王 珍，宋進(jìn)喜，沈鵬云，任朝亮，于 芳

（西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)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(jìn)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(jìn)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(guān)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(jìn)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(jìn)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(guān)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(yán)重，水質(zhì)成分較為復(fù)雜，污染的河水下滲中水與沉積物間的化學(xué)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(jī)理進(jìn)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(guān)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(guān)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(yán)重。渭河是陜西關(guān)中地區(qū)的生命河，關(guān)中地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)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(dǎo)致渭河全河段水質(zhì)嚴(yán)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(jì)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(jì)80年代開始就已大量開采地下水資源。由于渭河水受到嚴(yán)重污染，且渭河河水與潛層地下水相互補(bǔ)給［18］，污染物超標(biāo)的河水補(bǔ)給了淺層地下水，造成地下水的污染［19］。同時，嚴(yán)重污染的沉積物對河流水質(zhì)產(chǎn)生較大的影響，直接關(guān)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(shè)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(shè)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(jìn)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(dāng)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(dāng)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(shè)

2.3 沉積物指標(biāo)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(jìn)采樣袋帶回實驗室。在自然通風(fēng)條件下晾干、研磨、過篩做粒度分析和化學(xué)指標(biāo)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(xué)指標(biāo)則采用現(xiàn)行的土壤指標(biāo)國家標(biāo)準(zhǔn)對泥樣進(jìn)行分析。在SPSS中，采用皮爾森相關(guān)系數(shù)法［21］對這些指標(biāo)與河床滲透系數(shù)進(jìn)行相關(guān)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(jìn)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(rèn)為，由于洪水帶來細(xì)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(jìn)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(yán)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(yīng)的Kv值

3.2 Kv值與沉積物理化性質(zhì)相關(guān)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(xué)性質(zhì)來體現(xiàn)其對滲透系數(shù)的影響。采用皮爾森相關(guān)系數(shù)法對這些指標(biāo)與河床滲透系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性計算，通過SPSS相關(guān)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(guān)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(guān)性

由皮爾森相關(guān)性分析結(jié)果看，沉積物理化性質(zhì)指標(biāo)中的鉛、鎘、鐵、錳、總磷化學(xué)指標(biāo)與Kv值的相關(guān)系數(shù)r＞0，與河床滲透系數(shù)為正相關(guān)，即河床滲透系數(shù)呈隨著河水中這些化學(xué)指標(biāo)的含量的增大而增大的趨勢。銅、鋅、汞化學(xué)指標(biāo)與Kv值的相關(guān)系數(shù)r＜0，與河床沉積物滲透系數(shù)呈負(fù)相關(guān)性，即河床滲透系數(shù)呈隨著河水中這些化學(xué)指標(biāo)的含量的增大而減小的趨勢。這是因為當(dāng)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(luò)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(xué)指標(biāo)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(biāo)含量增大滲透系數(shù)有增大的趨勢。這說明沉積物的化學(xué)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(biāo)有一定的關(guān)系。在沉積物的物理指標(biāo)中，滲透系數(shù)與沉積物中的沙和礫石的含量呈正相關(guān)，與粉沙和黏土的含量呈負(fù)相關(guān)。

一般認(rèn)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(jìn)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(dāng)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(dá)到92%，且存在較大的礫石，因而大顆粒與小顆粒混合后顆粒之間的孔隙較大，河流通過河床沉積物垂直下滲能力較強(qiáng)，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(xì)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(guān)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(dāng)前學(xué)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(guān)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(guān)性分析得出，在沉積物的化學(xué)指標(biāo)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(biāo)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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