地下水對河流沉積影響研究

劉 偉(長江大學地球科學學院，湖北 荊州 434023)

楊 飛(長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 荊州 434023)

肖杭州(吉林油田乾安采油場，吉林 乾安 131400)

李俊飛(長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 荊州 434023)

地下水對河流沉積影響研究

劉 偉(長江大學地球科學學院，湖北 荊州 434023)

楊 飛(長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 荊州 434023)

肖杭州(吉林油田乾安采油場，吉林 乾安 131400)

李俊飛(長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 荊州 434023)

河流與地下水的相互作用是自然界中普遍存在的一種現象，也是陸地水文循環的一個重要組成部分。地下水對河流的補給與排泄不僅對河流的流量產生重大影響，而且也影響河流的侵蝕作用和沉積作用。通過試驗驗證了地下水潛水位與河床下伏隔水層對河流侵蝕能力的重要影響，并借鑒前人的研究，將地下水與河流的關系對河流沉積的影響劃分為4種模式。通過研究現代瑪納斯河對地下水與河流關系的沉積響應，對河流河型分布進行了討論。研究發現，地下水與河流關系的4種模式決定了河流河型分布。

河流沉積；河型；地下水；侵蝕

廣泛埋藏于地表以下的各種狀態的水，統稱為地下水。地下水是地球水循環的重要組成部分，全世界的地下水總量幾乎占地球總水量的1/10，比整個大西洋的水量還要多，是河流與湖泊水量總和的60倍。地下水和地表徑流之間存在著大量的水交換關系。以西北內陸盆地為例，“河流-含水層”系統組成典型的水文循環二元結構，地表水與地下水發生多次相互轉化，在出山口以上河段是山區基巖裂隙水的排泄通道，山區地下水幾乎全部轉化為地表水；經河道流入山前平原的河水80%～90%在山前洪積扇裙帶滲漏轉化為地下水，一些小型河流甚至滲失殆盡[1]。在研究河流沉積的時候完全不考慮地下水對河流沉積的影響是不恰當的。目前國內關于地下水對河流沉積影響的研究很少。下面，筆者主要以地下水對河流侵蝕作用的模擬實驗為基礎，研究了地下水與河流侵蝕之間的關系，并通過對國內水文界研究比較成熟的準格爾南緣的瑪納斯展開碎屑巖地區地下水對河流沉積的影響展開了探討。

1 地下水對河流侵蝕作用影響的模擬試驗

在地下水與河流的關系及演化方面，文獻[2-5]用試驗的方法模擬了地下水與河流的轉化模式及其特征，為筆者的研究提供了寶貴的資料支持。河流與地下水的水交換改變了地下水場的分布，同時地下水場也會對河流沉積產生影響(筆者研究的地下水位是特指河床附近受地下水影響很小或假設未受河流影響時河床附近的地下水潛水位)。

河水對河床的壓力由河床孔隙水(即河床地下水)與河床顆粒承擔。當河水水壓頭與河床孔隙水水壓頭的差值越大，河床顆粒受到河水的壓力越大，河水的侵蝕作用也越強。為了證明地下水對河流侵蝕作用的影響，筆者做了一系列的模擬試驗。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗在直徑30cm、深10cm圓柱形的漏篩中進行。試驗材料為松散的長石細砂和黃色粘土。其中細砂滲透性良好，易于侵蝕；粘土隔水性良好，是很好的隔水層。筆者將漏篩置于水槽之中，用水槽水位模擬地下水潛水位研究地下水位對流水侵蝕作用的影響。其中水位高代表地下水潛水位高度，泥面高代表隔水層高度，砂面高代表地表高度(見圖1)。

試驗1 沙面高8cm，下覆泥面高0cm，水位高5cm，水流對沙面迅速侵蝕，到90s時，水位與地下水位持平，水流不再向下侵蝕，平均侵蝕速率3.33mm/10s。

試驗2 沙面高8cm，下覆泥面高0cm，水位高6cm，水流對沙面快速侵蝕，到90s時，水位與地下水位持平，水流不再向下侵蝕，平均侵蝕速率2.22mm/10s。

試驗3 沙面高8cm，下覆泥面高0cm，水位高8cm，水位與地下水位持平，水流基本不侵蝕沙面，平均侵蝕速率0mm/10s。

試驗4 沙面高10cm，下覆泥面高6cm，水位高6cm，水流對沙面緩慢侵蝕，到30s時，水流不再向下侵蝕，平均侵蝕速率1.66mm/10s。

試驗5 沙面高8cm，下覆泥面高6cm，水位高6cm，水流對沙面侵蝕非常緩慢，到30s時，水流不再向下侵蝕，平均侵蝕速率1.33mm/10s。

試驗1～3表明，流水的河床的侵蝕能力與地下水位與河水位之間的關系有關。當河水位高于地下水位時，河水對河床有強烈的侵蝕能力。當河水位與地下水位齊平時，河水對河床的侵蝕能力幾乎為零。

試驗4、5表明，流水對河床的侵蝕作用不僅與地下水位有關，而且與下覆巖層有關。當下覆巖層有強隔水層時，河水的侵蝕能力大幅減弱。

綜上，河流的侵蝕作用與地下水場和下覆巖層有關。由于條件限制，試驗未能模擬河水含砂及河床坡降、河床巖性對河流侵蝕能力的影響。黃土高原為風成黃土堆積而成，土質松軟，滲透性好。與沖積平原相比，黃土高原缺乏砂泥巖互層的韻律層系。大氣降水以垂直入滲為主，地下潛水位低，表層黃土層缺乏地下水涵養，往往在短短一場暴雨后在地面侵蝕出一道道深溝。這種強烈的侵蝕作用可能就與黃土層缺乏韻律隔層有關。

2 地下水場與河流關系的4種類型

地下水潛水水位與河水位之間的關系影響著地下水場的分布，如圖2所示。圖2模型假設河床與含水層為同質均一的巖性，圖中粗黑色虛線的為地下水潛水位，黑色虛線表示壓力水壓頭線(即壓力等值線)，淡色實線為地下水等水壓頭線。其中壓力水壓頭線為實測數據。等水壓頭線越密，則地下水水壓頭梯度越大，河床底部骨架顆粒受到的壓力越強，河水的侵蝕能力越強。地下水垂直于等水壓頭線流動。在此筆者主要研究的是河床底部地下水水壓頭梯度和河水的滲流方向。

圖2 河流與地下水關系演化模擬試驗圖

2.1第1種類型:地下水潛水位與河面接近

當地下水潛水與河面接近、河流下方為勻質巖、無隔水層時，地下水潛水位比較平直，等水壓頭線在河床下方和河床側面都比較密集，河流側向和向下侵蝕作用相當。等水壓頭線傾斜向下，河流向下滲流為主(見圖2(a)。

2.2第2種類型:地下水潛水位略低于河面，且河床下覆有隔水層

當地下水潛水略低于河面且河床下覆有隔水層時，隔水層改變了河床附近地下水場的分布。河床下部的等水壓頭線密度變小而河床側面的等水壓頭線密度變大(注意等壓頭曲線的標值)，河流侵蝕作用以側向侵蝕為主。側面的等水壓頭線直立，河水側面滲流強烈(見圖2(b)。

2.3第3種類型:地下水潛水位遠低于河面

當地下水潛水位遠低于河面時且下伏無隔水層時，河床下方等水壓頭線密度遠大于側面等水壓頭線密度，河流侵蝕作用以向下侵蝕為主。側向等水壓頭線平直，河水以垂直下滲為主(見圖2(c)。

2.4第4種類型:地下水與河床脫節

當河水位與地下水位脫節且無隔水層時，滲流特征表現為河流以淋濾式滲漏補給地下水，河床底部處于非飽和狀態，其中的水流是水一氣摻混的非飽和流動，形成河流一河床下懸掛飽水帶一包氣帶一飽和帶水流系統。河床下方等水壓頭線密度更大于側面等水壓頭線密度。側向等水壓頭線平直，河水垂直下滲(見圖2(d)。

河床的巖性也對地下水水壓頭梯度產生影響。當河床巖性致密，透水性差時，河床附近的地下水水壓頭梯度小，地下水位對河流的影響作用小。反之，則河床附近的地下水水壓頭梯度大，地下水位對河流的影響作用大。

3 河流沉積對地下水場與河流關系的響應-以瑪納斯河為例

圖3 瑪納斯河流域水文地質剖面圖

瑪納斯河位于準格爾盆地南緣天山北側，根據地下水的空間展布以及轉化合關系可以將其分為7個區(見圖3)[6]。筆者通過google地圖研究瑪納斯河河型時發現瑪納斯河河型的空間展布與瑪納斯河流域的地下水循環及地下水潛水位具有良好的匹配關系。下面，筆者以瑪納斯河為例就地下水與河流關系對河流沉積的影響做進一步的探討。

在山區(即圖3第1區)，地下水以垂直入滲為主，地下水位埋深大，地表坡降大，河流流速快，河流表現為下切型河流(圖2第4類)。

在第1排構造與第2排構造之間為沖洪積扇沉積上部(即圖3第2區)，沉積物顆粒粗，滲透性好，透水性強。在上部，地勢相對較高，河流補給地下水(圖2第3類模型)，可以看到河谷深切。

在第1排構造與第2排構造之間為沖洪積扇沉積下部(即圖3第3區)，地下水受第2排構造隆起的阻隔，地下水溢出地表排泄補給河流(圖2第1類模型)，河流受地下水的浮力作用影響，河道變淺，沉積物大量卸載沉積，可見辮狀河形態。

在第2排構造的出山口為大型沖洪積扇(即圖3第4區)。地下水埋深由扇頂大于100m向扇緣逐漸變淺，在瑪納斯縣北一帶潛水溢出地表。在沖洪積扇的扇根扇中部，河流補給地下水(圖2第4類模型)，可見河谷深切。同時由于流量漏失，地形坡降變緩，河流沉積作用加強，河流具有一定的擺動能力。

在沖積扇的扇緣(即圖3第5區)，地形進一步變平坦，沉積物顆粒由粗變細，透水性變弱。地下水由于細粒物質的阻隔溢出地表補給河流(圖2第1類模型)，河床變淺，山區帶來的大量攜帶物在這里大量卸載，河流因為沉積物堆砌作用快而經常變道。在google地圖上可見大范圍辮狀河形態。

河流進入沖積平原(即圖3第6區)。瑪納斯沖積平原地形平坦，微微向北傾斜，地形坡度為0.003～0.0001，沖積平原區上部潛水含水層一般由粗砂、亞砂土、亞粘土組成，含水層厚度數米至數十米不等，埋深小于5m，沉積物以細粉砂與細土為主。地下水以水平運動為主。馮先岳、吳秀蓮對河子以北農八師第三十團一帶40多口鉆孔資料分析顯示沖擊平原在剖面，河流呈良好的2層結構[7]。上層沖積層主要由棕色、灰黃色的亞粘土、亞砂土和粉砂組成，呈互層狀，一般質地均一，結構松軟。下覆灰黑色粘土層為良好的隔水層(圖2的第2類模型)。Google地圖顯示為呈典型的高彎度曲流河形態。

4 地下水與河流河型的討論

河流沉積剖面中，常常發現同一時期的河流的底界面在橫向上是在近于同一平面內的。試驗1的試驗結果表明，地下水位與河床下伏隔水層對河流的底界面的位置具有重要影響。筆者認為，地下水潛水位即為控制河流底界面的這一物理面，而具體的某條河流的底界受河流自身矛盾的影響而圍繞地下水潛水位上下波動。在縱向上，地下水潛水位受地貌、地層結構、地下水徑排關系的影響而呈傾斜的潛水位。而這一傾斜的潛水位對沉積界面的傾斜和河流坡降將產生重要影響。錢寧指出，水流為了維持挾沙能力以與之相適應, 必將塑造成一個與之相應的河床坡降。而河床坡降的調整可以通過河身彎曲、流路加長來實現[8]。由此可見河床坡降并非影響河流形態的原因，而是河流內在平衡的結果。傾斜的地下水潛水位和河流與地下水位關系決定的河流內在的沉積侵蝕平衡是河流坡降的重要影響因素，并決定最終影響著河流河型。在地下水匱乏的地方，河流補給地下水，河水位高于地下水位以保持對地下水的滲入，河流的向下侵蝕能力加強，表現為下切谷河流；在河水位略高或接近地下水位，且下伏韻律隔水層時，河流側向滲流，其側向侵蝕強烈，表現為典型的曲流河形態；在地下水豐富的地方，地下水補給河流，河水位與地下水持平或低于地下水，河流的侵蝕能力弱。在河流上游，河流荷載重，河流沉積作用強烈，河床加積高抬，河流迅速改道，表現為辮狀河；在河流下游，河流沉積作用弱，河床巖性細，不容易侵蝕時，表現為固定性河流，如網狀河。

5 結 論

通過試驗證明，河流的侵蝕作用與地下水潛水位、河床及河床下伏韻律隔水層及河床的滲透性有著重要關系。筆者將地下水與河流的關系對河流沉積的影響劃分為4種模式。

第1種類型：地下水潛水與河面接近。 河水受地下水浮力的上托作用，河水對河床向下侵蝕作用小，河床變得寬淺。當河水攜帶大量沉積物質時，攜帶物會在此大量卸載，河床迅速改道，則可形成辮狀河河型；在河流下游，河水攜帶物少、河水比較清冽時，河流的沉積作用和侵蝕作用都比較微弱。如果河床為較為細膩的粘土巖，難以侵蝕，則可形成河道固定的網狀河河型。

第2種類型：地下水潛水略低于河面，且河床下覆有隔水層。 隔水層改變了河床附近地下水場的分布。河流因為下覆隔層壅水浮力而向下侵蝕能力減弱，側向侵蝕能力強；河水以側向滲流為主，如果河床巖性疏松，滲透率大則易形成典型的曲流河形態。

第3種類型：地下水潛水位遠低于河面。 河床向下侵蝕能力強烈，這種情況多見與山區的下切性河流。

第4種類型：地下水與河床脫節。 河水以垂直下滲為主，河床向下侵蝕能力強烈。多見于山區性河流與地上懸河。

河流河型受地下水潛水位、河流與地下水的供排關系及河流攜帶物量所影響的河流侵蝕沉積平衡所控制。其中將河流與地下水納入同一個系統來思考河流沉積及河型，通過研究受地質構造、地層巖性、地貌特征、構造運動和氣候等控制的地下水循環來研究河流沉積不失為一種新的角度，并使通過研究盆地地質條件來分析地下水的空間分布，進而預測河流河型在空間上的分布演化成為一種可能。筆者僅在此提供了一個思路。由于條件所限，筆者未能就地下水對河流沉積的影響做深入的研究。期望能引起更多人關注，并投入地下水與沉積作用關系的研究工作。

[1]喬曉英. 準噶爾盆地南緣地下水環境演化及其可再生性研究[D]. 西安：長安大學,2008.

[2] 王文科,李俊亭,王釗,等. 河流與地下水關系的演化及若干科學問題 [J]. 吉林大學學報(地球科學版),2007,37(2):231-238.

[3] 馮西洲. 河流與地下水關系演化的實驗研究[D]. 西安：長安大學，2008.

[4] 張翔,李俊亭. 河流補給機理的試驗研究[J]. 西安地質學院學報,1996,18(1):61-65.

[5] 劉國東,李俊亭,丁晶. 地下水與河水脫節的實驗與模擬[J]. 水文，1999(3):10-15.

[6] 史興民,楊景春,李有利,等. 瑪納斯河流域地貌與地下水的關系[J]. 地理與地理信息科學，2004，20(3):56-60.

[7] 馮先岳,吳秀蓮. 瑪納斯河中游沖積層[J]. 干旱區地理,1985，8(3):36-43.

[8] 錢寧. 關于河流分類及成因問題的討論[J]. 地理學報, 1985,40(1):1-9.

[編輯] 洪云飛

P931.1

A

1673-1409(2012)05-N074-04

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.05.024

2012-02-26

劉偉(1984-)，男，2006年大學畢業，碩士生，現主要從事沉積學與層序地層學方面的研究工作。