葛佳亮， 嚴(yán) 婷， 呂 敬， 董 潔， 柯賢敏

(1.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學(xué) 旱區(qū)地下水與生態(tài)效應(yīng)教育部重點實驗室， 陜西 西安 710054；)

1 研究背景

渭河是黃河的一級支流[1]。近年來，渭河河道泥沙淤積嚴(yán)重，河床抬高，造成了雨季洪水多發(fā)的局面[2]。因此，研究地表水與地下水之間的交互作用是渭河流域生態(tài)環(huán)境的重要課題。作為水文地質(zhì)學(xué)中的重要參數(shù)之一，河漫灘沉積物和河床的滲透系數(shù)影響著地表水與地下水之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[3]。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已進行大量關(guān)于沉積物滲透系數(shù)的研究工作，集中探討了其測定方法、分布規(guī)律及空間變異性特征等。學(xué)者們普遍使用Hvorslev[4]提出的豎管試驗法及其改進方法[5-7]，這些方法測定沉積物滲透系數(shù)時具有較高的實用性及可靠性。同時，很多學(xué)者通過研究得出沉積物滲透系數(shù)值服從正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，如趙佳莉等[8]在對灤河下游河床沉積物滲透系數(shù)的研究及CHEN[9]在對Platte River沉積物滲透系數(shù)的試驗中皆發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)近似服從正態(tài)分布；施小清等[10]通過對含水層滲透系數(shù)空間變異特征的研究表明含水層滲透系數(shù)服從對數(shù)正態(tài)分布，劉文婷等[11]及束龍倉等[12]的研究也得出類似結(jié)論。此外，在沉積物滲透系數(shù)空間變異性方面的研究也取得了一定的進展，如宋進喜等[13]、來文立等[14]及趙佳莉[15]發(fā)現(xiàn)河床沉積物垂向滲透系數(shù)隨深度增加而減??；米海存等[16]應(yīng)用地統(tǒng)計學(xué)原理分析得出渭河漫灘飽和帶垂向滲透系數(shù)具有較強的空間變異性；束龍倉等[17]在美國Platte River的研究表明在垂向上河床沉積物的滲透系數(shù)具有一定各向異性?？梢园l(fā)現(xiàn)國內(nèi)外絕大多數(shù)學(xué)者的研究都集中在河床區(qū)域，對漫灘沉積物滲透系數(shù)的研究較少，而在洪水多發(fā)季節(jié)，漫灘沉積物滲透性對地表水與地下水的交互作用有重要的影響[18]。因此研究河漫灘沉積物滲透系數(shù)空間變異性特征，對河流流域生態(tài)環(huán)境的修復(fù)與保護有重要意義。本文在渭河臨潼段河漫灘內(nèi)選取6個試驗段，采用豎管法和雙環(huán)法分別測定漫灘飽和帶和非飽和帶滲透系數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，研究漫灘沉積物滲透系數(shù)的空間變異性，相關(guān)結(jié)果可為渭河水資源保護和生態(tài)環(huán)境的修復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

2 研究區(qū)概況及研究方法

2.1 研究區(qū)概況

渭河發(fā)源于甘肅省定西市渭源縣的鳥鼠山，在陜西省渭南市潼關(guān)縣匯入黃河，干流全長818 km，總流域面積達(dá)13.5×104km2。渭河陜西段主要經(jīng)過寶雞、楊凌、咸陽、西安、渭南5個地區(qū)，陜西境內(nèi)全長約502 km，位于陜西省的中部[19-20]。本次主要以渭河下游臨潼段為試驗區(qū)段，試驗區(qū)位于灞河入渭河口到臨潼區(qū)西口村，即臨潼區(qū)與高陵縣之間(34°25′56.55″～34°26′53.70″N，109°01′01.11″～109°15′E)，在該段渭河左右岸漫灘飽和帶及非飽和帶進行試驗。

2.2 研究方法

2.2.1 試驗設(shè)計 選擇平整、有一定高差，植被較少的漫灘和比較平整、沒有陡坡的河床段作為試驗段。測試段共6個，沿河岸自上游向下游布設(shè)，試驗點沿河岸自上游向下游單排布設(shè)，間隔為5 m。左岸選取2個試驗段，共布設(shè)44個飽和帶豎管試驗點和2個非飽和帶雙環(huán)試驗點；右岸選取3個試驗段，共布設(shè)94個飽和帶豎管試驗點和4個非飽和帶雙環(huán)試驗點。其中試驗段W1試驗點分布見圖1。

圖1 試驗段W1試驗點分布示意圖

2.2.2 雙環(huán)試驗法 本文選擇潛水埋藏深度大于5 m的河漫灘做為試驗區(qū)，清理地面雜草并布設(shè)試坑，試驗開始前，在試坑底嵌入兩個高50 cm、直徑分別為0.25和0.50 m的鐵環(huán)。試驗開始后同時向內(nèi)、外鐵環(huán)內(nèi)注水，每個觀測期內(nèi)總注水量為350 mL，注水時控制內(nèi)、外環(huán)的水位都在10 cm處，并記錄每注入350 mL水所需的時間。開始時滲入量大，觀測間隔為1 min，單位時間滲入水量達(dá)到相對穩(wěn)定后，再繼續(xù)觀測3 h，結(jié)束試驗。雙環(huán)法滲透系數(shù)計算公式為[21]：

(1)

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為穩(wěn)定滲流量，m3/d；ω為滲坑底面積，m2；I為水力梯度。

2.2.3 豎管試驗法 本文選擇河床比較平坦、河水較淺處做為試驗區(qū)，將聚乙烯管直接打入河床沉積物30 cm深，并將聚乙烯管中灌滿水，放入水位計，試驗計時1 h。河床沉積物垂向滲透系數(shù)的計算公式為[22]：

(2)

式中：LV為聚乙烯管所取沉積物厚度，cm；h1、h2分別是豎管中兩個時刻t1和t2所對應(yīng)的水頭值。

將實測豎管法滲水試驗和雙環(huán)滲水試驗數(shù)據(jù)代入公式(2)得到河床沉積物滲透系數(shù)。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理 地統(tǒng)計學(xué)的基本原理和方法已在許多文獻(xiàn)中有詳細(xì)的描述[23-24]。不同空間位置上河漫灘飽和滲透系數(shù)與測試點在空間中的位置有關(guān),是空間距離的函數(shù)。因此, 渭河河床沉積物滲透系數(shù)可采用變異函數(shù)來描述：

(3)

式中：γ*(h)為空間距離h點的試驗變異函數(shù)[25]；Z(xi)和Z(xi+h)分別表示空間位置點xi和xi+h上漫灘飽和滲透系數(shù)的實測值(i=1，2，……，N(h))。

運用GS+9.0軟件通過公式(3)計算各研究區(qū)測試點變異函數(shù)值,發(fā)現(xiàn)采用指數(shù)模型(公式4)對變異函數(shù)值進行最優(yōu)擬合為最佳。

(4)

式中：C0為塊金常數(shù)，代表區(qū)域化變量是由非采樣間距造成的變異，是由微觀結(jié)構(gòu)變化和觀測誤差所決定的隨機變化成分；C0+C值稱為總基臺值，它的大小反映變量的在測量范圍內(nèi)的最大變異程度，當(dāng)變異函數(shù)γ(h)達(dá)到這個極限值后，變異函數(shù)γ(h)值將不再遞增而是在這個值附近上下波動；a為變程值。

3 結(jié)果與分析

雙環(huán)試驗所得滲透系數(shù)在1.30～6.08 m/d之間(見表1)，平均值為3.62 m/d。滲透系數(shù)較大，但河兩岸滲透系數(shù)差別不大，試驗點沉積物主要以細(xì)砂為主，未見有淤泥質(zhì)和腐殖質(zhì)層。

表1 雙環(huán)法滲水試驗實測滲透系數(shù)

表2為基于渭河漫灘138個豎管試驗點的飽和滲透系數(shù)經(jīng)典統(tǒng)計學(xué)分析。由表2可看出，渭河左岸漫灘沉積物飽和滲透系數(shù)為0.003～1.376 m/d，右岸飽和滲透系數(shù)為0.002～1.763 m/d，滲透系數(shù)均較小，但左、右岸差別不大。采用Matlab軟件中的c檢驗方法對實測數(shù)據(jù)的KV值及l(fā)nKV數(shù)據(jù)分別進行統(tǒng)計檢驗分析，發(fā)現(xiàn)試驗段中除了W3與W5的KV值正態(tài)檢驗及對數(shù)正態(tài)檢驗效果不佳之外，其他試驗段均符合正態(tài)分布；分別對整個左岸、右岸進行Matlab統(tǒng)計檢驗分析，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)在沿河流方向上符合正態(tài)分布規(guī)律。

一般CV≤10%為弱變異性；10%

表2 豎管法滲透系數(shù)計算值

4 討 論

半變異函數(shù)是地統(tǒng)計學(xué)所特有的,是區(qū)域化變量在分隔距離上各樣本變異的度量,并被證明是研究那些在空間分布上既有隨機性又有結(jié)構(gòu)性的自然現(xiàn)象的有效工具[27]，因而所測得的渭河河床沉積物滲透系數(shù)的空間變異性具有結(jié)構(gòu)性及隨機性的特點。對滲透系數(shù)進行變異函數(shù)擬合(圖略)，變異函數(shù)擬合參數(shù)見表3。

4.1 滲透系數(shù)空間變異性程度

從結(jié)構(gòu)性的角度，常用C與C0+C的比值來量化所研究變量的空間相關(guān)性，試驗段C0/(C0+C)值在0.781～0.998，根據(jù)Cambardella等[28]所提出的區(qū)域化變量的空間相關(guān)程度分級標(biāo)準(zhǔn)，6個試驗段KV的C/(C0+C)比值均大于0.75，說明6個試驗段的KV空間變異性主要由隨機性因子造成的，空間相關(guān)性較弱。

4.2 滲透系數(shù)空間變異性尺度

空間變異性與尺度有關(guān),空間變異性分析就必須要考慮尺度的問題[29]。變程是一個在地統(tǒng)計學(xué)理論分析中的重要參數(shù),其大小反映了區(qū)域化變量的空間異質(zhì)性的尺度或空間自相關(guān)的尺度[30]，6個試驗段的KV變程值a分別為0.13、7.1、2.8、1.8、0.1、9.0 m， W1與W5的自相關(guān)性較差，這與河流沉積物結(jié)構(gòu)因素和隨機因素有很大關(guān)系，但是所測得渭河河床沉積物滲透系數(shù)都具有空間自相關(guān)性。

表3 變異函數(shù)擬合參數(shù)

5 結(jié) 論

(1)渭河漫灘沉積物非飽和滲透系數(shù)較大，飽和滲透系數(shù)較小，這是由于漫灘非飽和帶的沉積層中含砂量較大，淤泥質(zhì)和泥土含量較低，而飽和帶試驗河段河水流速較緩，河流沉積作用顯著，河流對沉積物的沖刷能力較弱，形成不同厚度且層次分明的含淤泥沉積層，淤泥中含有大量的黑色腐殖質(zhì)，形成了弱透水層。

(2)渭河漫灘沉積物飽和滲透系數(shù)在空間上符合正態(tài)分布規(guī)律，反映樣品數(shù)據(jù)離散程度的變異系數(shù)均為中等變異或強變異。

(3)指數(shù)模型可以很好地擬合渭河漫灘沉積物飽和滲透系數(shù)，滲透系數(shù)空間相關(guān)性較弱，渭河漫灘沉積物滲透系數(shù)均具有空間自相關(guān)性，但試驗段W1與W5的自相關(guān)性較差。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王 珍,宋進喜,段孟辰,等. 渭河陜西段河水水質(zhì)COD、NH3—N變化特征分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報,2013,24(3)：64-68.

[2] 郭向東. 渭河中下游河道2009年過洪能力分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報,2011,22(2):137-141.

[3] 高 敏. 半干旱地區(qū)河床滲透系數(shù)空間變異性研究[D]. 西安：長安大學(xué),2012.

[4] HVORSLEV M J. Time lag and soil permeability in ground water observations, waterways experiment station, corps of engineers[J]. U.S.Army Bulletin, 1951,36(118).

[5] CHEN Xunhong. Measurement of streambed hydraulic conductivity and its anisotropy[J]. Environmental Geology, 2000, 39(12):1317-1324.

[6] WANG Wenke, LI Junting, WANG Wenming, et al. Estimating streambed parameters for a disconnected river[J]. Hydrological Processes, 2014,28 (10)：3627-3641.

[7] LANDON M K,RUS D L,HARVEY F E. Comparison of instream methods for measuring hydraulic conductivity in sandy streambeds[J]. Groundwater,2001,39(6):870-885.

[8] 趙佳莉,王文科,王周鋒，等. 河床沉積物滲透系數(shù)空間變異性研究——以灤河下游為例[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014,41(3):13-20.

[9] CHEN Xunhong. Statistical and geostatistical features of streambed hydraulic conductivities in the Platte River,Nebraska[J]. Environmental Geology,2005,48(6):693-701.

[10] 施小清,吳吉春,袁永生. 滲透系數(shù)空間變異性研究[J].水科學(xué)進展,2005,16(2):210-215.

[11] 劉文婷,朝倫巴根,劉艷偉,等.地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)方法在滲透系數(shù)空間變異性研究中的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟,2010,16(4):364-366.

[12] 束龍倉，CHEN Xunhong. 美國內(nèi)布拉斯加州普拉特河河床沉積物滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定[J].水科學(xué)進展,2002,13(5):629-633.

[13] 宋進喜,CHEN Xunhong,CHENG Cheng,等. 美國內(nèi)布拉斯加州埃爾克霍恩河河床沉積物滲透系數(shù)深度變化特征[J]. 科學(xué)通報,2009,54(24):3892-3899.

[14] 來文立，宋進喜，沈鵬云.渭河河床沉積物垂向滲透系數(shù)深度變化分析[J].西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013,43(1)：109-114.

[15] 趙佳莉. 格爾木河河床沉積物滲透系數(shù)變異性研究[D]. 西安：長安大學(xué),2014.

[16] 米海存,CHEN Xunhong,何紅曼,等. 渭河漫灘飽和帶垂向滲透系數(shù)研究[J].水資源與水工程學(xué)報,2014,25 (1):62-66.

[17] 束龍倉,李 偉. 北塘水庫庫底地層滲透系數(shù)的隨機特性分析[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版),2007,37 (2)：216-220.

[18] 范曉梅,劉高煥,束龍倉,等. 黃河三角洲沉積環(huán)境和沉積物滲透系數(shù)的現(xiàn)場實驗測定[J]. 水資源與水工程學(xué)報,2008,19(5):6-10.

[19] 米海存,CHEN Xunhong,何紅曼,等. 渭河河漫灘沉積物滲透性研究[J]. 水文地質(zhì)工程地質(zhì),2014,41(4):19-23.

[20] 雷江群,黃 強,暢建霞,等. 渭河流域氣候要素演變特性分析[J]. 水資源與水工程學(xué)報,2014,25(5):1-5.

[21] 簡文星,許 強,吳 韓,等. 三峽庫區(qū)黃土坡滑坡非飽和水力參數(shù)研究[J]. 巖土力學(xué),2014,35(12):3517-3522.

[22] CHEN Xunhong．Depth-dependent hydraulic conductivity distribution patterns of a streambed[J]．Hydrological Processes，2011，25(2)：278-287．

[23] STEWART B A. Advances in soil science：Volume 3[M]//WEBSTER R. Quantitative spatial analysis of soil in the field， New York：Springer，1985：1-70.

[24] ROBERTSON G P,CRUM J R,ELLIS B G. The spatial variability of soilresource following long-term disturbance[J].Oecologia,1993,96(4):451-456.

[25] 劉蒙蒙. 涇陽縣南塬黃土邊坡滲透系數(shù)變異性分析[D]. 西安：長安大學(xué),2015.

[26] 呂 敬,柯賢敏,張小筱,等. 涇陽南塬黃土邊坡飽和滲透系數(shù)變異性分析[J]. 水土保持通報. 2017,37(3)：254-257.

[27] 劉賢趙,李 濤. 渭北旱塬蘋果基地土壤水分空間變異性研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(S1):33-38.

[28] CAMBARDELLA C A,MOORMAN T B,PARKIN T B,et al. Field-scale variability of soil properties in central Iowa soils[J]. Soilence Society of America Journal,1994,58(5):1501-1511.

[29] 曹 偉,魏光輝,莊亮亮. 基于地統(tǒng)計學(xué)的田間尺度下土壤鹽分離子空間變異研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報,2014,25(1):148-151.

[30] 王 波,毛任釗,曹 健,等.海河低平原區(qū)農(nóng)田重金屬含量的空間變異性——以河北省肥鄉(xiāng)縣為例[J]. 生態(tài)學(xué)報,2006,26(12):4082-4090.