河床沉积物理化学性质对渗透系数的影响研究——以渭河为例

王 珍，宋进喜，沈鹏云，任朝亮，于 芳

（西北大学 城市与环境学院，陕西 西安710127）

河流是全球水文循环过程中液态水在陆地表面流动的主要通道，对物质、能量的传递和输送起着重要作用，而地下水与河流之间存在着相互作用。研究表明，河流与地下水之间相互作用发生在河床以下并延伸至河岸带和侧向的可渗透的沉积区内，称之为潜流带（hydraulic zone）。潜流带是表面水和地下水双向迁移和混合的区域［1］，可以引起污染物的滞留，河水中的污染物可能会进入潜流带的沉积物中，同样沉积物中的污染物释放可能会引起上覆水的再次污染，这就是人们常说的河流二次污染［2］。近十几年来，国际上对河床沉积物渗透系数野外试验高度重视并得到广泛研究。Landon等［3］和 Kelly等［4］采用不同测算方法进行对比分析；Springer等［5］和Calve等［6］对所测算渗透系数值做了统计分析（包括变化范围，均值、误差及变化特点）；Cardenas［7］和 Kennedy等［8］基于内插法对渗透系数空间量值做了估算。对于某一河流而言，不同地点渗透系数值可以相差很大［6］。Chen［9］对美国3条河流不同断面上的渗透系数值做了试验测试，得出在里帕布利肯河和普拉特河不同断面上所获得的Kv平均值均比较相近，而在小布卢河不同断面上的平均值有较大差异。在中国黄河河床沉积物渗透系数的试验测试逐步得到专家关注与研究。王万杰等［10］，范晓梅等［11］，胡俊峰等［12］分别使用原位渗透仪试验法对黄河部分河段河床沉积物渗透系数进行了测定。迟宝明等［13］和尹立河等［14］分别对暨阳湖和大克泊湖渗透系数进行了测定。此外，陈实等［15］现场测定了海底沉积物渗透系数。定量研究河床沉积物渗透系数的空间变化，为研究地表水与地下水之间的水质与水量关系提供了有力支持，对维持河流健康有十分重要的意义。对于渭河，水污染严重，水质成分较为复杂，污染的河水下渗中水与沉积物间的化学动力作用会影响到河床渗透性的变化，因此，有必要从沉积物理化性质方面对渭河河床渗透系数空间变化机理进行深入研究。

1 研究区概况

渭河是黄河最大支流，发源于甘肃省渭源县西南的鸟鼠山北侧，流域涉及甘肃、宁夏、陕西3省，于陕西省潼关县注入黄河。总流域面积1.34×105km2，其中甘肃、宁夏、陕西的渭河流域面积分别占总流域面积44.1%，6.1%，49.8%。干流全长818km，宝鸡峡以上为上游，河长430km，河谷川峡相间，河道狭窄，水流湍急；宝鸡峡至咸阳为中游，河长180km，河道较宽，多沙洲，水流分散；咸阳至潼关入黄口为下游，河长208km，水流甚缓，河道宽阔平缓且泥沙淤积严重。渭河是陕西关中地区的生命河，关中地区的社会经济发展直接受到渭河流域生态环境健康的制约［16］。近20a来，由于工业废水和城镇生活污水入河排放量骤增，导致渭河全河段水质严重恶化。在陕西省境内，渭河80%以上的河段多年来处于劣Ⅳ类及Ⅳ类水质现状［17］。随着社会经济的发展，陕西省沿渭河4大主要城市西安、宝鸡、咸阳和渭南从20世纪80年代开始就已大量开采地下水资源。由于渭河水受到严重污染，且渭河河水与潜层地下水相互补给［18］，污染物超标的河水补给了浅层地下水，造成地下水的污染［19］。同时，严重污染的沉积物对河流水质产生较大的影响，直接关系到用水安全。

2 材料与方法

2.1 研究区的选取

通过对渭河陕西段整个河段的野外考察调研，收集渭河气象水文、水质、河床泥沙（包括冲淤量）数据、沉积物特性、地下水位观测资料以及水资源开发利用、河床形态与演变方面的资料。通过对这些资料的分析，最终选取渭河中下游咸阳、临潼、西安草滩和华县4个具有代表性的研究区，在每个研究区沿水流方向布设多个测试点。各研究区试验时间、GPS定位、布点数如表1所示，各研究区测试点布设情况如图1所示。对选定点位的河床做试验测试，测量并计算河床沉积物渗透系数。

表1 各研究区试验时间、GPS定位、布点数

2.2 河床渗透系数的测定

本次试验采样测定于2011年10，11月和2012年10，11月进行，采用变水头渗透试验方法测定沉积物渗透系数。具体过程为：将一根长160cm，外径60mm的上下开口薄壁透明聚碳酸脂管子直立打入河床沉积物至40～60cm，通过人工往管子里注水，记录不同时间管子里的水头高度，每个原位渗透测定水位记录超过4次，以此来获取计算垂直渗透系数Kv所需的各项参数。用下面的公式［20］计算Kv值：

式中：Kv——测点的垂向渗透系数（cm／s）；D——立管内径（cm），D＝5.4cm；Lv——立管中沉积物的长度（cm）；h1——t1时 刻 立 管 内 水 头 高 度 （cm）；h2——t2时刻立管内水头高度（cm）。

依据Chen［9］的研究结果，水平方向渗透系数值对水头影响不大。m＝，当Lv／D＞10，取m＝1或m＝10，两者所计算的Kv误差值＜2.5%。沉积物各向同性取m＝1，沉积物异常各向异性取m＝10。在此次研究中，沉积物原位测量时平均厚度为46cm，因而Lv／D≈8.5，计算中，当m取值为10时，由此可能产生的误差较小，误差值＜3%。

图1 各测试区测试点位布设

2.3 沉积物指标测定分析方法

在渗透系数测定之后，用橡胶盖将立管上方盖上以隔绝空气从沉积物拔出，取出沉积物装进采样袋带回实验室。在自然通风条件下晾干、研磨、过筛做粒度分析和化学指标的测定，粒径＞0.075cm的被归为粉沙和黏土，粒径在0.075～2cm的为沙，粒径＞2cm的为砾石。化学指标则采用现行的土壤指标国家标准对泥样进行分析。在SPSS中，采用皮尔森相关系数法［21］对这些指标与河床渗透系数进行相关性计算。

3 结果与讨论

3.1 河床沉积物渗透系数分析

用式（1）对河床沉积物的渗透系数进行计算，所测沉积物厚度在37～59.00cm，平均厚度为46.00cm。Kv测定值在0.23～18.74m／d，平均值为5.13m／d。其中，草滩研究区河床沉积物Kv值范围在0.51～61.3m／d，均值18.74m／d；咸阳Kv值范围在0.02～1.17m／d，均值为0.25m／d；临潼Kv值范围在0.03～5.81m／d，均值为1.31m／d；华县Kv值范围在0.02～1.80m／d，均值为0.23m／d。沉积物Kv值在空间分布上呈现出西安草滩最大，临潼次之，咸阳和华县相差不大（表2），可见对于同一河流而言，不同地点渗透系数值可以相差很大，这与Calver［6］的研究结果一致。

大多研究者认为，由于洪水带来细小物质随着洪水消退形成淤积降低了河床表层沉积物渗透性能并进而降低了交错带水力交换能力［22］，沉积物中淤泥淤积会阻塞河水垂直渗透。通过对野外试验取回的试样观察，在咸阳等渗透系数较小的测试点，发现竖管内的沉积物中有明显黑色淤泥淤积。河道形态在一定程度上也影响着渗透系数。在咸阳研究区，由于受3号桥及下游人工湖影响，流速减缓，淤积现象严重，渗透性能较差，Kv值小至0.02m／d，基本不渗透；在华县研究区，由于研究河段河道较曲折，流速较缓，河流对沉积物的冲刷能力较弱，形成不同厚度的淤泥堆积，且含水量较大，形成了弱透水层，在测试中管内水头长时间内下降不明显，Kv值普遍较小；在草滩、临潼试验点，研究区河道平直，流速较大，不易产生淤积，基本不存在淤泥淤积现象。因此，各个研究区所测得的渗透系数有所不同。

表2 沉积物厚度及相应的Kv值

3.2 Kv值与沉积物理化性质相关性分析

影响河床沉积物渗透系数的影响因素较多。本文通过研究沉积物理化学性质来体现其对渗透系数的影响。采用皮尔森相关系数法对这些指标与河床渗透系数进行相关性计算，通过SPSS相关分析，得到河床沉积物渗透系数与沉积物的理化性质的相关性系数（表3）。

表3 沉积物的理化性质与河床渗透系数相关性

由皮尔森相关性分析结果看，沉积物理化性质指标中的铅、镉、铁、锰、总磷化学指标与Kv值的相关系数r＞0，与河床渗透系数为正相关，即河床渗透系数呈随着河水中这些化学指标的含量的增大而增大的趋势。铜、锌、汞化学指标与Kv值的相关系数r＜0，与河床沉积物渗透系数呈负相关性，即河床渗透系数呈随着河水中这些化学指标的含量的增大而减小的趋势。这是因为当沉积物中汞、铜、氮等的含量增大时，沉积物污泥因溶解和沉淀、氧化与还原、交替与吸附、成络与配位等作用膨胀而空隙减小，渗透性能降低，所以Kv值减小。在沉积物的化学指标中，影响沉积物渗透系数的主要因子为总磷、锰、铁且随着指标含量增大渗透系数有增大的趋势。这说明沉积物的化学性质是影响渗透系数的一个因素，但不能完全决定渗透系数的大小，Kv值还与沉积物的物理指标有一定的关系。在沉积物的物理指标中，渗透系数与沉积物中的沙和砾石的含量呈正相关，与粉沙和黏土的含量呈负相关。

一般认为，河床沉积物渗透系数主要由沉积物颗粒大小所决定。大粒径含量较多的试验点，颗粒之间孔隙较大，水的渗透路径较畅通，河流通过沉积物颗粒进入河床的渗透率较大；小粒径沉积物具有较小的孔隙率，并且由于其粒径较小，颗粒在大颗粒中填充，在一定程度上会降低沉积物的渗透能力，当粒径很小的颗粒物大量堆积时就会产生淤塞。对采集样品的粒径分析表明，草滩研究区河床沉积物属于沙质堆积，大多为沙粒，沙质量百分比达到92%，且存在较大的砾石，因而大颗粒与小颗粒混合后颗粒之间的孔隙较大，河流通过河床沉积物垂直下渗能力较强，试验时管内水头下降较快，该研究区的测量值较大；临潼研究区河床与草滩较为相似，沉积物中也大多为沙粒，沙质量百分比为84%，但沉积物中并没有发现有较大粒径的砾石，小粒径的颗粒组合渗透能力较差，因而Kv值低于西安草滩；咸阳、华县研究区沉积物主要为粉沙和黏土，其质量百分比分别为35%和31%，细小沉积物在水的填充作用下形成弱透水性的淤塞层，渗透性能较差。因此，河床沉积物Kv值在粉沙和黏土等小粒径含量较少的研究河段（西安草滩、临潼）明显高于粉沙和黏土小粒径含量较多的研究河段（咸阳、华县），说明粒径大小对Kv的影响起着关键作用。分析结果与实测渗透系数大小基本符合，也与当前学者研究结论一致。因为每个研究区沉积物的理化性质和成因均有所不同，所以测定的Kv值表现出各自的变化规律，在草滩和临潼渗透系数随水流方向增大，而在咸阳研究区渗透系数随水流方向先减小后增大，眉县研究区呈现出随水流方向渗透系数减小的现象。

4 结论

对河床沉积物渗透系数及Kv值与沉积物理化性质相关性的分析结果表明，Kv值在0.23～18.74m／d，平均值为5.13m／d，沉积物Kv值在空间分布上呈现出草滩镇测点最大，临潼区次之；华县和咸阳市相测点差不大。研究点Kv平均值分别为18.74，1.31，0.23，0.25m／d。通过对Kv与沉积物理化性质的相关性分析得出，在沉积物的化学指标中，锰、总磷、铁，有随着其含量增大渗透系数增大的趋势；在沉积物的物理指标中，影响沉积物渗透系数的主要因子为沙和砾石，且有随着含量增大渗透系数增大的趋势。

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