王 珍，宋進喜，沈鵬云，任朝亮，于 芳

（西北大學 城市與環(huán)境學院，陜西 西安710127）

河流是全球水文循環(huán)過程中液態(tài)水在陸地表面流動的主要通道，對物質(zhì)、能量的傳遞和輸送起著重要作用，而地下水與河流之間存在著相互作用。研究表明，河流與地下水之間相互作用發(fā)生在河床以下并延伸至河岸帶和側(cè)向的可滲透的沉積區(qū)內(nèi)，稱之為潛流帶（hydraulic zone）。潛流帶是表面水和地下水雙向遷移和混合的區(qū)域［1］，可以引起污染物的滯留，河水中的污染物可能會進入潛流帶的沉積物中，同樣沉積物中的污染物釋放可能會引起上覆水的再次污染，這就是人們常說的河流二次污染［2］。近十幾年來，國際上對河床沉積物滲透系數(shù)野外試驗高度重視并得到廣泛研究。Landon等［3］和 Kelly等［4］采用不同測算方法進行對比分析；Springer等［5］和Calve等［6］對所測算滲透系數(shù)值做了統(tǒng)計分析（包括變化范圍，均值、誤差及變化特點）；Cardenas［7］和 Kennedy等［8］基于內(nèi)插法對滲透系數(shù)空間量值做了估算。對于某一河流而言，不同地點滲透系數(shù)值可以相差很大［6］。Chen［9］對美國3條河流不同斷面上的滲透系數(shù)值做了試驗測試，得出在里帕布利肯河和普拉特河不同斷面上所獲得的Kv平均值均比較相近，而在小布盧河不同斷面上的平均值有較大差異。在中國黃河河床沉積物滲透系數(shù)的試驗測試逐步得到專家關注與研究。王萬杰等［10］，范曉梅等［11］，胡俊峰等［12］分別使用原位滲透儀試驗法對黃河部分河段河床沉積物滲透系數(shù)進行了測定。遲寶明等［13］和尹立河等［14］分別對暨陽湖和大克泊湖滲透系數(shù)進行了測定。此外，陳實等［15］現(xiàn)場測定了海底沉積物滲透系數(shù)。定量研究河床沉積物滲透系數(shù)的空間變化，為研究地表水與地下水之間的水質(zhì)與水量關系提供了有力支持，對維持河流健康有十分重要的意義。對于渭河，水污染嚴重，水質(zhì)成分較為復雜，污染的河水下滲中水與沉積物間的化學動力作用會影響到河床滲透性的變化，因此，有必要從沉積物理化性質(zhì)方面對渭河河床滲透系數(shù)空間變化機理進行深入研究。

1 研究區(qū)概況

渭河是黃河最大支流，發(fā)源于甘肅省渭源縣西南的鳥鼠山北側(cè)，流域涉及甘肅、寧夏、陜西3省，于陜西省潼關縣注入黃河?？偭饔蛎娣e1.34×105km2，其中甘肅、寧夏、陜西的渭河流域面積分別占總流域面積44.1%，6.1%，49.8%。干流全長818km，寶雞峽以上為上游，河長430km，河谷川峽相間，河道狹窄，水流湍急；寶雞峽至咸陽為中游，河長180km，河道較寬，多沙洲，水流分散；咸陽至潼關入黃口為下游，河長208km，水流甚緩，河道寬闊平緩且泥沙淤積嚴重。渭河是陜西關中地區(qū)的生命河，關中地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展直接受到渭河流域生態(tài)環(huán)境健康的制約［16］。近20a來，由于工業(yè)廢水和城鎮(zhèn)生活污水入河排放量驟增，導致渭河全河段水質(zhì)嚴重惡化。在陜西省境內(nèi)，渭河80%以上的河段多年來處于劣Ⅳ類及Ⅳ類水質(zhì)現(xiàn)狀［17］。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，陜西省沿渭河4大主要城市西安、寶雞、咸陽和渭南從20世紀80年代開始就已大量開采地下水資源。由于渭河水受到嚴重污染，且渭河河水與潛層地下水相互補給［18］，污染物超標的河水補給了淺層地下水，造成地下水的污染［19］。同時，嚴重污染的沉積物對河流水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，直接關系到用水安全。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)的選取

通過對渭河陜西段整個河段的野外考察調(diào)研，收集渭河氣象水文、水質(zhì)、河床泥沙（包括沖淤量）數(shù)據(jù)、沉積物特性、地下水位觀測資料以及水資源開發(fā)利用、河床形態(tài)與演變方面的資料。通過對這些資料的分析，最終選取渭河中下游咸陽、臨潼、西安草灘和華縣4個具有代表性的研究區(qū)，在每個研究區(qū)沿水流方向布設多個測試點。各研究區(qū)試驗時間、GPS定位、布點數(shù)如表1所示，各研究區(qū)測試點布設情況如圖1所示。對選定點位的河床做試驗測試，測量并計算河床沉積物滲透系數(shù)。

表1 各研究區(qū)試驗時間、GPS定位、布點數(shù)

2.2 河床滲透系數(shù)的測定

本次試驗采樣測定于2011年10，11月和2012年10，11月進行，采用變水頭滲透試驗方法測定沉積物滲透系數(shù)。具體過程為：將一根長160cm，外徑60mm的上下開口薄壁透明聚碳酸脂管子直立打入河床沉積物至40～60cm，通過人工往管子里注水，記錄不同時間管子里的水頭高度，每個原位滲透測定水位記錄超過4次，以此來獲取計算垂直滲透系數(shù)Kv所需的各項參數(shù)。用下面的公式［20］計算Kv值：

式中：Kv——測點的垂向滲透系數(shù)（cm／s）；D——立管內(nèi)徑（cm），D＝5.4cm；Lv——立管中沉積物的長度（cm）；h1——t1時 刻 立 管 內(nèi) 水 頭 高 度 （cm）；h2——t2時刻立管內(nèi)水頭高度（cm）。

依據(jù)Chen［9］的研究結(jié)果，水平方向滲透系數(shù)值對水頭影響不大。m＝，當Lv／D＞10，取m＝1或m＝10，兩者所計算的Kv誤差值＜2.5%。沉積物各向同性取m＝1，沉積物異常各向異性取m＝10。在此次研究中，沉積物原位測量時平均厚度為46cm，因而Lv／D≈8.5，計算中，當m取值為10時，由此可能產(chǎn)生的誤差較小，誤差值＜3%。

圖1 各測試區(qū)測試點位布設

2.3 沉積物指標測定分析方法

在滲透系數(shù)測定之后，用橡膠蓋將立管上方蓋上以隔絕空氣從沉積物拔出，取出沉積物裝進采樣袋帶回實驗室。在自然通風條件下晾干、研磨、過篩做粒度分析和化學指標的測定，粒徑＞0.075cm的被歸為粉沙和黏土，粒徑在0.075～2cm的為沙，粒徑＞2cm的為礫石?；瘜W指標則采用現(xiàn)行的土壤指標國家標準對泥樣進行分析。在SPSS中，采用皮爾森相關系數(shù)法［21］對這些指標與河床滲透系數(shù)進行相關性計算。

3 結(jié)果與討論

3.1 河床沉積物滲透系數(shù)分析

用式（1）對河床沉積物的滲透系數(shù)進行計算，所測沉積物厚度在37～59.00cm，平均厚度為46.00cm。Kv測定值在0.23～18.74m／d，平均值為5.13m／d。其中，草灘研究區(qū)河床沉積物Kv值范圍在0.51～61.3m／d，均值18.74m／d；咸陽Kv值范圍在0.02～1.17m／d，均值為0.25m／d；臨潼Kv值范圍在0.03～5.81m／d，均值為1.31m／d；華縣Kv值范圍在0.02～1.80m／d，均值為0.23m／d。沉積物Kv值在空間分布上呈現(xiàn)出西安草灘最大，臨潼次之，咸陽和華縣相差不大（表2），可見對于同一河流而言，不同地點滲透系數(shù)值可以相差很大，這與Calver［6］的研究結(jié)果一致。

大多研究者認為，由于洪水帶來細小物質(zhì)隨著洪水消退形成淤積降低了河床表層沉積物滲透性能并進而降低了交錯帶水力交換能力［22］，沉積物中淤泥淤積會阻塞河水垂直滲透。通過對野外試驗取回的試樣觀察，在咸陽等滲透系數(shù)較小的測試點，發(fā)現(xiàn)豎管內(nèi)的沉積物中有明顯黑色淤泥淤積。河道形態(tài)在一定程度上也影響著滲透系數(shù)。在咸陽研究區(qū)，由于受3號橋及下游人工湖影響，流速減緩，淤積現(xiàn)象嚴重，滲透性能較差，Kv值小至0.02m／d，基本不滲透；在華縣研究區(qū)，由于研究河段河道較曲折，流速較緩，河流對沉積物的沖刷能力較弱，形成不同厚度的淤泥堆積，且含水量較大，形成了弱透水層，在測試中管內(nèi)水頭長時間內(nèi)下降不明顯，Kv值普遍較??；在草灘、臨潼試驗點，研究區(qū)河道平直，流速較大，不易產(chǎn)生淤積，基本不存在淤泥淤積現(xiàn)象。因此，各個研究區(qū)所測得的滲透系數(shù)有所不同。

表2 沉積物厚度及相應的Kv值

3.2 Kv值與沉積物理化性質(zhì)相關性分析

影響河床沉積物滲透系數(shù)的影響因素較多。本文通過研究沉積物理化學性質(zhì)來體現(xiàn)其對滲透系數(shù)的影響。采用皮爾森相關系數(shù)法對這些指標與河床滲透系數(shù)進行相關性計算，通過SPSS相關分析，得到河床沉積物滲透系數(shù)與沉積物的理化性質(zhì)的相關性系數(shù)（表3）。

表3 沉積物的理化性質(zhì)與河床滲透系數(shù)相關性

由皮爾森相關性分析結(jié)果看，沉積物理化性質(zhì)指標中的鉛、鎘、鐵、錳、總磷化學指標與Kv值的相關系數(shù)r＞0，與河床滲透系數(shù)為正相關，即河床滲透系數(shù)呈隨著河水中這些化學指標的含量的增大而增大的趨勢。銅、鋅、汞化學指標與Kv值的相關系數(shù)r＜0，與河床沉積物滲透系數(shù)呈負相關性，即河床滲透系數(shù)呈隨著河水中這些化學指標的含量的增大而減小的趨勢。這是因為當沉積物中汞、銅、氮等的含量增大時，沉積物污泥因溶解和沉淀、氧化與還原、交替與吸附、成絡與配位等作用膨脹而空隙減小，滲透性能降低，所以Kv值減小。在沉積物的化學指標中，影響沉積物滲透系數(shù)的主要因子為總磷、錳、鐵且隨著指標含量增大滲透系數(shù)有增大的趨勢。這說明沉積物的化學性質(zhì)是影響滲透系數(shù)的一個因素，但不能完全決定滲透系數(shù)的大小，Kv值還與沉積物的物理指標有一定的關系。在沉積物的物理指標中，滲透系數(shù)與沉積物中的沙和礫石的含量呈正相關，與粉沙和黏土的含量呈負相關。

一般認為，河床沉積物滲透系數(shù)主要由沉積物顆粒大小所決定。大粒徑含量較多的試驗點，顆粒之間孔隙較大，水的滲透路徑較暢通，河流通過沉積物顆粒進入河床的滲透率較大；小粒徑沉積物具有較小的孔隙率，并且由于其粒徑較小，顆粒在大顆粒中填充，在一定程度上會降低沉積物的滲透能力，當粒徑很小的顆粒物大量堆積時就會產(chǎn)生淤塞。對采集樣品的粒徑分析表明，草灘研究區(qū)河床沉積物屬于沙質(zhì)堆積，大多為沙粒，沙質(zhì)量百分比達到92%，且存在較大的礫石，因而大顆粒與小顆?；旌虾箢w粒之間的孔隙較大，河流通過河床沉積物垂直下滲能力較強，試驗時管內(nèi)水頭下降較快，該研究區(qū)的測量值較大；臨潼研究區(qū)河床與草灘較為相似，沉積物中也大多為沙粒，沙質(zhì)量百分比為84%，但沉積物中并沒有發(fā)現(xiàn)有較大粒徑的礫石，小粒徑的顆粒組合滲透能力較差，因而Kv值低于西安草灘；咸陽、華縣研究區(qū)沉積物主要為粉沙和黏土，其質(zhì)量百分比分別為35%和31%，細小沉積物在水的填充作用下形成弱透水性的淤塞層，滲透性能較差。因此，河床沉積物Kv值在粉沙和黏土等小粒徑含量較少的研究河段（西安草灘、臨潼）明顯高于粉沙和黏土小粒徑含量較多的研究河段（咸陽、華縣），說明粒徑大小對Kv的影響起著關鍵作用。分析結(jié)果與實測滲透系數(shù)大小基本符合，也與當前學者研究結(jié)論一致。因為每個研究區(qū)沉積物的理化性質(zhì)和成因均有所不同，所以測定的Kv值表現(xiàn)出各自的變化規(guī)律，在草灘和臨潼滲透系數(shù)隨水流方向增大，而在咸陽研究區(qū)滲透系數(shù)隨水流方向先減小后增大，眉縣研究區(qū)呈現(xiàn)出隨水流方向滲透系數(shù)減小的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

對河床沉積物滲透系數(shù)及Kv值與沉積物理化性質(zhì)相關性的分析結(jié)果表明，Kv值在0.23～18.74m／d，平均值為5.13m／d，沉積物Kv值在空間分布上呈現(xiàn)出草灘鎮(zhèn)測點最大，臨潼區(qū)次之；華縣和咸陽市相測點差不大。研究點Kv平均值分別為18.74，1.31，0.23，0.25m／d。通過對Kv與沉積物理化性質(zhì)的相關性分析得出，在沉積物的化學指標中，錳、總磷、鐵，有隨著其含量增大滲透系數(shù)增大的趨勢；在沉積物的物理指標中，影響沉積物滲透系數(shù)的主要因子為沙和礫石，且有隨著含量增大滲透系數(shù)增大的趨勢。

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