黃河三角洲沉積物及其滲透系數(shù)空間分布特征

劉波 林曉寧 馬紅亮 克熱木·阿布都米吉提

摘要：現(xiàn)代黃河三角洲沉積作用活躍，沉積過程復(fù)雜，沉積物顆粒特性及滲透系數(shù)空間分布特征控制著三角洲地表水與地下水之間的相互作用、區(qū)域地下水的水分和鹽分運移以及濕地生態(tài)環(huán)境的動態(tài)演化過程?；邳S河三角洲陸面70個采樣點10，30，90cm深處的淺表層沉積物土樣，對顆粒粒度參數(shù)和相應(yīng)的滲透系數(shù)及其空間分布規(guī)律進行了計算與分析。結(jié)果表明：研究區(qū)淺表層沉積物主要由細(xì)砂與粉砂組成，有效粒徑均值為5.2μm，從三角洲頂點向海岸線大致呈條帶狀分布；在三角洲北部刁口河與神仙溝故道附近的河灘高地，淺表層沉積物顆粒粒徑較大；沉積物滲透系數(shù)均值為0.65m/d，空間差異較不明顯；隨著深度增大，滲透系數(shù)緩慢減小，且空間差異性有所增大；神仙溝故道沿線沉積物滲透系數(shù)均值為0.98m/d，明顯大于其他區(qū)域，尤其在30cm深處沉積物滲透系數(shù)均值與方差均為全區(qū)最大；清水溝流路沿線的滲透系數(shù)均值小于刁口河沿線的，兩處保護區(qū)內(nèi)的滲透系數(shù)均值與空間差異性均較小；不同沉積環(huán)境下沉積物顆粒級配的差異是造成滲透系數(shù)空間差異的主要原因。

關(guān)鍵詞：滲透系數(shù)；顆粒分析；淺表層沉積物；黃河三角洲

中圖分類號：P641；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi ；10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.001

現(xiàn)代黃河三角洲地處渤海灣和萊州灣之間，陸地面積（沖積扇面積）約6000km2，形成于1855年之后，是一個非常年輕的三角洲[1]。黃河的頻繁改道以及活躍的人類活動，使得現(xiàn)代黃河三角洲沉積環(huán)境與沉積狀況復(fù)雜多變。1964年黃河從神仙溝向北改道，1964-1976年河道為刁口河（也稱釣口河）流路，行水期間三角洲岸線向海推進15km，年均造陸面積為27.83 k m2[2]。其中：1972-1974年河流自神仙溝入海，1976年改道清水溝入海。1996年，經(jīng)由“清8”斷面改東北方向入海[3]。為保護黃河三角洲日益退化的濕地環(huán)境，1992年經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)建立了黃河三角洲國家級自然保護區(qū)，分為南北兩個區(qū)域，南部區(qū)域位于現(xiàn)行黃河入?？?，面積10.45萬hm2；北部區(qū)域位于刁口河故道入?？冢娣e4.85萬hm2[4]。自2010年起，黃委借黃河調(diào)水調(diào)沙之際分別向兩處保護區(qū)調(diào)水，以恢復(fù)黃河河口濕地的生態(tài)功能。同時，我國第二大油田——勝利油田也位于黃河三角洲，該油田自20世紀(jì)60年代開始建設(shè)，至2016年有1000余眼油、水、氣井位于保護區(qū)內(nèi)[5]。

現(xiàn)代黃河三角洲淺表層沉積物特性及其空間分布特征是沉積過程演變的綜合反映。黃河尾閭擺動頻繁，使三角洲沉積物在空間上具有較為明顯的差異；三角洲地區(qū)日益加劇的人類活動，使得淺表層沉積物的空間分布更加復(fù)雜。沉積物的顆粒粒度等是影響滲透系數(shù)的主要因素，滲透系數(shù)與顆粒級配的統(tǒng)計參數(shù)之間存在著定量的聯(lián)系[2]。由于黃河三角洲的特殊地形地貌和水文地質(zhì)條件，因此地下水埋深較淺。地下水流的垂向運動過程對地下水位和地表鹽分的累積作用影響顯著，區(qū)域滲透系數(shù)及其空間分布特征是控制上述過程的重要參數(shù)之一[6-7]。地表植物根系主要集中在地表以下約1m的淺表層，受地層滲透系數(shù)控制的水分和鹽分運動特征直接決定了不同植物種屬的生長與分布情況[8-9]。

鑒于此，本文以黃河三角洲自然保護區(qū)內(nèi)陸地淺表層沉積物為研究對象，基于區(qū)域及不同深度的現(xiàn)場采樣，對黃河三角洲陸地淺表層沉積物的顆粒特性及滲透系數(shù)的空間分布特征進行分析，在此基礎(chǔ)上對其與沉積環(huán)境之間的關(guān)系進行初步探討，以期為研究沉積物滲透系數(shù)的空間變異性提供研究實例，并對研究自然和人為干擾下的濕地動態(tài)演化規(guī)律以及三角洲生態(tài)修復(fù)起到參考作用。

1 采樣及分析方法

2015年6月，在黃河三角洲保護區(qū)范圍內(nèi)選擇70個采樣點，分布情況見圖1，其中：編號以F開頭的采樣點大致沿刁口河故道，E開頭的采樣點大致沿神仙溝故道，C開頭的采樣點大致沿清水溝現(xiàn)行流路，X、Y開頭的采樣點分別位于清水溝與刁口河自然保護區(qū)內(nèi)，A，B開頭的為輔助測點。參照《山東黃河三角洲國家級自然保護區(qū)詳細(xì)規(guī)劃》，有36個采樣點位于保護區(qū)試驗區(qū)、12個位于緩沖區(qū)、7個位于核心區(qū)[5]。對于每個采樣點，分別在地表以下10、30、90cm處獲取淺表層沉積物土樣，共計采樣210個。按照《泥沙顆粒分析規(guī)范》分析沉積物樣品，利用水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室的LS13320型全自動激光粒度儀測定其粒度組成，沉積物質(zhì)地分類依據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)[10]。

基于采取的土樣顆粒分析成果，利用經(jīng)驗公式法對滲透系數(shù)進行計算。選擇在粒徑適用范圍內(nèi)的Car-men-Kozeny公式[6]、Krumbein and Monk公式[11]、Aly-amani&Sen公式[12]等，根據(jù)原位豎管試驗結(jié)果對公式進行比選，確定符合研究區(qū)顆粒特性的計算公式為Krumbein and Monk公式：

K=760dw2exp（-1.31σφ）式中：K為滲透系數(shù)，m/d；dw為中值粒徑，mm；σφ為有效粒徑，mm，小于此粒徑的沙樣質(zhì)量占總質(zhì)量的10%。

2 淺表層沉積物類型與分布特征

2.1 淺表層沉積物類型

顆粒分析結(jié)果表明，黃河三角洲淺表層沉積物主要由細(xì)砂與粉砂組成，細(xì)砂、粉砂、黏粒的平均含量分別為54.5%、37.1%、8.4%。顆粒有效粒徑（d10）均值為5.2μm；10、30、90cm深度處的有效粒徑均值分別為4.4、5.4、5.9μm，均方差分別為2.1、3.6、5.5μm；中值粒徑（d50）均值為27.0μm，與黃河下游利津站懸移質(zhì)泥沙中值粒徑接近[13]；10、30、90cm深處的中值粒徑均值分別為26.4、26.8、27.7μm，均方差分別為6.0、6.4、6.9μm。淺表層沉積物顆?？傮w較細(xì)，不同深度的沉積物屬性接近，沉積物粒徑總體隨深度的增大而略有增大，并且隨著深度的增加，沉積物特征粒徑的空間差異性逐漸增大。

由顆粒分析結(jié)果可知，研究區(qū)土壤組分中黏粒含量均小于15%，粉砂與細(xì)砂含量分別為22%～63%、24%～75%。根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分級標(biāo)準(zhǔn)，對所采210個土樣進行質(zhì)地分類，分類結(jié)果見圖2。其中：粉砂質(zhì)黏壤土樣14個、粉砂質(zhì)黏土樣4個、粉砂質(zhì)壤土樣46個、壤土樣29個、砂質(zhì)壤土樣108個、壤質(zhì)砂土樣9個。由此可見，研究區(qū)土壤總體屬于壤土類，土壤質(zhì)地以粉砂質(zhì)壤土和沙質(zhì)壤土為主，分別占土樣總數(shù)的21.9%、51.4%。不同深度土樣土壤質(zhì)地類型較為接近，10cm深處細(xì)砂含量相對較高，30cm深處粉砂含量相對較高，90cm深處黏粒含量相對較高。

2.2 淺表層沉積物空間分布特征

從空間上看，在黃河三角洲扇形區(qū)域范圍內(nèi)，淺表層沉積物從三角洲頂點向海岸線大致呈條帶狀分布；在三角洲北部刁口河與神仙溝故道附近的河灘高地，淺表層沉積物顆粒粒徑較大，現(xiàn)行清水溝流路附近沉積物顆粒相對較細(xì)。以中值粒徑為例（見圖3（a））：平均值為27.0μm；最大值為50.7μm（X6-1采樣點），位于“清8”斷面附近；最小值為5.5μm（B1采樣點），位于清水溝與刁口河交匯處附近；清水溝保護區(qū)內(nèi)中值粒徑均值為25.8μm；刁口河保護區(qū)中值粒徑均值為28.6μm。其他特征粒徑的空間分布特征與中值粒徑相似。

與沉積物顆粒粒徑特征相對應(yīng)，三角洲70個取樣點的陸面淺表層沉積物主要為沙質(zhì)壤土（見圖3（b）），占取樣點總數(shù)的52.9%，廣泛分布于幾乎整個黃河三角洲，在刁口河保護區(qū)分布較為集中；其次為壤土與粉砂質(zhì)壤土，總占比為44.3%，在清水溝保護區(qū)分布相對較為集中，刁口河故道沿岸附近沉積物也多屬于這一類型；粉砂質(zhì)黏壤土分布較少，僅在清水溝現(xiàn)行流路附近偶有分布。

2.3 不同深度沉積物類型與分布

為反映淺表層不同深度沉積物特征粒徑與相應(yīng)土壤質(zhì)地類型的空間分布情況，分別繪制10、30、90cm深處沉積物中值粒徑等值面（見圖4）?？梢娫谇逅疁吓c刁口河交匯處、清水溝“清8'.斷面附近以及三角洲扇形中段10cm深處沉積物中值粒徑（見圖4（a））較大，而清水溝流路中部沉積物粒徑較小，且清水溝保護區(qū)的表層沉積物粒徑總體上大于刁口河保護區(qū)的；30cm深處沉積物（見圖4（b））沿神仙溝故道大致存在一個相對粗顆粒的條帶，而清水溝現(xiàn)行流路沿線沉積物粒徑相對較細(xì)，且中值粒徑普遍小于刁口河流路；90cm深處（見圖4（c））沉積物粒徑較小的區(qū)域向清水溝上游有所遷移，清水溝保護區(qū)沉積物進一步變細(xì)，刁口河保護區(qū)沉積物有所增粗?？偟膩砜?，清水溝流路相間隔存在的沉積物“細(xì)顆粒一粗顆粒”區(qū)域隨深度的增大緩慢向上游移動，清水溝保護區(qū)沉積物在30cm深處相對較細(xì)，刁口河保護區(qū)淺表層沉積物隨深度增大而逐漸變粗。

三角洲陸面淺表層沉積物的土壤質(zhì)地在不同深度上也存在相應(yīng)的規(guī)律性差異（見圖5）。三角洲陸面淺表層沉積物的土壤質(zhì)地在不同深度上也存在相應(yīng)的規(guī)律性差異。10cm深處的沉積物質(zhì)地主要為沙質(zhì)壤土與粉砂質(zhì)壤土（見圖5（a）），廣泛分布在三角洲的54個采樣點上；顆粒相對較粗的壤土與壤質(zhì)沙土占比較低，主要分布在刁口河保護區(qū)以及清水溝保護區(qū)東部，占采樣點總數(shù)的15.7%；粉砂質(zhì)黏壤土含量也較低，僅在清水溝沿岸有零星分布。30cm深處沉積物質(zhì)地總體變化不大（見圖5（b）），但有變細(xì)傾向，粉砂質(zhì)黏土的占比有所增大，主要分布在清水溝沿岸。90cm深度處沉積物中壤土與壤質(zhì)砂土的占比增大了7.2%（見圖5（c）），主要出現(xiàn)在刁口河保護區(qū)，砂質(zhì)壤土的采樣點減少了10處，沉積物顆粒質(zhì)地的空間差異性有所增強。

3 淺表層沉積物滲透系數(shù)空間分布特征

3.1 滲透系數(shù)的基本統(tǒng)計特征

根據(jù)Krumbein and Monk公式對黃河三角洲淺表層沉積物滲透系數(shù)進行了計算，計算結(jié)果（見圖6）表明，三角洲沉積物滲透系數(shù)均值為0.65m/d，變化范圍為0.04～2.01m/d，滲透系數(shù)的空間差異性較不明顯。總體來看，滲透系數(shù)在不同深度不明顯變化不大，10、30、90cm深處的滲透系數(shù)均值分別為0.67、0.64、0.63m/d，方差分別為0.36、0.34、0.41m/d，表明隨著深度增加，滲透系數(shù)緩慢減小，且空間差異有所增大。

不同區(qū)域的滲透系數(shù)存在較為顯著的差異。神仙溝故道沿線的沉積物滲透系數(shù)均值為0.98m/d，明顯大于其他區(qū)域，該區(qū)域30cm深處的沉積物滲透系數(shù)均值與方差均最大，分別為1.54、1.79m/d；清水溝流路沿線滲透系數(shù)均值略小于刁口河沿線，其均值分別為0.59、0.64m/d，且滲透系數(shù)均隨深度的增大有所減??；刁口河保護區(qū)的滲透系數(shù)隨深度增大而增大，清水溝保護區(qū)滲透系數(shù)隨深度的變化特征與神仙溝相反，在30cm深處滲透系數(shù)較小?？偟膩砜矗鱾€區(qū)域沉積物滲透系數(shù)在30cm深處的均值與方差均較大，而在10cm深處的滲透系數(shù)、方差均較小，空間差異也相應(yīng)較小。

3.2 滲透系數(shù)的總體空間分布規(guī)律

雖然黃河三角洲沉積物質(zhì)地較為均勻，相應(yīng)的滲透系數(shù)空間差異不大，但仍然可以發(fā)現(xiàn)其存在一定的分布規(guī)律（圖7）。清水溝原入海流路沿岸，淺表層沉積物滲透系數(shù)相對較大。由于現(xiàn)行流路泥沙淤積，地面高程增加，因此流路從原入海口北側(cè)“清8”斷面下游入海。黃河來沙減少且該處沒有地形的屏蔽作用，受萊州灣風(fēng)浪潮流影響，水動力較強，細(xì)粒懸浮物被波浪沖刷后沉積物較粗[14]，滲透性較好，滲透系數(shù)均值最大。清水溝北側(cè)受到外海潮流的頂托作用，流速迅速減小，形成很厚的淤泥質(zhì)層，水動力較南側(cè)弱。清水溝自然保護區(qū)內(nèi)沉積物滲透系數(shù)呈現(xiàn)出一定的不規(guī)律變化，原因是自2010年起黃委借黃河調(diào)水調(diào)沙之際，向黃河現(xiàn)行流路清水溝濕地調(diào)水，增大了河道水流流速，部分河段原本近乎靜水的環(huán)境轉(zhuǎn)為侵蝕環(huán)境，使局部沉積物逐漸粗化[15]。同時，保護區(qū)微地貌的人為改造活動改變了淺表層沉積物的天然空間分布規(guī)律。

神仙溝故道沿線淺表層沉積物滲透系數(shù)相對較大，且大致呈條帶狀分布。刁口河故道尾閭自然保護區(qū)河道及西側(cè)的滲透系數(shù)大于東側(cè)的，離河道越近滲透系數(shù)越大，遠(yuǎn)離河道滲透系數(shù)減小，且靠海距離越近反而越小。原因是黃河改道清水溝，故道入海口處的海區(qū)泥沙來源斷絕，入?？谠诤硟?nèi)受風(fēng)浪影響較小，受到潮流頂托作用影響流速減小，細(xì)顆粒泥沙在近海區(qū)域大量落淤、沉積川，沉積物以粉砂質(zhì)黏土和粉砂質(zhì)壤土為主，滲透系數(shù)較小。刁口河遠(yuǎn)海區(qū)域河道長時間不行河，受海洋動力影響弱，隨著時間推移，淺表層沉積物逐漸被分選并均勻化，發(fā)生明顯粗化[16]，沉積物滲透性較好。

3.3 不同深度滲透系數(shù)分布特征

由圖8（a）可知：10cm深處滲透系數(shù)相對較小且空間差異也較??；清水溝流路沿線滲透系數(shù)比刁口河沿線約大11%；刁口河保護區(qū)滲透系數(shù)相對最小，僅為0.49m/d；清水溝保護區(qū)滲透系數(shù)較大，達(dá)到0.81m/d，且具有向入海口方向逐漸增大的特征；“清8”斷面附近的滲透系數(shù)為全區(qū)最大，達(dá)到3.07m/d。在30cm深處（見圖8（b）），三角洲東北部故道一帶沉積物的滲透系數(shù)大于南部清水溝現(xiàn)行流路一帶的，尤其是神仙溝故道沿岸滲透系數(shù)顯著大于其他區(qū)域，絕大多數(shù)采樣點的滲透系數(shù)大于1.0m/d，平均值為1.45m/d；刁口河保護區(qū)范圍內(nèi)滲透系數(shù)均值為0.72m/d，比清水溝保護區(qū)均值（0.48m/d）大50%，在該深度處，清水溝保護區(qū)內(nèi)滲透系數(shù)較小且空間差異也較小。在90cm深處（見圖8（c）），清水溝現(xiàn)行流路的滲透系數(shù)有所增大，均值增大為0.63m/d，在現(xiàn)行流路北側(cè)較大，分布規(guī)律大致為由東南向西北減小。

4 結(jié)語

基于黃河三角洲70個采樣點的210個土樣數(shù)據(jù)，對三角洲陸面淺表層沉積物的顆粒特征與滲透系數(shù)的空間分布特征進行了分析研究，結(jié)果表明：黃河三角洲淺表層沉積物主要由細(xì)砂與粉砂組成，有效粒徑均值為5.2μm，10cm深處細(xì)砂含量相對較大，30cm深處粉砂含量相對較大，90cm深處黏粒含量相對較大。在三角洲的扇形區(qū)域范圍內(nèi)，淺表層沉積物從三角洲頂點向海岸線大致呈條帶狀分布；在三角洲北部刁口河與神仙溝故道附近的河灘高地，淺表層沉積物顆粒粒徑較大，現(xiàn)行清水溝流路附近沉積物顆粒相對較細(xì)。總體來看，淺表層沉積物顆粒較細(xì)，不同深度的沉積物屬性接近，沉積物粒徑總體隨深度增大而略有增大，并且隨著深度增大，沉積物特征粒徑的空間差異性逐漸明顯。

與沉積物顆粒屬性相對應(yīng)，黃河三角洲陸面淺表層沉積物滲透系數(shù)均值為0.65m/d，變化范圍為0.04～2.01m/d，滲透系數(shù)的空間差異性較不明顯，且隨著深度增大，滲透系數(shù)緩慢減小，空間差異性有所增大。從空間上看，神仙溝故道沉積物的滲透系數(shù)明顯大于其他區(qū)域，該區(qū)域30cm深處沉積物滲透系數(shù)的均值與方差均最大，清水溝流路沿線滲透系數(shù)均值略小于刁口河沿線，且滲透系數(shù)均隨深度增大有所減小。有必要指出的是，由于本文的沉積物滲透系數(shù)計算是基于土樣顆粒粒徑的經(jīng)驗公式進行的，對土樣的預(yù)處理與公式選擇均有可能給結(jié)果帶來一定的不確定性，因此需要在條件允許的情況下開展原位試驗，以得到更加準(zhǔn)確的滲透系數(shù)。

現(xiàn)代黃河三角洲形成時間僅有160余a，本次采樣時約90%的采樣點位于1855年后形成的陸地上[2]，河道流路的活躍擺動和復(fù)雜的造陸過程使黃河三角洲陸面淺表層沉積物的空間分布特征綜合反映了沉積環(huán)境的變化。已有研究表明，自20世紀(jì)50年代至今，黃河利津站年天然徑流量、年輸沙量均呈減小趨勢，而懸移質(zhì)的中值粒徑呈增大趨勢[13]。1953-1963年神仙溝流路時期，三角洲年均造陸面積為39.2km，；1964-1976年刁口河流路時期，三角洲年均造陸面積為40.8km2；1976-1996年清水溝流路時期，三角洲年均造陸面積為22.1km2。這3個階段利津站總來沙量分別為130.31億、142.8億、124.17億t[1]?？梢?，清水溝流路總來沙量、造陸速率均小于神仙溝與刁口河流路，但由于河口位于三角洲東部，此處海域較淺，海洋動力較弱，因此岸線延伸距離最大。不同流路條件下的水沙綜合作用共同決定了黃河三角洲陸面淺表層沉積物的上述空間分布特征，也進一步?jīng)Q定著三角洲地下水水分/鹽分運移規(guī)律以及生態(tài)環(huán)境的空間分布特征。

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