河床垂向渗透系数空间变异性的三维分析

介飞龙 李升

摘要：河床垂向渗透系数的空间变异性对流域内河水与地下水转化机理研究具有重要意义。采用渗水仪法和竖管法共测定了玉龙喀什河河床垂向渗透系数25组，研究了河床深度方向、垂直于河流方向和河流沿程方向的河床垂向渗透系数空间变化特征，并分析了产生变异的影响因素，总结了河床垂向渗透系数变异性的维度效应，结果表明：玉龙喀什河河床垂向渗透系数的变异性受泥沙淤积作用、风积作用、河流沉积作用等诸多因素的影响，在不同维度下，河床沉积物变异性的主导因素不同，不能以单一因素判别河床沉积物渗透系数的变异性。

关键词：垂向渗透系数；变异性；河床；维度效应；玉龙喀什河

中图分类号：P345

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.012

河水与地下水之间有着密切的水力联系和频繁的转化关系，河水与地下水转化关系及转化量很大程度上取决于河床的水力参数，河水人渗速率Ve和河床垂向渗透系数K是影响河水与地下水转化的重要参数。干旱区地下水资源主要补给来源为河流的垂向渗漏，因此河床垂向渗透系数直接影响干旱区地下水的资源量。河床垂向渗透系数在空间上有很大的差异性，这种差异性决定了河水与地下水之间相互作用的空间特征与规律。因此，研究河床垂向渗透系数的空间差异性能够有效、精确计算河水与地下水的相互转化量，为地下水资源评价提供可靠依据。

河床垂向渗透系数的空间变异性研究已逐渐受到全球学者的关。G.Dagan 1989年将随机理论应用于渗透系数的变异性研究，随后不久渗透系数变异性研究便逐渐成为热点；X.Chen等C.Cheng等利用竖管法研究了美国内布拉斯加州南部的Platte河流河床不同方向的渗透系数，结果表明河床具有明显的各向异性：R.J.Ryan等通过示踪剂研究发现，浅层沉积物的渗透系数比深层的大：宋进喜等研究了美国内布拉斯加州4条河流的河床沉积物，发现河床上层渗透系数比下层的大：D.P.Genereux等对西贝尔河床垂向渗透系数的研究结果表明，渗透系数沿河道和垂直于河道方向均有变异性，原因是沉积物颗粒性质（颗粒大小、级配、空间分布等）存在差异。

获取河床参数的方法有很多，国内外学者通过水头下降竖管法、水压通量法、微水试验法和抽水试验法等测定细颗粒河床垂向渗透系数。H- Bouwer提出渗水仪法，W.Wang等对渗水仪法进行改进，能较好地测定粗颗粒河床沉积物的河水人渗速率及垂向渗透系数，并能够测定不同大小颗粒的河床参数。笔者结合各方法的优点，采用渗水仪法和竖管法测定玉龙喀什河3个维度的河床渗透系数，并研究渗透系数的空间变异性及其影响因素。

1 研究区概况

玉龙喀什河位于新疆南部的和田地区，是中昆仑山北麓最大的干旱区河流。玉龙喀什河流域地势南高北低，年均气温为11.6℃，年均降水量仅为34～75mm，年均水面蒸发量为2252mm。玉龙喀什河河水由南向北流，補给源为上游的融雪，河流贯穿冲洪积砾质平原，流人细土平原沙漠带，最终汇人塔里木河。玉龙喀什河上下游河床沉积物粒径分布极不均匀，由上游至下游的河床质分别为卵砾石、沙砾石、沙。

2 研究内容

河床与漫滩界线随时间发生变化，洪水来袭时较低的漫滩变为河床，洪水退去后又变为漫滩，可以将漫滩看作是河床的延伸，具有与河床相同或相似的特点，因而对于粗颗粒河床或者不易测定参数的河床，通过研究与河床具有相似性的河漫滩渗透系数，可以得出河床渗透系数，因此文中不再特意区分河床与漫滩。

本研究从3个不同维度研究玉龙喀什河河床渗透系数的空间变异性：不同深度、垂直河流方向、河流沿程方向。不同试验点位置见图1。

2.1 不同深度试验点

不同深度试验点选取玉龙喀什河下游细土带（4桥上游侧）的河床漫滩处，选定的2个试验点ZI和22分别距离河岸2m和80m（见图1）。采用阶梯法取各试验点不同深度（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100cm）的河床沉积物样品：先用铁锹铲出拟选点的剖面，观察剖面地层在水平方向上没有发生突变时，可用竖管在临近点分别取出不同深度的河床沉积物（见图2）。取样后，在室内采用人工梯度法测定河床沉积物的垂向渗透系数，并进行河床沉积物颗粒分析，获取粒径参数。

2.2 垂直河流方向试验点

为研究玉龙喀什河细土带垂直于河流方向的河床沉积物垂向渗透系数变异性，设定一条垂直于河岸线的剖面线，剖面东西走向，由东向西共布设8个等间距的试验点（见图1中的Cl～C8），试验点间距为15m。测定各试验点的垂向渗透系数后，进行河床沉积物颗粒分析，获取粒径参数。

2.3 河流沿程方向试验点

在玉龙喀什河由南向北52km河段内共选取7个沿程试验点（见图1中的Sl～57）。为确保试验点能代表该河段的特性，选取漫滩与河床岩性特征最为相似的点进行试验。用渗水仪法现场测定各试验点的垂向渗透系数后，进行河床沉积物颗粒分析，获取粒径参数。

3 试验方法

3.1 人工梯度法

用竖管取出河床沉积物的原状样后，将底端用纱布包裹，在室内利用人工梯度法测定河床垂向渗透系数K值。将竖管底端放人装满水的容器，固定竖管和刻度尺，在管内加入适量水，开始记录时间t和水位读数h。图3为人工梯度法试验装置示意图。

试验结束后，绘制水位对数Inh与时间t的线性拟合关系线，根据关系线斜率即可计算出河床垂向渗透系数K：

K= VL

（1）式中：v为拟合关系线的斜率；L为沉积物的厚度，cm。

3.2 渗水仪法

渗水仪可用于测定粗颗粒河床沉积物的渗透系数（试验装置见图4），该仪器由渗水环、外环、供水桶和U形管组成。试验时将渗水环和外环插入河床，向外环和供水桶内注水，记录时间和U形管读数，然后根据下式计算河床垂向渗透系数K：式中：ho为供水桶的初始水位，cm；ti、hi分别为供水桶水位与外环水位相同时的时间（min）和此时对应的B管读数（cm）；Lv为渗水桶插入河床沉积物的深度，cm。

3.3 河床沉积物粒径分析

按照粒径大小逐级称重，计算累计质量百分比，并绘制粒径级配曲线。根据级配曲线，可以得出中值粒径d50、不均匀系数Cu、黏土质量百分比n等粒径参数。

4 结果与讨论

表l为河床垂向渗透系数及颗粒分析试验结果，据此对不同维度的河床渗透系数差异性进行分析。

4.1 不同深度河床K值差异性分析

河漫滩存在横比降，Z2与Z1点表面高程差为20cm左右，以Z2点表面高程为基准点，绘制不同埋深下两试验点的渗透系数及黏土含量曲线如图5所示，由图5可看出，2个试验点的渗透系数在深度上变化趋势一致，表明近河岸与远河岸的河床沉积物在水平上按照层状分布。随着深度的增加，河床沉积物的黏土含量逐渐减少，表明河床受到了河流沉积作用，细颗粒沉积物位于上层：河床垂向渗透系数并非完全与黏土含量呈负相关，表明河床垂向渗透系数在不同深度上产生差异的主要因素并非河流沉积作用。

4.2 垂直河流方向河床K值差异性分析

从垂直河流方向的河床剖面K值与d50变化情况（见图6）可以看出，靠近河岸线的C1试验点河床沉积物中值粒径d50与渗透系数K都较大，远离河岸线的C6～C8试验点河床沉积物中值粒径与K值均较小且趋于稳定，表明河漫滩存在横比降，漫滩洪水携带的泥沙沿横向分选，河水将一部分细小的黏土颗粒冲刷至离河岸较远处，稍粗的颗粒物沉积于近河岸处，因而导致远岸处河床垂向渗透系数小于近岸处的。

4.3 河流沿程方向河床K值差异分析

从玉龙喀什河沿程方向河床垂向渗透系数沿程变化（见图7）可以看出，渗透系数的波动性较大。玉龙喀什河位于塔克拉玛干沙漠南缘，渗透系数除受到河流沉积作用外，还受到沙漠风积作用。由图8可以看出，位于出山口一砾质平原（Sl-S3河段）河床沉积物垂向渗透系数与中值粒径d50成正相关关系，表明该段河床垂向渗透系数的主要影响因素是沉积物粒径大小。根据野外调查及采集土样发现，出山口一砾质平原南段的河床沉积物粒径呈现细一粗一细的特点（见图9），这与河床沉积物的颗粒分析结果是一致的，形成这种特征的原因是玉龙喀什河地势南高北低，由上游至下游，地面坡度逐渐变缓，河水动力逐渐变小，一般情况下粗颗粒沉积物易堆积于河流上游，细颗粒易堆积于下游，若河床仅受到河流冲积作用的影响，则上游渗透系数大于下游，因此试验点53至52处河床渗透系数变小。出山口处地形较陡，粗颗粒河床沉积物不易堆积，因此粗颗粒物大多堆积于山脚下砾质平原南段，因此出山口试验点S1渗透系数略小于砾质平原上游试验点S2的。综上所述，出山口一砾质平原南段河床渗透系数主导因素是地形地貌。这表明在玉龙喀什河沿程方向上，位于出山口一砾质平原南段的河床垂向渗透系数的影响因素是地形地貌和河流沉积的共同作用。

从K值与不均匀系数Cu的变化趋势（见图10）可以看出，位于砾质平原南段一细土平原段（S4-57）的河床沉积物的垂向渗透系数K值与Cu成负相关关系，表明该段河床垂向渗透系数的影响因素是沉积物粒径分布。由表1中不同试验点中值粒径可以看出，S4-S7段河床垂向渗透系数与沉积物粒径没有明显的相关关系，表明该段河床沉积物垂向渗透系数的主要影口向因素不是河流的沉积作用，而是沙漠的风积作用。在风积作用下，越靠近沙漠的河段河床沉积物颗粒的Cu值越小，河床K值越大；反之，靠近河流上游Cu值较大，K值较小。

综上所述，玉龙喀什河沿程方向河床垂向渗透系数的变化较为复杂，受到多种因素的共同影响，出山口一砾质平原南段河床垂向滲透系数的主要影响因素为地形地貌和河流沉积，而砾质平原北段一细土平原段河床垂向渗透系数的主要影响因素为风积作用。

4.4 不同维度下河床K值变异性分析

不同维度下，河床沉积物的渗透系数受控因素不同，采用变异系数Cv可以定量反映某一参数的离散程度，且不受尺度限制，因此可用Cv反映河床垂向渗透系数在某一维度上的变异性强弱：Cv<0.1为弱变异性，0.1≤Cv≤1.0为中等变异性，Cv>1.0为强变异性。根据试验结果，采用SPSS软件进行数理统计，分别得到河床深度方向、垂直于河流方向、河流沿程方向的河床垂向渗透系数的变异系数Cv1=0.30、CV2=0.77、CV3=0.61。变异系数l.O>CV2>CV3>CV1>O.l，表明河床垂向渗透系数在不同维度均为中等变异性，其中：垂直于河流方向上的变异性最强，沿程方向变异性次之，不同深度方向上的变异性最弱。

5 结语

（1）玉龙喀什河河床渗透系数的变异性受到诸多因素的影响，不同维度的河床垂向渗透系数变异性影响因素不同。在河床深度方向上，河床垂向渗透系数差异性受控于洪水淤积作用和水位波动效应。垂直于河流方向的河床垂向渗透系数差异性受控于河床横比降。在河流沿程方向上，河床垂向渗透系数变异性受控因素为河流沉积作用和沙漠风积作用：上游河段远离沙漠，主要受河流沉积作用影响：中下游河段靠近沙漠，主要受风积作用影响。

（2）玉龙喀什河河床垂向渗透系数的空间变异程度不同，根据变异系数的大小，河床垂向渗透系数在河床深度方向、垂直于河流方向、河流沿程方向均为中等变异性，其中：垂直于河流方向的空间变异性最强，河流沿程方向变异性次之，河床深度方向的变异性最弱。

（3）河床垂向渗透系数受到各种外界条件作用产生差异性，这种差异性不仅是空间上的，而且在时间上同样具有变异性。今后需要深入研究河床垂向渗透系数的时间变异性以及时空变异性的耦合。