李波, 迪麗努爾·阿吉*

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博斯騰湖濕地沉積物顆粒組成對滲透系數(shù)的影響

李波1,2,, 迪麗努爾·阿吉1,2,*

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院, 烏魯木齊830054 2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點實驗室, 烏魯木齊830054

選取博斯騰湖濕地為研究對象, 將博斯騰湖濕地分為大湖區(qū)、小湖區(qū)、黃水溝區(qū)3個區(qū)域, 采用豎管實驗法、顆粒分析法對博斯騰湖濕地的滲透系數(shù)與沉積物顆粒粒徑進行測定, 結合地統(tǒng)計學軟件和ArcGis空間分析工具對數(shù)據(jù)進行處理分析。結果表明: 博斯騰湖濕地沉積物顆粒粒徑普遍偏小, 以砂土、粉砂和黏土為主, 礫石含量極小, 3個區(qū)域沉積物平均粒徑大小依次為大湖區(qū)＞黃水溝區(qū)＞小湖區(qū)。博斯騰湖濕地滲透系數(shù)與沉積物顆粒粒徑、砂土含量呈正相關關系, 與黏土含量、粉砂含量呈負相關關系, 滲透系數(shù)、黏土含量、粉砂含量、砂土含量、沉積物平均粒徑的塊金值與基臺值的比值都小于25%, 三者具有明顯的空間相關性。針對滲透系數(shù)的空間插值得知, 博斯騰湖濕地的滲透系數(shù)空間變異表現(xiàn)為自東南部向西部遞減, 其最大值出現(xiàn)在大湖區(qū)東南部區(qū)域, 最小值出現(xiàn)在小湖區(qū)西部。

沉積物;滲透系數(shù);博斯騰湖

1 引言

河流湖泊與淺層地下水作為人類最主要的水源, 其所代表的地表水—地下水交換過程是全球水循環(huán)的一個重要環(huán)節(jié), 直接或間接的影響著自然界水交換速率、地表水—地下水交換量,污染物擴散速率等, 在自然界物質與能量的輸送中起著重要的作用, 謝學斌[1]等人在尾礦庫研究了重金屬污染物在土壤中的對流與彌散, 發(fā)現(xiàn)了污染物濃度在不同深度和水平距離的分布受下滲作用影響顯著。滲透系數(shù)又稱水力傳導度[2], 是指水力坡度為1時的滲透速度, 是巖土透水性的數(shù)量指標, 直接影響著地表水-地下水的交換速率。影響滲透系數(shù)的因素有沉積物含鹽量[3]、沉積物粘滯系數(shù)[4]、沉積物垂向分層[5]、水體含砂量[6]、生物擾動、沉積物顆粒粒度等。諶文武[7]等對遺址夯土的研究表明沉積物中累積的鹽分會對沉積物孔徑起到一定的堵塞作用, 從而使沉積物的滲透系數(shù)下降; 宋進喜[8]等人對顫蚓的本研究表明, 顫蚓通過生物擾動改變沉積物的內部與表層結構、沉積物成分組成等, 以此破壞或加強了沉積物中細小物質的阻塞, 致使沉積物的滲透系數(shù)發(fā)生變化; 張波[9]等人在渭河陜西段的研究表明沉積物顆粒粒徑組成對滲透系數(shù)的影響最為顯著, 因此, 研究沉積物顆粒粒度特征與滲透系數(shù)的關系, 對于干旱區(qū)流域水資源科學調配、治理土壤鹽漬化等具有直接的現(xiàn)實意義。在沉積物滲透系數(shù)的研究方面, 許多專家學者通過建立經(jīng)驗公式來計算滲透系數(shù)的數(shù)值, 如Kozeny公式、A.hazen公式等。Song等對美國埃爾克霍恩河的研究表明, 這些經(jīng)驗公式只適用于含砂質較高或結構較為松散的沉積物[10–11], 在特定類型研究區(qū)域之外通常要增加校正指數(shù), 往往會存在較大誤差[12]。因此, 在研究沉積物滲透系數(shù)時, 應把沉積物按照不同粒徑劃分為不同類型專門建立普適性更強的關系。

博斯騰湖地處新疆干旱區(qū), 是巴音郭楞蒙古自治州的重要水源, 近幾十年來, 隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展, 生產(chǎn)生活需水量與日俱增, 對水資源的不當開發(fā)產(chǎn)生了嚴峻的生態(tài)問題, 如湖水咸化[13]、生物多樣性下降[14]、土地鹽漬化[15]、荒漠化[16]等。本文采用豎管實驗法, 顆粒分析法獲得博斯騰湖濕地沉積物滲透系數(shù)及顆粒粒徑數(shù)據(jù), 結合地統(tǒng)計學軟件和ArcGis空間分析工具等對數(shù)據(jù)進行分析, 旨在揭示博斯騰湖濕地不同粒徑的沉積物對滲透系數(shù)的影響規(guī)律, 并探討其空間分異特征, 為博斯騰湖流域水資源的開發(fā)與生態(tài)保護提供科學依據(jù)。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)概況

博斯騰湖位于新疆天山南坡焉耆盆地東南, 是天山西褶皺帶的凹陷區(qū)域, 隸屬于巴音郭楞蒙古自治州博湖縣。地理坐標為41°45￠—42°15￠N, 86°00￠—87°26￠E。當水位在1048.50 m時, 水域面積為1210.50 km, 是中國內陸最大的淡水湖泊,但由于人類不恰當水土開發(fā)活動, 目前正在向微咸化發(fā)展[17]。博斯騰湖周邊區(qū)域氣候極度干旱, 年降水量只有47.7 mm—68.1 mm, 且主要集中在7—9月, 蒸發(fā)量高達1880. 0 mm—2785. 8 mm, 年均氣溫在8. 2℃—11. 5 ℃之間, 最冷月1月平均氣溫-7. 8 ℃—-12. 3 ℃, 7月平均氣溫 22. 9℃—26. 0 ℃。

博斯騰湖作為內流水系的一部分, 之所以維持著較低的鹽度, 是因為博斯騰湖是一個吞吐性湖泊[18],既是開都河的尾閭, 也是孔雀河的源頭, 博斯騰湖發(fā)揮著調蓄開都河水資源, 為周邊縣市提供農業(yè)、工業(yè)和生活用水, 向塔里木河下游地區(qū)緊急生態(tài)輸水[19]等重要作用。對于極干旱的巴州和塔里木河下游地區(qū), 博斯騰湖的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值十分重要。而近幾十年以來, 流域內人口大幅度增長、農業(yè)與工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大、城市化水平快速提高, 水資源短缺與水污染也越發(fā)嚴重, 阻礙著當?shù)氐纳鷳B(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展。通過科學的研究方法, 不斷完善人類對于自然規(guī)律的認識, 從而運用自然規(guī)律解決博斯騰湖環(huán)境變化帶來的問題非常重要。本文采用野外變水頭豎管試驗法和室內顆粒分析法對博斯騰湖濕地的滲透系數(shù)和沉積物組成進行定量研究, 并探討其空間分異特征, 以期為當?shù)厮Y源調度和合理配置提供參考。

2.2 研究區(qū)的選取與樣點布設

為將博斯騰湖濕地進行區(qū)域劃分, 參考地形圖、遙感影像并結合實地調研結果, 根據(jù)1992年至2015年的10張Landsat TM和Landsat ETM+(分辨率分別為30 m和15 m)遙感影像的解譯結果提取了濕地的水面情況, 把DEM高程圖與水面分布圖疊加分析發(fā)現(xiàn), 在豐水年博斯騰湖濕地會形成連續(xù)水體, 在豐水年過后, 干旱區(qū)強烈的蒸發(fā)會使原連續(xù)水體破碎化, 形成三個相對獨立的水體單元。本文根據(jù)對遙感影像的分析和實地調查研究結果發(fā)現(xiàn)了三個相對獨立的水體單元, 將博斯騰湖濕地劃分為大湖區(qū)(B區(qū))、小湖區(qū)(C區(qū))、黃水溝渠(A區(qū))。2015年11月7日—13日對博斯騰湖進行了實地調研, 在各區(qū)域分別選點進行了現(xiàn)場滲透試驗, 并在距離滲透試驗點0.5 m處采集沉積物柱狀樣本, 將樣品分層, 在中國科學院新疆生態(tài)與地理理研究所中心實驗室進行室內顆粒分析實驗, 各樣點分布如圖1所示。

2.3 材料與方法

2.3.1 濕地滲透系數(shù)的測定

滲透系數(shù)的現(xiàn)場測定采用的是變水頭滲透試驗法, 根據(jù)遙感影像和實地調查情況, 最終選擇了如圖1所示的18個試驗點, 分別布設了75 mm和110 mm的兩種尺寸的PVC管。具體方案為: 將長度150 cm, 直徑75 mm的PVC管豎直插入濕地沉積物至20 cm, 再向其中注水, 記錄不同時間管中水面高度, 為減少誤差, 每個試驗重復4次。以上述方法, 分別用75 mm管徑、110 mm管徑的PVC管對20 cm、30 cm、40 cm深度的沉積物進行測定。滲透系數(shù)現(xiàn)場測定示意如圖2。以上述測定得到的數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù), 具體公式[20]如下:

式中K代表濕地垂向滲透系數(shù), D是測定所用PVC管的內徑(cm), LV是測定管中沉積物的長度(cm), h1是t1時刻測定管內的水面高度, h2代表t2時刻測定管內水面高度。m=, 其中Kh是水平滲透系數(shù)。宋進喜[21]等人在霍恩河使用相同方案測定滲透系數(shù), 分析認為m≈10.

2.3.2 沉積物顆粒粒徑分析

在滲透系數(shù)試驗結束之后, 在距離滲透試驗點0.5 m處使用直徑75 mm的有機玻璃柱狀采樣器采集沉積物柱狀樣本, 按照0—10 cm、10 cm—20 cm、20 cm—40 cm將樣品分層, 在通風條件下晾干。

顆粒粒徑測定在中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所中心實驗室進行, 使用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測定, 該儀器測量范圍是0.02 um—2000 um, 首先使用蒸餾水和10%的雙氧水去除樣品中的有機質, 加稀鹽酸去除碳酸鹽, 用去離子水使樣品恢復中性, 加入分散劑后在振蕩器內振蕩20 min, 利用激光粒度分析儀直接輸出粒徑參數(shù)。最后, 根據(jù)Chen[22]的劃分原則與Udden-Wentworth標準將沉積物按照粒徑范圍分為黏土、粉砂、砂土及礫石。

3 結果與分析

3.1 不同粒徑沉積物分布與滲透系數(shù)分析

3.1.1不同粒徑沉積物垂直分布

圖3—圖6為博斯騰湖濕地沉積物粒徑垂直分布特征。博斯騰湖濕地大湖區(qū)0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉積物顆粒粒徑范圍與均值分別為153 um—428 um和259.67 um, 147 um—395 um和237.56 um, 144 um—292 um和218.94 um, 各深度均以砂土為主; 小湖區(qū)0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉積物顆粒粒徑范圍與均值分別為32 um—84 um和50.75 um, 29 um—77 um和45.75 um, 25.5 um—47.5 um和37.25 um, 各深度均以黏土與粉砂為主; 黃水溝區(qū)0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉積物顆粒粒徑范圍與均值分別為91 um—126 um和103.8 um, 69 um—120 um和 91 um, 各深度均以黏土與粉砂為主。大湖區(qū)、小湖區(qū)、黃水溝區(qū)的沉積物顆粒粒徑都呈隨深度增加而逐漸減小的特征。其中B4試驗點比較接近開都河入湖口, 受流水沉積作用, 沉積物顆粒粒徑隨深度增加而減小的趨勢較弱, 比B4試驗點更接近于開都河入湖口的C2試驗點, 出現(xiàn)了沉積物顆粒粒徑隨著深度的增加先減小后增加情況, 反映C2試驗點流水沉積作用較強, C2試驗點 0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉積物顆粒粒徑均值分別為36 um、35 um、36.5 um。

變異系數(shù)(CV)可反映各樣點數(shù)值的離散程度, CV值小于10%為弱變異性, CV值在10%—100%為中等變異性, CV值大于100%為強變異性。博斯騰湖濕地 0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉積物平均粒徑變異系數(shù)分別為68%、68%、73%, 均屬于中等變異。說明由中層(10—20 cm)到下層 (20—40 cm)的深度范圍內, 沉積物顆粒粒徑的變異隨深度的增加而逐漸增強。

3.1.2 不同粒徑沉積物水平分布與滲透系數(shù)分析

采用豎管試驗法對18個樣點的滲透系數(shù)進行現(xiàn)場測定, 并通過式(1)計算出各點位的滲透系數(shù)。利用馬爾文激光粒度儀對采集的沉積物進行粒徑分析并歸類。各試驗點的滲透系數(shù)和顆粒組成情況如圖7。大湖區(qū)東側與南側樣點的沉積物滲透系數(shù)普遍偏大, 其值在20.12 m×d–1—39.14 m×d–1之間, 平均值達到29.63 m×d–1。其他各樣點的滲透系數(shù)由大到小分別是大湖區(qū)西側、黃水溝區(qū)和小湖區(qū), 其范圍與均值依次為13.73 m×d–1—18.23 m×d–1和15.98 m×d–1; 4.52 m×d–1—11.74 m×d–1和8.11 m×d–1; 3.75 m×d–1—4.92 m×d–1和4.38 m×d–1。比較沉積物的組成, 砂土含量由大到小依次為大湖區(qū)、黃水溝區(qū)、小湖區(qū), 其范圍與均值依次是68.19%—97.23%和87.47%; 30.29%—47.68%和39.71%; 8.14%—21.83%和14.75%。黏土含量由大到小分別為小湖區(qū)、黃水溝區(qū)、大湖區(qū), 其范圍與均值依次是78.17%—91.86%和85.25%; 52.32%—69.71%和60.29%; 2.77%—31.81%和12.53%; 粉砂含量由大到小分別為小湖區(qū)、黃水溝區(qū)、大湖區(qū), 其范圍和均值分別為35.81%—37.37%和36.45%; 30.56%—37.65%和33.94%; 2.46%—21.95%和9.37%。

由圖8—圖10可以發(fā)現(xiàn), 沉積物滲透系數(shù)與顆粒組成存在較為密切的關系, 也就是和黏土含量、粉砂含量均呈負相關, 和砂土含量呈正相關。通過Origin數(shù)據(jù)處理軟件得出擬合方程和相關系數(shù), 反映出滲透系數(shù)與黏土含量、粉砂含量、砂土含量分別呈對數(shù)函數(shù)、一次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)關系,2分別為0.9883、0.9791和0.9647, 均屬于顯著相關。經(jīng)馬爾文激光粒度儀分析, 采樣區(qū)均礫石量小于千分之一, 可以忽略不計, 但有些采樣點的沉積物平均粒徑會更大, 滲透系數(shù)和沉積物顆粒粒徑存在正相關關系, 砂土含量接近但平均粒徑更大的采樣點, 其滲透系數(shù)也會更大。

通過以上分析, 沉積物砂土含量, 黏土含量、粉砂含量與滲透系數(shù)均呈顯著相關, 為了更具體的反映沉積物粒徑與滲透系數(shù)之間的關系, 有必要對沉積物粒徑與滲透系數(shù)進行回歸分析。由圖11可以看出, 18組垂向滲透系數(shù)值與沉積物顆粒平均粒徑呈對數(shù)函數(shù)關系, 擬合效果較為理想,2為0.868, 擬合效果較好。平均粒徑小于200 um的樣點滲透系數(shù)值大多小于擬合值, 這是因為沉積物平均粒徑小于200 um的樣點都位于黃水溝區(qū)、小湖區(qū)和大湖區(qū)西岸, 以蘆葦為主的濕地植物覆蓋率較高, 部分地區(qū)形成了透水性較差的泥炭層。

3.2 沉積物粒徑特征與滲透系數(shù)的空間結構

運用半方差函數(shù)模型分析了5種參數(shù)的空間變異特征, 結果顯示, 5種參數(shù)的塊金值(0)均較小,其中黏土含量最為典型, 達到0.001。塊金值顯示的是區(qū)域數(shù)據(jù)的異質性, 反映由試驗誤差或者小于試驗取樣尺度引發(fā)的空間變異, 變異的程度由塊金值的大小決定, 較大的塊金值說明較小尺度上的某種因素不容忽視。塊金值與基臺值的比值(O/O+)能夠表明區(qū)域變量的自相關程度, 反映空間自相關變異所占的比例和區(qū)域變量的空間相關性的程度[23], 如果該值小于25%, 表明系統(tǒng)具有強烈的空間相關性, 如果該值在25%—75%之間,表明系統(tǒng)具有中等的空間相關性, 若是該值大于75%則顯示系統(tǒng)的空間相關性很弱。表1中的5種參數(shù)的塊金值與基臺值的比值都小于25%, 反映出5種參數(shù)的空間相關性強烈, 空間布局主要受結構性因素的影響。

3.3 沉積物粒徑特征與滲透系數(shù)的空間格局

通過對滲透系數(shù)的Kriging和反距離權重(IDW)的插值精度檢驗, 發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)在Kriging插值法中精度最高, 故對滲透系數(shù)采用Kriging法進行插值, 得出研究區(qū)滲透系數(shù)的空間分布圖, 如圖12所示。從空間分布上來看, 滲透系數(shù)呈明顯的斑塊狀與條帶狀分布, 其中, 滲透系數(shù)的較高值出現(xiàn)在研究區(qū)東南部, 并逐漸向西遞減, 差異性顯著。這是因為湖區(qū)西部植被覆蓋率較高, 以蘆葦濕地為主, 沉積物平均粒徑極小, 形成了透水性較差泥炭層[24], 所以滲透系數(shù)偏小, 而在東部沉積物粒徑普遍較大, 故滲透系數(shù)較大。

4 討論與結論

綜上分析可以看出, 沉積物的顆粒組成、顆粒粒徑與滲透系數(shù)之間存在較強的相關性, 這與張波[5]、宋進喜在渭河陜西段發(fā)現(xiàn)的規(guī)律相一致。其中, 滲透系數(shù)與砂土含量呈正相關關系, 與黏土含量、粉砂含量呈負相關關系, 這與目前一些學者的結論相一致, António研究了三種不同情況下滲透系數(shù)與黏土含量的關系, 結果均為負相關關系[25]。從其十分顯著的擬合效果看, 沉積物顆粒組成是左右滲透系數(shù)大小的主要因素。許多專家學者總結了計算滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式, 但由于得出公式的具體實驗對象不同, 其適用范圍也多有不同, 但就整體而言其普遍表達出了沉積物粒徑與滲透系數(shù)的正相關關系, 印證了本研究的部分結論。

表1 沉積物各項參數(shù)空間變異的半方差函數(shù)

湖泊水通過沉積物下滲至地下從而補給地下水的過程, 除了與水壓差相關聯(lián)之外, 與由沉積物構成的通道的通暢程度也關系密切, 一般而言, 此通道的通暢程度與土壤孔隙度有很密切的聯(lián)系, 沉積物顆粒愈大, 其相互支撐的作用就愈強, 能夠形成愈多的孔隙, 而這些孔隙正構成了水的下滲通道。此通道的通暢程度還與沉積物當中不同粒徑組成成分的排列組合相關, 若大顆粒的空隙之間被小粒徑的顆粒填充, 則沉積物的孔隙度下降[26], 下滲通道不暢, 滲透系數(shù)減小。

地統(tǒng)計學經(jīng)常被應用到空間特性的分析中, 但將其應用到較大尺度下的干旱區(qū)湖泊沉積物滲透系數(shù)的研究先例還不多, 本文將地統(tǒng)計學半方差函數(shù)與克里格插值法應用到對博斯騰湖沉積物滲透系數(shù)與粒徑組成的空間變異研究之中。得到主要結論如下。

1)博斯騰湖濕地沉積物粒徑普遍偏小, 以黏土、粉砂和砂土為主, 礫石含量不足千分之一, 這與這與羅蘭等人的研究相吻合[27], 其中砂土含量由大到小依次為大湖區(qū)、黃水溝區(qū)、小湖區(qū), 其均值依次是87.47%、39.71%、14.75%。黏土含量由大到小分別為小湖區(qū)、黃水溝區(qū)、大湖區(qū), 其均值依次是48.81%、26.89%、3.10%; 粉砂含量由大到小分別為小湖區(qū)、黃水溝區(qū)、大湖區(qū), 其均值分別為36.45%、33.94%、9.37%。

2)通過地統(tǒng)計學軟件分析, 博斯騰湖濕地沉積物滲透系數(shù)、平均粒徑、黏土含量、粉砂含量、砂土含量的變異系數(shù)分別為76%、70%、78%、67%、57%, 5種參數(shù)的變異系數(shù)較為接近且都屬于中等變異, 說明5種參數(shù)的分布具有較好的空間異質性。在半方差分析之中, 5種參數(shù)的塊金值都很小, 說明在小尺度上的空間變異基本符合大尺度上的變化趨勢。塊金值與基臺值的比值都＜25%, 說明此系統(tǒng)具有強烈的空間相關性。

3)在空間結構分布中, 滲透系數(shù)顯現(xiàn)出了明顯的空間分布趨勢, 暨從大湖區(qū)東南向湖泊的西部遞減, 最大值出現(xiàn)在大湖區(qū)的東南角, 達到39.12 m×d–1, 最小值出現(xiàn)在小湖區(qū)的西部, 僅僅為3.75 m×d–1。

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Effect of sediment particle composition on vertical hydraulic conductivity of Bosten Lake Wetland

LI Bo1,2,, DILINUER·Aji1,2,*

1. School of Geographic Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Urumqi 830054, China 2. Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Zone, Urumqi 830054, China

The Bosten Lake Wetland was selected as the research area and divided it into three regions: the large lakes, the small lakes, and the Huangshui Ditch. The permeability coefficients and sediment particle size in the Bosten Lake Wetland were measured by standpipe test and particle analysis. Geostatistical analysis software and ArcGIS spatial analysis tools were used for data processing. The results show that the sediment particle size of the Bosten Lake Wetland is generally small, with a large proportion of sand, silt and clay and an extremely small amount of gravel, and the average size of sediments in the three regions isranked as the large lakes > the Huangshui Ditch > the small lakes. In the Bosten Lake Wetland, the permeability coefficient is positively correlated with the sediment particle size and sand content, but negatively correlated with the clay content and silt content. The ratio of the Nugget value to the Sill value of the permeability coefficient, clay content, silt content, sand content and sediment average particle size were all less than 25%; so that these three factors have significant spatial correlation. According to the spatial interpolation of permeability coefficient, the spatial variation in the permeability coefficient of the Bosten Lake Wetland showed a decreasing trend from the southeastern parts to the west parts, with its maximum value observed in the southeastern parts of the large lakes region, and its minimum value observed in the western part of the small lakes region.

sediment; permeability coefficient; Bosten Lake

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.02.026

K903

A

1008-8873(2017)02-179-07

2016-11-17;

2017-01-11

博斯騰湖濕地水質改善關鍵技術集成與示范(201533111)

李波(1993—), 男, 新疆額敏人, 碩士研究生, 主要從事自然資源開發(fā)與規(guī)劃方面的研究, E-mail: 591819954@qq.com

迪麗努爾·阿吉, 女, 博士, 教授, 主要從事干旱區(qū)水文研究, E-mail:2548290281@qq.com

李波, 迪麗努爾·阿吉.博斯騰湖濕地沉積物顆粒組成對滲透系數(shù)的影響[J]. 生態(tài)科學, 2017, 36(2): 179-185.

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