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《西北大学》 2017年
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渭河陕西段潜流带垂向渗流量空间变化研究

王利平  
【摘要】:定量研究潜流带垂向渗流量的量值及其空间变化对解析地下水与河水相互作用有重要意义。不同河流形态存在明显侵蚀和沉积环境的差异,能影响地下水与河水之间的水力联系和潜流带垂向渗流量的空间变化。然而,目前不同河流形态类型垂向渗流量的研究较少。本研究以渭河陕西段干流和支流(北洛河)三种不同河流形态类型(弯曲河道、分叉河道和直河道)为研究对象,采用水力梯度法对沉积物垂向渗透系数(Kv)与垂向水力梯度(VHG)进行原位测试,并基于达西定律计算潜流带垂向渗流量。同时,在渗透系数测试点位附近,采用不同深度温度同步测定技术-温度法,进行潜流带沉积物不同深度温度原位测定,并结合一维稳态热对流方程计算潜流带垂向渗流量。通过以上两种方法对比研究不同河流形态的潜流带水交换量及其方式。同时对潜流带垂向渗流量的内在驱动因素(河流形态、河床地形、沉积物的渗透系数与水力梯度、水深、沉积物物理特性以及地下水与河水补给方式)做同步测试、观测与分析,初步解析潜流带垂向渗流量空间变化影响机理。结果表明:(1)在渭河支流和干流,温度法和水力梯度法测算的垂向渗流量空间变化存在显著差异。在渭河支流,水力梯度法测算的上升渗流量介于-4.1 mm/d和-427.6 mm/d之间,而温度法测算的上升渗流量介于-20.5 mm/d和-132.6 nmm/d之间。在渭河干流,水力梯度法测算的上升渗流量介于-0.2 mm/d和-1915 mm/d之间,而温度法测算的上升渗流量介于-67.4 mm/d和-321.7 rmm/d之间。对于上升渗流量,水力梯度法测算的空间变异性比温度法测算的空间变异性大。(2)尽管两种方法测算的垂向渗流量大小和方向存在差异,但在渭河支流分叉河道和渭河干流弯曲河道,两种方法得出的渗流量方向较为一致。Kruskal-Wallis非参数检验也表明,在渭河支流三种类型河道两种方法测算的上升渗流量没有显著差异。而且,两种方法测算的上升渗流量与相对应的河床Kv或VHG均具有相似的空间分布特征。河床Kv值或VHG值较大的位置,两种方法测算的上升渗流量也较大。(3)在同一河床类型的河道,两种方法测算的上升渗流量也有相似的空间分布特征(分叉河道除外):弯曲河道的上升渗流量在支流河道中间靠近侵蚀岸或干流靠近河岸的位置较大;直河道的上升渗流量均在靠近河道中间的位置较大。(4)潜流带垂向渗流量上升流和下降流的变化主要受河床地形影响,但其大小的变化并不受河水水深影响,却受河床沉积物物理特性(沉积物颗粒粒径和沉积物结构)影响。在渭河每个研究河段,上升流和下降流同时发生,这主要是由于地下水与河水相互作用以及较小尺度地形变化引起。沉积物物理特性影响着河床渗透性,进而影响潜流带垂向渗流量的大小。河床沉积物颗粒成分差异是造成河床Kv值和垂向渗流量空间差异的主要原因之一。而且,沉积物结构差异也能影响河床Kv值和垂向渗流量的大小。在渭河干流的三个河道,直河道沉积物以粘土/粉砂为主,上下两层沉积物Kv值均小于0.4 m/d;分叉河道由于连续淤塞层的影响,致使大多数上下两层沉积物Kv值分别小于0.9 m/d和0.4 m/d;而弯曲河道沉积物以砂土为主,上层沉积物Kv值大多介于3.03 m/d和34.9 m/d之间,下层沉积物Kv值大多介于0.22 m/d和21.03 m/d之间。在渭河干流三个河道,弯曲河道河床Kv值和垂向渗流量是最大的。(5)一般而言,渭河干流直河道和分叉河道的上层沉积物Kv值相较于下层沉积物较小,但对于渭河干流弯曲河道和支流直河道,上层沉积物Kv值大于下层沉积物。在支流直河道,上层沉积物Kv平均值和中位数分别为8.72 m/d和7.51 m/d,而下层沉积物Kv平均值和中位数分别为1.22 m/d和0.43 m/d。在渭河干流直河道,上层沉积物Kv平均值和中位数分别为0.06 m/d和0.04 m/d,而下层沉积物Kvv平均值和中位数分别为0.12 m/d和0.10 m/d。在渭河干流分叉河道,上层沉积物Kv平均值和中位数分别为0.36 m/d和0.05 m/d,而下层沉积物Kv平均值和中位数分别为0.37 m/d和0.13 m/d。在渭河干流弯曲河道,上层沉积物Kv平均值和中位数分别为14.98 m/d和15.4 m/d,而下层沉积物Kv平均值和中位数分别为3.76 m/d和1.69 m/d。上下两层沉积物Kv值的这种差异主要与地下水与河水补给方式引起的沉积物颗粒粒径成分差异有关。然而,较小尺度上的上升流和下降流能重新分配上下两层沉积物的细颗粒物质,甚至改变沉积物的孔隙度,进而改变上下两层沉积物Kv值。因此,地下水与河水补给方式以及较小尺度上的上升流和下降流能引起上下两层沉积物物理特性和Kv值发生变化,最终可能导致潜流带垂向渗流量也相应地发生变化。
【学位授予单位】:西北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P641;P333

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