鄭州地下水均衡試驗場的改建工程
——總體思路與應用展望

李俊亭，王 帥，宋高舉，喬曉英，王繼華

(1．長安大學環境科學與工程學院，陜西 西安 710054；2．干旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室，陜西 西安 710054；3．河南省地質礦產勘查開發局第二地質環境調查院，河南 鄭州 450053；4．河南省地質環境監測院，河南 鄭州 450016)

應用試驗柱(試驗筒中裝入試驗介質)研究包氣帶水分運移機理，在我國已有半個多世紀的歷史，據不完全統計，試驗柱的累計數量已達數百座以上。這些試驗柱大致分為兩類：稱重式試驗柱與非稱重式試驗柱。由于我國的業務部門以及所研究內容與解決問題的側重點不同，農田水利部門多使用稱重式試驗柱；而地質礦產部門多應用非稱重式試驗柱。河南鄭州地下水均衡試驗場(始建于1981年)與新疆昌吉地下水均衡試驗場(始建于1992年)，是地質部門建場時間較早、監測時間較長、且取得了豐碩成果的兩個試驗場[1-4]。由于現代科學技術的進步，這兩試驗場的各種監測設施均顯有所落后。為適應新形勢的需要，國家地下水監測工程決定對這兩試驗場進行升級改造[5]。本文就此詳細介紹鄭州地下水均衡試驗場在升級改造過程中的一些做法。

1 改建工程中的試驗柱構建

原鄭州地下水均衡試驗場，始建于1981年，1983年開始監測，截至2016年已運行33年，曾被列為“六五”國家重點科技攻關項目。改建前的試驗場如圖1(a)所示。

圖1 鄭州地下水均衡試驗場改建前后對比Fig.1 Overview of Zhengzhou groundwater experiment site before reconstruction and top view of the Zhengzhou groundwater balance experiment site after reconstruction

試驗柱是地下水均衡試驗場的核心構筑物。原有試驗場的試驗柱(直徑50.46 cm、材質為聚氯乙烯)置于以排氣孔為中心的直徑8 m、總高11.5 m的半地下式建筑。試驗柱有1，2，3，5，7 m五種長度，組成5組。試驗柱中的試驗介質，主要取自黃河沖積平原、淮海平原與豫西黃土區。共計25個試驗柱，呈環形放射狀排列布置在以排氣通道為中心的地下監測室周圍。

從現代科學技術發展水平看，原試驗場由于歷史原因存在的主要不足是：試驗柱介質巖性單一，監測范圍較窄，觀測手段落后，采集數據未能實現自動化，對解決實際問題尚有差距。于是在改建時充分注意到：(1)試驗柱中的介質對于試驗結果應用于河南省范圍必須有代表性；(2)材質為聚氯乙烯的試驗柱對試驗的力學、熱學性能都欠佳，口徑又太小，人難以直接進入試驗柱內做某些必要的操作；(3)必須全面提升數據采集手段；(4)監測范圍適當拓寬，例如增加太陽輻射觀測、降水與蒸發對比試驗觀測等，以便提高研究水平。改建后的鄭州地下水均衡試驗場見圖1(b)。

由于試驗土質及結構的選擇是構建試驗柱的核心問題，決定著試驗結果的代表性及其以后在生產中的實際應用。為此在2016—2017年間多次邀請河南省內從事水文地質與工程地質的老專家進行論證，將全省的包氣帶巖性按地貌特征分為黃北沖積平原、黃河南沖積平原、淮河沖積平原南陽盆地、豫西黃土丘陵等五個單元。通過實際考察分析對比，對五個單元7 m深度范圍內的包氣帶巖性及其疊置關系進行概化，最終形成了能表征五個單元的巖性柱的典型剖面。用于地下水均衡研究的試驗柱，從理論上講，只需要一個7 m的試驗柱就夠了，通過建模就可計算出7 m內任意一種長度所需要的結果。由于原試驗場的試驗柱為1、2、3、5、7 m等五種情形，考慮到傳統習慣及試驗結果的驗證對比，新的試驗柱仍采用水位埋深分別為1、2、3、5、7 m的五種規格。以實際采樣時在現場對各類巖性測得的干容重及顆分結果為依據，在設計好的試驗筒中(圖2)裝入介質(濾料)以用于模擬試驗。試驗柱頂面填充10 cm的砂礫，是為了防止大降雨狀態下產生的泥皮效應[6]。

試驗筒采用玻璃鋼材質。筒的內直徑為100 cm，以便于兩個人能在其中進行必要的操作。筒壁厚1 cm，經過力學分析，其強度完全可以滿足試驗要求。據此，在試驗場組成總高為205 cm的試驗柱5個、305 cm的試驗柱5個，405 cm的試驗柱5個、605 cm的試驗柱5個、805 cm的試驗柱5個，共計試驗柱25個。

在構建施工試驗柱時，預先依據概化的巖性柱中各層巖性厚度設計的采樣點，在試驗筒的壁上按設計的開孔直徑鑿孔，以便裝置各類數據采集傳感器。傳感器的設置至少要保證能測得各種巖性的脫濕與吸濕兩種狀態下的水分特征曲線，通過數學模擬獲取包氣帶水分運移的若干參數。25個試驗柱共設置了140個負壓探頭及傳感器[7]、140個含水率傳感器(5TM含溫度)。25個試驗柱亦呈環形放射狀排列布置在以排氣通道為中心5個地下監測室中(圖1)。每個地下檢測室中置放不同地貌單元同一高度的試驗柱，并給予相應的標注。試驗柱有以下特點：

圖2 用于模擬試驗的試驗筒Fig.2 Test tube for simulation

(1)具有很好的隔溫性能，當氣溫變化時，由于筒壁傳熱系數小，較好地減弱了溫度效應；

(2)筒的內表面，有特殊工藝構成的“嚰砂面”，較好地克服了水流的邊界效應；

(3)筒口留有15 cm的空間(圖2)，可以較好地保留特、大降水的信息，為研究有壓入滲狀態下包氣帶水分運移提供了重要信息；

(4)經實際檢驗在有效荷載內不會變形。

每個試驗柱都應有獨立的供水系統，以保證每個試驗柱在設置的“水位控制埋深線”(圖2)處的水均衡，這一均衡是由自動供水儀提供保障的[8-9]。自動供水儀有兩個功能：(1)為蒸發提供連續補給水源；(2)接受降水入滲量，通過平衡杯將超出“水位控制埋深線”的降水余量排至計量筒。每一個試驗柱配有一套自動供水儀，共計有25套自動供水儀。考慮到城市供水到達試驗場的水壓經多次測量約為2.2 kg，為了使自動供水儀能在一個安全狀態下運行，特在地表面設置了一個供水房(圖1)。供水房內設有一個釋壓水罐。

由城市管網提供的水源，經過濾清器濾清與測壓(掌握城市管網供水壓力)再注入釋水罐，釋水罐內的壓力保持在約0.8 kg。由供水房引出兩根供水管道：城市管網供水管直接連接于試驗柱的供排水口；釋壓水罐的供水管道首先連結每一個試驗柱的自動供水儀之后，再與試驗柱的供排水口通過三通連接。25個試驗柱的供水網絡如圖3所示。

圖3 25個試驗柱的供排水網絡Fig.3 Water supply and drainage network of 25 test columns

適于土建工程的需要，1，2，3 m三個試驗柱的排水，經各自串聯后直接通到五試柱區排水立管，再連同5 m試驗柱區的排水一同排至窨井，7 m試驗柱區的直接串聯排至窨井。

2 蒸發(含降水)對比試驗區

蒸發與降水是制約包氣帶水分運移的重要因素[10]，其時空變化信息一直由氣象部門提供，使用的信息采集工具為直徑200 mm的蒸發皿及相應口徑尺寸的雨量計。近幾年來,使用的蒸發皿已改進為皿口面積3 000 cm2的蒸發筒，命名為E—601型，為了應用氣象部門的歷史資料，許多業務部門通過試驗亦取得了直徑為200 mm蒸發皿與E—601蒸發筒的數據換算系數。但這些成果對研究地下水均衡試驗的試驗場顯然是不夠的。尤其像鄭州地下水均衡試驗場周邊已是高樓林立，完全失去了應用氣象部門信息的可能。為此，必須自行建立蒸發(含降水)對比試驗觀測。對比觀測試驗裝置有兩套，一套是E—601，另一套是自行設計的雙圈水面蒸發筒(圖4)。

自行設計的雙圈水面蒸發筒(圖4a)，內圈直徑為1.128 m，深1m，筒口面積1 m2，筒的壁厚10 mm，在總體結構上與E—601是一致的。外圈水位低于外筒壁上沿15 cm，當水位低至25 cm時，需要人工補水；當水位高于此值時，余的水(如降水引起)通過外圈溢流口接埋管排至土中。

雙圈水面蒸發筒內側，距上沿15 cm處有一半圓形的開孔連接內環溢流管，控制內環中水面高度(即平衡水面)。內環溢流管連接于供水房內自動補水儀(圖4b)。當內環的水位因蒸發而下降時，自動補水儀通過平衡杯向其補水。當降水引起內環中的水位升高時，高于平衡水面的水通過自動補水儀的平衡杯流入雨量計。E—601與雙圈水面蒸發筒相距2 m，蒸發、降水的歷時動態，均同時被數據采集系統自動采集，據此即可算得兩者的蒸發、降水量的折算系數。這對試驗柱的建模十分重要，因為它是上邊界條件。根據雙圈水面蒸發筒與自動補水儀供水筒的直徑，可以算得自動補水儀下降2.5 mm，相當于水面下降0.1 mm。由此可見，雙圈水面蒸發筒的精度很高。

為了深入研究蒸發機理，在試驗區旁邊設置一個太陽三輻射觀測儀。太陽三輻射是指太陽全輻射、太陽凈輻射與太陽直射。“三輻射”的觀測結果，可以用來判斷蒸發與太陽中的哪一種輻射相關性最強，以及每天蒸發強度的峰值，以便合理安排采樣頻率。太陽總輻射測量采用TBQ-2總輻射表，測量光譜的范圍為0.3～3 μm。太陽直射測量采用TBB-1凈輻射表，用來測量太陽輻射及地面輻射凈差值，測量范圍為0.27～3 μm短波輻射和3～50 μm地球輻射。TBS—2—2太陽自動跟蹤直接輻射表用于測量光譜范圍為0.3～3 μm太陽直輻射量，當太陽直輻射量超過120 W/m2時，直接測量日照時數。

圖4 雙圈水面蒸發筒Fig.4 Double-circle water evaporation tube

3 小型氣象觀測區

鑒于試驗場周邊已是高樓林立，因而試驗場的試驗項目僅受局部小氣候的影響，于是選擇了3 m高主桿的HOBO野外氣象站(圖5)。

距地面3 m處的橫桿為東西向設置，一端為風向觸感器，另一端為風速傳感器。溫、濕度值的測量傳感器裝在距地面1.5 m處，其下是數據采集箱，再往下是測量氣壓值得傳感器。太陽能板裝在2 m處，它提供了氣象設施運轉的全部動力。數據采集盒，采用U30-NRC采集器，有5個插口，可擴展到10個，內存512KB。數據存儲滿時新的存貯將覆蓋已有記錄，因此必須適時下載，采集間隔最小可自定義為1 s。

4 試驗場的運行目標

對應用于試驗場的各個測試設備，在安裝前要經過嚴格的質量檢驗。比如對負壓傳感器要進行漏氣、零點漂移的檢驗；對于水分傳感器(5TM)進行一致性、穩定性的檢驗；對自動補水儀進行嚴格的封閉性及可靠性檢驗。對試驗柱而言，只有當沉降觀測值達到毫米級正、負誤差時，才可以將測試設備裝入試驗柱。當負壓傳感器及水分傳感器與試驗柱中的介質充分接觸后才可以開始正規的數據采集。判別“充分接觸”這是一個非常困難的事情，有的實際工作者說需要一年的時間，即要經過一年四季的氣候變化，關于這方面尚無經驗可以借鑒。如果確信正式的試驗工作可以開始，就要設定數據的采集頻率，起初將采樣間隔設置的小一點，比如1 min采1次樣，隨著采樣數量的增加，根據數據變化趨勢，調整采樣頻率，去掉一些無效的采樣。

圖5 HOBO野外氣象站Fig.5 HOBO field meteorological station

鄭州地下水均衡試驗場巖性概化7大類12種：細砂、粉細砂(含2個子類)、粉質黏土(含3個子類)、粉土(含3個子類)、黃土狀粉土、黃土狀粉質黏土夾粉質黏土、黏土[11]。經過較長時間的測試取樣，比如具有了一年以上采樣值，可以對13種巖性建立水分特征曲線模型。隨著時間推移，數據采集量增大，不斷完善模型，使得控制數學模型主要待定常數的離差(單項數值與平均值之差)與平均值之比不大于10%，可認為相應的水分特征曲線模型是成功的，可以建立每一個試驗柱的數學模型。

試驗柱數學模型成功與否的關鍵在于上、下邊界條件的選取。下邊界條件受自動補水儀控制容易確定。選定第二類流量邊界或第一類邊界(零壓力水頭)均可，通常以第一類邊界條件較好。然而，上邊界情況比較復雜，存在有壓入滲與無壓入滲兩種情形。在采樣數據記錄中，由于可以查到有壓入滲的歷時動態，于是可取第一類變水頭邊界。對于無壓入滲的情況要復雜一些。這是由于“土面蒸發”與水面蒸發不同所致，若采用水面蒸發試驗所得蒸發強度值作為第二類邊界條件，其值明顯過大，影響模型運轉時的數據擬合。合理的處理辦法是，固定下邊界與各種巖性水分特征曲線模型，用優化的方法反求上邊界(土面蒸發強度)，從而得到土面蒸發強度與水面蒸發強度的轉化系數。嚴格地講，應該通過實際試驗研究，確定不同試驗介質的陸面蒸發強度。在試驗柱數學模型的運轉中要十分關注不同介質層面間積水的形成規律。

當試驗柱的數學模型建立后，可以將試驗柱的上邊界處置為擬研究的溶質，測試在降水與蒸發條件下溶質運移模型，為解決土壤面狀污染預測提供重要信息。

試驗場的運轉近期目標是，建立試驗巖性的水分特征曲線模型與試驗柱的水分運移模型，總結多層試驗介質下包氣帶水分運動規律；完成試驗柱水分運移模型之后，可以建立試驗柱在降水與蒸發條件下的水分、溶質對流—擴散模型。研究在典型氣象環境與特定土體結構條件下，年入滲與蒸發的動態過程，以及探討包氣帶參數的測定與評估方法。

5 試驗場所得成果的應用展望

采用試驗場的試驗成果，解決實際問題，是建立地下水均衡試驗場的終極目的。存在的問題是區域條件下非飽和帶參數的變異性。所謂變異性是指同一介質的物理參數(干容重、顆粒分析的不均勻系數或曲率系數、飽和滲透系數及給水度、水分特征曲線等)是空間函數。同一巖性在不同深度所得物理參數的變異也是時間的函數。從已有文獻來看，國際學術界自20世紀70年代提出包氣帶物理參數的空間變異性以來，國內僅有在河南省商丘大吳莊比較大地塊(長70 m寬40 m)進行過變異性研究，由于其研究目標是土壤，所以取樣深度最大只有40 cm[12]。其研究結論仍然對于解決大面積，即區域性(千米級的)包氣帶參數的變異性問題具有一定參考價值。但是，為了使試驗場試驗成果真正用于解決實際問題，有必要在野外現場較大尺度下探測包氣帶參數的變異性。建立采用解析公式表述含水率—負壓間的關系，或者采用地質統計的方法[13-14]，類似于在非均質含水層中采用地質統計方法分析滲透系數[15]，以諸多已知點的值推算待求點的值。

據悉，河南省地質環境監測院已列項目在黃河南選擇適當地點進行區域性的包氣帶參數的變異性研究，這在我國也是一個開拓性的工作。目的通過區域上有限的采樣，能夠標定區域上任一點位的包氣帶參數值，并借助于區域上的氣象資料，可以利用地下水均衡試驗場建立的數學模型，計算區域地下水的補給與排泄，為地下水資源評價、地質環境評價及可持續的合理開發利用提供了基礎依據。同時也為大范圍土壤面狀污染評價工作奠定基礎。