沙潁河河床沉積物滲透性規(guī)律分析

車巧慧，陶建華，俞晶娜

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230009;3.安徽省淮北市稅務(wù)局，安徽 淮北 235000)

地表水與地下水之間存在密切的水力聯(lián)系，其中河床沉積物的滲透性直接決定著二者交換水量的大小。河床沉積物滲透系數(shù)的空間變異性很大[1，2]，且該值的空間變化能加速河流 -地下水水量交換過程[3]。因此，研究河床沉積物滲透規(guī)律，對解決河流地下水問題有著重要的意義。

國外有關(guān)河床沉積物滲性規(guī)律的研究較多，束龍倉和CHEN采用豎管法測定了美國內(nèi)布拉斯州普拉特河河床沉積物滲透系數(shù)，結(jié)果表明:普拉特河床沉積物剖面上具有一定的各向異性，平面上為非均勻介質(zhì)[4];Christine et al.通過測量California中部海岸的Pajaro河河床滲透率，分析得到河床滲透系數(shù)空間和時間上的變異性[5]。

然而，國內(nèi)關(guān)于河流河床沉積物滲透規(guī)律的研究較少。本文采用原位豎管法和變水頭滲透儀法測定沙潁河界首、太和和阜陽實驗點處河床滲透系數(shù)，對比分析兩種方法實驗結(jié)果，探討沙潁河河床沉積物滲透性規(guī)律，為研究該地區(qū)地表水和地下水水量交換提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沙潁河位于安徽省西北部，是淮河最大的支流，河道全長620 km，河流域面積近4 000 km2。流域?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，多年平均氣溫14.5～15.0℃，流域內(nèi)降水量由東南向西北遞減，多年平均降水量641.2 mm，6～9月降水量占全年降水量的65%左右。平均年徑流量59.2億 m3。流域內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沉積的粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土、砂壤土、和中細砂、極細砂層。地下水類型為潛水，局部微具承壓性，主要賦存于砂層及壤土層中。沙潁河河床高程約19 m，河道斷面20多年間基本保持穩(wěn)定，河底、河岸沖淤變化甚微。

2 河床沉積物滲透系數(shù)的測定

2.1 野外豎管法

豎管法實驗采用長1 m，直徑為50 mm和75 mm的PVC管制作的豎管和任意夾角管，測定沙潁河不同位置的垂向和任意方向的河床沉積物滲透系數(shù)，設(shè)計形式如圖1所示。

圖1 豎管法測河床沉積物滲透系數(shù)示意圖

根據(jù)Chen的研究成果[6]，河床沉積物垂向滲透系數(shù) Kv可用下式計算:

式中:Kv為河床的垂向滲透系數(shù);Lv為測管內(nèi)河床沉積物的長度(圖1A);h1、h2分別為測管中 t1、t2時刻的水頭值。同理，任意方向滲透系數(shù)Ks可用式(2)來計算。

式中:Ls為壓入河床沉積物中的任意夾角測管中河床沉積物長度(圖1B)。

本次實驗選在沙潁河界首至阜陽段，豎管布置情況如圖2和表1所示。

豎管法測量河床沉積物滲透系數(shù)的具體方式有人工梯度法和自然梯度法兩種。本次試驗采用人工梯度法進行測量，即將豎管迅速、謹(jǐn)慎地壓入河床沉積物中，壓入時使豎管的豎直部分保持直立，向豎管中加水，以豎管頂端某一固定點為基準(zhǔn)點，記錄管中水頭隨時間的變化情況。界首-太和段沙潁河河床沉積物粒徑小，管內(nèi)水頭下降速度慢，試驗時間均較長，觀測間隔開始為 5 min，10 min，20 min，30 min，最終每隔60 min記錄一次觀測數(shù)據(jù)。

表1 各實驗點豎管布設(shè)一覽表

圖2 河床沉積物滲透系數(shù)測量實驗點分布示意圖

2.2 變水頭滲透儀法

變水頭滲透儀法實驗利用TST-55型滲透儀(見圖3)測定界首1號實驗點和太和3號實驗點河床沉積物滲透系數(shù)。滲透儀一般用于在實驗室內(nèi)使用，實驗中為了避免河床沉積物在運輸過程中受到擾動，引起實驗結(jié)果的誤差，開展實驗時，將滲透儀帶到了野外現(xiàn)場。

圖3 TST-55滲透儀及其測定滲透系數(shù)示意圖

該滲透儀以達西定律為理論基礎(chǔ)，工作時，記錄水頭隨時間變化過程，按下式計算河床沉積物滲透系數(shù):

式中:常數(shù)2.3為自然對數(shù)和常用對數(shù)之間的換算系數(shù);a為橡膠管的橫截面積;L為滲徑;A為試樣的斷面面積;h1、h2分別為 t1、t2時刻的玻璃直管的水位;t=t1-t2。

3 河床沉積物滲透規(guī)律分析

3.1 實驗結(jié)果對比分析

野外豎管法實驗測得14組數(shù)據(jù)，根據(jù)式(1)、式(2)計算得各試驗點河床沉積物滲透系數(shù)，如表2所示。

表2 野外實測各實驗點河床沉積物滲透系數(shù)

根據(jù)式(3)計算得到滲透儀法實驗結(jié)果:界首和太和實驗點處河床沉積物的滲透系數(shù)分別為 0.15 m/d和 0.002 m/d。

以界首處實驗結(jié)果KV值大小為例，如表3所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出兩種實驗方法得出的河床沉積物滲透系數(shù)差別較大。分析得到界首處滲透儀法實驗結(jié)果偏小的可能原因:

表3 野外豎管法與滲透儀法實驗結(jié)果對比一覽表

(1)實驗點位置不完全相同。如圖4所示，在水中使用環(huán)刀取樣難以實現(xiàn)，滲透儀實驗取樣地點選在岸邊無水處，為盡量取得原狀土，取樣時剝除了最表層土0.5～1 cm。

圖4 滲透儀法與豎管法試驗位置對比

(2)實驗取樣深度不一樣。在豎管法中，壓入 PVC管內(nèi)的河床沉積物的高度為20 cm，試樣中含有灰黑色淤泥。然而，滲透儀法取樣在河岸地表處，所取試樣高度僅為40 cm，試樣巖性為粉細砂，用洛陽鏟在滲透儀法取樣處鉆孔，發(fā)現(xiàn)砂層下分布有淤泥質(zhì)粘土，而后又見細粉砂，導(dǎo)致與豎管法實驗結(jié)果差異較大。

3.2 河床沉積物滲透規(guī)律分析

理論分析，上游到下游河床沉積物顆粒的粗細與河流的水動力條件成對應(yīng)關(guān)系。沿沙潁河越向下游，水動力強度越弱，水流越平緩，與之相應(yīng)，河床沉積物的沉積顆粒也越小，因此，河床沉積物的滲透系數(shù)一般而言有沿程減小的趨勢。

然而，根據(jù)現(xiàn)場原位豎管實驗，界首實驗點處河床沉積物滲透系數(shù)較下游太和實驗點處河床沉積物滲透系數(shù)大。主要原因有:(1)界首至太和段沙潁河為平原型河流，水流速度較小，泥沙容易沉積，近年來大量進行采砂，主要是細砂的開采，余留大粒徑的泥沙和淤泥，使得河床沉積物的沉積特征變化復(fù)雜;(2)太和實驗點位于河道彎曲處，沙潁河在該處改變流向，河流動力學(xué)條件復(fù)雜，導(dǎo)致河床沉積物的滲透特征也比較復(fù)雜。

在太和實驗點，由于豎管內(nèi)水頭下降很慢，實驗時間超過12小時，代表性實驗管中的水位下降過程線如圖5(以河水面為基準(zhǔn)面)。其中兩直管內(nèi)水頭下降緩慢，任意夾角型管中水頭下降較快，而三個管中，河床沉積物長度相近，可見沙潁河河床沉積物具有明顯的各向異性，且垂向滲透系數(shù)很小。

圖5 太和實驗點代表性實驗管中水位下降過程線

4 結(jié)語

河床沉積物滲透性的影響因素較多，本研究區(qū)水動力條件及采砂等人類活動影響較大，致使?jié)B透性規(guī)律不是特別明顯，由此可以看出，在人類活動影響顯著的水體附近，應(yīng)特別注意人類活動的影響，人類活動可能引起水動力條件及沉積物分布規(guī)律的變化，不能僅從理論上作出分析。

(1)一般情況下，河床沉積物滲透系數(shù)有沿程減小的趨勢，由于太和實驗點位于河道彎曲處，且近年來采砂量增大，使得河床沉積物的滲透特征比較復(fù)雜，導(dǎo)致測得的太和實驗點滲透系數(shù)較上游界首實驗點大。

(2)以太和實驗點為例，豎管中水頭下降很慢，在管內(nèi)河床沉積物長度相近的情況下，直管內(nèi)水頭下降速度較任意夾角型管快，可見河床垂向滲透系數(shù)很小，且河床沉積物具有明顯的各向異性。

[1]Landon M K Rus D.L.，Harvey F E Comparison of instream methods for measuring hydraulic conductivity in sandy streambeds[J].Ground Water，2001，39(6):870-885.

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[3]程春龍，束龍倉，王茂枚，等.長江江蘇段河床沉積物滲透系數(shù)試驗研究[J].水電能源科學(xué).2011，29(11):64-66.

[4]束龍倉，Chen Xun-hong.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.

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[6]Chen X H，Measurement of streambed hydraulic conductivity and its anisotropy.Environ Geol，2000，39:1317-1324.