地下水对河流沉积影响研究

刘 伟(长江大学地球科学学院，湖北 荆州 434023)

杨 飞(长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州 434023)

肖杭州(吉林油田乾安采油场，吉林 乾安 131400)

李俊飞(长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州 434023)

地下水对河流沉积影响研究

刘 伟(长江大学地球科学学院，湖北 荆州 434023)

杨 飞(长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州 434023)

肖杭州(吉林油田乾安采油场，吉林 乾安 131400)

李俊飞(长江大学地球物理与石油资源学院，湖北 荆州 434023)

河流与地下水的相互作用是自然界中普遍存在的一种现象，也是陆地水文循环的一个重要组成部分。地下水对河流的补给与排泄不仅对河流的流量产生重大影响，而且也影响河流的侵蚀作用和沉积作用。通过试验验证了地下水潜水位与河床下伏隔水层对河流侵蚀能力的重要影响，并借鉴前人的研究，将地下水与河流的关系对河流沉积的影响划分为4种模式。通过研究现代玛纳斯河对地下水与河流关系的沉积响应，对河流河型分布进行了讨论。研究发现，地下水与河流关系的4种模式决定了河流河型分布。

河流沉积；河型；地下水；侵蚀

广泛埋藏于地表以下的各种状态的水，统称为地下水。地下水是地球水循环的重要组成部分，全世界的地下水总量几乎占地球总水量的1/10，比整个大西洋的水量还要多，是河流与湖泊水量总和的60倍。地下水和地表径流之间存在着大量的水交换关系。以西北内陆盆地为例，“河流-含水层”系统组成典型的水文循环二元结构，地表水与地下水发生多次相互转化，在出山口以上河段是山区基岩裂隙水的排泄通道，山区地下水几乎全部转化为地表水；经河道流入山前平原的河水80%～90%在山前洪积扇裙带渗漏转化为地下水，一些小型河流甚至渗失殆尽[1]。在研究河流沉积的时候完全不考虑地下水对河流沉积的影响是不恰当的。目前国内关于地下水对河流沉积影响的研究很少。下面，笔者主要以地下水对河流侵蚀作用的模拟实验为基础，研究了地下水与河流侵蚀之间的关系，并通过对国内水文界研究比较成熟的准格尔南缘的玛纳斯展开碎屑岩地区地下水对河流沉积的影响展开了探讨。

1 地下水对河流侵蚀作用影响的模拟试验

在地下水与河流的关系及演化方面，文献[2-5]用试验的方法模拟了地下水与河流的转化模式及其特征，为笔者的研究提供了宝贵的资料支持。河流与地下水的水交换改变了地下水场的分布，同时地下水场也会对河流沉积产生影响(笔者研究的地下水位是特指河床附近受地下水影响很小或假设未受河流影响时河床附近的地下水潜水位)。

河水对河床的压力由河床孔隙水(即河床地下水)与河床颗粒承担。当河水水压头与河床孔隙水水压头的差值越大，河床颗粒受到河水的压力越大，河水的侵蚀作用也越强。为了证明地下水对河流侵蚀作用的影响，笔者做了一系列的模拟试验。

图1 试验装置示意图

试验在直径30cm、深10cm圆柱形的漏筛中进行。试验材料为松散的长石细砂和黄色粘土。其中细砂渗透性良好，易于侵蚀；粘土隔水性良好，是很好的隔水层。笔者将漏筛置于水槽之中，用水槽水位模拟地下水潜水位研究地下水位对流水侵蚀作用的影响。其中水位高代表地下水潜水位高度，泥面高代表隔水层高度，砂面高代表地表高度(见图1)。

试验1 沙面高8cm，下覆泥面高0cm，水位高5cm，水流对沙面迅速侵蚀，到90s时，水位与地下水位持平，水流不再向下侵蚀，平均侵蚀速率3.33mm/10s。

试验2 沙面高8cm，下覆泥面高0cm，水位高6cm，水流对沙面快速侵蚀，到90s时，水位与地下水位持平，水流不再向下侵蚀，平均侵蚀速率2.22mm/10s。

试验3 沙面高8cm，下覆泥面高0cm，水位高8cm，水位与地下水位持平，水流基本不侵蚀沙面，平均侵蚀速率0mm/10s。

试验4 沙面高10cm，下覆泥面高6cm，水位高6cm，水流对沙面缓慢侵蚀，到30s时，水流不再向下侵蚀，平均侵蚀速率1.66mm/10s。

试验5 沙面高8cm，下覆泥面高6cm，水位高6cm，水流对沙面侵蚀非常缓慢，到30s时，水流不再向下侵蚀，平均侵蚀速率1.33mm/10s。

试验1～3表明，流水的河床的侵蚀能力与地下水位与河水位之间的关系有关。当河水位高于地下水位时，河水对河床有强烈的侵蚀能力。当河水位与地下水位齐平时，河水对河床的侵蚀能力几乎为零。

试验4、5表明，流水对河床的侵蚀作用不仅与地下水位有关，而且与下覆岩层有关。当下覆岩层有强隔水层时，河水的侵蚀能力大幅减弱。

综上，河流的侵蚀作用与地下水场和下覆岩层有关。由于条件限制，试验未能模拟河水含砂及河床坡降、河床岩性对河流侵蚀能力的影响。黄土高原为风成黄土堆积而成，土质松软，渗透性好。与冲积平原相比，黄土高原缺乏砂泥岩互层的韵律层系。大气降水以垂直入渗为主，地下潜水位低，表层黄土层缺乏地下水涵养，往往在短短一场暴雨后在地面侵蚀出一道道深沟。这种强烈的侵蚀作用可能就与黄土层缺乏韵律隔层有关。

2 地下水场与河流关系的4种类型

地下水潜水水位与河水位之间的关系影响着地下水场的分布，如图2所示。图2模型假设河床与含水层为同质均一的岩性，图中粗黑色虚线的为地下水潜水位，黑色虚线表示压力水压头线(即压力等值线)，淡色实线为地下水等水压头线。其中压力水压头线为实测数据。等水压头线越密，则地下水水压头梯度越大，河床底部骨架颗粒受到的压力越强，河水的侵蚀能力越强。地下水垂直于等水压头线流动。在此笔者主要研究的是河床底部地下水水压头梯度和河水的渗流方向。

图2 河流与地下水关系演化模拟试验图

2.1第1种类型:地下水潜水位与河面接近

当地下水潜水与河面接近、河流下方为匀质岩、无隔水层时，地下水潜水位比较平直，等水压头线在河床下方和河床侧面都比较密集，河流侧向和向下侵蚀作用相当。等水压头线倾斜向下，河流向下渗流为主(见图2(a)。

2.2第2种类型:地下水潜水位略低于河面，且河床下覆有隔水层

当地下水潜水略低于河面且河床下覆有隔水层时，隔水层改变了河床附近地下水场的分布。河床下部的等水压头线密度变小而河床侧面的等水压头线密度变大(注意等压头曲线的标值)，河流侵蚀作用以侧向侵蚀为主。侧面的等水压头线直立，河水侧面渗流强烈(见图2(b)。

2.3第3种类型:地下水潜水位远低于河面

当地下水潜水位远低于河面时且下伏无隔水层时，河床下方等水压头线密度远大于侧面等水压头线密度，河流侵蚀作用以向下侵蚀为主。侧向等水压头线平直，河水以垂直下渗为主(见图2(c)。

2.4第4种类型:地下水与河床脱节

当河水位与地下水位脱节且无隔水层时，渗流特征表现为河流以淋滤式渗漏补给地下水，河床底部处于非饱和状态，其中的水流是水一气掺混的非饱和流动，形成河流一河床下悬挂饱水带一包气带一饱和带水流系统。河床下方等水压头线密度更大于侧面等水压头线密度。侧向等水压头线平直，河水垂直下渗(见图2(d)。

河床的岩性也对地下水水压头梯度产生影响。当河床岩性致密，透水性差时，河床附近的地下水水压头梯度小，地下水位对河流的影响作用小。反之，则河床附近的地下水水压头梯度大，地下水位对河流的影响作用大。

3 河流沉积对地下水场与河流关系的响应-以玛纳斯河为例

图3 玛纳斯河流域水文地质剖面图

玛纳斯河位于准格尔盆地南缘天山北侧，根据地下水的空间展布以及转化合关系可以将其分为7个区(见图3)[6]。笔者通过google地图研究玛纳斯河河型时发现玛纳斯河河型的空间展布与玛纳斯河流域的地下水循环及地下水潜水位具有良好的匹配关系。下面，笔者以玛纳斯河为例就地下水与河流关系对河流沉积的影响做进一步的探讨。

在山区(即图3第1区)，地下水以垂直入渗为主，地下水位埋深大，地表坡降大，河流流速快，河流表现为下切型河流(图2第4类)。

在第1排构造与第2排构造之间为冲洪积扇沉积上部(即图3第2区)，沉积物颗粒粗，渗透性好，透水性强。在上部，地势相对较高，河流补给地下水(图2第3类模型)，可以看到河谷深切。

在第1排构造与第2排构造之间为冲洪积扇沉积下部(即图3第3区)，地下水受第2排构造隆起的阻隔，地下水溢出地表排泄补给河流(图2第1类模型)，河流受地下水的浮力作用影响，河道变浅，沉积物大量卸载沉积，可见辫状河形态。

在第2排构造的出山口为大型冲洪积扇(即图3第4区)。地下水埋深由扇顶大于100m向扇缘逐渐变浅，在玛纳斯县北一带潜水溢出地表。在冲洪积扇的扇根扇中部，河流补给地下水(图2第4类模型)，可见河谷深切。同时由于流量漏失，地形坡降变缓，河流沉积作用加强，河流具有一定的摆动能力。

在冲积扇的扇缘(即图3第5区)，地形进一步变平坦，沉积物颗粒由粗变细，透水性变弱。地下水由于细粒物质的阻隔溢出地表补给河流(图2第1类模型)，河床变浅，山区带来的大量携带物在这里大量卸载，河流因为沉积物堆砌作用快而经常变道。在google地图上可见大范围辫状河形态。

河流进入冲积平原(即图3第6区)。玛纳斯冲积平原地形平坦，微微向北倾斜，地形坡度为0.003～0.0001，冲积平原区上部潜水含水层一般由粗砂、亚砂土、亚粘土组成，含水层厚度数米至数十米不等，埋深小于5m，沉积物以细粉砂与细土为主。地下水以水平运动为主。冯先岳、吴秀莲对河子以北农八师第三十团一带40多口钻孔资料分析显示冲击平原在剖面，河流呈良好的2层结构[7]。上层冲积层主要由棕色、灰黄色的亚粘土、亚砂土和粉砂组成，呈互层状，一般质地均一，结构松软。下覆灰黑色粘土层为良好的隔水层(图2的第2类模型)。Google地图显示为呈典型的高弯度曲流河形态。

4 地下水与河流河型的讨论

河流沉积剖面中，常常发现同一时期的河流的底界面在横向上是在近于同一平面内的。试验1的试验结果表明，地下水位与河床下伏隔水层对河流的底界面的位置具有重要影响。笔者认为，地下水潜水位即为控制河流底界面的这一物理面，而具体的某条河流的底界受河流自身矛盾的影响而围绕地下水潜水位上下波动。在纵向上，地下水潜水位受地貌、地层结构、地下水径排关系的影响而呈倾斜的潜水位。而这一倾斜的潜水位对沉积界面的倾斜和河流坡降将产生重要影响。钱宁指出，水流为了维持挟沙能力以与之相适应, 必将塑造成一个与之相应的河床坡降。而河床坡降的调整可以通过河身弯曲、流路加长来实现[8]。由此可见河床坡降并非影响河流形态的原因，而是河流内在平衡的结果。倾斜的地下水潜水位和河流与地下水位关系决定的河流内在的沉积侵蚀平衡是河流坡降的重要影响因素，并决定最终影响着河流河型。在地下水匮乏的地方，河流补给地下水，河水位高于地下水位以保持对地下水的渗入，河流的向下侵蚀能力加强，表现为下切谷河流；在河水位略高或接近地下水位，且下伏韵律隔水层时，河流侧向渗流，其侧向侵蚀强烈，表现为典型的曲流河形态；在地下水丰富的地方，地下水补给河流，河水位与地下水持平或低于地下水，河流的侵蚀能力弱。在河流上游，河流荷载重，河流沉积作用强烈，河床加积高抬，河流迅速改道，表现为辫状河；在河流下游，河流沉积作用弱，河床岩性细，不容易侵蚀时，表现为固定性河流，如网状河。

5 结 论

通过试验证明，河流的侵蚀作用与地下水潜水位、河床及河床下伏韵律隔水层及河床的渗透性有着重要关系。笔者将地下水与河流的关系对河流沉积的影响划分为4种模式。

第1种类型：地下水潜水与河面接近。 河水受地下水浮力的上托作用，河水对河床向下侵蚀作用小，河床变得宽浅。当河水携带大量沉积物质时，携带物会在此大量卸载，河床迅速改道，则可形成辫状河河型；在河流下游，河水携带物少、河水比较清冽时，河流的沉积作用和侵蚀作用都比较微弱。如果河床为较为细腻的粘土岩，难以侵蚀，则可形成河道固定的网状河河型。

第2种类型：地下水潜水略低于河面，且河床下覆有隔水层。 隔水层改变了河床附近地下水场的分布。河流因为下覆隔层壅水浮力而向下侵蚀能力减弱，侧向侵蚀能力强；河水以侧向渗流为主，如果河床岩性疏松，渗透率大则易形成典型的曲流河形态。

第3种类型：地下水潜水位远低于河面。 河床向下侵蚀能力强烈，这种情况多见与山区的下切性河流。

第4种类型：地下水与河床脱节。 河水以垂直下渗为主，河床向下侵蚀能力强烈。多见于山区性河流与地上悬河。

河流河型受地下水潜水位、河流与地下水的供排关系及河流携带物量所影响的河流侵蚀沉积平衡所控制。其中将河流与地下水纳入同一个系统来思考河流沉积及河型，通过研究受地质构造、地层岩性、地貌特征、构造运动和气候等控制的地下水循环来研究河流沉积不失为一种新的角度，并使通过研究盆地地质条件来分析地下水的空间分布，进而预测河流河型在空间上的分布演化成为一种可能。笔者仅在此提供了一个思路。由于条件所限，笔者未能就地下水对河流沉积的影响做深入的研究。期望能引起更多人关注，并投入地下水与沉积作用关系的研究工作。

[1]乔晓英. 准噶尔盆地南缘地下水环境演化及其可再生性研究[D]. 西安：长安大学,2008.

[2] 王文科,李俊亭,王钊,等. 河流与地下水关系的演化及若干科学问题 [J]. 吉林大学学报(地球科学版),2007,37(2):231-238.

[3] 冯西洲. 河流与地下水关系演化的实验研究[D]. 西安：长安大学，2008.

[4] 张翔,李俊亭. 河流补给机理的试验研究[J]. 西安地质学院学报,1996,18(1):61-65.

[5] 刘国东,李俊亭,丁晶. 地下水与河水脱节的实验与模拟[J]. 水文，1999(3):10-15.

[6] 史兴民,杨景春,李有利,等. 玛纳斯河流域地貌与地下水的关系[J]. 地理与地理信息科学，2004，20(3):56-60.

[7] 冯先岳,吴秀莲. 玛纳斯河中游冲积层[J]. 干旱区地理,1985，8(3):36-43.

[8] 钱宁. 关于河流分类及成因问题的讨论[J]. 地理学报, 1985,40(1):1-9.

[编辑] 洪云飞

P931.1

A

1673-1409(2012)05-N074-04

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.024

2012-02-26

刘伟(1984-)，男，2006年大学毕业，硕士生，现主要从事沉积学与层序地层学方面的研究工作。