

圖7 細砂介質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

本次試驗中砂箱內是否飽水、砂箱內水頭大小等,均通過觀察砂箱一側的552個觀測孔數據獲得,得到的飽水帶水面位置為區間值,并不是一個準確的固定數值,懸掛飽水帶的參數值如表2所示。

表2 河水深與排泄量及懸掛飽水帶周長等試驗數據匯總表

綜合考慮砂樣顆粒的粒度、孔隙度、給水度、滲透系數、毛細上升高度、河水深等參數,建立懸掛飽水帶經驗估算關系式:

(1)

式中:M為懸掛飽水帶大小;α為系數;n為含水介質的孔隙度;K為含水介質的滲透系數;h為含水介質的毛細上升高度;u為含水介質的給水度;d為含水介質的粒度均值。

利用式(1)計算的懸掛飽水帶大小以及實測數據,如表3所示。其中,最小值和最大值分別根據實測數據區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。本研究未給出準確值,只給出根據實測值計算得出的區間值。

表3 河水深與懸掛飽水帶大小實測值及計算值統計表

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、向兩側水槽處逐漸變小。試驗結果顯示,當河水深為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水槽的水位差以及對應的水力坡度就越大。

圖8 河水深與細砂飽水區水面水力坡度之間的關系

2.4 水流示蹤結果

為進一步了解非飽水帶水的運移特征,以細砂為含水介質,紅色顏料作為示蹤劑,開展水流運移示蹤試驗。通過透明玻璃擋水墻,可觀測到水流運移情況。砂箱兩側水槽水位保持在30 cm、河水深18.5 cm時,懸掛飽水帶垂向最大厚度為15～20 cm,且水流運移經歷了從飽水到非飽水再到飽水的過程。因此,水流運移的鋒面一旦離開懸掛飽水帶就被認為是非飽水的,試驗結果驗證了該推論,如圖9所示。

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

河水在滲漏補給地下水的過程中,隨著時間的推進,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展,橫向擴展速度向外圍逐漸減慢,上溯擴散運移(毛細上升)也較慢,而向下運移的速度保持基本穩定。

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中的垂向滲透速度Vy大于水平滲透速度Vx。利用觀測數據,擬合出水平和垂向兩個方向的運動距離Dx、Dy與時間t的經驗關系式:

圖10 示蹤水流鋒面運移曲線

Dx=0.07lnt+0.08,R2=0.98;

(2)

Dy=-0.000 09t2+0.02t,R2=0.994 2。

(3)

因此,沿水平方向擴展的距離Dx與時間t符合對數關系,沿垂直方向擴展的距離Dy與時間t符合多項式關系。在水平方向,非飽水帶內的水主要在毛細力的作用下運移,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動,速度較快,且運移的范圍大于水平方向,新水推動老水不斷前進,可進一步得出非飽水帶水在介質中呈逐步推進式前進。

3 結論與展望

本研究通過砂箱試驗,針對河水滲漏補給地下水時含水介質飽水與非飽水兩種狀態,分析了河水下懸掛飽水帶的發育及非飽水帶水的運移特征等,得到如下主要結論。

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滲漏逐漸轉變為經非飽水帶滲漏,其表現為河水與地下水發生脫節。脫節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,至脫節時達到極大值;脫節后,河水滲漏量保持較為穩定的狀態。

3) 非飽水帶中靠近飽水的重力水區支持毛細水,一般不能自由流出,可在一定外力作用條件下被連續抽出,但遠離飽水帶的非飽水帶中的水不能被連續抽出。

4) 脫節情況下,河水深不同,非飽水帶負壓的分布形態不同。隨著河水深的減小,等值線分布形態逐漸由“連續型”向“斷開型”演變,非飽水帶負壓值在靠近飽水帶水面時較小。

5) 河水滲漏示蹤試驗結果說明,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生變化。在毛細力的作用下,地下水流還會出現上溯而行的趨勢。

6) 河水下由懸掛飽水帶到非飽水帶,均為地下水的徑流帶,且任何過水斷面的總徑流量均相等,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度減小。

由于河水與地下水之間的相互作用十分復雜,因此本次試驗也存在不足:試驗所采用的非飽水帶負壓值測量工具比較簡易,未能消除人為誤差對試驗結果的影響,還需要進一步改進;本研究對試驗結果只做了簡單描述與分析,需做進一步試驗驗證。