1、河流潛流帶滲透系數(shù)變化研究進展    摘要：介紹了河流潛流帶的含義，即是河水與地下水發(fā)生物質(zhì)能量交換的區(qū)域，其水力聯(lián)系和交換水量大小受河床沉積物滲透系數(shù)的影響。對近年來國內(nèi)外學(xué)者對河床潛流帶滲透系數(shù)變化進行了大量研究。由于特殊的環(huán)境與水文地質(zhì)條件，潛流帶滲透系數(shù)的大小不僅取決于沉積物孔隙大小和孔隙的連通性，而且與生物擾動、河流流水等作用緊密相關(guān)：洪水帶來的細小顆粒引起河床表面沉積物孔隙淤塞，致使?jié)B透系數(shù)減小，但在洪水退后，潛流帶的水文交換和生物擾動能破壞淤塞層，從而引起反淤塞作用，造成河床滲透系數(shù)增大。因此，淤塞反淤塞作用改變著河床的滲透性能。最后，指出

2、存在的問題今后的研究方向。 關(guān)鍵詞：河流；地表水地下水；潛流帶；水文交換；生物擾動；淤塞反淤塞；滲透系數(shù) 中圖分類號：P641.2；X131.2文獻標識碼：A文章編號：16721683（2013）03012304 近年來，地表水污染對地下水的影響日益加重，特別是在黃河、遼河、海河及太湖等地表水污染較嚴重地區(qū)，因地表水與地下水相互連通，地下水飲用水水源安全受到嚴重威脅。在此情況下，對處于地表水和地下水相互作用核心部位的潛流帶的水文學(xué)過程進行研究，顯得尤為重要1。 1潛流帶 1.1潛流帶的定義 潛流帶是指河流河床內(nèi)水分飽和的沉積物層，是河水與地下水相互作用的區(qū)域，也是河床中能與河流存在物質(zhì)和能量交

3、換的區(qū)域2。很多學(xué)者對潛流帶進行過定義34：如將潛流帶定義為“地下水與地表水的混合區(qū)域”、“地表水與地下水之間多孔介質(zhì)的轉(zhuǎn)換帶”、“地表水和地下水發(fā)生交換的動力學(xué)潛流帶”，等等。無論如何，潛流帶定義必須從生態(tài)學(xué)和水文（地質(zhì)）學(xué)的角度出發(fā)，概括地表水與地下水相互作用的區(qū)域及所發(fā)生的水文（地質(zhì)）過程、化學(xué)過程和生物生態(tài)過程，因此，地下水地表水的潛流帶可以看作是“生物地球化學(xué)活動強烈的地表水與地下水的混合區(qū)域”56。潛流帶因處于地表水和地下水頻繁混合的界面而具有特定的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)7。潛流帶的重要特征有：（1）地下水（通過沉積物孔隙媒質(zhì)流動）和地表水（自由流動）的界面；（2）固相（沉積物）、液

4、相（水體）和生物相（微生物群、無脊椎動物群）的多相空間；（3）存在著一些相關(guān)梯度，如氧化還原潛勢（Eh）、有機物含量、微生物數(shù)量和活動、營養(yǎng)鹽和光的可利用性4。 1.2潛流帶滲透系數(shù)的研究現(xiàn)狀 在地表水地下水相互作用中，潛流帶的滲透系數(shù)直接影響著河流向含水層的入滲量和含水層向河流的排泄量8，同時也影響水力聯(lián)系的強弱和潛流帶水量和溶質(zhì)的交換，是滲流力學(xué)中的重要參數(shù)。滲透系數(shù)一般用來衡量地表水與地下水相互補給的能力。大量理論和實驗研究已經(jīng)表明，滲透系數(shù)的空間分布是影響地下水系統(tǒng)中溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的重要因素9，同時，河流潛流帶滲透系數(shù)的時間變化直接影響著河水與地下水的水量交換和溶質(zhì)傳遞及空間分布模式的時

5、間變異性10。潛流帶的滲透系數(shù)還受一些物理化學(xué)作用的影響11。滲透系數(shù)的大小首先與沉積物空隙的直徑大小和連通性有關(guān)，其次才和空隙的多少有關(guān)。李金榮等12用區(qū)域化變量理論和半方差函數(shù)研究測試區(qū)含水介質(zhì)的滲透系數(shù)，研究結(jié)果表明含水介質(zhì)的滲透系數(shù)具有空間變異性，屬于中等程度變異。通過對其半方差函數(shù)進行擬合，其EW方向的變異程度主要由含水介質(zhì)本身的空間結(jié)構(gòu)引起，SN向含水介質(zhì)的滲透系數(shù)其空間變異程度主要由隨機性引起。Ryan和Boufadel13發(fā)現(xiàn)示蹤劑的濃度在淺層沉積物（河床表面以下7.510 cm）中比在深層沉積物（河床表面以下1012.5 cm）中高，同時滲透系數(shù)在淺層沉積物中要比深層沉積物中

6、高。還有研究發(fā)現(xiàn)潛流帶滲透系數(shù)的在時間尺度上的變化很明顯，Genereux等10在北卡羅來納河流上布了487個測試點，研究了河床滲透系數(shù)在一年內(nèi)的時空變化。結(jié)果顯示，滲透系數(shù)呈正態(tài)分布，沿水流方向的上游滲透系數(shù)較下游的低。河流中心處的滲透系數(shù)通常較大，這可能對河床水通量和化學(xué)通量起主導(dǎo)作用。河床沉積物粒度分布顯示，河流中心處河床表層沉積物細顆粒（泥沙和黏土）較少（總體來看，有94%的沙子）。潛流帶和地下水的溫度變化并不是引起滲透系數(shù)在時間尺度變化的重要原因。水流沖刷和河床淤塞程度才是引起潛流帶滲透系數(shù)發(fā)生時間變化的重要影響因素。Cuthbert等14研究發(fā)現(xiàn)，河床的氣體累積量也會對滲透系數(shù)產(chǎn)生

7、很大影響。在河流枯水期，河床氣體含量能顯著改變地下水河岸和地下水河床的水量交換比例。 2淤塞和反淤塞作用 2.1淤塞和反淤塞方式 河床沉積物層的淤塞方式主要分為物理淤塞、化學(xué)淤塞和生物淤塞。河水中攜帶的懸浮物、碎屑物質(zhì)和細小的泥沙顆粒沉積在河床表層，堵塞沉積物的孔隙，造成多孔介質(zhì)的淤堵稱之為物理淤塞15。生物淤塞表現(xiàn)為生物生長、繁衍和死亡過程對多孔介質(zhì)的淤堵，生物遺體分解過程引起介質(zhì)的物理化學(xué)環(huán)境改變，使某些溶解物質(zhì)沉積下來的淤堵，或是由于有機質(zhì)的吸附作用是某些元素沉積造成的表層沉積物淤塞。生物體在其生命活動中通過捕獲黏結(jié)等作用也會使沉積物淤塞。由于地表水總是處于較快的運動與循環(huán)狀態(tài)，其中的溶

8、解物質(zhì)在搬運過程中一般不具備沉積條件，故化學(xué)淤塞作用微弱。洪水中攜帶的懸浮物、有機質(zhì)和細小的泥沙顆粒在河床表層淤積、堵塞沉積物孔隙而引起淤塞1618。同時，在其他時期，河流泥沙沖刷、無脊椎動物生物擾動以及微生物對有機質(zhì)的分解等作用能夠破壞河床淤塞層1011，破碎的淤塞層可以被后來較大的水流沖走19，沉積物再次出現(xiàn)孔隙，形成反淤塞。淤塞反淤塞作用能改變潛流帶的滲透性能。 2.2淤塞反淤塞對滲透系數(shù)的影響研究現(xiàn)狀 根據(jù)河床淤積的理論研究，實驗室模擬，實地觀察，河床淤塞時，由于細顆粒沉積物填充堵塞砂礫之間的空隙，一些研究人員推論，河床表層的沉積物的滲透系數(shù)應(yīng)當普遍較小，往深處K值有增大的趨勢。Son

9、g等20對美國內(nèi)布拉斯加的三條河流的河床沉積物滲透系數(shù)進行了現(xiàn)場分層實測，發(fā)現(xiàn)河床上層的Kv值反而比河床下層的滲透系數(shù)值要大。Levy等人21的研究假設(shè)是河床沉積物表層淤塞層的滲透系數(shù)比下層的小。但是在洪水期，河水沖刷河床，瓦解淤塞層并帶走沉積物，淤塞層的厚度會減小，反而增大了滲透系數(shù)。由此可見，該推論和現(xiàn)場測定的結(jié)果之間有矛盾。要解決這個矛盾，需要對河床的淤塞作用，以及淤塞作用對河床滲透系數(shù)的影響進行深入的研究。 河床淤塞主要發(fā)生在洪水消退期。細小的沉積顆粒，沉積在河床的表面，進入到了河水沉積物界面的下方，阻塞了粗顆粒之間的空隙2223，使?jié)B透性下降，成為淤塞層2425。同時，下層沉積物受到

10、上層物質(zhì)向下擠壓后結(jié)構(gòu)更致密，性質(zhì)更穩(wěn)定，這也會使上層沉積物的滲透系數(shù)大于下層沉積物。河流潛流帶水文過程促進了河水與地下水之間的水量交換，又會增大河床沉積物孔隙度和滲透性，從而使上層沉積物滲透系數(shù)值增大19。流速快的河段沉積物滲透系數(shù)比流速慢的高，這是因為細小的顆粒沉積物會被水流沖走，而在流速低的河段又形成淤塞26。Mutiti等27在對大邁阿密河的調(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，河流高水位沖刷會導(dǎo)致細顆粒泥沙流失，這可能是引起滲透系數(shù)增加的原因。回歸分析表明，反淤塞的形成原因主要受河流汛期控制（即流速和流量），只有很小程度上取決于河流的絕對水位。當嚴重的礦井水污染導(dǎo)致河流異常、有大量的礦物質(zhì)和/或金屬存在時

11、，淤塞對河床滲透性產(chǎn)生的影響最大，同時也是區(qū)域性產(chǎn)生顯著影響最普遍的過程21。這表明淤塞反淤塞對河床滲透性能的影響研究是非常必要的。 還有研究者認為，河床淤塞將會影響河水與河床潛流帶的水動力學(xué)，并且影響河床沉積物內(nèi)的底棲生物的生存和分布28。生物體對河床滲透性的可能影響主要體現(xiàn)在3個方面，一是生物體自身活動會增加河床孔隙度，二是生物體對有機質(zhì)的分解與轉(zhuǎn)化過程中所產(chǎn)生的孔隙和氣體也改變著沉積物結(jié)構(gòu)，從而影響到滲透性2021，三是生物作用產(chǎn)生的薄層，會淤塞河床潛流帶2829。無脊椎動物的生物擾動會在裸露的河床與含有泥沙，黏土和有機質(zhì)的細顆粒沉積物中產(chǎn)生的孔洞，通道和土堆。這些無脊椎動物的活動增大了

12、沉積層的孔隙大小，從而減輕了河床的淤塞程度，最終使河床垂向滲透系數(shù)增大。潛流帶河水與地下水之間的垂向水力梯度測量結(jié)果表明垂直通量可以改變方向。在點位滲透試驗中，上層沉積物的滲透系數(shù)比下層的大，河床形成淤塞層后滲透系數(shù)變小。地下水滲流區(qū)產(chǎn)生的氣泡會增大水與表層沉積物顆粒的接觸面積。大量的氣泡能破壞河床沉積物的淤塞層，從而增大河床的垂向滲透系數(shù)29。 因此，深入解析淤塞反淤塞作用下河床滲透系數(shù)變化機理，不僅在理論上有利于人們深化對河床滲透性能的科學(xué)認識，而且將為研究人為控制地表水對地下水污染、恢復(fù)河流水文生態(tài)功能，維持河流健康生命具有重要的指導(dǎo)意義。 3存在問題與研究展望 現(xiàn)有的研究僅限于對淤塞或

13、反淤塞某一作用條件下的滲透系數(shù)試驗測試1718，缺乏對淤塞反淤塞作用周期內(nèi)的滲透系數(shù)變化的全面測試研究。同時，對于淤塞反淤塞的物理化學(xué)作用對河床滲透性能的影響效應(yīng)與變化機理還有待于深入研究。今后的研究還可關(guān)注以下3點：（1）潛流帶水文過程和生物擾動作用對滲透系數(shù)的影響機制。（2）底泥中微生物的代謝包括降解有機物的氧化放熱過程和微生物增殖還原吸熱過程，在這兩種反應(yīng)過程中滲透系數(shù)的變化規(guī)律。（3）團聚體結(jié)構(gòu)主要由有機質(zhì)的數(shù)量和種類決定，而它又影響著土壤孔隙度，進而會導(dǎo)致滲透系數(shù)的不同。因此，研究這些因素對河流潛流帶滲透系數(shù)的影響機理顯得尤為重要。 參考文獻（References）： 1中華人民共和

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