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渭河陕西段河床垂向渗透系数时空特征及其变化机理

张波  
【摘要】:河床垂向渗透系数(K_v)是估算地下水与地表水交换量及污染物迁移的重要参数。K_v的时空变化特征反应了地下水与地表水交换强度及污染物迁移的时空分布。目前,关于河床K_v时空变化研究较少,尤其是K_v变化的影响机理的研究更加欠缺。系统地分析河床垂向渗透系数时空变化特征及其影响机理,可以为修复河流生态及维护流域健康等方面提供理论参考依据。本研究于2011年10月至2014年11月期间,采用水头下降竖管法,对渭河陕西段5个河段(眉县、咸阳、草滩、临潼及华县)进行了K_v的原位测试。运用统计学方法分析了K_v时空变化特征,结合室内实验,分析影响其变化的因素。分别从沉积物的理化性质、分层结构、矿物组成及河水理化性质等方面对K_v时空变化机理做了深入探讨。得到以下主要结论:(1)基于K_v的正态分布检验表明,整体上K_v值时空分布不服从正态分布,部分时段(2014年6月)K_v值服从对数正态分布。研究时段内K_v值范围为0.00-42.38 m/d。在时间上,华县段K_v值有随时间增加的趋势,其余4个点均表现为自2013年3月及以后K_v值变小且趋于稳定,且5个河段的河床K_v值季节性变化均不显著。在空间上,不同时间段的K_v空间分布特征差异较大。2013年5-6月后,各河段K_v差异性减小。在测试的时间段内(除2013年12月外),均为草滩段的K_v值最大(0.07-22.25 m/d),眉县段和咸阳段的K_v值最小,分别为0.00-1.16 m/d及0.00-1.17 m/d。2013年12月及以后,各河段K_v值均呈现出递减趋势(0.01-2.43m/d),且空间大小分布规律较稳定,其中临潼和华县段的K_v值减小程度小于眉县和咸阳段;眉县和咸阳段K_v在空间分布上处于最小,分别为0.02-0.06 m/d及0.01-0.05 m/d,临潼和华县段仅次于草滩段,分别为 0.05-0.15 m/d 及 0.15-0.64 m/d。(2)整体来看,渗透系数较大的点位,沉积物的黏土含量较小。然而,当黏土质量含量大于15.0%或小于5.0%(即黏土含量过大或过小)时,黏土含量差异不是影响沉积物渗透系数大小的主要因素。此外,金属离子等化学物质主要通过改变黏土的聚集形态,进而影响沉积物的结构,但随着黏土含量增加(15%时),化学作用对渗透系数的影响减弱。因此,随着沉积物颗粒组分变化,沉积物理化性质对渗透系数的影响效应也随之发生变化。(3)黏土形成的“弱透水层”会降低沉积物的渗透系数,富含有机质的黏土层将显著地降低沉积物的渗透性。垂直方向上,位于沉积物下部的黏土层对渗透系数的影响大于上部。因此,沉积物的分层结构对渗透系数具有显著的影响。采用XRD衍射图谱测算沉积物的矿物组成,并分析其与渗透系数的关系。结果表明,5个河段河床沉积物的矿物组成差异较小(0.01-2.94%),沉积物的矿物组成差异不是引起研究区河床垂向渗透系数分布的主要因素。(4)室内清水及交叉河水渗透对比实验结果表明,不同沉积物其渗透系数受河水的理化性质的影响存在差异。水质差异对沙质沉积物(黏土含量5.0%)的渗透系数影响较大,对黏土含量较大的沉积物(黏土含量≥5.0%)的渗透系数影响较小(可以忽略)。因此,河水理化性质对渭河草滩段沉积物渗透系数的影响较大,对其它4个河段的渗透系数影响较小。河水理化性质差异不是引起研究区河床垂向渗透系数变化的主要因素。河水深度对渗透系数有正负两个方面的影响,而这种影响因沉积物的组成特征不同而异,但均不显著。


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