渭河臨潼段漫灘沉積物滲透系數分析

葛佳亮， 嚴 婷， 呂 敬， 董 潔， 柯賢敏

(1.長安大學 環境科學與工程學院， 陜西 西安 710054； 2.長安大學 旱區地下水與生態效應教育部重點實驗室， 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重，河床抬高，造成了雨季洪水多發的局面[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環境的重要課題。作為水文地質學中的重要參數之一，河漫灘沉積物和河床的滲透系數影響著地表水與地下水之間的轉化關系[3]。

目前，國內外許多學者已進行大量關于沉積物滲透系數的研究工作，集中探討了其測定方法、分布規律及空間變異性特征等。學者們普遍使用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時具有較高的實用性及可靠性。同時，很多學者通過研究得出沉積物滲透系數值服從正態分布或對數正態分布，如趙佳莉等[8]在對灤河下游河床沉積物滲透系數的研究及CHEN[9]在對Platte River沉積物滲透系數的試驗中皆發現滲透系數近似服從正態分布；施小清等[10]通過對含水層滲透系數空間變異特征的研究表明含水層滲透系數服從對數正態分布，劉文婷等[11]及束龍倉等[12]的研究也得出類似結論。此外，在沉積物滲透系數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]發現河床沉積物垂向滲透系數隨深度增加而減小；米海存等[16]應用地統計學原理分析得出渭河漫灘飽和帶垂向滲透系數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具有一定各向異性。可以發現國內外絕大多數學者的研究都集中在河床區域，對漫灘沉積物滲透系數的研究較少，而在洪水多發季節，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空間變異性特征，對河流流域生態環境的修復與保護有重要意義。本文在渭河臨潼段河漫灘內選取6個試驗段，采用豎管法和雙環法分別測定漫灘飽和帶和非飽和帶滲透系數，并對數據進行分析，研究漫灘沉積物滲透系數的空間變異性，相關結果可為渭河水資源保護和生態環境的修復提供理論基礎。

2 研究區概況及研究方法

2.1 研究區概況

渭河發源于甘肅省定西市渭源縣的鳥鼠山，在陜西省渭南市潼關縣匯入黃河，干流全長818 km，總流域面積達13.5×104km2。渭河陜西段主要經過寶雞、楊凌、咸陽、西安、渭南5個地區，陜西境內全長約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段，試驗區位于灞河入渭河口到臨潼區西口村，即臨潼區與高陵縣之間(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，試驗點沿河岸自上游向下游單排布設，間隔為5 m。左岸選取2個試驗段，共布設44個飽和帶豎管試驗點和2個非飽和帶雙環試驗點；右岸選取3個試驗段，共布設94個飽和帶豎管試驗點和4個非飽和帶雙環試驗點。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，清理地面雜草并布設試坑，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。試驗開始后同時向內、外鐵環內注水，每個觀測期內總注水量為350 mL，注水時控制內、外環的水位都在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到相對穩定后，再繼續觀測3 h，結束試驗。雙環法滲透系數計算公式為[21]：

(1)

式中：K為滲透系數，m/d；Q為穩定滲流量，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，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所對應的水頭值。

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

2.2.4 數據處理 地統計學的基本原理和方法已在許多文獻中有詳細的描述[23-24]。不同空間位置上河漫灘飽和滲透系數與測試點在空間中的位置有關,是空間距離的函數。因此, 渭河河床沉積物滲透系數可采用變異函數來描述：

(3)

式中：γ*(h)為空間距離h點的試驗變異函數[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)計算各研究區測試點變異函數值,發現采用指數模型(公式4)對變異函數值進行最優擬合為最佳。

(4)

式中：C0為塊金常數，代表區域化變量是由非采樣間距造成的變異，是由微觀結構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的最大變異程度，當變異函數γ(h)達到這個極限值后，變異函數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 結果與分析

雙環試驗所得滲透系數在1.30～6.08 m/d之間(見表1)，平均值為3.62 m/d。滲透系數較大，但河兩岸滲透系數差別不大，試驗點沉積物主要以細砂為主，未見有淤泥質和腐殖質層。

表1 雙環法滲水試驗實測滲透系數

表2為基于渭河漫灘138個豎管試驗點的飽和滲透系數經典統計學分析。由表2可看出，渭河左岸漫灘沉積物飽和滲透系數為0.003～1.376 m/d，右岸飽和滲透系數為0.002～1.763 m/d，滲透系數均較小，但左、右岸差別不大。采用Matlab軟件中的c檢驗方法對實測數據的KV值及lnKV數據分別進行統計檢驗分析，發現試驗段中除了W3與W5的KV值正態檢驗及對數正態檢驗效果不佳之外，其他試驗段均符合正態分布；分別對整個左岸、右岸進行Matlab統計檢驗分析，發現滲透系數在沿河流方向上符合正態分布規律。

一般CV≤10%為弱變異性；10%

表2 豎管法滲透系數計算值

4 討 論

半變異函數是地統計學所特有的,是區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構性的自然現象的有效工具[27]，因而所測得的渭河河床沉積物滲透系數的空間變異性具有結構性及隨機性的特點。對滲透系數進行變異函數擬合(圖略)，變異函數擬合參數見表3。

4.1 滲透系數空間變異性程度

從結構性的角度，常用C與C0+C的比值來量化所研究變量的空間相關性，試驗段C0/(C0+C)值在0.781～0.998，根據Cambardella等[28]所提出的區域化變量的空間相關程度分級標準，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，空間相關性較弱。

4.2 滲透系數空間變異性尺度

空間變異性與尺度有關,空間變異性分析就必須要考慮尺度的問題[29]。變程是一個在地統計學理論分析中的重要參數,其大小反映了區域化變量的空間異質性的尺度或空間自相關的尺度[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的自相關性較差，這與河流沉積物結構因素和隨機因素有很大關系，但是所測得渭河河床沉積物滲透系數都具有空間自相關性。

表3 變異函數擬合參數

5 結 論

(1)渭河漫灘沉積物非飽和滲透系數較大，飽和滲透系數較小，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，形成了弱透水層。

(2)渭河漫灘沉積物飽和滲透系數在空間上符合正態分布規律，反映樣品數據離散程度的變異系數均為中等變異或強變異。

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

參考文獻：

[1] 王 珍,宋進喜,段孟辰,等. 渭河陜西段河水水質COD、NH3—N變化特征分析[J]. 水資源與水工程學報,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]. 水資源與水工程學報,2011,22(2):137-141.

[3] 高 敏. 半干旱地區河床滲透系數空間變異性研究[D]. 西安：長安大學,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空間變異性研究——以灤河下游為例[J]. 水文地質工程地質,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. 滲透系數空間變異性研究[J].水科學進展,2005,16(2):210-215.

[11] 劉文婷,朝倫巴根,劉艷偉,等.地質統計學方法在滲透系數空間變異性研究中的應用[J].水利科技與經濟,2010,16(4):364-366.

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

[13] 宋進喜,CHEN Xunhong,CHENG Cheng,等. 美國內布拉斯加州埃爾克霍恩河河床沉積物滲透系數深度變化特征[J]. 科學通報,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深度變化分析[J].西北大學學報(自然科學版)，2013,43(1)：109-114.

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

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

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

[18] 范曉梅,劉高煥,束龍倉,等. 黃河三角洲沉積環境和沉積物滲透系數的現場實驗測定[J]. 水資源與水工程學報,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]. 水文地質工程地質,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]. 水資源與水工程學報,2014,25(5):1-5.

[21] 簡文星,許 強,吳 韓,等. 三峽庫區黃土坡滑坡非飽和水力參數研究[J]. 巖土力學,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變異性分析[D]. 西安：長安大學,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]. 農業工程學報,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. 基于地統計學的田間尺度下土壤鹽分離子空間變異研究[J]. 水資源與水工程學報,2014,25(1):148-151.

[30] 王 波,毛任釗,曹 健,等.海河低平原區農田重金屬含量的空間變異性——以河北省肥鄉縣為例[J]. 生態學報,2006,26(12):4082-4090.