厚层非饱和黄土中优势流和活塞流的讨论_李同录.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2022/30(6)-1842-07李同录，汪颖，胡向阳，等 2022 厚层非饱和黄土中优势流和活塞流的讨论J 工程地质学报，30(6):18421848 doi:1013544/jcnkijeg20220511Li Tonglu，Wang Ying，Hu Xiangyang，et al 2022 Discussion on preferential flow and piston flow in thick loess vadose zoneJ Journal of EngineeringGeology，30(6):18421848 doi:1013544/jcnkijeg20220511厚层非饱和黄土中优势流和活塞流的讨论*李同录汪颖胡向阳李萍王宇(长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054，中国)(黄土高原水循环与地质环境教育部野外科学观测研究站，正宁 745300，中国)(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065，中国)摘要厚层黄土中包气带水的运动方式一直存在争议。一种认为是活塞流，另一种认为是优势流，也有人认为两者并存。本文通过现场观测和两个模型试验，揭示活塞流是包气带中水分的特有的运移方式;基于非饱和土的土水特征，进一步证明优势流仅存在于饱和土中。自然界的黄土多处于非饱和状态，因此活塞流是黄土包气带中水的主要运移方式，而优势流是暂态和局部的，仅出现在降雨时期的浅层饱和区，或者低洼的汇水区。黄土中的垂直节理、卸荷裂隙、动物洞穴和植物根孔等优势通道是地表汇流的排水通道，而不是地下水的补给通道。关键词黄土;包气带;地下水;优势流;活塞流中图分类号:P64文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220511*收稿日期:20220711;修回日期:20221025基金项目:国家重点研发计划项目(资助号:2021YFE0111900)，国家自然科学基金项目(资助号:42041006)This research is supported by the National Key D Program of China(Grant No 2021YFE0111900)and the National Natural Science Foundationof China(Grant No 42041006)第一(通讯)作者简介:李同录(1965)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事黄土工程地质、非饱和土力学方面的教学和研究工作工作 E-mail:dcdgx08chdeducnDISCUSSION ON PEFEENTIAL FLOW AND PISTON FLOW IN THICKLOESS VADOSE ZONELI TongluWANG YingHU XiangyangLI PingWANG Yu(School of Geological Engineering and Geomatics，Changan University，Xian 710054，China)(Observation and esearch Station of Water Cycle and Geological Environment for the Chinese Loess Plateau，Zhengning 745300，China)(Power China Northwest Engineering Corporation Limited，Xian 710065，China)AbstractThe mode of water migration in thick loess vadose zone has always been argued on preferential flow andpiston flow In this paper，the authors conducted in-situ observations and two model tests to demonstrate that pistonflow is the unique way of water migration in vadose zone in thick loess Based on flow behavior of unsaturated soil，it is also verified that preferential flow can only exist in saturated soils Loess in natural condition mainly exists asunsaturated state，so piston flow is the dominant flow mode in loess Preferential flow just occurs in shallow saturat-ed zone locally and in the raining periods temporally In addition，preferential paths in loess，such as verticaljoints，load release cracks，animal caves and root pores are the channels for surface water discharge rather thanthose for groundwater rechargeKey wordsLoess;Vadose zone;Groundwater;Preferential flow;Piston flow0引言黄土高原是由一系列独立的水文地质单元构成，这些单元以河流或深切的沟谷为边界，且黄土中的地下水只能单向补给河流，黄土的这一特性是由其成因和沉积环境决定的(张杰等，2021)。降雨或局部灌溉水的入渗是深厚层黄土中地下水的主要补给来源(李同录等，2018)。但是目前深厚层黄土中水的下渗方式仍然存在争议。黄土是一种多孔介质(洪勃等，2018)，其入渗一般被认为是活塞流或非饱和渗流(王德潜，1982;施德鸿等，1983;李云峰，1991)。然而，在雨后现场垂直剖面观察发现，长时间降雨后，黄土层中的湿润锋深度也仅在 2 m以内(李萍等，2014;张常亮等，2014;Zhang et al，2014)。在人工集中降雨或农田漫灌的情况下，湿润锋的深度也不超过 4 m(刘海松等，2008;Tu etal，2009;Xu et al，2011;李萍等，2013;Hou et al，2020)。湿润锋以上，主要以活塞流形式下渗，局部可观察到优势流;而湿润锋以下，既观察不到土层含水率的变化，也观察不到渗流现象。黄土中垂直节理、卸荷裂隙、动物洞穴和植物根系孔洞等宏观裂隙和孔隙在黄土剖面上十分发育(卢全中等，2005，2006;许领等，2009)，据此有人认为，沿着这些宏观裂隙和孔洞的优势流是厚层黄土中地下水补给的主要途径(李鑫等，2019;赵宽耀等，2020)。然而，当我们基于非饱和渗流理论来考察优势流问题时，不难发现优势流仅存于饱和土中，非饱和土中不可能存在优势流。巨厚层黄土大部分处于非饱和状态，活塞流是黄土中地表水补给地下水的唯一方式;优势流是暂态和局部的，仅出现在降雨时期的浅层饱和区或者低洼的汇水区。黄土中的宏观裂隙和孔洞等多发育在塬边或斜坡上，降雨或灌溉形成的汇流从这些宏观裂隙和孔洞流入，在坡下总能找到流出口，由此形成暗穴和落水洞等(杨亚军等，2021)。因此这些裂隙和孔洞是地表汇流的排水通道，而不是地下水的补给通道。下面我们通过现场观测、模型试验和理论分析来验证这一点。1野外现象的观察通过观察黄土层的垂直剖面可以发现，对整个深厚层黄土而言，一段较长时间的降雨形成的湿润锋的深度很浅。2021 年 8 月中到 10 月初，黄土高原的陇东地区降雨量远高于历年。在陕甘交界处，50 多天断断续续的降雨导致 G211 国道在黄土沟谷两侧的路基和边坡发生大量破坏。我们对破坏最严重的 K501 K505 段进行了现场调查，并针对降雨在黄土中的入渗深度作了测量。对一系列黄土剖面湿润锋测量发现，其深度介于 1.52.0 m，如图 1 所示。在湿润锋以上，雨水以活塞流的形式下渗。由于垂直剖面雨水淋不到坡面，湿润锋以下的黄土处于干燥状态。在降雨停止后，在蒸发和蒸腾作用下，湿润锋上移，水分向上移动，移动方式也是活塞流。而湿润锋以下，既观察不到土层含水量的变化，也观察不到水的流动，因此有人认为黄土中活塞流仅能达到湿润锋的位置，而不会继续下渗，也只能通过优势通道补给地下水。图 1黄土垂直剖面湿润锋深度Fig 1Depth of the wetting front on a vertical loess profile在黄土斜坡的露头上，垂直节理、根孔、虫孔和动物洞穴普遍发育，这些宏观裂隙和孔洞被称为优势通道，如图 2 所示。沿这些优势通道形成的集中水流即所谓的优势流。这种优势流在黄土中是否存在?优势流是否是降雨穿过厚层黄土补给深层地下水的主要方式呢?然而，如图 2 所示，这次降雨期间，我们观察了大量类似的优势通道，无论是张开的垂直节理，还是虫洞、鼠洞，都没有发现所谓的优势流，湿润锋都以均匀的活塞流形式下移，并没有受到裂隙和孔洞的影响。上述现象导致了一个矛盾的结果:一方面，降雨形成的活塞流入渗深度很浅，似乎和深层地下水没有联系;另一方面，优势流似乎也没有发生。那么，348130(6)李同录等:厚层非饱和黄土中优势流和活塞流的讨论图 2黄土剖面上发育垂直节理和动物孔洞，但没有优势流Fig 2Vertical joints and animal caves developed on loess profile，but there is no preferential flow表层黄土中的水是如何穿过厚层黄土，补给深层地下水的呢?为了回答这个问题，我们做了两个模型试验来说明。图 3带有砂透镜的黏性土中水流模拟模型试验Fig 3A model test to simulate water flow in loess with sand slots and sand lens2土层剖面垂直入渗模型试验试验在高 500 mm、宽 500 mm、厚 150 mm 的玻璃槽中进行，如图 3 所示。用干燥的、过 2 mm 筛的黄土填充玻璃槽。在充填玻璃槽的过程中，在模型的靠下部分设置了两个由粗砂构成的透镜体，在模型顶部设置两个裂隙。由于干黄土中裂隙不易成型，特制了两个“V”型槽，槽中填粗砂，以形成优势通道，并在模型顶部覆盖厚 20 mm 的粗砂。试验时向模型顶部均匀连续洒水，形成与砂层顶面平齐的水头，观察水的渗透情况。可以看出，洒水时水在“V”形砂槽中迅速下渗，然后渗入黄土，湿润锋在砂槽的下部明显低于其在附近黄土中的位置，这证明了优势流的存在。这一现象与罗扬等(2014)对黄土垂直节理中的渗流用数值模拟的结果一致。然而，当水下渗到与粗砂透镜体相遇时，透镜体并不像“V”形砂体中那样形成优势流，而成为水下渗的屏障。水分绕过了透镜体，在黄土中下渗。为什么水流在顶部砂槽和下部透镜体中表现出相反行为呢?模型顶部砂中出现优势流，而下部透镜体不仅没有形成优势流，而是形成了弱势流，并出现绕流的现象。这一点可用饱和流与非饱和流的特性来解释。表面砂土和黄土都接近饱和。砂土在饱和情况下的渗透系数大于黏性土，相同水力梯度下的渗流速度大于黏性土，因此在砂槽中形成优势流，并影响到湿润锋的深度。随着深度增大，黄土由饱和态转换到非饱和态，由饱和渗流转为非饱和渗流。对于非饱和流，渗透性取决于土水特征。图 4 是西安渭河砂和泾阳 L1 马兰黄土的土水特征曲线。比较砂土和黄土的土水特征可以看出，在相同的含水率下，如体积含水率都取 20%(图 4 的 AB 线)，砂土