沙颍河河床沉积物渗透性规律分析

车巧慧，陶建华，俞晶娜

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009;2.安徽省地质环境监测总站，安徽 合肥 230009;3.安徽省淮北市税务局，安徽 淮北 235000)

地表水与地下水之间存在密切的水力联系，其中河床沉积物的渗透性直接决定着二者交换水量的大小。河床沉积物渗透系数的空间变异性很大[1，2]，且该值的空间变化能加速河流 -地下水水量交换过程[3]。因此，研究河床沉积物渗透规律，对解决河流地下水问题有着重要的意义。

国外有关河床沉积物渗性规律的研究较多，束龙仓和CHEN采用竖管法测定了美国内布拉斯州普拉特河河床沉积物渗透系数，结果表明:普拉特河床沉积物剖面上具有一定的各向异性，平面上为非均匀介质[4];Christine et al.通过测量California中部海岸的Pajaro河河床渗透率，分析得到河床渗透系数空间和时间上的变异性[5]。

然而，国内关于河流河床沉积物渗透规律的研究较少。本文采用原位竖管法和变水头渗透仪法测定沙颍河界首、太和和阜阳实验点处河床渗透系数，对比分析两种方法实验结果，探讨沙颍河河床沉积物渗透性规律，为研究该地区地表水和地下水水量交换提供科学依据。

1 研究区概况

沙颍河位于安徽省西北部，是淮河最大的支流，河道全长620 km，河流域面积近4 000 km2。流域属于北温带大陆性季风气候，多年平均气温14.5～15.0℃，流域内降水量由东南向西北递减，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。平均年径流量59.2亿 m3。流域内地层主要为第四系全新统及上更新统沉积的粉质粘土、粉质壤土、砂壤土、和中细砂、极细砂层。地下水类型为潜水，局部微具承压性，主要赋存于砂层及壤土层中。沙颍河河床高程约19 m，河道断面20多年间基本保持稳定，河底、河岸冲淤变化甚微。

2 河床沉积物渗透系数的测定

2.1 野外竖管法

竖管法实验采用长1 m，直径为50 mm和75 mm的PVC管制作的竖管和任意夹角管，测定沙颍河不同位置的垂向和任意方向的河床沉积物渗透系数，设计形式如图1所示。

图1 竖管法测河床沉积物渗透系数示意图

根据Chen的研究成果[6]，河床沉积物垂向渗透系数 Kv可用下式计算:

式中:Kv为河床的垂向渗透系数;Lv为测管内河床沉积物的长度(图1A);h1、h2分别为测管中 t1、t2时刻的水头值。同理，任意方向渗透系数Ks可用式(2)来计算。

式中:Ls为压入河床沉积物中的任意夹角测管中河床沉积物长度(图1B)。

本次实验选在沙颍河界首至阜阳段，竖管布置情况如图2和表1所示。

竖管法测量河床沉积物渗透系数的具体方式有人工梯度法和自然梯度法两种。本次试验采用人工梯度法进行测量，即将竖管迅速、谨慎地压入河床沉积物中，压入时使竖管的竖直部分保持直立，向竖管中加水，以竖管顶端某一固定点为基准点，记录管中水头随时间的变化情况。界首-太和段沙颍河河床沉积物粒径小，管内水头下降速度慢，试验时间均较长，观测间隔开始为 5 min，10 min，20 min，30 min，最终每隔60 min记录一次观测数据。

表1 各实验点竖管布设一览表

图2 河床沉积物渗透系数测量实验点分布示意图

2.2 变水头渗透仪法

变水头渗透仪法实验利用TST-55型渗透仪(见图3)测定界首1号实验点和太和3号实验点河床沉积物渗透系数。渗透仪一般用于在实验室内使用，实验中为了避免河床沉积物在运输过程中受到扰动，引起实验结果的误差，开展实验时，将渗透仪带到了野外现场。

图3 TST-55渗透仪及其测定渗透系数示意图

该渗透仪以达西定律为理论基础，工作时，记录水头随时间变化过程，按下式计算河床沉积物渗透系数:

式中:常数2.3为自然对数和常用对数之间的换算系数;a为橡胶管的横截面积;L为渗径;A为试样的断面面积;h1、h2分别为 t1、t2时刻的玻璃直管的水位;t=t1-t2。

3 河床沉积物渗透规律分析

3.1 实验结果对比分析

野外竖管法实验测得14组数据，根据式(1)、式(2)计算得各试验点河床沉积物渗透系数，如表2所示。

表2 野外实测各实验点河床沉积物渗透系数

根据式(3)计算得到渗透仪法实验结果:界首和太和实验点处河床沉积物的渗透系数分别为 0.15 m/d和 0.002 m/d。

以界首处实验结果KV值大小为例，如表3所示，从表中数据可以看出两种实验方法得出的河床沉积物渗透系数差别较大。分析得到界首处渗透仪法实验结果偏小的可能原因:

表3 野外竖管法与渗透仪法实验结果对比一览表

(1)实验点位置不完全相同。如图4所示，在水中使用环刀取样难以实现，渗透仪实验取样地点选在岸边无水处，为尽量取得原状土，取样时剥除了最表层土0.5～1 cm。

图4 渗透仪法与竖管法试验位置对比

(2)实验取样深度不一样。在竖管法中，压入 PVC管内的河床沉积物的高度为20 cm，试样中含有灰黑色淤泥。然而，渗透仪法取样在河岸地表处，所取试样高度仅为40 cm，试样岩性为粉细砂，用洛阳铲在渗透仪法取样处钻孔，发现砂层下分布有淤泥质粘土，而后又见细粉砂，导致与竖管法实验结果差异较大。

3.2 河床沉积物渗透规律分析

理论分析，上游到下游河床沉积物颗粒的粗细与河流的水动力条件成对应关系。沿沙颍河越向下游，水动力强度越弱，水流越平缓，与之相应，河床沉积物的沉积颗粒也越小，因此，河床沉积物的渗透系数一般而言有沿程减小的趋势。

然而，根据现场原位竖管实验，界首实验点处河床沉积物渗透系数较下游太和实验点处河床沉积物渗透系数大。主要原因有:(1)界首至太和段沙颍河为平原型河流，水流速度较小，泥沙容易沉积，近年来大量进行采砂，主要是细砂的开采，余留大粒径的泥沙和淤泥，使得河床沉积物的沉积特征变化复杂;(2)太和实验点位于河道弯曲处，沙颍河在该处改变流向，河流动力学条件复杂，导致河床沉积物的渗透特征也比较复杂。

在太和实验点，由于竖管内水头下降很慢，实验时间超过12小时，代表性实验管中的水位下降过程线如图5(以河水面为基准面)。其中两直管内水头下降缓慢，任意夹角型管中水头下降较快，而三个管中，河床沉积物长度相近，可见沙颍河河床沉积物具有明显的各向异性，且垂向渗透系数很小。

图5 太和实验点代表性实验管中水位下降过程线

4 结语

河床沉积物渗透性的影响因素较多，本研究区水动力条件及采砂等人类活动影响较大，致使渗透性规律不是特别明显，由此可以看出，在人类活动影响显著的水体附近，应特别注意人类活动的影响，人类活动可能引起水动力条件及沉积物分布规律的变化，不能仅从理论上作出分析。

(1)一般情况下，河床沉积物渗透系数有沿程减小的趋势，由于太和实验点位于河道弯曲处，且近年来采砂量增大，使得河床沉积物的渗透特征比较复杂，导致测得的太和实验点渗透系数较上游界首实验点大。

(2)以太和实验点为例，竖管中水头下降很慢，在管内河床沉积物长度相近的情况下，直管内水头下降速度较任意夹角型管快，可见河床垂向渗透系数很小，且河床沉积物具有明显的各向异性。

[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.

[2]Kennedy C D，Genereux D P，Mitasova H Corbett D R，Leahy S Effect of sampling density and design on estimation of streambed attributes[J].Journal of Hydrology，2008，355(1-4):164—180.

[3]程春龙，束龙仓，王茂枚，等.长江江苏段河床沉积物渗透系数试验研究[J].水电能源科学.2011，29(11):64-66.

[4]束龙仓，Chen Xun-hong.美国内布拉斯加州普拉特河河床沉积物渗透系数的现场测定[J].水科学进展.2002，13(5):629-633.

[5]ChristineE H，Andrew T F，Chris R R.，Greg S Spatial and temporal variations in streambed hydraulic conductivity quantified with time-series thermal methods[J]，Journal of Hydrology，2010(389)276-288.

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