砂穴式入滲初步試驗研究

劉繼朝 高業新 馮欣 張冰 張英平 張亞哲

摘要：以雙重介質滲流理論為基礎，借鑒復合地基施工技術，選取沖積砂、河砂等作為試驗填充材料，在粉砂、中砂地層中開展砂穴式入滲試驗，研究了砂穴這一入滲方式的入滲效率。結果表明：分選好的多孔介質更適宜作為砂穴填料；河砂作為填料比沖積砂入滲效果更好；入滲效率受受水介質影響明顯。在不同巖性中利用穴式入滲，入滲效率明顯不同。中砂地層的入滲效率是粉砂地層的76倍，是粉砂地表入滲的481倍。在同一巖性中利用不同的入滲方式，其入滲效率有很大差距。在粉砂地層中利用穴式入滲，其入滲效率是粉砂地表的63倍。

砂穴式入滲是一種可以加快入滲速率可操控性的技術方法，它將促進滲流理論轉化為減輕雨洪災害的技術形成生產力服務于城市（或者山區）洪澇減災，提高水資源的有效利用水平，促進水循環體系自我恢復和良性發展。

關鍵詞：包氣帶；砂穴式入滲；受水介質；入滲效率；入滲速率

中圖分類號：TU992 文獻標志碼：A 文章編號：

16721683（2018）05019307

A primary tentative study on sand hole infiltration

LIU Jichao，GAO Yexin，FENG Xin，ZHANG Bing，ZHANG Yingping，ZHANG Yazhe

（

Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang 050061，China）

Abstract：

According to the double porosity media flow theory and the construction technology of composite foundation，with alluvial sand and river sand as experimental padding，we carried out a sand hole infiltration test in the silt and medium sand strata，and studied the efficiency of sand hole infiltration.The results showed that the separated porous media was more suitable for filling sand holes.River sand was more effective as padding than alluvial sand.Infiltration efficiency was obviously affected by aqueous medium.Using sand hole infiltration for different lithological characteristics showed obviously different infiltration efficiency.The infiltration efficiency of medium sand stratum was 76 times of that of the silt stratum and 481 times of that of the silt surface.Using different infiltration modes for the same lithological characteristic also showed very different infiltration efficiency.The infiltration efficiency of silt stratum was 63 times of that of the silt surface.Sand hole infiltration is a manageable technical method which can speed up the infiltration rate.It will promote the conversion of the percolation theory into technologies for alleviating flood disasters in urban or mountainous areas.It will enhance the effective utilization of water resources，and promote the selfrecovery and healthy development of water cycle system.

Key words：

vadose zone；sand hole infiltration；aqueous medium；infiltration efficiency；infiltration rate

隨著城市發展，不透水面積擴大，人工附加徑流量增大，導致洪峰流量超越了排水渠泄洪能力調節極限，城市排水設施無法增加泄洪能力，排水受阻，引起了一系列的水文效應，誘發了城市雨洪災害等環境問題[1]。土地利用/土地覆蓋（被）變化（LUCC）誘發水環境效應引起了人們的高度關注，入滲研究成為當前水文學、土壤學等領域研究的熱點問題之一[2]。為應對入滲途徑受阻帶來的一系列水環境問題，科研工作者開展了大量的研究工作，取得了豐碩的成果。在研究方法方面，除最早應用于描述土壤中動物活動所形成的孔洞方面的染色劑示蹤技術[3]、土壤含水量TDR監測技術[4]等常規手段外，利用CT掃描技術可以在不擾動土壤的前提下獲得土體孔隙的三維結構[5]以及對土壤中的團聚體結構、粒徑組成等進行探究[6]；另外，核磁共振技術[7]、探地雷達（GPR）技術[8]等也成為了土壤優勢流入滲研究的得力助手。在基礎研究方面，研究結果表明：表層土疏松多孔，利于水向更深層次入滲，大孔隙能使水分在土壤中以較快的速度運移，加快水分在土中的傳導[9]；在孔隙直徑相差較大的界面上大孔隙流和基質流是包氣帶滲流的主要形式[10]；松散沉積物組成的包氣帶有儲水性和滯水性，上層滯水只有在降雨量或者雨強較大時才會產生[11]，在包氣帶中沿不同透水性土層界面流動的水流峰值往往滯后于降雨徑流主峰[12]；穩定滲透速率隨著失穩性團粒含量的增加而減小，表層土失穩性團粒層狀聚集封堵土壤水分入滲的通道，可使入滲能力急劇衰減[13]，表層土團聚體遭到破壞，失穩的顆粒填充了土體的孔隙，表層土被壓實造成的入滲的影響大大超過其它因素的影響，其減少入滲量可達80%左右[14]。快速滲濾取得了良好的發展，如：張子元等[15]闡述了人工快速滲濾系統（CRI）對主要污染元素氮、磷、有機物的主要去除機理和去除過程，以及凈化過程中的限制因素；董瑞海等[16]研究認為地下滲濾系統具有氮、磷去除能力強、可降解病原體等優點。改進的快速滲濾系統，處理效率高，而且對水體各種污染物的去除率均較高，可以對污水進行適當處理，達到目標用途的水質標準，避免了水體的污染，使之成為多種用途的水資源，能在很大程度上緩解我國水資源的緊缺狀況[17]，已在污水處理生產中得以推廣應用。

在城市雨洪問題專項研究方面：唐雙成等[18]研究了城市化對區域水環境的不利影響；邢薇等[19]研究了針對可持續城市雨水系統的科學動態評估方法；王文亮等[20]探討了城市低影響開發雨水控制利用系統的設計標準及設施規模計算方法；彭秋偉等[21]研究了不同LID措施實施后對城市排澇模數的定量影響；車伍等[22]研究認為在城市雨水排放系統中建造雨水多功能調蓄設施既可以減少雨水資源的流失，又可以緩解城市水澇；黃俊杰等[23]研究了植草溝對道路降雨徑流的水文控制效果；趙兵兵等[24]研究了土地利用方式的改變對徑流污染負荷輸出的影響，提出控制屋面徑流和路面徑流污染的低影響開發（LID） 技術措施；孫艷偉等[25]通過 SWMM 軟件建立模型，對不同重現期降水的典型 LID 措施截流池、入滲帶、透水性路面和生物滯留池進行了模擬研究；深圳市光明新區在全國率先創建了低影響開發雨水綜合利用示范區[26]。雨洪合理開發利用技術研究正在作為解決城市缺水和防洪問題的一項重要措施[27]成為研究焦點。

前人的研究工作在入滲過程探查的技術方法、入滲影響因子、水質控制及城市雨洪專項研究等方面取得了豐碩成果，但由于對人工速滲通道構建技術研究偏少，仍未能針對面狀水源補給地下水過程中存在的“肚大口小、能容難進”[28]問題，

也就是說，地下儲水空間大，但上覆土層滲透性小，地表水不能及時進入地下空間，

給出可操控性技術方法。國家對城市雨水的管理從傳統“快排式”管理轉變為海綿城市建設的科學管理模式[29]，出臺了《海綿城市建設技術指南》《關于推進海綿城市建設的指導意見》，提出將70%的降雨就地消納和利用的建設目標，但承擔著增強城市防澇能力重任的30個試點海綿城市中仍然有19個城市發生了內澇[30]。為了管理汛期多余水量，以備枯水期之用，就需要制定合理的水量調控措施[31]。發展具有占地少、施工方便、入滲速度快、攔蓄量大、可零星分布等特征的城市雨水就地快速攔蓄理論技術方法，解決“城市看海”問題、確保城市秀美，成為新時代對水文地質學科發展的呼喚。

本次試驗研究工作，從地層蓄水處著眼，以大孔隙優先流理論為指導，從構建雨水快速入滲通道著手，用提高入滲速率的方法解決城市用地受限問題，實現雨水快速入滲。通過砂穴填料滲透性優選試驗、砂穴入滲效率試驗，確立砂穴填料原則、測試入滲速率、分析應用前景，形成城市雨水快速入滲技術方法，為劃分集水區、構建擇地而入的城市雨水就地攔蓄管理模式打下基礎，實現自然界水循環與人類城市建設的和諧相處。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區為第四紀沖洪積平原，水位埋深45 m左右。根據試驗區地層巖性特征劃分為粉砂試驗場和中砂試驗場。粉砂試驗場巖性結構自上而下為：0～20 cm是以粉土為主的填土；20～90 cm為近粉土的粉砂，其基本特征為粒徑大于0075 mm的顆粒占總質量的531%，粒徑小于0075 mm的顆粒占總質量的469%，滲透系數073 m/d，底部無上層滯水；其下為粉質黏土。中砂試驗場巖性結構自上而下為：0～20 cm是以粉土為主的填土；其下為厚度大于2 m的中砂層，其基本特征為粒徑大于025 mm的顆粒占總質量的526%，粒徑0075～025 mm的顆粒占總質量的283%，粒徑小于0075 mm的顆粒占總質量的191%，滲透系數86 m/d。

1.2 試驗材料

主要使用四種材料。分別為沖積砂、河砂、濾料質石英砂和水洗沖積砂，詳見表1。

1.3 試驗設計

試驗分兩組進行，第一組為砂穴填料滲透性優選試驗，第二組為砂穴入滲效率試驗。試驗現場情況見圖1。

第一組包括4個試驗，分別是：填料為沖積砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（M1）、填料為水洗沖積砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（M2）、填料為河砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（M3）和作為對照的粉砂地層入滲試驗（M4）。

第二組包括3個試驗，分別是：填料為濾料質石英砂的中砂層砂穴式入滲試驗（V1）、填料為濾料質石英砂的粉砂層砂穴式入滲試驗（V2）和作為對照的粉砂層入滲試驗（V3）。

試驗操作方法主要借鑒自樁基施工的洛陽鏟挖孔法。此方法在切土、取土過程中對周圍土體擾動小，易于保持孔壁穩定，且可避免振動和噪音，能在極狹窄的場地和空間內作業，可大量節約能源，環保且造價低、工期短、質量可靠、適用范圍大。

施工時，清除上部雜填土。用洛陽鏟打直徑10 cm、深50 cm的孔，分別填入沖積砂、水洗沖積砂、河砂。填料不做壓實處理，以防破壞孔壁孔隙，影響入滲速率。設置孔口護管以防孔口破壞并方便控制定水頭供水。直接在粉砂表面設置直徑10 cm的滲水試驗環進行入滲試驗作為對照。試驗均采用馬氏瓶定水頭供水，控制水面高出粉砂表面5 cm。以自來水作為水源、清水入滲。各試驗間保持較大的間距避免干擾。及時記錄入滲水量歷時變化。

2 結果與分析

2.1 填充介質選取分析

土的粒度組合、空間結構等特征是影響滲透性的主要因子。在試驗中，為避免砂穴填充介質壓實過程對砂穴孔壁產生擠密效應影響其滲透性，對砂穴填入的多孔介質不做壓實處理，僅依靠水分入滲過程中的飽水自重壓密作用重建其穩定結構，故存在砂穴充填介質中的顆粒失穩再平衡問題。土壤顆粒的大小決定了土壤孔隙的大小、多少以及分布位置，進而影響入滲速率。

圖2為砂穴中填充的不同介質入滲過程歷時曲線。該圖顯示：（1）對照組（M4）穩定入滲速率最小且入滲速率變化不大，砂穴中填充的未經處理的沖積砂（M1）穩定入滲速率小于經過處理的沖積砂（M2）的穩定入滲速率且遠遠小于河砂（M3）的穩定入滲速率。（2）M1、M2的前期入滲速率衰減較快，在歷時60 min左右出現速率拐點，它們的入滲速率分別由初期的020 L/min、030 L/min衰減至005 L/min、007 L/min，穩定速率僅為初期入滲速率的025和023；M3的入滲速率由初期的040 L/min衰減至024 L/min，穩定速率為初期入滲速率的060。分析認為：調節砂穴充填介質中的細粒含量可以有效影響其滲透性。M1、M2入滲速率受結構重建影響較大，粗粒河砂受影響相對較小。沖積砂穩定后的入滲速率與相應的地表入滲相近，起不到加速入滲的效果。水洗后的沖積砂介質作為填料穩定入滲速率是地表入滲速率的175倍，也不宜作為充填介質。河砂由于其分選好，主要由水穩性顆粒組成，含黏粒少，入滲速率受飽水壓密及失穩等因素影響小，穩定入滲速率達到地表入滲的近6倍，可以作為填料類型的選取對象。

試驗砂穴的開挖結果表明：黏粒失穩平衡后主要集中分布在孔的底部；砂性細粒在上部產生局部聚集，形成堵塞。這是由于起始時砂穴松散、孔隙較大飽水鋒面攜帶細粒土向下運移，隨著深度增加攜帶物在飽水鋒面越聚越多，導致砂性顆粒形成了局部堵塞，而黏粒由于個體較小以懸浮狀態隨水運移，最終沉積在底部。

綜合分析認為，在選擇填充介質時宜選用粒度均勻的，以保障所填的多孔介質在飽水自重壓實條件下失穩重建后的結構不產生較大的局部堵塞而影響入滲速率；鑒于黏粒主要聚集于底部，現實中又不可能完全以清水入滲，因此在設計砂穴時宜預留沉定空間。

2.2 單穴入滲效率對比分析

不同入滲方式下水分累積入滲量隨時間的變化關系見圖3。圖3顯示，試驗時段內的水分累積入滲量為：V1>V2>V3。V2、V3的受水介質相同，而試驗中V2水分累積入滲量是V3水分累積入滲量的6倍以上，說明砂穴式入滲提高入滲效果顯著。V1、V2的砂穴充填介質相同，而試驗中V1水分累積入滲量是V2水分累積入滲量的7倍以上，說明受水介質的性質在砂穴式入滲中依然對入滲量起著控制性作用，也證明了V2試驗中人工充填多孔介質（1～3 mm濾料質石英砂）對于周圍的粉砂供水充分，即是一種充分供水試驗。分析認為，水分不飽和的土體，意味著土體傾向于吸收水分，當外界向土體輸入水分，則水分將受到基質勢、滲透勢與重力勢的層層約束，并在土壤孔道里逐漸入浸，沿著水勢梯度差的方向浸潤擴展，直至整體水勢均衡為止。一般情況下，土壤水不存在壓力勢。而對于砂穴式入滲，水在人工砂穴中的傳導符合大孔隙優勢流運移理論，它不但造成大孔隙優勢流使得水可以快速向深部傳遞使砂穴達到飽和狀態、水土接觸面積增大，而且由于砂穴飽和后連續存在自由水體產生壓力勢與重力勢，與地面入滲相比砂穴式入滲成為一種有壓入滲，從而入滲速率相對較快。

2.3 砂穴式入滲應用前景分析

包氣帶是良好的儲水空間，粉土、砂性土的滲透性都能成為蓄水層。據給水度經驗值估算，近地表粉土、粉砂、細砂蓄水能力分別約為其體積的10%、15%、20%，也就是說2 m左右的地層進行處理后足可以容納200 mm降雨量。但是長期以來受制于入滲速率慢，入滲面積不斷減少，包氣帶儲水空間不能很好的發揮作用。

根據圖2，砂穴入滲效率試驗數據線性回歸分析結果（表2）表明：入滲量與時間是線性關系，入滲量隨著時間的增加而增加；擬合度近似于1，說明時間與入滲量關系密切，趨勢線可靠。在趨勢線公式中斜率也就是入滲速率，在試驗約束條件不，分析對比趨勢線斜率可知：V1的入滲速率是V2入滲速率的76倍，是V3入滲速率的481倍；V2入滲速率是V3入滲速率的63倍。這說明，砂穴式入滲是一種可以提高入滲速率的入滲技術。

當包氣帶不發生變化的條件下（如儲水空間不足，水位與砂穴直接聯通等情況），砂穴可以連續入滲。結合降雨強度分級和我國《海綿城市建設技術指南—低影響開發雨水系統構建》（所有低影響開發設施的綠化均滿足景觀要求，設計最大雨水排空時間為24 h），按雨水匯集量與單個砂穴24 h入滲量相等的原則，通過公式（1）估算不同降雨強度下單個砂穴可調控面積。

實際中的雨水流量指的是降雨量中扣除植物截留、下滲、填洼與蒸發等各種損失后所剩下的那部分量。以匯水各種損失為安全量（也就是不計匯水損失），假設有蓄水體存在可以緩存雨水24 h的情況下，估算24 h不同降雨強度下單個砂穴可調控面積，見表4。

可見，初步試驗中，一個V1式砂穴可調控約60～120 m2大雨的降雨量，是其占地面積的數千倍，一個V2式砂穴可調控約8～16 m2大雨的降雨量，是其占地面積的數百倍。也就是說，一個V1式砂穴24 h入滲量最小相當于60 m2大雨的降雨量，一個V2式砂穴24 h入滲量最小相當于8 m2大雨的降雨量，也就具有調控相應面積降雨量的能力。

同時，包氣帶水分傳導的特征是干土導水力弱，傳輸緩慢，只有當土壤逐漸浸潤之后，才能恢復其較高的傳導力，保證水分的下滲。在多個砂穴面狀施工時，砂穴還能加速穴間土飽水，盡快發揮其較高的水分傳導力。

在華北平原地區，一般砂穴的深度限制在6 m以內。 結合地層實際情況，上部采用不透水管作為導水通道，下部伸入強透水介質中的砂穴結構，可以很好的解決水分入滲軟化地基持力層的問題，利用零星場地形成入滲點。城市建筑垃圾經適當粉碎篩選即可用作砂穴充填介質，實現建筑垃圾的就地利用。

砂穴式入滲還在調節微觀水循環、減輕災害、提高雨水利用率等方面有良好的應用前景。地球表層系統受人類活動影響，透水性孔隙大量減少形成滲透性差的阻水層，使得雨水以地表徑流方式運移流失，加劇了雨洪災害與干旱的發生。遵循水循環平衡的法則和要求，以砂穴式入滲為手段，田格法劃分構建集水區，化整為零控制徑流攜沙量，依據包氣帶儲水空間分布特征，就地構建砂穴入滲區，將雨水入滲至深部，減少了地表蒸發量，使更多的降雨轉化為可被植被直接利用的生態水資源及可采水資源，達到調節水循環、提高雨水利用率、減輕災害的目的。

綜合分析認為，砂穴式入滲是一種解決地下水庫“肚大口小，能容難進”的瓶頸問題的可操控性手段，它將促進滲流理論轉化為減輕雨洪災害的技術，形成生產力服務于城市（或者山區）洪澇減災，提高水資源的有效利用水平，促進水循環體系自我恢復和良性發展，從而實現可持續發展以及人與自然和諧相處。

3 結論

（1） 砂穴式入滲是一種可以加快入滲速率的技術方法。它為解決地下水庫“肚大口小，能容難進”的瓶頸問題提供了一種可操控性技術方法。在試驗中，它對于提高入滲速率效果顯著，直徑10 cm、深50 cm粉砂穴式入滲速率即可達到同等面積粉砂地表入滲速率的6倍以上。

（2） 砂穴填料宜選用分選好的多孔介質。為保障孔壁入滲性不受影響，填料主要依靠飽水自重壓密。分選差的多孔介質中粒徑較小的組份在飽水時會發生失穩運移，易產生局部堵塞影響入滲速率。試驗中，河砂作為填料時的入滲速率是水洗沖積砂作為填實時入滲速率的34倍。

（3） 砂穴式入滲技術在雨水就地攔蓄入滲等方面有較好的應用前景。

初步試驗中，一個中砂穴24 h的入滲量最小相當于面積60 m2大雨的降雨量，

而且施工占地少、施工無污染等，完全適應在場地狹窄的城市建成區施工，因此它在城市降雨就地消納和利用方面具有良好的應用前景。此外，它能將雨水徑流直接入滲至土壤深部，減少了地表蒸發量，為植被恢復提供更多的生態水量，因此它將在西北干旱地區利用土壤水庫提高雨水利用率加快生態恢復治理領域有廣闊的應用前景。

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