黃河三角洲沉積物及其滲透系數空間分布特征

劉波 林曉寧 馬紅亮 克熱木·阿布都米吉提

摘要：現代黃河三角洲沉積作用活躍，沉積過程復雜，沉積物顆粒特性及滲透系數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、區域地下水的水分和鹽分運移以及濕地生態環境的動態演化過程。基于黃河三角洲陸面70個采樣點10，30，90cm深處的淺表層沉積物土樣，對顆粒粒度參數和相應的滲透系數及其空間分布規律進行了計算與分析。結果表明：研究區淺表層沉積物主要由細砂與粉砂組成，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；沉積物滲透系數均值為0.65m/d，空間差異較不明顯；隨著深度增大，滲透系數緩慢減小，且空間差異性有所增大；神仙溝故道沿線沉積物滲透系數均值為0.98m/d，明顯大于其他區域，尤其在30cm深處沉積物滲透系數均值與方差均為全區最大；清水溝流路沿線的滲透系數均值小于刁口河沿線的，兩處保護區內的滲透系數均值與空間差異性均較小；不同沉積環境下沉積物顆粒級配的差異是造成滲透系數空間差異的主要原因。

關鍵詞：滲透系數；顆粒分析；淺表層沉積物；黃河三角洲

中圖分類號：P641；TV882.1 文獻標志碼：A doi ；10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.001

現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，使得現代黃河三角洲沉積環境與沉積狀況復雜多變。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境，1992年經國務院批準建立了黃河三角洲國家級自然保護區，分為南北兩個區域，南部區域位于現行黃河入海口，面積10.45萬hm2；北部區域位于刁口河故道入海口，面積4.85萬hm2[4]。自2010年起，黃委借黃河調水調沙之際分別向兩處保護區調水，以恢復黃河河口濕地的生態功能。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60年代開始建設，至2016年有1000余眼油、水、氣井位于保護區內[5]。

現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雜。沉積物的顆粒粒度等是影響滲透系數的主要因素，滲透系數與顆粒級配的統計參數之間存在著定量的聯系[2]。由于黃河三角洲的特殊地形地貌和水文地質條件，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，區域滲透系數及其空間分布特征是控制上述過程的重要參數之一[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內陸地淺表層沉積物為研究對象，基于區域及不同深度的現場采樣，對黃河三角洲陸地淺表層沉積物的顆粒特性及滲透系數的空間分布特征進行分析，在此基礎上對其與沉積環境之間的關系進行初步探討，以期為研究沉積物滲透系數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演化規律以及三角洲生態修復起到參考作用。

1 采樣及分析方法

2015年6月，在黃河三角洲保護區范圍內選擇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內，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詳細規劃》，有36個采樣點位于保護區試驗區、12個位于緩沖區、7個位于核心區[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《泥沙顆粒分析規范》分析沉積物樣品，利用水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室的LS13320型全自動激光粒度儀測定其粒度組成，沉積物質地分類依據國際制土壤質地分級標準[10]。

基于采取的土樣顆粒分析成果，利用經驗公式法對滲透系數進行計算。選擇在粒徑適用范圍內的Car-men-Kozeny公式[6]、Krumbein and Monk公式[11]、Aly-amani&Sen公式[12]等，根據原位豎管試驗結果對公式進行比選，確定符合研究區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，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量占總質量的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

顆粒分析結果表明，黃河三角洲淺表層沉積物主要由細砂與粉砂組成，細砂、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。淺表層沉積物顆粒總體較細，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。

由顆粒分析結果可知，研究區土壤組分中黏粒含量均小于15%，粉砂與細砂含量分別為22%～63%、24%～75%。根據國際制土壤質地分級標準，對所采210個土樣進行質地分類，分類結果見圖2。其中：粉砂質黏壤土樣14個、粉砂質黏土樣4個、粉砂質壤土樣46個、壤土樣29個、砂質壤土樣108個、壤質砂土樣9個。由此可見，研究區土壤總體屬于壤土類，土壤質地以粉砂質壤土和沙質壤土為主，分別占土樣總數的21.9%、51.4%。不同深度土樣土壤質地類型較為接近，10cm深處細砂含量相對較高，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域范圍內，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，現行清水溝流路附近沉積物顆粒相對較細。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；清水溝保護區內中值粒徑均值為25.8μm；刁口河保護區中值粒徑均值為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，三角洲70個取樣點的陸面淺表層沉積物主要為沙質壤土（見圖3（b）），占取樣點總數的52.9%，廣泛分布于幾乎整個黃河三角洲，在刁口河保護區分布較為集中；其次為壤土與粉砂質壤土，總占比為44.3%，在清水溝保護區分布相對較為集中，刁口河故道沿岸附近沉積物也多屬于這一類型；粉砂質黏壤土分布較少，僅在清水溝現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土壤質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）。可見在清水溝與刁口河交匯處、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，且清水溝保護區的表層沉積物粒徑總體上大于刁口河保護區的；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，而清水溝現行流路沿線沉積物粒徑相對較細，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域向清水溝上游有所遷移，清水溝保護區沉積物進一步變細，刁口河保護區沉積物有所增粗。總的來看，清水溝流路相間隔存在的沉積物“細顆粒一粗顆粒”區域隨深度的增大緩慢向上游移動，清水溝保護區沉積物在30cm深處相對較細，刁口河保護區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地在不同深度上也存在相應的規律性差異（見圖5）。三角洲陸面淺表層沉積物的土壤質地在不同深度上也存在相應的規律性差異。10cm深處的沉積物質地主要為沙質壤土與粉砂質壤土（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沙土占比較低，主要分布在刁口河保護區以及清水溝保護區東部，占采樣點總數的15.7%；粉砂質黏壤土含量也較低，僅在清水溝沿岸有零星分布。30cm深處沉積物質地總體變化不大（見圖5（b）），但有變細傾向，粉砂質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砂土的占比增大了7.2%（見圖5（c）），主要出現在刁口河保護區，砂質壤土的采樣點減少了10處，沉積物顆粒質地的空間差異性有所增強。

3 淺表層沉積物滲透系數空間分布特征

3.1 滲透系數的基本統計特征

根據Krumbein and Monk公式對黃河三角洲淺表層沉積物滲透系數進行了計算，計算結果（見圖6）表明，三角洲沉積物滲透系數均值為0.65m/d，變化范圍為0.04～2.01m/d，滲透系數的空間差異性較不明顯。總體來看，滲透系數在不同深度不明顯變化不大，10、30、90cm深處的滲透系數均值分別為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，滲透系數緩慢減小，且空間差異有所增大。

不同區域的滲透系數存在較為顯著的差異。神仙溝故道沿線的沉積物滲透系數均值為0.98m/d，明顯大于其他區域，該區域30cm深處的沉積物滲透系數均值與方差均最大，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，且滲透系數均隨深度的增大有所減小；刁口河保護區的滲透系數隨深度增大而增大，清水溝保護區滲透系數隨深度的變化特征與神仙溝相反，在30cm深處滲透系數較小。總的來看，各個區域沉積物滲透系數在30cm深處的均值與方差均較大，而在10cm深處的滲透系數、方差均較小，空間差異也相應較小。

3.2 滲透系數的總體空間分布規律

雖然黃河三角洲沉積物質地較為均勻，相應的滲透系數空間差異不大，但仍然可以發現其存在一定的分布規律（圖7）。清水溝原入海流路沿岸，淺表層沉積物滲透系數相對較大。由于現行流路泥沙淤積，地面高程增加，因此流路從原入海口北側“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，受萊州灣風浪潮流影響，水動力較強，細粒懸浮物被波浪沖刷后沉積物較粗[14]，滲透性較好，滲透系數均值最大。清水溝北側受到外海潮流的頂托作用，流速迅速減小，形成很厚的淤泥質層，水動力較南側弱。清水溝自然保護區內沉積物滲透系數呈現出一定的不規律變化，原因是自2010年起黃委借黃河調水調沙之際，向黃河現行流路清水溝濕地調水，增大了河道水流流速，部分河段原本近乎靜水的環境轉為侵蝕環境，使局部沉積物逐漸粗化[15]。同時，保護區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律。

神仙溝故道沿線淺表層沉積物滲透系數相對較大，且大致呈條帶狀分布。刁口河故道尾閭自然保護區河道及西側的滲透系數大于東側的，離河道越近滲透系數越大，遠離河道滲透系數減小，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泥沙來源斷絕，入海口在海灣內受風浪影響較小，受到潮流頂托作用影響流速減小，細顆粒泥沙在近海區域大量落淤、沉積川，沉積物以粉砂質黏土和粉砂質壤土為主，滲透系數較小。刁口河遠海區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，發生明顯粗化[16]，沉積物滲透性較好。

3.3 不同深度滲透系數分布特征

由圖8（a）可知：10cm深處滲透系數相對較小且空間差異也較小；清水溝流路沿線滲透系數比刁口河沿線約大11%；刁口河保護區滲透系數相對最小，僅為0.49m/d；清水溝保護區滲透系數較大，達到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為全區最大，達到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大于南部清水溝現行流路一帶的，尤其是神仙溝故道沿岸滲透系數顯著大于其他區域，絕大多數采樣點的滲透系數大于1.0m/d，平均值為1.45m/d；刁口河保護區范圍內滲透系數均值為0.72m/d，比清水溝保護區均值（0.48m/d）大50%，在該深度處，清水溝保護區內滲透系數較小且空間差異也較小。在90cm深處（見圖8（c）），清水溝現行流路的滲透系數有所增大，均值增大為0.63m/d，在現行流路北側較大，分布規律大致為由東南向西北減小。

4 結語

基于黃河三角洲70個采樣點的210個土樣數據，對三角洲陸面淺表層沉積物的顆粒特征與滲透系數的空間分布特征進行了分析研究，結果表明：黃河三角洲淺表層沉積物主要由細砂與粉砂組成，有效粒徑均值為5.2μm，10cm深處細砂含量相對較大，30cm深處粉砂含量相對較大，90cm深處黏粒含量相對較大。在三角洲的扇形區域范圍內，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，現行清水溝流路附近沉積物顆粒相對較細。總體來看，淺表層沉積物顆粒較細，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，黃河三角洲陸面淺表層沉積物滲透系數均值為0.65m/d，變化范圍為0.04～2.01m/d，滲透系數的空間差異性較不明顯，且隨著深度增大，滲透系數緩慢減小，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明顯大于其他區域，該區域30cm深處沉積物滲透系數的均值與方差均最大，清水溝流路沿線滲透系數均值略小于刁口河沿線，且滲透系數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計算是基于土樣顆粒粒徑的經驗公式進行的，對土樣的預處理與公式選擇均有可能給結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，以得到更加準確的滲透系數。

現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境的變化。已有研究表明，自20世紀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]。可見，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，也進一步決定著三角洲地下水水分/鹽分運移規律以及生態環境的空間分布特征。

參考文獻：

[1]彭俊，陳沈良.近60年黃河水沙變化過程及其對三角洲的影響[J].地理學報，2009，64（11）：1353-1362.

[2]喬淑卿，石學法.黃河三角洲沉積特征和演化研究現狀及展望[J].海洋科學進展，2010，28（3）：408-416.

[3]仲德林，劉建立.黃河改道后河口至黃河海港海岸沖淤變化研究[J].海洋測繪，2003，23（1）：49-52.

[4]山東省環境保護廳.山東省環境保護廳關于對《勝利油田山東黃河三角洲國家級自然保護區內勘探開發建設項目生態影響專題報告》的審查意見[EB/OL].[2016-11-24].http：//xxgk.sdein.gov.cn/zfwj/lhh/201611/t20161125_301957.html.

[5]東營市城鄉規劃局.山東黃河三角洲國家級自然保護區詳細規劃公示[EB/OL].[2015-06-18].http：//www.dygh.gov.cn/showtxt.aspx？id=9369.

[6]LU C，CHEN X，CHENG C，et al.Horizontal HydraulicConductivity of Shallow Streambed Sediments andComparison with the Grain-Size Analysis Results[J].Hydrological Processes，2012，26（3）：454-466.

[7]束龍倉，CHEN Xun-hong.美國內布拉斯加州普拉特河河床沉積物滲透系數的現場測定[J].水科學進展，2002，13（5）：629-633.

[8]王瑞玲，黃錦輝，韓艷麗，等.黃河三角洲濕地景觀格局演變研究[J].人民黃河，2008，30（10）：14-18.

[9]劉波，彭相楷，束龍倉，等.黃河三角洲清水溝濕地三次生態補水對地下水的影響分析[J].濕地科學，2015，13（4）：393-399.

[10]伍光和，田連恕.自然地理學[M].3版.北京：高等教育出版社，2000：245.

[11]DEVLIN J F.HydrogeoSieveXL：an Excel-Based Tool toEstimate Hydraulic Conductivity from Grain-Size Analysis[J].Hydrogeology Journal，2015，23（4）：837-844.

[12]ALYAMANI M S，SEN Z.Determination of Hydraulic Con-ductivity from Complete Grain-Size Distribution Curves[J].Ground Water，1993，31（4）：551-555.

[13]孫維婷，穆興民，趙廣舉，等.黃河干流懸移質泥沙粒徑構成變化分析[J].人民黃河，2015，37（5）：4-9.

[14]陳小英，陳沈良，劉勇勝.黃河三角洲濱海區沉積物的分異特征與規律[J].沉積學報，2006，24（5）：714-721.

[15]許炯心.黃河三角洲造陸過程中的陸域水沙臨界條件研究[J].地理研究，2002，21（2）：163-170.

[16]李澤剛.黃河口治理與水沙資源綜合利用[J].人民黃河，2001，23（2）：32-35.