河床垂向滲透系數(shù)空間變異性的三維分析

介飛龍 李升

摘要：河床垂向滲透系數(shù)的空間變異性對(duì)流域內(nèi)河水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)理研究具有重要意義。采用滲水儀法和豎管法共測(cè)定了玉龍喀什河河床垂向滲透系數(shù)25組，研究了河床深度方向、垂直于河流方向和河流沿程方向的河床垂向滲透系數(shù)空間變化特征，并分析了產(chǎn)生變異的影響因素，總結(jié)了河床垂向滲透系數(shù)變異性的維度效應(yīng)，結(jié)果表明：玉龍喀什河河床垂向滲透系數(shù)的變異性受泥沙淤積作用、風(fēng)積作用、河流沉積作用等諸多因素的影響，在不同維度下，河床沉積物變異性的主導(dǎo)因素不同，不能以單一因素判別河床沉積物滲透系數(shù)的變異性。

關(guān)鍵詞：垂向滲透系數(shù)；變異性；河床；維度效應(yīng)；玉龍喀什河

中圖分類號(hào)：P345

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.012

河水與地下水之間有著密切的水力聯(lián)系和頻繁的轉(zhuǎn)化關(guān)系，河水與地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系及轉(zhuǎn)化量很大程度上取決于河床的水力參數(shù)，河水人滲速率Ve和河床垂向滲透系數(shù)K是影響河水與地下水轉(zhuǎn)化的重要參數(shù)。干旱區(qū)地下水資源主要補(bǔ)給來(lái)源為河流的垂向滲漏，因此河床垂向滲透系數(shù)直接影響干旱區(qū)地下水的資源量。河床垂向滲透系數(shù)在空間上有很大的差異性，這種差異性決定了河水與地下水之間相互作用的空間特征與規(guī)律。因此，研究河床垂向滲透系數(shù)的空間差異性能夠有效、精確計(jì)算河水與地下水的相互轉(zhuǎn)化量，為地下水資源評(píng)價(jià)提供可靠依據(jù)。

河床垂向滲透系數(shù)的空間變異性研究已逐漸受到全球?qū)W者的關(guān)。G.Dagan 1989年將隨機(jī)理論應(yīng)用于滲透系數(shù)的變異性研究，隨后不久滲透系數(shù)變異性研究便逐漸成為熱點(diǎn)；X.Chen等C.Cheng等利用豎管法研究了美國(guó)內(nèi)布拉斯加州南部的Platte河流河床不同方向的滲透系數(shù)，結(jié)果表明河床具有明顯的各向異性：R.J.Ryan等通過(guò)示蹤劑研究發(fā)現(xiàn)，淺層沉積物的滲透系數(shù)比深層的大：宋進(jìn)喜等研究了美國(guó)內(nèi)布拉斯加州4條河流的河床沉積物，發(fā)現(xiàn)河床上層滲透系數(shù)比下層的大：D.P.Genereux等對(duì)西貝爾河床垂向滲透系數(shù)的研究結(jié)果表明，滲透系數(shù)沿河道和垂直于河道方向均有變異性，原因是沉積物顆粒性質(zhì)（顆粒大小、級(jí)配、空間分布等）存在差異。

獲取河床參數(shù)的方法有很多，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)水頭下降豎管法、水壓通量法、微水試驗(yàn)法和抽水試驗(yàn)法等測(cè)定細(xì)顆粒河床垂向滲透系數(shù)。H- Bouwer提出滲水儀法，W.Wang等對(duì)滲水儀法進(jìn)行改進(jìn)，能較好地測(cè)定粗顆粒河床沉積物的河水人滲速率及垂向滲透系數(shù)，并能夠測(cè)定不同大小顆粒的河床參數(shù)。筆者結(jié)合各方法的優(yōu)點(diǎn)，采用滲水儀法和豎管法測(cè)定玉龍喀什河3個(gè)維度的河床滲透系數(shù)，并研究滲透系數(shù)的空間變異性及其影響因素。

1 研究區(qū)概況

玉龍喀什河位于新疆南部的和田地區(qū)，是中昆侖山北麓最大的干旱區(qū)河流。玉龍喀什河流域地勢(shì)南高北低，年均氣溫為11.6℃，年均降水量?jī)H為34～75mm，年均水面蒸發(fā)量為2252mm。玉龍喀什河河水由南向北流，補(bǔ)給源為上游的融雪，河流貫穿沖洪積礫質(zhì)平原，流人細(xì)土平原沙漠帶，最終匯人塔里木河。玉龍喀什河上下游河床沉積物粒徑分布極不均勻，由上游至下游的河床質(zhì)分別為卵礫石、沙礫石、沙。

2 研究?jī)?nèi)容

河床與漫灘界線隨時(shí)間發(fā)生變化，洪水來(lái)襲時(shí)較低的漫灘變?yōu)楹哟?，洪水退去后又變?yōu)槁?，可以將漫灘看作是河床的延伸，具有與河床相同或相似的特點(diǎn)，因而對(duì)于粗顆粒河床或者不易測(cè)定參數(shù)的河床，通過(guò)研究與河床具有相似性的河漫灘滲透系數(shù)，可以得出河床滲透系數(shù)，因此文中不再特意區(qū)分河床與漫灘。

本研究從3個(gè)不同維度研究玉龍喀什河河床滲透系數(shù)的空間變異性：不同深度、垂直河流方向、河流沿程方向。不同試驗(yàn)點(diǎn)位置見(jiàn)圖1。

2.1 不同深度試驗(yàn)點(diǎn)

不同深度試驗(yàn)點(diǎn)選取玉龍喀什河下游細(xì)土帶（4橋上游側(cè)）的河床漫灘處，選定的2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)ZI和22分別距離河岸2m和80m（見(jiàn)圖1）。采用階梯法取各試驗(yàn)點(diǎn)不同深度（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm）的河床沉積物樣品：先用鐵鍬鏟出擬選點(diǎn)的剖面，觀察剖面地層在水平方向上沒(méi)有發(fā)生突變時(shí)，可用豎管在臨近點(diǎn)分別取出不同深度的河床沉積物（見(jiàn)圖2）。取樣后，在室內(nèi)采用人工梯度法測(cè)定河床沉積物的垂向滲透系數(shù)，并進(jìn)行河床沉積物顆粒分析，獲取粒徑參數(shù)。

2.2 垂直河流方向試驗(yàn)點(diǎn)

為研究玉龍喀什河細(xì)土帶垂直于河流方向的河床沉積物垂向滲透系數(shù)變異性，設(shè)定一條垂直于河岸線的剖面線，剖面東西走向，由東向西共布設(shè)8個(gè)等間距的試驗(yàn)點(diǎn)（見(jiàn)圖1中的Cl～C8），試驗(yàn)點(diǎn)間距為15m。測(cè)定各試驗(yàn)點(diǎn)的垂向滲透系數(shù)后，進(jìn)行河床沉積物顆粒分析，獲取粒徑參數(shù)。

2.3 河流沿程方向試驗(yàn)點(diǎn)

在玉龍喀什河由南向北52km河段內(nèi)共選取7個(gè)沿程試驗(yàn)點(diǎn)（見(jiàn)圖1中的Sl～57）。為確保試驗(yàn)點(diǎn)能代表該河段的特性，選取漫灘與河床巖性特征最為相似的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。用滲水儀法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定各試驗(yàn)點(diǎn)的垂向滲透系數(shù)后，進(jìn)行河床沉積物顆粒分析，獲取粒徑參數(shù)。

3 試驗(yàn)方法

3.1 人工梯度法

用豎管取出河床沉積物的原狀樣后，將底端用紗布包裹，在室內(nèi)利用人工梯度法測(cè)定河床垂向滲透系數(shù)K值。將豎管底端放人裝滿水的容器，固定豎管和刻度尺，在管內(nèi)加入適量水，開(kāi)始記錄時(shí)間t和水位讀數(shù)h。圖3為人工梯度法試驗(yàn)裝置示意圖。

試驗(yàn)結(jié)束后，繪制水位對(duì)數(shù)Inh與時(shí)間t的線性擬合關(guān)系線，根據(jù)關(guān)系線斜率即可計(jì)算出河床垂向滲透系數(shù)K：

K= VL

（1）式中：v為擬合關(guān)系線的斜率；L為沉積物的厚度，cm。

3.2 滲水儀法

滲水儀可用于測(cè)定粗顆粒河床沉積物的滲透系數(shù)（試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4），該儀器由滲水環(huán)、外環(huán)、供水桶和U形管組成。試驗(yàn)時(shí)將滲水環(huán)和外環(huán)插入河床，向外環(huán)和供水桶內(nèi)注水，記錄時(shí)間和U形管讀數(shù)，然后根據(jù)下式計(jì)算河床垂向滲透系數(shù)K：式中：ho為供水桶的初始水位，cm；ti、hi分別為供水桶水位與外環(huán)水位相同時(shí)的時(shí)間（min）和此時(shí)對(duì)應(yīng)的B管讀數(shù)（cm）；Lv為滲水桶插入河床沉積物的深度，cm。

3.3 河床沉積物粒徑分析

按照粒徑大小逐級(jí)稱重，計(jì)算累計(jì)質(zhì)量百分比，并繪制粒徑級(jí)配曲線。根據(jù)級(jí)配曲線，可以得出中值粒徑d50、不均勻系數(shù)Cu、黏土質(zhì)量百分比n等粒徑參數(shù)。

4 結(jié)果與討論

表l為河床垂向滲透系數(shù)及顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，據(jù)此對(duì)不同維度的河床滲透系數(shù)差異性進(jìn)行分析。

4.1 不同深度河床K值差異性分析

河漫灘存在橫比降，Z2與Z1點(diǎn)表面高程差為20cm左右，以Z2點(diǎn)表面高程為基準(zhǔn)點(diǎn)，繪制不同埋深下兩試驗(yàn)點(diǎn)的滲透系數(shù)及黏土含量曲線如圖5所示，由圖5可看出，2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的滲透系數(shù)在深度上變化趨勢(shì)一致，表明近河岸與遠(yuǎn)河岸的河床沉積物在水平上按照層狀分布。隨著深度的增加，河床沉積物的黏土含量逐漸減少，表明河床受到了河流沉積作用，細(xì)顆粒沉積物位于上層：河床垂向滲透系數(shù)并非完全與黏土含量呈負(fù)相關(guān)，表明河床垂向滲透系數(shù)在不同深度上產(chǎn)生差異的主要因素并非河流沉積作用。

4.2 垂直河流方向河床K值差異性分析

從垂直河流方向的河床剖面K值與d50變化情況（見(jiàn)圖6）可以看出，靠近河岸線的C1試驗(yàn)點(diǎn)河床沉積物中值粒徑d50與滲透系數(shù)K都較大，遠(yuǎn)離河岸線的C6～C8試驗(yàn)點(diǎn)河床沉積物中值粒徑與K值均較小且趨于穩(wěn)定，表明河漫灘存在橫比降，漫灘洪水?dāng)y帶的泥沙沿橫向分選，河水將一部分細(xì)小的黏土顆粒沖刷至離河岸較遠(yuǎn)處，稍粗的顆粒物沉積于近河岸處，因而導(dǎo)致遠(yuǎn)岸處河床垂向滲透系數(shù)小于近岸處的。

4.3 河流沿程方向河床K值差異分析

從玉龍喀什河沿程方向河床垂向滲透系數(shù)沿程變化（見(jiàn)圖7）可以看出，滲透系數(shù)的波動(dòng)性較大。玉龍喀什河位于塔克拉瑪干沙漠南緣，滲透系數(shù)除受到河流沉積作用外，還受到沙漠風(fēng)積作用。由圖8可以看出，位于出山口一礫質(zhì)平原（Sl-S3河段）河床沉積物垂向滲透系數(shù)與中值粒徑d50成正相關(guān)關(guān)系，表明該段河床垂向滲透系數(shù)的主要影響因素是沉積物粒徑大小。根據(jù)野外調(diào)查及采集土樣發(fā)現(xiàn)，出山口一礫質(zhì)平原南段的河床沉積物粒徑呈現(xiàn)細(xì)一粗一細(xì)的特點(diǎn)（見(jiàn)圖9），這與河床沉積物的顆粒分析結(jié)果是一致的，形成這種特征的原因是玉龍喀什河地勢(shì)南高北低，由上游至下游，地面坡度逐漸變緩，河水動(dòng)力逐漸變小，一般情況下粗顆粒沉積物易堆積于河流上游，細(xì)顆粒易堆積于下游，若河床僅受到河流沖積作用的影響，則上游滲透系數(shù)大于下游，因此試驗(yàn)點(diǎn)53至52處河床滲透系數(shù)變小。出山口處地形較陡，粗顆粒河床沉積物不易堆積，因此粗顆粒物大多堆積于山腳下礫質(zhì)平原南段，因此出山口試驗(yàn)點(diǎn)S1滲透系數(shù)略小于礫質(zhì)平原上游試驗(yàn)點(diǎn)S2的。綜上所述，出山口一礫質(zhì)平原南段河床滲透系數(shù)主導(dǎo)因素是地形地貌。這表明在玉龍喀什河沿程方向上，位于出山口一礫質(zhì)平原南段的河床垂向滲透系數(shù)的影響因素是地形地貌和河流沉積的共同作用。

從K值與不均勻系數(shù)Cu的變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖10）可以看出，位于礫質(zhì)平原南段一細(xì)土平原段（S4-57）的河床沉積物的垂向滲透系數(shù)K值與Cu成負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明該段河床垂向滲透系數(shù)的影響因素是沉積物粒徑分布。由表1中不同試驗(yàn)點(diǎn)中值粒徑可以看出，S4-S7段河床垂向滲透系數(shù)與沉積物粒徑?jīng)]有明顯的相關(guān)關(guān)系，表明該段河床沉積物垂向滲透系數(shù)的主要影口向因素不是河流的沉積作用，而是沙漠的風(fēng)積作用。在風(fēng)積作用下，越靠近沙漠的河段河床沉積物顆粒的Cu值越小，河床K值越大；反之，靠近河流上游Cu值較大，K值較小。

綜上所述，玉龍喀什河沿程方向河床垂向滲透系數(shù)的變化較為復(fù)雜，受到多種因素的共同影響，出山口一礫質(zhì)平原南段河床垂向滲透系數(shù)的主要影響因素為地形地貌和河流沉積，而礫質(zhì)平原北段一細(xì)土平原段河床垂向滲透系數(shù)的主要影響因素為風(fēng)積作用。

4.4 不同維度下河床K值變異性分析

不同維度下，河床沉積物的滲透系數(shù)受控因素不同，采用變異系數(shù)Cv可以定量反映某一參數(shù)的離散程度，且不受尺度限制，因此可用Cv反映河床垂向滲透系數(shù)在某一維度上的變異性強(qiáng)弱：Cv<0.1為弱變異性，0.1≤Cv≤1.0為中等變異性，Cv>1.0為強(qiáng)變異性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用SPSS軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，分別得到河床深度方向、垂直于河流方向、河流沿程方向的河床垂向滲透系數(shù)的變異系數(shù)Cv1=0.30、CV2=0.77、CV3=0.61。變異系數(shù)l.O>CV2>CV3>CV1>O.l，表明河床垂向滲透系數(shù)在不同維度均為中等變異性，其中：垂直于河流方向上的變異性最強(qiáng)，沿程方向變異性次之，不同深度方向上的變異性最弱。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）玉龍喀什河河床滲透系數(shù)的變異性受到諸多因素的影響，不同維度的河床垂向滲透系數(shù)變異性影響因素不同。在河床深度方向上，河床垂向滲透系數(shù)差異性受控于洪水淤積作用和水位波動(dòng)效應(yīng)。垂直于河流方向的河床垂向滲透系數(shù)差異性受控于河床橫比降。在河流沿程方向上，河床垂向滲透系數(shù)變異性受控因素為河流沉積作用和沙漠風(fēng)積作用：上游河段遠(yuǎn)離沙漠，主要受河流沉積作用影響：中下游河段靠近沙漠，主要受風(fēng)積作用影響。

（2）玉龍喀什河河床垂向滲透系數(shù)的空間變異程度不同，根據(jù)變異系數(shù)的大小，河床垂向滲透系數(shù)在河床深度方向、垂直于河流方向、河流沿程方向均為中等變異性，其中：垂直于河流方向的空間變異性最強(qiáng)，河流沿程方向變異性次之，河床深度方向的變異性最弱。

（3）河床垂向滲透系數(shù)受到各種外界條件作用產(chǎn)生差異性，這種差異性不僅是空間上的，而且在時(shí)間上同樣具有變異性。今后需要深入研究河床垂向滲透系數(shù)的時(shí)間變異性以及時(shí)空變異性的耦合。