基于雙環(huán)滲水試驗(yàn)的包氣帶垂向滲透系數(shù)研究

孟凡星，孫建軍 (合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

1 引言

在研究大氣降水、灌溉水、渠水、暫時(shí)性表流等對(duì)地下水的補(bǔ)給能力時(shí)，經(jīng)常需要測(cè)定包氣帶介質(zhì)的垂向滲透性能[1]。目前國內(nèi)缺少針對(duì)不同地表巖性、不同土地利用類型等條件下土壤包氣帶介質(zhì)性質(zhì)研究，部分點(diǎn)開展了相關(guān)試驗(yàn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏可對(duì)比性，且不足以用于土壤包氣帶滲透系數(shù)的研究。

王晶晶等[2]認(rèn)為雙環(huán)法滲水試驗(yàn)是獲取包氣帶介質(zhì)滲透系數(shù)較精確有效的方法，滲水過程符合實(shí)際情況。本文考慮了巖性、土地利用類型等影響因素的前提下，在地表巖性為松散巖類（淮南、六安、太和、宿州、亳州）、碳酸鹽巖（淮北）的地區(qū)分別開展了不同土地利用類型（建筑用地、農(nóng)業(yè)用地）的雙環(huán)滲水試驗(yàn)；利用滲透試驗(yàn)所獲得的滲透系數(shù)，為研究淮河流域土壤包氣帶垂向入滲系數(shù)提供了基礎(chǔ)資料，具有重要的工程和理論意義。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要為安徽省內(nèi)淮河干流以北的平原區(qū)，研究區(qū)范圍位于：東經(jīng)114°50′～118°10′，北緯32°20′～34°40′之間。地處淮北平原中部，地貌要素的差異較大，西北黃河故道地勢(shì)略高，中部有相山丘陵，其余大部分為平原洼地見圖1所示。

圖1 研究區(qū)地貌圖

研究區(qū)屬北亞熱帶至暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，是我國南北氣候過渡地帶。主要特點(diǎn)是夏熱多雨，冬寒晴燥，春干秋旱，冷暖旱澇轉(zhuǎn)變較快。年降水量多在600 mm～1400mm，空間上降水量由南向北遞減。降雨量的年際，年內(nèi)分布極不均勻，差異較大。汛期(6月～8月)降水占全年降水的50%～70%。研究區(qū)湖泊、洼地眾多，較大的湖泊有華家湖、老汪湖、沱湖、香澗湖、四方湖、天河、焦崗湖、花家湖、八里湖等。

淮河流域(安徽段)大地構(gòu)造位于中朝淮地臺(tái)的淮河臺(tái)坳范圍，僅西南角屬江淮臺(tái)隆。其基底由上太古界五河群、霍邱群及下元古界風(fēng)陽群變質(zhì)巖系組成。風(fēng)陽運(yùn)動(dòng)，地殼隆起，中元古界缺失。本區(qū)除東北部孤山丘陵有零星巖體出露外，均為土體所覆蓋。30m深度內(nèi)土體主要為粘性土(包括粘土、粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土)和砂性土(主要為粉砂、細(xì)砂)組成，多為雙層或多層結(jié)構(gòu)類型，且多上覆粘性土，工程地質(zhì)條件一般尚好，但其間局部地段有特殊土，如淤泥質(zhì)土、鹽漬土，需加注意。出露在孤山丘陵的巖體主要為上元古界─下古生界碳酸鹽巖建造與碎屑巖建造。其工程地質(zhì)條件一般良好，但碳酸鹽巖建造局部巖溶發(fā)育，對(duì)地下水形成有利，對(duì)地基則存在著嚴(yán)重隱患。研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)見圖2所示。

圖2 淮河流域安徽段區(qū)域地質(zhì)圖

3 野外雙環(huán)滲水試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用雙環(huán)滲水試驗(yàn)法，原因在于排除了側(cè)向滲透的影響，提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度。雙環(huán)滲水試驗(yàn)法具體試驗(yàn)步驟：

先除去表土，在水文地質(zhì)邊界內(nèi)挖一基坑，然后在地表嵌入高50cm、內(nèi)徑20cm，底面積為314cm2的鐵環(huán)，且鐵環(huán)須壓入土層5cm以上[2]；如果沿鐵環(huán)底部向外漏水，但是土質(zhì)過于堅(jiān)硬，而不易繼續(xù)壓入鐵環(huán)時(shí)，需在鐵環(huán)底部外沿做止水處理。為減小側(cè)向滲透對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，以同心軸的方式埋置一直徑50cm的大環(huán)于小環(huán)外，而且要確保大環(huán)高度與小環(huán)高度相同；

注水水源以秒表計(jì)時(shí)，人工量筒定量加注的方式。定水頭注水時(shí)，控制環(huán)底水面高度，一般控制在10cm以內(nèi)，實(shí)際試驗(yàn)中環(huán)底水面高度為8 cm～10cm，水面高度包括環(huán)底鋪礫厚度在內(nèi)，并且保證大環(huán)和小環(huán)水面高度相同[3]；

試驗(yàn)開始時(shí)，向環(huán)內(nèi)注水并始終保持其水深為10cm不變，并記錄注水量，初始階段由于表土較干燥，滲水量變化較大，適當(dāng)加密觀測(cè)次數(shù)。當(dāng)注入水量穩(wěn)定2h后，試驗(yàn)即告結(jié)束。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為滲入流量Q呈隨機(jī)波動(dòng)變化且變幅<5%[4]。最后按穩(wěn)定時(shí)的水量計(jì)算表土的垂向滲透系數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 雙環(huán)滲水試驗(yàn)裝置示意圖

3.2 試驗(yàn)原理

雙環(huán)滲水試驗(yàn)主要是利用內(nèi)環(huán)滲水模擬垂向一維滲流來求取垂向滲透系數(shù)，外環(huán)排除了側(cè)向滲透的影響。當(dāng)試驗(yàn)滲水量趨于穩(wěn)定之后，可以較好地利用達(dá)西定律原理計(jì)算滲透系數(shù)[5]：

式中：k—試驗(yàn)土層的滲透系數(shù)（m/d）；

Q—內(nèi)環(huán)穩(wěn)定滲入水量（m3/d）；

l—試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水的滲入深度（m）；

Z—試坑（內(nèi)環(huán)）中水柱高度（m）；

HK—毛細(xì)壓力水頭（m）；F—試坑（內(nèi)環(huán)）注水面積（m2）。

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

3.3.1 定水頭注水，觀察記錄

以環(huán)底水標(biāo)尺為準(zhǔn)，保持定水頭注水。同時(shí)用量筒觀測(cè)注入水量，記錄的時(shí)間間隔一般開始為1min、3min、5min，最后為10min、20min、30min[4]。

3.3.2 滲水量穩(wěn)定，完成試驗(yàn)

試驗(yàn)記錄的過程中，描繪滲水量—時(shí)間（v-t）曲線，待曲線保持在較小的區(qū)間穩(wěn)定擺動(dòng)時(shí)，再延續(xù)2h～3h，即結(jié)束試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

為了避免隨機(jī)因素形成的誤差，一般在同一地段，重復(fù)開展2～3組實(shí)驗(yàn)。以淮北烈山區(qū)數(shù)據(jù)整理為例，各點(diǎn)滲水試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，滲透系數(shù)隨時(shí)間變化曲線見圖5所示。

滲水試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 表1

圖4 雙環(huán)滲水試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖5 滲透系數(shù)—時(shí)間（k-t）曲線

由圖5、表1可以看出，兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，淮北市烈山區(qū)包氣帶垂向滲透系數(shù)為1.46×10-6cm/s～4.53×10-6cm/s。

4 結(jié)果與分析

本次項(xiàng)目組在淮河流域不同地表巖性、不同土地利用類型地區(qū)做了共6組45個(gè)雙環(huán)滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)點(diǎn)分布見圖6所示。

圖6 雙環(huán)滲水試驗(yàn)點(diǎn)位分布

各地段雙環(huán)滲水試驗(yàn)點(diǎn)位信息及結(jié)果見表2所示。

雙環(huán)滲水試驗(yàn)成果綜合表 表2

由多因素雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果分析表見表3所示，在淮河流域松散巖類地區(qū)，地表巖性為粉土的農(nóng)業(yè)用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為5.56×10-5cm/s～2.89×10-4cm/s；地表巖性為粉土的建筑用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為2.31×10-5cm/s～1.18×10-3cm/s；地表巖性為粉質(zhì)粘土的農(nóng)業(yè)用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為4.90×10-6cm/s～5.33×10-6cm/s；地表巖性為粉質(zhì)粘土的建筑用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為3.82×10-6cm/s～5.26×10-6cm/s。

多因素雙環(huán)滲水試驗(yàn)結(jié)果分析表 表3

在淮河流域碳酸巖類地區(qū)，地表巖性為粘質(zhì)粉土的農(nóng)業(yè)用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為4.16×10-4cm/s～4.81×10-4cm/s；地表巖性為粘質(zhì)粉土的建筑用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為5.01×10-4cm/s；地表巖性為細(xì)砂土的農(nóng)業(yè)用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為3.37×10-5cm/s～2.35×10-4cm/s；地表巖性為細(xì)砂土的建筑用地，包氣帶垂向滲透系數(shù)為2.18×10-4cm/s。

依據(jù)工作區(qū)以往工作經(jīng)驗(yàn)及本次項(xiàng)目組取得成果，淮河流域（安徽段）垂向滲透系數(shù)分區(qū)見圖7所示，工作區(qū)內(nèi)垂向滲透系數(shù)主要分為六級(jí)。

圖7 淮河流域（安徽段）垂向滲透系數(shù)分區(qū)圖

①0～0.1m/d該區(qū)面積比較大，其主要分布在太和北部、淮南市區(qū)、六安市霍邱、蚌埠市區(qū)、靈璧、泗縣、利辛、潁上、淮北市區(qū)等地，巖性主要為松散巖類，所占小部分淮北地區(qū)為碳酸鹽類，表土主要為粉土。

②0.1m/d～0.2m/d主要分布于太和東部小部分區(qū)域、淮南大通區(qū)、蒙城、固鎮(zhèn)、懷遠(yuǎn)，巖性主要為松散巖類，表土主要為粉土。

③0.2m/d～0.5m/d該區(qū)主要分布在濉溪、宿州埇橋區(qū)、靈璧西北部、鳳陽、五河一帶，巖性包括松散巖類和碳酸鹽類，表土主要為粉土、小部分黃土及細(xì)砂。

④0.5m/d～1m/d該區(qū)主要分布在阜陽市區(qū)、界首、臨泉、阜南、亳州譙城區(qū)、渦陽北部等，巖性主要為松散巖類，表土主要為粉砂。

⑤1m/d～2m/d該區(qū)主要分布在碭山南部等，巖性主要為松散巖類，表土主要為細(xì)砂。

⑥2m/d～5m/d該區(qū)主要分布在渦陽、碭山南部、蕭縣等，巖性主要為松散巖類，表土主要為細(xì)砂。

5 結(jié)語

①雙環(huán)滲水試驗(yàn)是在野外測(cè)定包氣帶滲透系數(shù)的常用方法，其操作簡(jiǎn)便、可行性強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果貼近實(shí)際情況，對(duì)于研究工作區(qū)土壤滲透能力具有很好的實(shí)用性。

②本項(xiàng)目在考慮巖性、土地利用類型等影響因素的前提下，項(xiàng)目組在地表巖性為松散巖類（淮南、六安、太和、宿州、亳州）、碳酸鹽巖（淮北）的地區(qū)開展了不同土地利用類型（建筑用地、農(nóng)業(yè)用地）的雙環(huán)滲水試驗(yàn)，初步得到了上述地區(qū)的滲透系數(shù)范圍值。這為研究淮河流域土壤包氣帶垂向入滲系數(shù)提供了基礎(chǔ)資料，也為其他地區(qū)土壤包氣帶垂向滲透系數(shù)試驗(yàn)研究提供了實(shí)例。