渭河河床沉积物颗粒组成对渗透系数的影响

张 波，宋进喜，曹明明

（西北大学 城市与环境学院，陕西 西安710127）

河水的下渗对于维持地下水量的平衡起着重要作用，其基本的影响参数为河床沉积物的渗透系数，此参数直接影响着河流向含水层的入渗量和含水层向河流的排泄量［1］。渗透系数是指水力坡度为1时的渗透速度，是岩土透水性强弱的数量指标，又称水力传导度［2］。准确估算河床沉积物垂向渗透系数Kv值有助于了解地下水和河流之间水量交换以及水质运移的程度，并能解决一系列相关的水文地质问题［3－8］。研究表明，河流沉积物渗透系数的大小与沉积物组成颗粒的粒径分布呈现一定的规律性。不同的颗粒物粒径造成沉积物孔隙大小的差异，从而决定水体下渗路径的通畅程度，进而影响其下渗的速率。因此，研究沉积物颗粒粒径与沉积物渗透系数的关系，揭示其规律对渗透系数的预测具有重要的现实意义。国内外许多学者建立了粒度分布与渗透系数之间的经验公式如 Terzaghi公式、A.hazen公式、Kozeny公式等。Song等［9］通过对美国内布拉斯加州埃尔克霍恩河的研究认为，这些经验公式由于其自身的适用局限性问题，往往在通过粒度分布预测渗透系数上存在较大的偏差，有的则需要增加校正系数。不同的经验公式得出的渗透系数值也存在较大的差别［10－14］，一般认为，用颗粒物粒径公式计算渗透系数较适合于砂质或松散的沉积物，对黏土和淤泥渗透系数的计算适应性较差［15－16］。因此，可以考虑将沉积物按照粒径划分不同的类型与渗透系数之间建立一种普适性较强的关系。Chen［11］将河流沉积物按照粒径范围分为黏土、砂土及砾石，具体为：粒径＜0.075mm为黏土，粒径在0.075～2.0mm的为砂土，粒径＞2.0mm为砾石。本文采用此分类方法将所采集的河底沉积物分类。通过分析，实验点的沉积物主要由黏土和砂土组成，砾石的含量非常低，有些样品甚至不含砾石，因此在初步分析时，砾石对本区的河水渗透系数的影响可以不计。本文主要研究黏土和砂土对渗透系数的影响，进而揭示其影响规律。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

渭河是黄河的最大支流，发源于甘肃省渭源县鸟鼠山，东至陕西省渭南市潼关县汇入黄河，全长818km，流域面积1.34×105km2，流域范围主要在陕西省中部。南有东西走向的秦岭横亘，北有六盘山屏障。渭河流域可分为东西二部，西为黄土丘陵沟壑区，东为关中平原区。渭河流域范围内大部分为深厚的黄土覆盖，质地疏松，且多孔隙，垂直节理发育，富含碳酸钙，易被水蚀。

本文研究对象渭河陕西段，由于渭河上游地区河流底质为基岩，无法进行渗透实验。因此本文选取渭河中下游的眉县（MX，河底村）、咸阳（XY，渭河3号桥下）、草滩（CT，西安）及临潼（LT，张庄村）4个区段共计43个实验点，其中眉县6个、咸阳7个、草滩20个、临潼10个。

1.2 材料与方法

1.2.1 研究点位渗透系数的测定 本次测定实验于2011年10月进行。一般测定土壤渗透系数的方法分为常水头渗透实验和变水渗透实验，本文采用后者进行水饱和土壤（河底沉积物）垂向渗透系数的测定。具体方案为：用水头下降立管渗透实验法测定沉积物垂向渗透系数，将一根长160cm，内径5.4cm的上下开口薄壁的透明聚碳酸脂管垂直打入河床沉积物至50～60cm，通过人工往管子里注水，记录不同时间管子里的水头高度，以此来获取计算渗透系数Kv所需的各项参数（图1）。运用如下公式［3，17］进行垂向渗透系数的计算。

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）。，其中Kh——沉积物的水平渗透系数。宋进喜等［3］在美国霍恩河使用相同的方法测定渗透系数，通过分析认为m取值为10。本研究中Lv／D≈10，因此m＝10可能会引起误差值在2%左右。

图1 垂向渗透系数现场测定示意

1.2.2 沉积物粒径分析 在对渗透系数测定之后，用橡胶盖将立管上以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。在自然通风的条件下晾干、研磨、过筛用作粒度分析。按照粒径大小将沉积物划分为黏土、砂土和砾石。

2 结果与讨论

2.1 数据分析结果

通过对43个实验点位的渗透系数现场测定，并运用式（1）对测定结果进行计算得出各个点位的垂向渗透系数。将测定过渗透系数的沉积物带回实验室进行粒径分析并分类。各样点的垂向渗透系数及粒径分析结果见图2。

渭河草滩（西安）点的沉积物Kv普遍较大（图2），其 值 在 1.817～42.377m／d，平 均 值 为22.245m／d。其他各点位的Kv值由大到小依次为临潼、眉县和咸阳，其范围和平均值分别为0.449～5.812，2.586；0.380～0.588，0.466；0.074～0.512，0.235m／d。

图2 各采样点沉积物颗粒组成及渗透系数面积

比较4个采样段沉积物的组成部分，含砂量的大小普遍为：草滩点＞临潼点＞眉县点＞咸阳点，其范围和平均值分别为80.41%～97.77%和92.25%，65.67%～94.04%和79.57%，54.51%～67.73%和61.08%，23.13%～86.37%和52.43%。黏土含量关系为草滩点＜临潼点＜眉县点＜咸阳点，其范围平均值分别为0.13%～2.00%和0.51%，4.06%～28.00%和16.00%，24.24%～37.77%和31.60%，11.38%～69.94%和42.18%。其中咸阳部分沉积物中黏土比例比眉县小，但总体上眉县的黏土比例略小于咸阳的。对比渗透系数和沉积物组分，由图2可以看出，渭河各采样段的垂向渗透系数Kv与其含砂量的大小关系一致，与黏土含量的大小关系相反。

通过以上对比分析可以看出，沉积物的垂向渗透系数与其颗粒组成存在一定的关系，即与沉积物的含砂量呈正相关，与黏土含量呈负相关。通过对测定数据绘制其线形回归图，得出拟合方程及其相关性系数。

渭河测点沉积物的垂向渗透系数与其含砂率呈正相关，与其黏土率呈负相关（图3—4），R2分别为0.683 2和0.756 1，属显著相关，并且沉积物含砂率和黏土率与垂向渗透系数均属于指数关系。但是，在含砂率接近的点位中（图3中含砂率＞80%）其垂向渗透系数具有较大的差别，黏土率也同样存在这样的问题（黏土率接近0）。通过对这些“异常点”的分析，产生这种现象的原因应该是在分析中忽略了沉积物中砾石（粒径＞2.0mm）的存在。采集的样品中砾石含量普遍较低，其范围在0.78%～23.19%。通过分析发现存在“异常”现象的点位其砾石含量较高，同时黏土率都很低，这些点主要集中在眉县和草滩。Kv值与粒径存在正比例关系（图3—4），含砂率相似的点位砾石含量增加和黏土率降低都可使Kv值显著的增加，同样在黏土率相似的点位砾石的比重多，其Kv值也会大于砾石比重小的点位。

图3 沉积物含砂率与垂向渗透系数指数关系

图4 沉积物黏土率与垂向渗透系数指数关系

通过上述分析，含砂率与黏土率的比值即砂黏比（含砂率／黏土率）与垂向渗透系数Kv应该呈正相关，并且线性关系会增强。为了更好地反映河床沉积物组成与垂向渗透系数之间的关系，有必要对砂黏比（含砂率／黏土率）与垂向渗透系数Kv的关系作回归分析。

由图2可直观的地看出，4个研究区段中草滩的砂黏比最大。通过对数据分析43个点位中草滩有20个，其砂黏比均高于其他区段的23个点，范围为47.23～763.06，平均为290.51其中18个砂黏比超过100。其余23个点位中黏砂比范围为0.33～23.17。平均为4.42。由于草滩的砂黏比值过大，数目较多的草滩点位会对曲线拟合产生较大的影响，从而影响拟合方程的精度，产生较大的误差。因此，取草滩的20个点位Kv平均值（22.25m／d）和砂黏比的平均值（290.51）与其他23个点位的Kv值和砂黏比值共24对数值作砂黏比值与Kv值的回归曲线（图5）。

图5 沉积物砂黏比与垂向渗透系数指数关系

图5显示24对Kv值和砂黏比值呈正指数变化，且R2＝0.703 4，拟合程度较理想。除第20个点位（咸阳）、第23个点位（临潼）和最后一个点位（草滩）外，回归方程对其余21个点位拟合程度较好。第20个点位砂黏比7.59位于第4位，但是其沉积物组成中砾石含量却只有2.25%，位于22位（倒数第3），这是使其Kv较小的原因。第23个点位其砂黏比位于第2位（仅次于草滩），但是其砾石含量1.90%位于第24位（倒数第1），造成Kv值偏小的原因与第20个的原因相同。最后一个点位草滩其砾石含量达7.25%位于第5位，但是排在前面4位的黏土比例也很高，分别为第6，7，13和第18位，而草滩的黏土含量为0.51%，排在24位，远远低于黏土含量排位23的4.06%和平均值26.86%。因此，砾石含量高，黏土比例异常低是导致草滩测点砂黏比略高而Kv值异常高的原因。

2.2 讨 论

由以上分析可以看出，沉积物颗粒不同组份与其垂向渗透系数之间均呈指数关系。其中，Kv与含砂率及砂黏比呈正相关关系，与黏土比例呈负相关关系。从其相关性高度显著的结果看，沉积物的颗粒组成是影响垂向渗透系数的主要因素之一。但是，有些点位砾石含量和黏土含量显著高于或低于其他点位会导致Kv值过高或过低，说明粒径分布对Kv的影响起着关键作用，这与当前学者研究结论一致。António等［18］在三种不同情况下研究了渗透系数与黏土含量的关系，结果表明其关系均为负指数关系。另外许多学者研究总结了渗透系数与粒径组成的经验公式，这些公式往往针对某一个或几个特定粒径参数来评估渗透系数的具体的值。这些公式难以与本文结果比较，但是从经验公式的形式上可以看出渗透系数与粒径大小呈正相关关系，从侧面印证了本文的部分结果。

河流地表水经由河床沉积物下渗到达地下实现其对地下水的补给或者承压水通过上渗补给地表水，其渗透速率的大小除与其压力差有较大的关系外，与其渗透过程路径的畅通程度有很大的关系。一般而言，沉积物颗粒粒径越大，其“骨架”作用越明显，其间的空隙率越大，水的渗透路径越畅通，渗透系数也就越大。沉积物的空隙是渗流的路径，空隙率是影响渗透系数的重要参数。大颗粒的“骨架”作用增加了沉积物的空隙率，从而有利于渗流过程。空隙率与颗粒形状排列组合有关，若小颗粒填在大颗粒之间的空隙中，则可降低空隙率［19］。含有较大比例的砂质成分使沉积物有较大的孔隙率，反之含有较大比例的黏土的沉积物具有较小的孔隙率，并且黏土由于其粒径较小，填充在大颗粒（砂土或砾石）空隙中产生“淤塞”作用，降低了沉积物的孔隙率，从而影响水体的渗流过程。同时黏土具有较大的黏滞力，对水体运动具有一定的阻碍作用。因此，沉积物垂向渗透系数不仅与其组成颗粒大小有紧密的关系，同时还与其组成比例有较大的关系。本文采用原位测定方法获取渭河河床渗透系数，实验点位的水深、河流纵向比降不大，地下水位也没有太大差异，因此，沉积物的颗粒粒径就成为影响其渗透系数大小的主要因素。砂质沉积物其粒径大于黏土的粒径，因此，砂质沉积物的垂向渗透系数较大。河床沉积物Kv与含砂率呈正相关，而与黏土率呈负相关。由于影响Kv的因素较多，因此沉积物的渗透系数与其颗粒组成呈现出复杂的相关性。通过本文对渭河点位的研究，沉积物的垂向渗透系数与含砂率、黏土率及砂黏比（沉积物中砂土比例与黏土比例的比值）均呈指数相关。

3 结论

采用水头下降竖管法对渭河陕西段中下游4个区段的43个点位进行了河床垂向渗透系数的测定。渗透系数与其河床沉积物颗粒组成具有一定的关系，具体为：随着沉积物中砂质含量的增加其垂向渗透系数呈指数增长，沉积物中黏土含量增加其垂向渗透系数呈指数减小，且垂向渗透系数与沉积物中的砂质含量与黏土含量的比值呈指数正关系。沉积物中砂质与黏土比例相近时，砾石（大粒径）的含量会对Kv值产生较大的影响。同样，在砾石含量接近时细小的黏土（小粒径）比例差别也会对Kv值产生大的影响。所以，砾石和黏土含量较小时，Kv值对其含量差别响应非常明显，会出现分析过程的“异常”现象。

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