沙質(zhì)床面河道演化過程濕潤帶滲流規(guī)律試驗分析

楊樹青，白玉川，彭永勤，周 鵬

(1.重慶交通大學(xué) 重慶西南水運工程科學(xué)研究所，重慶 400074；2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；3.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，山東 濟南 250000)

1 研究背景

天然河流大多數(shù)為部分切割含水層或懸置于含水層之上的“非完整”河流，且河道兩岸均為不飽和或者干燥狀態(tài)。在洪水期河流急劇演化過程中，河床中有滲流存在且滲流量較大，河水下滲和側(cè)滲部分將補給地下水。1991-2005年，黃河下游年均來水量為233.37×108m3，年均滲漏水量為8.01×108m3，約為總流量的3.43%[1]。而對于干旱地區(qū)，河道滲漏量更是非常之大，甚至河道水全部損失于滲漏過程[2]。

在河流演變試驗?zāi)M中，模型河流均為“非完整”的河流狀態(tài)，滲漏損失是河道演化過程中河流自然耗水量的重要組成部分[3]。因此，不能將滲流量歸結(jié)在流量的測量誤差上[4]。實際河道滲流量的大小受到多種因素的影響，包括河寬、河長、河床下顆粒物質(zhì)的厚度與滲透系數(shù)以及河水位與地下水位差值等。Winter[5]和Butler等[6]研究了河流寬度、河床底部沉積層厚度對滲透系數(shù)的影響。Liu等[7]在室內(nèi)進行模擬試驗，分析了“非完整”河流的滲流特征。

一些學(xué)者[8]注意到了在河道演化過程中的滲流問題及其對曲流現(xiàn)象的重要性。對于黏性沙，其保水性好且滲流較小，因此河道可以充分發(fā)展；而對于無黏性沙，其滲流較強，很難形成充分發(fā)展的蜿蜒河流[9]。在室內(nèi)試驗中，為減少滲流引起的流量損失，通常于試驗前向模擬床沙內(nèi)加水，使泥沙中孔隙水飽和[9-11]。事實上，在河道演化過程中的整個試驗周期，滲流損失是依然存在且隨時間變化的，并且河道總流量、床沙粒徑及河岸的植被覆蓋程度等邊界條件對滲流量的影響較大[9,12]。

目前對于河道滲流的研究多為定河道不同水沙條件及河道邊界條件對滲流的影響[13]，以及不同滲流條件下引起的明渠水流結(jié)構(gòu)[14]、床沙起動[15]、滲流輸沙[16]和河道崩岸[17]等的響應(yīng)，而對于河道演化發(fā)展過程的滲流規(guī)律及區(qū)域含水率隨時間變化情況并沒有太多關(guān)注。

本文運用自然模型法，在傳統(tǒng)的河道演化試驗裝置基礎(chǔ)上，設(shè)置滲流通道，測量濕潤帶含水率的時空變化，探討試驗過程中影響河道滲流流量的主要影響因子。在減小試驗誤差的同時為研究滲流對河流演變帶來的影響提供支持。

2 試驗裝置

試驗水槽長400 cm，寬150 cm，深50 cm，在其尾部設(shè)置儲水箱，通過循環(huán)水泵將水流輸送至前端供水箱。供水箱出流經(jīng)過兩次平水后進入水槽，后經(jīng)尾門進入儲水箱，形成水流自循環(huán)。水流經(jīng)過流域時會分為兩部分，一部分在河床與河岸邊界內(nèi)流動，形成河道水流；另一部分則滲入地下，形成滲流。為此，在河流演變試驗裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)計了與自然河流滲流過程近似且便于量測滲流的改進裝置，河道滲流試驗裝置、采樣點布置及河岸植被示意圖見圖1。

圖1 河道滲流試驗裝置、采樣點布置及河岸植被示意圖(單位：cm)

沿水槽進、出口及兩側(cè)留有滲流通道，保證滲水擋沙。下游出口處設(shè)置雙出水通道，用以量測河道流量及滲流流量。試驗濕度為70%，蒸發(fā)量相對較小可以忽略不計。因此，理論上試驗總流量(Q)=河道流量(QR)+滲流流量(QS)，但實際河流演變和滲流過程中，水在非飽和帶中的運移比較慢[18]，水分到達滲流通道所需要的時間較長。由于時間的延遲性，試驗結(jié)果存在部分誤差。

3 試驗方法

河道滲流量與河道斷面形狀、河道水位、河床質(zhì)的透水性及厚度等特性有關(guān)[19]，而在河床演變過程中河道的斷面形狀及水位又取決于上游的來水來沙情況、河道自身的床沙特性以及河床河岸邊界條件。因此，本文設(shè)定控制變量為床沙粒徑、入流流量、坡降、河岸植被分布情況，以分析不同因素對河床濕潤帶滲流的影響，各試驗工況的參數(shù)統(tǒng)計及穩(wěn)定河型見表1。根據(jù)試驗條件選定河道試驗用沙的中值粒徑為0.62和0.22 mm，床面鋪沙厚13 cm，其沙粒粒徑級配曲線如圖2所示。工況RUN3～RUN13演化過程流量恒定，工況RUN1、RUN2設(shè)定兩個流量階段，初始為小流量沖刷，待河道演化至相對平衡狀態(tài)時，瞬間加大入流流量以分析流量改變對滲流的影響，且兩階段均為恒定流狀態(tài)。

圖2 試驗河床沙粒級配曲線

含水率測點沿河道橫向共布置4排(見圖1(b))，距初始河道左岸20 cm開始每隔15 cm布置1排測點，每排測點之間沿河道縱向間隔為50 cm；距初始河道右岸20 cm只布置1排測點。含水率測定采用烘干法，測點取樣為4 cm×4 cm×13 cm的立方體。試驗開始放水后，待下游出口有滲流流量時，開始測量試驗各測點含水率，此時表面床沙還處于非飽和狀態(tài)，與Kinzli等[4]將底層沙飽和，表層沙緩慢浸沒基本吻合。

河岸植被邊界條件設(shè)定兩個控制變量：布設(shè)方式和植被密度(參數(shù)設(shè)定見表1)，種植密度用河岸植被覆蓋率表示。種植植被草為四季青(見圖1(c))成梅花形種植，間距為1 cm。成草的平均根系長度達2.7 cm，有效根系覆蓋平均直徑d≈1 cm。將有效根系覆蓋面積作為植被覆蓋率，計算得到4種植被有效覆蓋率分別為0(無植被)、20%、40%、80%(K1=0；K2=4(πd2/4)/A≈20%；K3=2×K2≈40%；K4= 4×K2≈80%)。

表1 各試驗工況的參數(shù)統(tǒng)計及穩(wěn)定河型

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 滲流流量分析

表1中統(tǒng)計了13組工況河道演化過程中的滲流量以及占總流量平均百分比。將工況RUN1～RUN7滲流流量隨入流總流量的變化關(guān)系繪制為圖3，工況RUN3～RUN7(細沙無植被工況)滲流流量隨河道坡降的變化關(guān)系繪制為圖4。由圖3(a)可看出，河床質(zhì)為粗沙的滲流量較細沙大得多，沙的性質(zhì)決定了其滲透系數(shù)，而孔隙大小起到了主要作用，雖然粗沙的非均勻系數(shù)較小，但其孔隙率大，透水性好，河流的入滲速率明顯更大。由圖3(b)可見，河床質(zhì)為細沙時，工況RUN3的滲流量明顯大于工況RUN4～RUN7，是因為工況RUN3為細沙試驗的第1組，初始床面處于干燥無水狀態(tài)，滲流梯度遠遠大于飽和狀態(tài)。這也是很多學(xué)者在進行河道演變試驗研究時，先向河道注水的原因。

當床沙達到飽和狀態(tài)時，滲流可以近似分解為橫向滲流與縱向滲流兩部分，橫向滲流量的大小主要取決于入流量的大小，而縱向滲流取決于河道縱向坡降。河道坡降也可認為是水坡比降，對滲流影響主要表現(xiàn)為滲流水頭的變化。通常情況下，滲流量會隨著河道流量及水力坡降的增大而增加，但影響程度不同。從圖3、4可以看到，工況RUN4與RUN5的坡度相同，但流量相差較大時，兩組試驗中滲流量變化范圍相差較小；工況RUN1和RUN2也是如此。RUN7雖然流量較RUN5及RUN6小，河道滲流量卻較RUN4、RUN5及RUN6都大。因此可以得出，水力坡降對于滲流量大小的影響作用明顯大于流量的作用。

圖3 工況RUN1～RUN7滲流流量-入流總流量關(guān)系 圖4 工況RUN3～RUN7滲流流量-河道坡降關(guān)系

圖5為工況RUN1～RUN6的河道流量及滲流流量隨時間的變化曲線。為進一步研究河道流量與滲流流量的變化規(guī)律及關(guān)系，試驗工況RUN1、RUN2分別選取50和90 mL/s兩個初始大小不同的總流量，通過觀察該兩個流量下河道演變發(fā)展過程發(fā)現(xiàn)，總流量不同，則河道流量明顯不同。由圖5可知，在初始總流量下，工況RUN1和RUN2的河道流量分別穩(wěn)定在12和55 mL/s左右，而兩組的滲流流量相差不大，基本均在35 mL/s左右。當河道演變達到相對穩(wěn)定狀態(tài)時，分別加大流量至90和120 mL/s，工況RUN1和RUN2 河道流量均開始突變，經(jīng)過調(diào)整后工況RUN1和RUN2河道流量分別穩(wěn)定在55和90 mL/s左右，而兩組的滲流流量經(jīng)微小調(diào)整后依然穩(wěn)定在35 mL/s左右。對比兩種粗細程度不同的試驗沙，細沙河道在演化過程中，其滲流流量小于粗沙的滲流流量，河流的入滲速率明顯更小。工況RUN4和RUN5滲流流量均穩(wěn)定在5 mL/s左右，河道流量分別穩(wěn)定在69和112 mL/s左右。

由以上分析可以得出，對于每一種床沙，當河道坡降及初始含水率一定時，存在穩(wěn)定的相對飽和滲流流量Qb,當入流總流量Q>Qb時無論河流流量如何變化，滲流流量將保持相對穩(wěn)定不變；當Q

試驗開始后5～10 min，河道出口開始出流。由圖5(a)～5(f)可以看出，無論粗沙還是細沙，初始50 min內(nèi)河道流量及滲流流量均不斷增大，床面逐漸充水。隨后，滲流流量逐漸趨于穩(wěn)定，而河道流量則在一定時間段內(nèi)出現(xiàn)了減小的趨勢，而后趨于穩(wěn)定。觀察圖5中工況RUN4、RUN5的河道流量可以發(fā)現(xiàn)，200～300 min流量達到低點，隨后趨于穩(wěn)定。這種現(xiàn)象主要是由于初始狀態(tài)床面含水率較低時，介質(zhì)內(nèi)的基質(zhì)吸力較大，使入滲速度較大。隨著入滲的進行，含水率增加，基質(zhì)吸力迅速減小，孔隙水運移的速度也逐漸穩(wěn)定，因此滲流流量在初始階段會有迅速增加的趨勢，與土槽模型試驗有相同的規(guī)律[20]。同時，河道水流隨著初始河道的迅速演化展寬，水流由急流逐漸轉(zhuǎn)化為緩流，從而流量在某種意義上有所減小。

工況RUN3～RUN7(細沙無植被工況) 河道寬度隨時間變化規(guī)律見圖6。由圖6可見，各組次試驗的河道寬度-時間關(guān)系曲線基本在試驗開始后200 min左右明顯出現(xiàn)拐點，河道展寬變慢。但針對工況RUN3而言，由于初始床沙處于不飽和狀態(tài)，滲流損失嚴重，其河道最大寬度形成時間較長，在t=380 min左右，其河道流量在t=300 min之后出現(xiàn)減小的趨勢(圖5(c))。觀察河道的展寬規(guī)律可以明顯看出這與河道流量變化規(guī)律具有的一致性。

圖5 工況RUN1～RUN6的河道流量及滲流流量隨時間變化曲線

圖6 工況RUN3～RUN7河道寬度隨時間變化規(guī)律 圖7 工況RUN3～RUN7滲流流量隨時間變化規(guī)律

工況RUN3～RUN7(細沙無植被工況)滲流流量隨時間變化規(guī)律見圖7。根據(jù)圖7可將河道的滲流過程分為非穩(wěn)定滲流階段和穩(wěn)定滲流階段，其中非穩(wěn)定滲流持續(xù)時間較短。武桂芝[21]通過野外現(xiàn)場試驗測量得到河道非穩(wěn)定滲流過程約為1.5～2.0 h，過水時間為3 d時，非穩(wěn)定滲流流量占總滲流量的比例為2.75%～4.36%。對于本試驗，非穩(wěn)定滲流過程約為40～120 min，則按時間比例計算，應(yīng)與實際過水時間為3 300 min時做對比。本文最長過水時間為1 000 min，因此按照穩(wěn)定滲流階段滲流量基本不變的規(guī)律，計算得到河床演變至3 300 min時，RUN3～RUN7工況非穩(wěn)定滲流流量占總滲流量的比例。對應(yīng)組次結(jié)果分別為：5.65%、5.11%、3.69%、2.64%、2.18%，與野外河流滲流比例相近。

河岸植被情況對滲流產(chǎn)生的影響也不可忽視。圖8為總流量、河床沙粒徑及河道坡降均相同的7組試驗(工況RUN5、工況RUN8～RUN13)，不同河岸植被情況下滲流流量的變化。由圖8可以看到，有植被種植的河岸的滲漏損失較無植被的大很多。植被的根系作用，為滲流提供了更好的通道，但并不是植被越密滲流越強烈，隨著植被覆蓋率的增大，根系更加密集，滲透性反而變小。同時一岸植被覆蓋河道滲流量較兩岸植被的略大。試驗觀察發(fā)現(xiàn)，對于只有一岸植被覆蓋的河道，由于兩岸演變的不同步，其河道演化過程中床面穩(wěn)定性較差，河床也一直處于不斷的淤積和沖刷調(diào)整過程。在某種意義上,河道的穩(wěn)定性能反映滲流的大小。河道越穩(wěn)定，則滲流越小；相反，河道越不穩(wěn)定，則滲流越大。在室內(nèi)小尺度自然模型試驗中,滲流所顯示的差異反映在實際河流中是巨大的，應(yīng)該得到重視。在研究河道滲流損失時,應(yīng)明確考慮河岸植被覆蓋效應(yīng)。

圖8 工況RUN5、工況RUN8～RUN13滲流流量-河岸植被情況關(guān)系

由各組試驗觀察發(fā)現(xiàn)，不同時刻河道流量與滲流流量兩部分之和不完全與入流總流量相等，這是由于床面滲流往往滯后于河道水流所致。而觀察工況RUN3～RUN7穩(wěn)定時刻及RUN1、RUN2小流量穩(wěn)定時刻發(fā)現(xiàn)，滲流量較前期有小幅的減少，這是因為在河流演變趨于相對穩(wěn)定時，由于長期的淤積及泥沙分選，往往在固有河床上形成“次生細粒堆積層”，介質(zhì)致密，滲透性變差，將會明顯降低河流的入滲速率[13,19]。因此當河道流量大于相對飽和滲流流量時，滲流流量與河道入流總流量無明顯相關(guān)關(guān)系，只受到河床初始含水率、床沙特性、床面坡降及河岸植被覆蓋情況的影響。

4.2 區(qū)域含水率隨時空的變化規(guī)律

試驗測定的不同時刻河道各測點含水率的變化見圖9。RUN1、RUN2工況設(shè)定3條測線共21個測點；RUN3、RUN7工況設(shè)定兩條測線共14個測點。選取粗沙RUN1、RUN2工況和細沙RUN3、RUN7工況4個組次進行分析。

圖9 4種工況各采樣點不同時刻含水率變化曲線

由圖9可以看到，RUN3初始床面各測點含水率較低，處于非飽和含水狀態(tài)，為非飽和入滲。經(jīng)過40 min的河道演化，各測點含水率仍偏低。隨著時間的推移，含水率達到相對平衡狀態(tài)。而RUN7是在前4組細沙試驗后進行的，初始含水率較高，很快達到飽和狀態(tài)。應(yīng)指出的是，工況RUN7測點6、7、13、14在前期演變至20 min時，由于下游出口附近表面張力作用，含水率反而較大，形成短暫壅水。隨后水流通道打開，下游水位坡降變大，含水率變小。演變至250 min時，河床含水率較初始狀態(tài)小。剔除上、下游出口的影響，可看到RUN3、RUN7兩組各測點含水率隨時間并沒有明顯的變化規(guī)律，穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。因此通過分析認為，河道含水率在時間尺度上相對穩(wěn)定，變化較小。

以RUN1、RUN2為例，觀察河床含水率橫向空間變化規(guī)律，各采樣點測線不同時刻含水率變化曲線如圖10所示。由圖10可看出，河道演變的初始階段，測線L3多數(shù)沿程測點的含水率較L1、L2的小，L1與L2上各測點含水率接近。隨著河道演變進行，測線L3逐漸靠近測線L2，兩測線含水率接近，而L1由于靠近河道且長時間處于穩(wěn)定滲流，其含水率明顯偏高，逐漸與測線L2及L3分離。當整個床面滲流達到相對穩(wěn)定狀態(tài)時，測線L3與L2分離，沿床面橫向形成了穩(wěn)定的含水率梯度。該過程的穩(wěn)定時間遠比滲流流量達到穩(wěn)定的時間長。因本文所測含水率為沿垂向采樣點的整體含水率，含水率的梯度變化也反映了床面地下水位的變化梯度。由圖10還可看出，L1上各測點含水率均在20%以上。靠近河道含水率最高，離河道越遠，床面含水率越低。若床面沿橫向無限延伸，則無限遠處含水率逐漸減小趨于0。因此，實際河流的滲流作用也只是在一定流域范圍內(nèi)影響較大。沿河地區(qū)植被生長情況也會受地下水位的影響，學(xué)者們常常用植被的覆蓋率來間接測量河道流域地下水位。

圖10 各采樣點測線不同時刻河床含水率變化曲線

值得指出的是，工況RUN1河道演變在t=1 460 min時及工況RUN2河道演變在t=1 430 min時，靠近尾門的測點并未完全形成梯度，這是因為受尾門處河道出流的影響，滲流作用相對減弱。雖然出現(xiàn)含水率梯度但梯度較小。

4.3 滲流流量變化對區(qū)域含水率的影響

由4.2小節(jié)分析得到，區(qū)域含水率在時間尺度上變化較小，而在區(qū)域空間尺度上變化明顯。因此，選取河流演變?nèi)我庵虚g時刻不同組次相同位置的采樣點進行對比，分析不同的滲流流量對區(qū)域含水率的影響。

選取床面坡降均為12‰且河岸無植被覆蓋的6組滲流流量組次進行分析，對應(yīng)的滲流流量QS分別為40.67、32.67、9.60、5.45、5.27、3.50 mL/s，其中前2組為粗沙對應(yīng)的滲流流量，后4組為細沙對應(yīng)的滲流流量。該6組不同河道滲流流量下各采樣點含水率變化曲線見圖11。

由圖11可看到，前4組滲流流量下各測點的含水率基本保持在20%～35%之間，平均在24%左右；后兩組滲流流量較小(QS=5.27 mL/s及QS=3.50 mL/s)，床面未達到充分滲流狀態(tài)，相應(yīng)的平均含水率在22%左右，最小含水率低至15%。

圖11 不同河道滲流流量下各采樣點含水率變化曲線

因此，當區(qū)域滲流充分時，即對應(yīng)Q>Qb時，整個河道各區(qū)域含水率將穩(wěn)定在一定范圍保持不變，與滲流流量大小無明顯相關(guān)關(guān)系。

5 結(jié) 論

采用自然模型法，通過試驗?zāi)M了河道在自然演化過程中的滲流作用并分析了濕潤帶滲流規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1)在河道演化過程中，當河道床沙達到飽和狀態(tài)時，滲流損失量與來流量關(guān)系不大，主要取決于床沙組成、河岸狀態(tài)及河道水力坡降。床沙非均勻性一致時，粒徑越粗，則滲流能力越強；河道坡降越大，滲流量也越大。無植被河岸滲流能力較有植被河岸小，但河岸植被對滲流量的影響不是簡單的線性關(guān)系，與不同植被覆蓋率情況下河岸滲流通道的滲流能力及河床穩(wěn)定性有關(guān)。

(2)河道演化初始階段河床處于不飽和狀態(tài)時，河床區(qū)域含水率較低，而從長期來看，其含水率隨時間并沒有明顯的變化，穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

(3)河道演化至相對穩(wěn)定狀態(tài)時，含水率在空間上沿河床橫向濕潤帶形成穩(wěn)定的變化梯度，且達到穩(wěn)定梯度的歷時較滲流穩(wěn)定的歷時長得多。當河床滲流飽和時，區(qū)域含水率與其滲流量無關(guān)，保持在穩(wěn)定的區(qū)間內(nèi)。

本文只針對兩種級配的粗沙和細沙進行試驗，并且由于試驗組次的限制，僅分析了河流演化中的滲流規(guī)律，而關(guān)于滲流量與坡降、泥沙特性、河床區(qū)域大小等因素的具體函數(shù)關(guān)系等問題，還有待進一步分析研究。同時，本文僅也就滲流規(guī)律進行了定性描述，對其機理問題還須進行探討。