大沽河野外垂向人滲試驗研究

楊帆 武桂芝 馮增帥 黃明翔

摘要：選取季節(jié)性河流大沽河上、中、下游3處代表性河床作為野外垂向入滲試驗場地，每處分別做2組試驗，研究不同包氣帶水理及理化性質(zhì)下河道入滲能力。結(jié)果表明：河道入滲過程可分為快速入滲、緩速入滲與穩(wěn)定入滲階段，總歷時為1.3～2.Oh；不同河道包氣帶水理及理化性質(zhì)影響著河道入滲過程，同一試驗場地各組試驗相同深度沙層初始含水率越小則入滲速率越快，相同深度沙層初始含水率相近時，上、中、下游沙層水分入滲速率依次減小；當(dāng)同一試驗場地各組試驗沙樣每層初始含水率之和相近時，各層之間初始含水率差距越小，則達到穩(wěn)定入滲的時間越短；隨上、中、下游沙樣粒徑依次減小，其穩(wěn)定入滲率依次減小，約為0.0065、0.0041、0.0023cm/s。

關(guān)鍵詞：季節(jié)性河道；野外試驗；非飽和入滲；入滲速率；大沽河

中圖分類號：TV139.16

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.011

干旱或半干旱地區(qū)河流多為季節(jié)性河流，豐水期水量大，枯水期河道干枯或少水。大沽河發(fā)源于煙臺市阜山，流經(jīng)青島市萊西、平度、即墨、膠州、城陽等市（區(qū)），干流全長179.9km，流域總面積6131.3km2。大沽河流量、水位等水文特征隨季節(jié)更替變化明顯，夏秋季雨量豐沛，徑流量較大：冬春季降水較少，徑流量小或斷流，屬于季節(jié)性河流。大沽河屬于寬淺型沙質(zhì)河床，河床滲透能力較強，大部分河床經(jīng)常處于干涸無水狀態(tài)，汛期滲漏主要影響行洪流量和地下水補給量的大小。因此，研究大沽河河床滲漏規(guī)律對該流域的防洪預(yù)報和地下水資源綜合利用有重要意義。

近些年，諸多學(xué)者在季節(jié)性河道滲漏方面做了大量的研究工作。梁永平等4根據(jù)河水與地下水之間的水動力關(guān)系，通過含水層參數(shù)和當(dāng)?shù)厮贾脤嶋H情況，計算了河流滲漏量。馮創(chuàng)業(yè)等采用水量平衡原理計算了滹沱河河道的人滲能力，動水條件下河道人滲能力明顯大于靜水條件的。吉文平通過對河渠滲漏影響參數(shù)進行分析，得出將平均地下水埋深與河渠滲漏補給系數(shù)建立相關(guān)關(guān)系，從而推算河渠滲漏量的計算方法。I.Shentsis等用均衡法計算干旱地區(qū)河道洪水人滲補給量。利用上述方法計算滲漏能力經(jīng)驗性較強，缺乏觀測與試驗等，難以推廣與實際應(yīng)用。胡興林等通過河道斷面法對黑河上中游河段河道滲漏量進行了比測試驗，表明河床巖性構(gòu)成、河流平面幾何形態(tài)變化及人類活動等對河道滲漏量有顯著影響。楊文斌等采用土壤深度水量滲漏測試記錄儀對庫姆塔格沙漠地區(qū)多壩溝季節(jié)性河道1.5m深處的水分滲漏過程進行了監(jiān)測與人T模擬試驗，初步實現(xiàn)了河道滲漏速率的動態(tài)監(jiān)測，基本摸清了該河道的滲漏速率及特征。受季節(jié)性河道包氣帶水理特性等因素影響，比測試驗與滲漏測試記錄儀方法在測量時會有較大誤差。K.W.Blasch研究了季節(jié)性河道非飽和階段的非穩(wěn)定人滲在整個人滲過程中所占的比重和影口向。S.Villeneuve等研究了季節(jié)性河流河道沉積物相關(guān)因素對含水層滲漏量的影響，下游水流減少量與河道沉積物中的孔隙體積成正比。

武桂芝等已進行了大沽河河道沙樣的水理特性及相關(guān)試驗（如水分特征曲線的測定、室內(nèi)垂向沙柱、側(cè)向沙槽人滲），為本野外試驗的開展奠定了基礎(chǔ)。筆者利用自制的雙環(huán)垂向人滲裝置，通過水分傳感器現(xiàn)場測定，獲得各試驗點不同深度的動態(tài)人滲過程，進一步研究季節(jié)性河道的人滲規(guī)律，以期為建立季節(jié)性河道滲漏影響的洪水演進數(shù)學(xué)模型以及進行河道滲漏數(shù)值模擬計算提供科學(xué)依據(jù)。

1 野外垂向人滲試驗

1.1 試驗場地選擇

大沽河上、中、下游河床的沙質(zhì)不同，由粗到細變化，造成地表水的滲漏補給規(guī)律存在一定差異。在野外實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素（河道特點、地下水位、沙樣質(zhì)地、取水難易程度等），分別選取2016年5月枯水期大潔河上、中、下游代表性試驗場地：上游河段萊西市孫受鎮(zhèn)馬家會村（北緯36°47'06''、東經(jīng)120°25'08''），中游河段即墨市移風(fēng)店鎮(zhèn)馬軍寨村（北緯36°30'34''、東經(jīng)120°17'34''）、下游河段膠州市李哥莊鎮(zhèn)賈疃村（北緯36°26'02''、東經(jīng)120°07'38''）。試驗前期，分別在現(xiàn)場采集沙樣，在室內(nèi)測定試驗場沙樣的理化及水理性質(zhì)（孔隙度、中值粒徑、干容重、初始含水率、滲透系數(shù)等）見表1。

1.2 試驗裝置

試驗設(shè)備主要包括改進的雙環(huán)人滲過程可視化裝置（見圖1）、SMAWS016土壤水分傳感器、數(shù)據(jù)采集器、供水桶、有機玻璃板、角鋼架等。

1.3 試驗方法

（1）試驗點選擇。選擇地勢平坦、沙質(zhì)均勻、距取水點較近、河床表層植被較少、試驗點面積約為I.5m2（1400 mmxl050mm）的地塊，去除表層雜草，消除植物根系對包氣帶水分人滲試驗的影響。

（2）放置雙環(huán)人滲裝置，將改進的雙環(huán)有刀鋒一面扣在地面上，雙環(huán)頂面放置墊木，用鐵錘輕輕敲打，盡量避免擾動表層，使人滲裝置均勻深入地面200mm。在內(nèi)外滲流槽中平鋪細鐵絲網(wǎng)，與滲流槽底面緊貼，以減緩水流對地表的沖刷。

（3）挖掘觀察槽，放置傳感器。在改進的雙環(huán)人滲裝置滲流槽水平一側(cè)挖觀察槽（1200 mmx800mmX1000mm），觀察面為垂直剖面。按照試驗方案確定水分傳感器安裝位置，垂直剖面上傳感器相互錯開安放，橫向投影距離相隔100mm，水分傳感器安裝位置依次距地面200、300、400、500、600、700、800、900 mm，試驗裝置見圖2。用自制挖土器緩緩?fù)谌?00mm深度沙洞，將傳感器放進沙洞，用木錘配合墊木緩慢敲進沙層中，用原沙回填，均勻夯實水分傳感器沙洞。為觀察濕潤鋒的運移情況和防止人滲試驗時沙層坍塌，用5mm厚有機玻璃板護壁（滲流槽一側(cè)）。為防止試驗中水流沿玻璃板最短路徑人滲，在有機玻璃與雙環(huán)裝置接觸處用凡士林密封，并用角鋼架支護。裝置放置完畢，將水分傳感器與采集器連接并通電，待水分傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄其初始讀數(shù)，作為沙質(zhì)初始含水率。

（4）注水，滲流槽調(diào)平。將主、副滲流槽沿內(nèi)側(cè)全部鋪上塑料布，用水泵抽吸河水加滿3個供水桶。將2個供水桶放置在滲流槽對角線處為主滲流槽供水，另1個供水桶為副滲流槽供水。開啟止水閥，將主、副滲流槽水位加至IOOmm處，觀察主、副滲流槽水位是否相平，調(diào)整主、副滲流槽成水平放置。

（5）記錄數(shù)據(jù)。快速抽出主、副滲流槽塑料布，記為0時，滲流試驗開始，同時打開供水桶排水閥，使試驗過程中主、副滲流槽水位保持100mm不變。鑒于初始人滲速率很大，先以30s為記錄水位讀數(shù)時間間隔，隨著時間延長，改為每1min記錄一次兩個主滲流槽供水桶水位變化的讀數(shù)。副滲流槽是為使主滲流槽的水不發(fā)生側(cè)滲而設(shè)，其水位變化不用計數(shù)。從人滲試驗開始，采集器自動記錄土壤水分傳感器的讀數(shù)變化。

（6）數(shù)據(jù)處理。待土壤水分傳感器讀數(shù)較長時間基本不變時停止供水，試驗結(jié)束。主滲流槽供水桶水位隨時間變化的下降差，即為主滲流槽隨時間變化的人滲量，再除以人滲面積即可計算出隨時間變化的人滲速率。對現(xiàn)場記錄的各種數(shù)據(jù)進行整理。每個野外試驗點試驗歷時為1.3～2.0h。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 體積含水率

經(jīng)過15d時間，完成野外6組定水頭垂向人滲試驗（上、中、下游試驗各2組）。選擇具有代表性的1～6號水分傳感器（見圖2（c）），以體積含水率為縱軸，人滲時間為橫軸，繪制各深度體積含水率隨時間變化的曲線（見圖3）。

上游兩組試驗點表層初始體積含水率分別為4.6%和2.1%，人滲水流到達1號水分傳感器的時間分別為6min和5min；中游兩組試驗點表層初始體積含水率分別為1.8%和2.6%，人滲水流到達1號水分傳感器的時間分別為9min和IOmin；下游兩組試驗點表層初始體積含水率分別為4.5%和2.3%，人滲水流到達1號水分傳感器的時間分別為13min和15min。可知，同一試驗場地初始含水率越小，人滲速率越快，人滲水流到達傳感器的時間越短。上、中、下游第2組各試驗點表層初始含水率相近，試驗沙樣粒徑依次減小，水分在上、中、下游沙層中運移時間依次延長，表明上游人滲速率最快，其次是中游，下游最慢。

由圖3可知，隨著深度的增大初始體積含水率依次增大，但是中游第1組試驗中4號傳感器含水率大于5號、6號的，下游第2組試驗中4號傳感器含水率大于5號的，原因可能是試驗前有降雨出現(xiàn)，雨水未達深層，天氣轉(zhuǎn)晴表層土壤經(jīng)過蒸發(fā)，導(dǎo)致下層含水率小于中層含水率。

由圖3可知，各層的人滲速率從上層到下層依次減慢，達到飽和體積含水率的時間依次增大。野外試驗影響因素較多，如各試驗點的土壤結(jié)構(gòu)、沙樣質(zhì)地、顆粒級配以及優(yōu)先流等，造成個別沙層體積含水率較上層體積含水率大，如中游與下游的第2組4號傳感器沙層。隨著試驗場地深度增加，沙層的密實度增大，沙層孔隙度減小，試驗點各層飽和體積含水率隨深度增加依次減小。

2.2 入滲速率

入滲速率是單位時間通過單位面積土壤的水量。將供水桶單位時間液面高度的變化值記為單位時間入滲量，除以主滲流槽橫截面面積（即垂向入滲面積），即為入滲速率。以入滲速率為縱坐標，以時間為橫坐標，繪制入滲速率隨時間變化曲線，見圖4。

由圖4可知，上、中、下游河床垂向入滲速率隨時間變化趨勢一致。入滲初期，河床初始含水率較小，入滲速率較快，隨著沙層體積含水率增大，入滲速率逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定，可以概括為入滲速率快速下降期、緩速下降期、穩(wěn)速入滲期3個階段。

野外試驗河床各沙層初始含水率不同，上游第1組初始體積含水率由表層到底層依次為4.6%、5.6%、8.2%、9.3%、II.5%和12.8%，上游第2組初始體積含水率由表層到底層依次為2.10_10、4.7%、8.4%、10.7%、12.4%和14.9%。上游第1組各層之間初始含水率相對于第2組各層之間初始含水率變化幅度較小，且上游第1組各層初始含水率之和與第2組各層初始含水率之和相近，上游第1組最后達到穩(wěn)定入滲速率的時間較第2組的短。同理，對于中游和下游試驗各層之間初始含水率變化幅度小，且各層初始含水率相近的試驗點達到穩(wěn)定入滲速率的時間較短，原因是體積含水率變化較小的非飽和層比含水率變化較大的非飽和層有較多的孔隙，達到穩(wěn)定入滲速率用時較短。

上、中、下游沙樣中值粒徑分別為0.94、0.81、0.57mm，上游第1組和第2組的穩(wěn)定入滲速率分別為0.0066cm/s和0.0064cm/s，中游第1組和第2組的穩(wěn)定入滲速率分別為0.0041cm/s和0.0040cm/s，下游第1組和第2組的穩(wěn)定入滲速率分別為0.0024c：m/s和0.0022cm/s。可知，隨著上、中、下游沙樣粒徑依次減小，上游河床穩(wěn)定入滲速率大于中游的，中游河床穩(wěn)定入滲速率大于下游的。

3 結(jié)論

（1）選擇代表性試驗場地和試驗點，研制了改進的雙環(huán)入滲試驗裝置，進行了野外垂向入滲試驗。結(jié)果表明：河床入滲過程可分為快速入滲、緩速入滲與穩(wěn)定入滲階段，總歷時為1.3～2.0h：上游穩(wěn)定入滲速率平均值為0.0065cm/s，中游穩(wěn)定入滲速率平均值為0.0041cm/s，下游穩(wěn)定入滲速率平均值為0.0023cm/s。

（2）不同試驗場地各組試驗，隨著上、中、下游沙樣粒徑依次減小，其穩(wěn)定入滲率也依次減小。

（3）同一試驗場地各組試驗，相同深度的初始含水率越小，入滲速率越快，入滲水流到達傳感器的時間越短。

（4）同一試驗場地各組試驗，隨著深度增大，含水率依次減小且達到飽和的時間變長：相同深度沙層初始含水率相近時，上、中、下游河沙入滲速率依次減小。

（5）同一試驗場地各組試驗，沙樣各層初始含水率之和相近且各層之間初始含水率差距越小，達到穩(wěn)定入滲的時間越短。