北洛河潜流带渗透系数与水交换空间变异性及其对河貌地形的响应关系

发布时间：2020-04-22 04:03

【摘要】：河流潜流带垂向渗透系数与水交换是分析河流-含水层相互作用,污染物迁移与转换及河流生态系统的重要参数之一。开展河流潜流带渗透系数及水交换与裸露沉积物渗透系数及各向异性研究,分析其对相关水文特征和河貌地貌类型的响应机理及其相互作用关系,不仅为河流健康预警及该流域的水资源管理提供了科学依据,而且为解决我国北方其他河流地表水与地下水相关问题提供理论参考。本文选择北洛河具有三种不同河貌类型(弯曲河道、直河道、分叉型河道)的四个研究点为研究对象,采用原位与非原位水头下降竖管渗透试验法对河床沉积物垂向渗透系数(Kv),垂直水力梯度(VHG)与河岸裸露沉积物水平渗透系数(Kh),各向异性(Kv/Kh)进行了测试与分析,再利用水力梯度法计算垂向渗流量(Vertical Flux),并通过经验公式根据原位沉积物粒度曲线计算沉积物的渗透系数(Kg),结果表明：(1)在弯曲河道,垂向渗透系数在侵蚀岸值较大,而沉积岸值较小；在直河道,河道中间比两岸的垂向渗透系数值都大;在分叉型河道,冲蚀能力较大,垂向渗透系数较大。同时,河床平均粒径的大小在河道两岸及中间都有明显差异,河流侵蚀与沉积的过程是引起河床沉积物粒径大小分异的重要因素,从而对垂向渗透系数大小的差异起到了显著的影响作用。(2)河床上层沉积物(0-30cm)Kv值在河道中间及趋向侵蚀岸的区域较大。但中下两层沉积物(30-45cm; 45-60cm)Kv的空间变化特征较上层有明显差异,且下层具有最大的变异系数。同时,从上层到下层,Kv随深度有减小趋势。(3)Kv在时间变化上,相似性检验表明冬夏两季Kv值在统计学上具有显著差异,冬夏两季Kv具有相似的空间变化特征,但冬季的Kv值的变异性、平均值、中位数都小于夏季试验的结果。(4)河岸裸露沉积物的Kv值小于河床沉积物的Kv值。沉积物水平渗透系数(Kh)在两岸具有明显空间变化特征：在侵蚀岸,Kh随距河水水面高程增高而变大；在沉积岸,Kh随距河水水面高程增高而变小。Kh与各向异性(Kv/Kh)较大的值出现在沉积岸,且沉积岸的Kh与各向异性都具有较大的变异性。(5)运用Sauerbrei与Slichter经验公式计算Kg的值都大于原位实测的Kv值。沉积物Kg的值随深度从上层,中层再到下层,变化范围与值都随之变小。(6)河床沉积物垂向水力梯度(VHG)在方向上具有较强的变异性,由于河床微地形的影响,在河床阶梯形态处水交换方式为上升流,在河床深槽形态处转换为下降流,出深槽后进入阶梯形态又转变为上升流。本研究中,水交换的方向及大小都影响了Kv随深度的变化与空间异质性：水力梯度(VHG)在值上与Kv呈相反的趋势；在方向上,上升流对应的Kv值通常较大。(7)水力梯度法计算渗流量(Vertical Flux)在垂直于水流方向具有明显空间变化特征,较大的渗流量的值出现在河道中间及向侵蚀岸过渡的Kv较大区域。沉积物80 cm处的温度及温度梯度空间分布特征与渗流量相似,进一步印证了由水力梯度法计算渗流量的空间分布特征。
【图文】：

示意图,区域,示意图,原位测试

种如弯曲河道、直河道、分叉型河道、点砂蝴、河屯、洲、切岸、浅滩－阶梯－深槽等特定逡逑的河貌地貌类型。本试验共分两次进行：２０１４年６月，在四个研究点兰种不同的河貌类逡逑型（弯曲河道、直河道、分叉型河道）分别进行垂向渗透系数原位测试（见图２）；邋２０１５逡逑年１月，在分叉型河道的河床沉积物垂向渗透系数进行原位测试及裸露河岸沉积物水平逡逑与垂向渗透系数进行非原位测试。逡逑／逡逑＇墙／仍逡逑＼分义型河逍逦陕贿＼逡逑心－逡逑足户今？或┯姆慑澹苠义希埽澹惧义贤迹瞲O巧区域及研巧点分布示意图逡逑２．２测试与分析方法逡逑２．２．１河床沉积物垂向渗透系数原位测试法逡逑本研究采用竖管水头下降法测量进行渗透系数原位测试，该方法不仅简单实用、方逡逑便快捷、费用低（ＫａｌｂｕｓｅｔａＬ，邋２００８；ＷｕｅｔａＬ，邋２０１５ａ），而且还可Ｗ采集原位试验的沉积逡逑物（Ｓｏｎｇ邋ｅｔ邋ａＵ邋２０１０ａ；邋Ｃｈｅｎ＾邋２０１１）。目前该方法已被国内外大量运用（Ｃｈｅｎ＾邋２００５；逡逑ＧｅｎｅｒｅｕｘｅｔａＬ，２００８；邋Ｓｏｎｇ邋ｅｔａｌ．，２００９；邋Ｄｏｎｇ邋ｅｔ邋ａＬ，２０１２；邋Ｍｉｎ邋ｅｔａＬ，２０１３）。具体过程如下：逡逑在选定的测试点位，将一根长１６０邋ｃｍ，内径５．４邋ｃｍ，壁厚３邋ｍｍ的透明有机玻璃管（ＰＶＣ）逡逑９逡逑

过程图,原位渗透试验,沉积物,饱和过程

采用竖管水头下降法对河岸裸露沉积物进行非原位水平渗透系数及垂向渗透系数逡逑测定（Ｃｈｅｎ邋ｅｔａＬ，２０１４）。具体过程如下：首先将选取点位表面的松散的沉积物刮去，，采逡逑用ＰＶＣ管由水平方向及垂直方向打入河岸裸露沉积物３５邋ｃｍ左右后（见图５ａ），管口先逡逑用一个橡皮软盖将管子上端开口密封住，阻断管内空气与大气的接触，然后将管子平稳逡逑缓慢地从河岸沉积物中拔出并尽量不能破坏沉积物的层理与结构。拔出后的ＰＶＣ管下逡逑段管曰用数层细纱网裹住，使取出的沉积物细颗粒不能漏掉。进行渗透系数试验前，将逡逑每个装有沉积物的ＰＶＣ管放入水桶中进行饱和（见图５的，具体饱和过程见ＣｈｅｎｇｅｔａＬ逡逑口０１３）。饱和过程结束后，用铁架台垂直固定住ＰＶＣ管（见图５ｃ），运用类似上述河床逡逑沉积物渗透系数测试方法进行测定（ＣｈｅＡ邋２００４）。逡逑—＼邋（ａ）逡逑＇逡逑第云曼＼逡逑弦－－－－－－—＼逦－－－邋－邋－－－逦！ｉ逡逑Ｖ逦、逡逑第二层逦逦—
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P641;P333;P931.1

【相似文献】