博斯腾湖湿地沉积物颗粒组成对渗透系数的影响

李波, 迪丽努尔·阿吉*



博斯腾湖湿地沉积物颗粒组成对渗透系数的影响

李波1,2,, 迪丽努尔·阿吉1,2,*

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院, 乌鲁木齐830054 2. 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室, 乌鲁木齐830054

选取博斯腾湖湿地为研究对象, 将博斯腾湖湿地分为大湖区、小湖区、黄水沟区3个区域, 采用竖管实验法、颗粒分析法对博斯腾湖湿地的渗透系数与沉积物颗粒粒径进行测定, 结合地统计学软件和ArcGis空间分析工具对数据进行处理分析。结果表明: 博斯腾湖湿地沉积物颗粒粒径普遍偏小, 以砂土、粉砂和黏土为主, 砾石含量极小, 3个区域沉积物平均粒径大小依次为大湖区＞黄水沟区＞小湖区。博斯腾湖湿地渗透系数与沉积物颗粒粒径、砂土含量呈正相关关系, 与黏土含量、粉砂含量呈负相关关系, 渗透系数、黏土含量、粉砂含量、砂土含量、沉积物平均粒径的块金值与基台值的比值都小于25%, 三者具有明显的空间相关性。针对渗透系数的空间插值得知, 博斯腾湖湿地的渗透系数空间变异表现为自东南部向西部递减, 其最大值出现在大湖区东南部区域, 最小值出现在小湖区西部。

沉积物;渗透系数;博斯腾湖

1 引言

河流湖泊与浅层地下水作为人类最主要的水源, 其所代表的地表水—地下水交换过程是全球水循环的一个重要环节, 直接或间接的影响着自然界水交换速率、地表水—地下水交换量,污染物扩散速率等, 在自然界物质与能量的输送中起着重要的作用, 谢学斌[1]等人在尾矿库研究了重金属污染物在土壤中的对流与弥散, 发现了污染物浓度在不同深度和水平距离的分布受下渗作用影响显著。渗透系数又称水力传导度[2], 是指水力坡度为1时的渗透速度, 是岩土透水性的数量指标, 直接影响着地表水-地下水的交换速率。影响渗透系数的因素有沉积物含盐量[3]、沉积物粘滞系数[4]、沉积物垂向分层[5]、水体含砂量[6]、生物扰动、沉积物颗粒粒度等。谌文武[7]等对遗址夯土的研究表明沉积物中累积的盐分会对沉积物孔径起到一定的堵塞作用, 从而使沉积物的渗透系数下降; 宋进喜[8]等人对颤蚓的本研究表明, 颤蚓通过生物扰动改变沉积物的内部与表层结构、沉积物成分组成等, 以此破坏或加强了沉积物中细小物质的阻塞, 致使沉积物的渗透系数发生变化; 张波[9]等人在渭河陕西段的研究表明沉积物颗粒粒径组成对渗透系数的影响最为显著, 因此, 研究沉积物颗粒粒度特征与渗透系数的关系, 对于干旱区流域水资源科学调配、治理土壤盐渍化等具有直接的现实意义。在沉积物渗透系数的研究方面, 许多专家学者通过建立经验公式来计算渗透系数的数值, 如Kozeny公式、A.hazen公式等。Song等对美国埃尔克霍恩河的研究表明, 这些经验公式只适用于含砂质较高或结构较为松散的沉积物[10–11], 在特定类型研究区域之外通常要增加校正指数, 往往会存在较大误差[12]。因此, 在研究沉积物渗透系数时, 应把沉积物按照不同粒径划分为不同类型专门建立普适性更强的关系。

博斯腾湖地处新疆干旱区, 是巴音郭楞蒙古自治州的重要水源, 近几十年来, 随着社会经济的发展, 生产生活需水量与日俱增, 对水资源的不当开发产生了严峻的生态问题, 如湖水咸化[13]、生物多样性下降[14]、土地盐渍化[15]、荒漠化[16]等。本文采用竖管实验法, 颗粒分析法获得博斯腾湖湿地沉积物渗透系数及颗粒粒径数据, 结合地统计学软件和ArcGis空间分析工具等对数据进行分析, 旨在揭示博斯腾湖湿地不同粒径的沉积物对渗透系数的影响规律, 并探讨其空间分异特征, 为博斯腾湖流域水资源的开发与生态保护提供科学依据。

2 研究区域与方法

2.1 研究区概况

博斯腾湖位于新疆天山南坡焉耆盆地东南, 是天山西褶皱带的凹陷区域, 隶属于巴音郭楞蒙古自治州博湖县。地理坐标为41°45¢—42°15¢N, 86°00¢—87°26¢E。当水位在1048.50 m时, 水域面积为1210.50 km, 是中国内陆最大的淡水湖泊,但由于人类不恰当水土开发活动, 目前正在向微咸化发展[17]。博斯腾湖周边区域气候极度干旱, 年降水量只有47.7 mm—68.1 mm, 且主要集中在7—9月, 蒸发量高达1880. 0 mm—2785. 8 mm, 年均气温在8. 2℃—11. 5 ℃之间, 最冷月1月平均气温-7. 8 ℃—-12. 3 ℃, 7月平均气温 22. 9℃—26. 0 ℃。

博斯腾湖作为内流水系的一部分, 之所以维持着较低的盐度, 是因为博斯腾湖是一个吞吐性湖泊[18],既是开都河的尾闾, 也是孔雀河的源头, 博斯腾湖发挥着调蓄开都河水资源, 为周边县市提供农业、工业和生活用水, 向塔里木河下游地区紧急生态输水[19]等重要作用。对于极干旱的巴州和塔里木河下游地区, 博斯腾湖的经济价值和生态价值十分重要。而近几十年以来, 流域内人口大幅度增长、农业与工业生产规模不断扩大、城市化水平快速提高, 水资源短缺与水污染也越发严重, 阻碍着当地的生态保护和可持续发展。通过科学的研究方法, 不断完善人类对于自然规律的认识, 从而运用自然规律解决博斯腾湖环境变化带来的问题非常重要。本文采用野外变水头竖管试验法和室内颗粒分析法对博斯腾湖湿地的渗透系数和沉积物组成进行定量研究, 并探讨其空间分异特征, 以期为当地水资源调度和合理配置提供参考。

2.2 研究区的选取与样点布设

为将博斯腾湖湿地进行区域划分, 参考地形图、遥感影像并结合实地调研结果, 根据1992年至2015年的10张Landsat TM和Landsat ETM+(分辨率分别为30 m和15 m)遥感影像的解译结果提取了湿地的水面情况, 把DEM高程图与水面分布图叠加分析发现, 在丰水年博斯腾湖湿地会形成连续水体, 在丰水年过后, 干旱区强烈的蒸发会使原连续水体破碎化, 形成三个相对独立的水体单元。本文根据对遥感影像的分析和实地调查研究结果发现了三个相对独立的水体单元, 将博斯腾湖湿地划分为大湖区(B区)、小湖区(C区)、黄水沟渠(A区)。2015年11月7日—13日对博斯腾湖进行了实地调研, 在各区域分别选点进行了现场渗透试验, 并在距离渗透试验点0.5 m处采集沉积物柱状样本, 将样品分层, 在中国科学院新疆生态与地理理研究所中心实验室进行室内颗粒分析实验, 各样点分布如图1所示。

2.3 材料与方法

2.3.1 湿地渗透系数的测定

渗透系数的现场测定采用的是变水头渗透试验法, 根据遥感影像和实地调查情况, 最终选择了如图1所示的18个试验点, 分别布设了75 mm和110 mm的两种尺寸的PVC管。具体方案为: 将长度150 cm, 直径75 mm的PVC管竖直插入湿地沉积物至20 cm, 再向其中注水, 记录不同时间管中水面高度, 为减少误差, 每个试验重复4次。以上述方法, 分别用75 mm管径、110 mm管径的PVC管对20 cm、30 cm、40 cm深度的沉积物进行测定。渗透系数现场测定示意如图2。以上述测定得到的数据计算渗透系数, 具体公式[20]如下:

式中K代表湿地垂向渗透系数, D是测定所用PVC管的内径(cm), LV是测定管中沉积物的长度(cm), h1是t1时刻测定管内的水面高度, h2代表t2时刻测定管内水面高度。m=, 其中Kh是水平渗透系数。宋进喜[21]等人在霍恩河使用相同方案测定渗透系数, 分析认为m≈10.

2.3.2 沉积物颗粒粒径分析

在渗透系数试验结束之后, 在距离渗透试验点0.5 m处使用直径75 mm的有机玻璃柱状采样器采集沉积物柱状样本, 按照0—10 cm、10 cm—20 cm、20 cm—40 cm将样品分层, 在通风条件下晾干。

颗粒粒径测定在中国科学院新疆生态与地理研究所中心实验室进行, 使用Mastersizer 2000激光粒度分析仪测定, 该仪器测量范围是0.02 um—2000 um, 首先使用蒸馏水和10%的双氧水去除样品中的有机质, 加稀盐酸去除碳酸盐, 用去离子水使样品恢复中性, 加入分散剂后在振荡器内振荡20 min, 利用激光粒度分析仪直接输出粒径参数。最后, 根据Chen[22]的划分原则与Udden-Wentworth标准将沉积物按照粒径范围分为黏土、粉砂、砂土及砾石。

3 结果与分析

3.1 不同粒径沉积物分布与渗透系数分析

3.1.1不同粒径沉积物垂直分布

图3—图6为博斯腾湖湿地沉积物粒径垂直分布特征。博斯腾湖湿地大湖区0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉积物颗粒粒径范围与均值分别为153 um—428 um和259.67 um, 147 um—395 um和237.56 um, 144 um—292 um和218.94 um, 各深度均以砂土为主; 小湖区0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉积物颗粒粒径范围与均值分别为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, 各深度均以黏土与粉砂为主; 黄水沟区0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉积物颗粒粒径范围与均值分别为91 um—126 um和103.8 um, 69 um—120 um和 91 um, 各深度均以黏土与粉砂为主。大湖区、小湖区、黄水沟区的沉积物颗粒粒径都呈随深度增加而逐渐减小的特征。其中B4试验点比较接近开都河入湖口, 受流水沉积作用, 沉积物颗粒粒径随深度增加而减小的趋势较弱, 比B4试验点更接近于开都河入湖口的C2试验点, 出现了沉积物颗粒粒径随着深度的增加先减小后增加情况, 反映C2试验点流水沉积作用较强, C2试验点 0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉积物颗粒粒径均值分别为36 um、35 um、36.5 um。

变异系数(CV)可反映各样点数值的离散程度, CV值小于10%为弱变异性, CV值在10%—100%为中等变异性, CV值大于100%为强变异性。博斯腾湖湿地 0—10 cm、10—20 cm、20—40 cm深度的沉积物平均粒径变异系数分别为68%、68%、73%, 均属于中等变异。说明由中层(10—20 cm)到下层 (20—40 cm)的深度范围内, 沉积物颗粒粒径的变异随深度的增加而逐渐增强。

3.1.2 不同粒径沉积物水平分布与渗透系数分析

采用竖管试验法对18个样点的渗透系数进行现场测定, 并通过式(1)计算出各点位的渗透系数。利用马尔文激光粒度仪对采集的沉积物进行粒径分析并归类。各试验点的渗透系数和颗粒组成情况如图7。大湖区东侧与南侧样点的沉积物渗透系数普遍偏大, 其值在20.12 m×d–1—39.14 m×d–1之间, 平均值达到29.63 m×d–1。其他各样点的渗透系数由大到小分别是大湖区西侧、黄水沟区和小湖区, 其范围与均值依次为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。比较沉积物的组成, 砂土含量由大到小依次为大湖区、黄水沟区、小湖区, 其范围与均值依次是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别为小湖区、黄水沟区、大湖区, 其范围与均值依次是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别为小湖区、黄水沟区、大湖区, 其范围和均值分别为35.81%—37.37%和36.45%; 30.56%—37.65%和33.94%; 2.46%—21.95%和9.37%。

由图8—图10可以发现, 沉积物渗透系数与颗粒组成存在较为密切的关系, 也就是和黏土含量、粉砂含量均呈负相关, 和砂土含量呈正相关。通过Origin数据处理软件得出拟合方程和相关系数, 反映出渗透系数与黏土含量、粉砂含量、砂土含量分别呈对数函数、一次函数、指数函数关系,2分别为0.9883、0.9791和0.9647, 均属于显著相关。经马尔文激光粒度仪分析, 采样区均砾石量小于千分之一, 可以忽略不计, 但有些采样点的沉积物平均粒径会更大, 渗透系数和沉积物颗粒粒径存在正相关关系, 砂土含量接近但平均粒径更大的采样点, 其渗透系数也会更大。

通过以上分析, 沉积物砂土含量, 黏土含量、粉砂含量与渗透系数均呈显著相关, 为了更具体的反映沉积物粒径与渗透系数之间的关系, 有必要对沉积物粒径与渗透系数进行回归分析。由图11可以看出, 18组垂向渗透系数值与沉积物颗粒平均粒径呈对数函数关系, 拟合效果较为理想,2为0.868, 拟合效果较好。平均粒径小于200 um的样点渗透系数值大多小于拟合值, 这是因为沉积物平均粒径小于200 um的样点都位于黄水沟区、小湖区和大湖区西岸, 以芦苇为主的湿地植物覆盖率较高, 部分地区形成了透水性较差的泥炭层。

3.2 沉积物粒径特征与渗透系数的空间结构

运用半方差函数模型分析了5种参数的空间变异特征, 结果显示, 5种参数的块金值(0)均较小,其中黏土含量最为典型, 达到0.001。块金值显示的是区域数据的异质性, 反映由试验误差或者小于试验取样尺度引发的空间变异, 变异的程度由块金值的大小决定, 较大的块金值说明较小尺度上的某种因素不容忽视。块金值与基台值的比值(O/O+)能够表明区域变量的自相关程度, 反映空间自相关变异所占的比例和区域变量的空间相关性的程度[23], 如果该值小于25%, 表明系统具有强烈的空间相关性, 如果该值在25%—75%之间,表明系统具有中等的空间相关性, 若是该值大于75%则显示系统的空间相关性很弱。表1中的5种参数的块金值与基台值的比值都小于25%, 反映出5种参数的空间相关性强烈, 空间布局主要受结构性因素的影响。

3.3 沉积物粒径特征与渗透系数的空间格局

通过对渗透系数的Kriging和反距离权重(IDW)的插值精度检验, 发现渗透系数在Kriging插值法中精度最高, 故对渗透系数采用Kriging法进行插值, 得出研究区渗透系数的空间分布图, 如图12所示。从空间分布上来看, 渗透系数呈明显的斑块状与条带状分布, 其中, 渗透系数的较高值出现在研究区东南部, 并逐渐向西递减, 差异性显著。这是因为湖区西部植被覆盖率较高, 以芦苇湿地为主, 沉积物平均粒径极小, 形成了透水性较差泥炭层[24], 所以渗透系数偏小, 而在东部沉积物粒径普遍较大, 故渗透系数较大。

4 讨论与结论

综上分析可以看出, 沉积物的颗粒组成、颗粒粒径与渗透系数之间存在较强的相关性, 这与张波[5]、宋进喜在渭河陕西段发现的规律相一致。其中, 渗透系数与砂土含量呈正相关关系, 与黏土含量、粉砂含量呈负相关关系, 这与目前一些学者的结论相一致, António研究了三种不同情况下渗透系数与黏土含量的关系, 结果均为负相关关系[25]。从其十分显著的拟合效果看, 沉积物颗粒组成是左右渗透系数大小的主要因素。许多专家学者总结了计算渗透系数的经验公式, 但由于得出公式的具体实验对象不同, 其适用范围也多有不同, 但就整体而言其普遍表达出了沉积物粒径与渗透系数的正相关关系, 印证了本研究的部分结论。

表1 沉积物各项参数空间变异的半方差函数

湖泊水通过沉积物下渗至地下从而补给地下水的过程, 除了与水压差相关联之外, 与由沉积物构成的通道的通畅程度也关系密切, 一般而言, 此通道的通畅程度与土壤孔隙度有很密切的联系, 沉积物颗粒愈大, 其相互支撑的作用就愈强, 能够形成愈多的孔隙, 而这些孔隙正构成了水的下渗通道。此通道的通畅程度还与沉积物当中不同粒径组成成分的排列组合相关, 若大颗粒的空隙之间被小粒径的颗粒填充, 则沉积物的孔隙度下降[26], 下渗通道不畅, 渗透系数减小。

地统计学经常被应用到空间特性的分析中, 但将其应用到较大尺度下的干旱区湖泊沉积物渗透系数的研究先例还不多, 本文将地统计学半方差函数与克里格插值法应用到对博斯腾湖沉积物渗透系数与粒径组成的空间变异研究之中。得到主要结论如下。

1)博斯腾湖湿地沉积物粒径普遍偏小, 以黏土、粉砂和砂土为主, 砾石含量不足千分之一, 这与这与罗兰等人的研究相吻合[27], 其中砂土含量由大到小依次为大湖区、黄水沟区、小湖区, 其均值依次是87.47%、39.71%、14.75%。黏土含量由大到小分别为小湖区、黄水沟区、大湖区, 其均值依次是48.81%、26.89%、3.10%; 粉砂含量由大到小分别为小湖区、黄水沟区、大湖区, 其均值分别为36.45%、33.94%、9.37%。

2)通过地统计学软件分析, 博斯腾湖湿地沉积物渗透系数、平均粒径、黏土含量、粉砂含量、砂土含量的变异系数分别为76%、70%、78%、67%、57%, 5种参数的变异系数较为接近且都属于中等变异, 说明5种参数的分布具有较好的空间异质性。在半方差分析之中, 5种参数的块金值都很小, 说明在小尺度上的空间变异基本符合大尺度上的变化趋势。块金值与基台值的比值都＜25%, 说明此系统具有强烈的空间相关性。

3)在空间结构分布中, 渗透系数显现出了明显的空间分布趋势, 暨从大湖区东南向湖泊的西部递减, 最大值出现在大湖区的东南角, 达到39.12 m×d–1, 最小值出现在小湖区的西部, 仅仅为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

博斯腾湖湿地水质改善关键技术集成与示范(201533111)

李波(1993—), 男, 新疆额敏人, 硕士研究生, 主要从事自然资源开发与规划方面的研究, E-mail: 591819954@qq.com

迪丽努尔·阿吉, 女, 博士, 教授, 主要从事干旱区水文研究, E-mail:2548290281@qq.com

李波, 迪丽努尔·阿吉.博斯腾湖湿地沉积物颗粒组成对渗透系数的影响[J]. 生态科学, 2017, 36(2): 179-185.

LI Bo, DILINUER·Aji. Effect of sediment particle composition on vertical hydraulic conductivity of Bosten Lake Wetland[J]. Ecological Science, 2017, 36(2): 179-185.