和田河干流下游河段河床沉積物滲透特性試驗(yàn)研究

卜新峰，王俊智，武見(jiàn)，萬(wàn)偉鋒

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌），河南鄭州 450003；3.華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450045）

0 引言

作為河流與含水層相互作用的重要物理界面，河床沉積層直接影響著地表水與地下水的交換強(qiáng)度以及潛流帶能量、物質(zhì)的運(yùn)移過(guò)程［1-3］。河床沉積物的滲透能力受到沉積物粒度、成分、顆粒排列、充填狀況、沉積結(jié)構(gòu)等的影響，具有顯著的差異性［4，5］。河床沉積物滲透系數(shù)的空間變異性規(guī)律對(duì)揭示流域內(nèi)河水與地下水轉(zhuǎn)化機(jī)理、地表水滲漏量估算以及流域生態(tài)系統(tǒng)分析與評(píng)價(jià)具有重要意義。

相較于室內(nèi)試驗(yàn)法和數(shù)值模型法，野外測(cè)定法是對(duì)河床沉積物滲透系數(shù)的直接測(cè)量，是一種原位定量評(píng)價(jià)，結(jié)果更加貼近實(shí)際。目前常采用的野外試驗(yàn)方法主要有滲水試驗(yàn)、微水試驗(yàn)以及豎管試驗(yàn)等，豎管試驗(yàn)法因其能夠現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定河床沉積物不同方向的滲透系數(shù)，且具有簡(jiǎn)便、快速的特點(diǎn)，近年來(lái)被很多學(xué)者采用［6］。

近年來(lái)豎管試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用案例較多，如束龍倉(cāng)、遲寶明［6，7］在美國(guó)內(nèi)布拉斯州的普拉特河、中國(guó)江蘇省張家港市的暨陽(yáng)湖分別做了現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)，得到了可靠的河床沉積物、湖底沉積物滲透系數(shù)結(jié)果；陳洵洪［8］在美國(guó)內(nèi)布拉斯州的Republican River 通過(guò)大量野外試驗(yàn)證明了該方法在確定河床沉積物滲透系數(shù)及各向異性方面的實(shí)用性；范曉梅等［9］以黃河三角洲內(nèi)黃河故道、孤北水庫(kù)和天然濕地為研究對(duì)象，利用豎管法對(duì)其沉積物的滲透系數(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定；高敏等［10］以渭河和美國(guó)內(nèi)布拉斯加州的普拉特河為研究對(duì)象，利用豎管法和室內(nèi)顆粒分析法測(cè)定了河床沉積物的滲透系數(shù)，開(kāi)展了渭河河床滲透系數(shù)的空間變異性研究；介飛龍等［11］采用滲水儀法和豎管法測(cè)定了玉龍喀什河河床垂向滲透系數(shù)，研究了河床垂向滲透系數(shù)的空間變化特征，分析認(rèn)為泥沙淤積作用、風(fēng)積作用、河流沉積作用等因素是導(dǎo)致玉龍喀什河河床垂向滲透系數(shù)產(chǎn)生變異的主要影響因素。

雖然部分學(xué)者也研究了一些河流河床沉積物滲透性參數(shù)的沿程變化特征，但多是大尺度的研究，更加傾向于對(duì)河流上、中和下游沉積物滲透特性的宏觀空間變化特征分析，目前尚缺乏對(duì)于具有相似條件的同一河段內(nèi)沉積物滲透性參數(shù)空間變異規(guī)律的系統(tǒng)研究和成因分析。

和田河干流下游河段作為貫穿塔克拉瑪干沙漠的典型河段，對(duì)其河床沉積物滲透性參數(shù)空間變異規(guī)律的系統(tǒng)研究將為該河段河道滲漏損失量的計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)其變異成因的分析將為和田河貫穿沙漠并在兩岸形成綠色生態(tài)廊道的“奧秘”給出科學(xué)的解釋?zhuān)M(jìn)而為采取科學(xué)合理的工程措施改善和維持和田河流域的生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)指導(dǎo)［12］。

1 研究區(qū)域

玉龍喀什河與喀拉喀什河匯流后形成和田河干流，全長(zhǎng)約319 km，為沙漠無(wú)人區(qū)，該河段河道寬闊平坦，根據(jù)遙感測(cè)量河道寬度在500～3 500 m之間，平均河寬約為1 750 m。試驗(yàn)選擇和田河干流下游河段（和田河干流新老河道交匯～肖塔段）開(kāi)展河床沉積物滲透系數(shù)的野外現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，測(cè)點(diǎn)沿河流流向布置形成一個(gè)縱斷面，以獲取和田河干流下游河段河床滲透系數(shù)的空間分布規(guī)律，為和田河流域生態(tài)保護(hù)與治理提供依據(jù)。

試驗(yàn)于2020 年11 月份開(kāi)展，根據(jù)河道場(chǎng)地實(shí)際條件，在和田河干流下游河段順?biāo)鞣较蚩拷影兜暮哟膊课贿x取了6處試驗(yàn)場(chǎng)地開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)，自上游至下游試驗(yàn)點(diǎn)編號(hào)依次為HTST06、HTST05、HTST04、HTST03、HTST02、HTST01，試驗(yàn)點(diǎn)分布位置見(jiàn)圖1。該段河床縱比降為0.6～0.7 m/km，河床表層沉積物巖性主要為粉砂和粉土，在主河槽兩側(cè)的河道內(nèi)，受水動(dòng)力條件的影響，河床沉積物表層多淤積有厚薄不一的泥膜層，其主要成分為黏土顆粒，局部含極少量的淤泥，泥膜厚度一般為5～8 mm。

圖1 河床沉積物豎管試驗(yàn)點(diǎn)布置圖Fig.1 In-situ standpipe test site layout for riverbed sediments

2 測(cè)試方法

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

根據(jù)陳洵洪等［8］學(xué)者改進(jìn)的豎管試驗(yàn)方法，結(jié)合研究河段河床沉積物顆粒特性和試驗(yàn)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件，選用內(nèi)徑分別為70、110 和160 mm 三種規(guī)格的直狀聚氯乙烯豎管開(kāi)展試驗(yàn)。利用70 mm 管還專(zhuān)門(mén)制作了L 型試驗(yàn)管，直狀豎管高度為110 cm，L 型管的豎直部分高度為100 cm，水平部分長(zhǎng)50 cm。直狀豎管和L型試驗(yàn)管分別用于測(cè)定沉積物垂直方向和水平方向的滲透系數(shù)。

為盡量減少對(duì)試驗(yàn)砂層的擾動(dòng)，將直狀豎管謹(jǐn)慎而勻速地插入河床沉積物中，待管內(nèi)外水位相對(duì)穩(wěn)定時(shí)立即測(cè)讀管內(nèi)外水位（以豎管頂端同一點(diǎn)為測(cè)讀基準(zhǔn)零點(diǎn)）和管內(nèi)沉積物長(zhǎng)度。地下水位在試驗(yàn)期間可認(rèn)為是恒定無(wú)變化的，向豎管內(nèi)加入河水至滿(mǎn)管，記錄管內(nèi)水頭下降過(guò)程的水頭與對(duì)應(yīng)的時(shí)刻數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取河床沉積物的Kv值和Kh值。根據(jù)管內(nèi)水位下降速率，本次采用地下水自動(dòng)水位計(jì)進(jìn)行水頭值的采集，水位采集時(shí)間間隔為1 min，每組試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間不低于20 min，為避免蒸發(fā)對(duì)管內(nèi)水位造成影響，豎管頂端進(jìn)行了遮蓋。

2.2 計(jì)算公式

美國(guó)學(xué)者Hvorslev根據(jù)大量的室內(nèi)滲透儀試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)案例數(shù)據(jù)的觀測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析，推導(dǎo)了不同邊界條件以及試驗(yàn)方案下求取滲透系數(shù)的公式，在此基礎(chǔ)上形成了利用豎管在多孔介質(zhì)中直接測(cè)定滲透系數(shù)的方法，奠定了豎管試驗(yàn)的基礎(chǔ)［13］。

陳洵洪在試驗(yàn)應(yīng)用過(guò)程中對(duì)相關(guān)公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化［8］，管內(nèi)沉積物的垂向滲透系數(shù)可由所記錄的管內(nèi)任意兩個(gè)水位和所對(duì)應(yīng)的時(shí)間計(jì)算得到，計(jì)算公式為：

式中：Kv為垂向滲透系數(shù)，cm/s；Lv為直狀試驗(yàn)管內(nèi)沉積物長(zhǎng)度，cm；h1、h2分別為t1、t2（s）時(shí)刻對(duì)應(yīng)的管內(nèi)水頭值，cm，見(jiàn)圖2，地下水位在試驗(yàn)過(guò)程中認(rèn)為是不變的。

圖2 河床沉積物垂向與水平方向滲透試驗(yàn)豎管設(shè)計(jì)方案Fig.2 Standpipe scheme of riverbed sediments for vertical and horizontal penetration test

L狀試驗(yàn)管用來(lái)測(cè)定水平方向的滲透系數(shù)，L狀試驗(yàn)管由兩根內(nèi)徑相同的直狀試驗(yàn)管以90度夾角連接而成，其中管的水平部分被插入河床沉積物中，沉積物進(jìn)入管內(nèi)。水平方向滲透系數(shù)可用式（2）進(jìn)行計(jì)算：

式中：Kh為水平方向滲透系數(shù)，cm/s；Lh為插入河床沉積物中水平測(cè)管中的沉積物長(zhǎng)度，cm，見(jiàn)圖2，其他各項(xiàng)的意義同式（1）。

采用公式（1）、（2），利用試驗(yàn)過(guò)程中獲取的任意兩個(gè)時(shí)刻及其對(duì)應(yīng)的水頭值均可計(jì)算得出豎管內(nèi)沉積物的滲透系數(shù)。

2.3 河床沉積物取樣分析及飽和導(dǎo)水率預(yù)測(cè)

由于試驗(yàn)河段地形平緩，河床呈漫流狀態(tài)，且根據(jù)實(shí)地調(diào)查，河床沉積物是典型的層狀沉積結(jié)構(gòu)。因此，采用豎管試驗(yàn)法獲取研究河段垂向和水平向滲透系數(shù)具有良好的適用性。

對(duì)于河床沉積物的綜合滲透系數(shù)的獲取，可利用土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)法通過(guò)顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的本質(zhì)是利用一定數(shù)量的土壤樣本及其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在土壤理化性質(zhì)和水力參數(shù)之間連接起來(lái)建立函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而推求土壤水力性質(zhì)的間接方法，

在試驗(yàn)結(jié)束后，將豎管連同管內(nèi)河床沉積物取出，采取每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)管內(nèi)沉積物樣品進(jìn)行顆分試驗(yàn)，利用篩分法按照粒徑大小進(jìn)行分類(lèi)，其中粒徑在0.075～2.0 mm 的歸為砂粒，粒徑在0.005～0.075 mm 的歸為粉粒，粒徑小于0.005 mm 的歸為黏粒。

根據(jù)有關(guān)學(xué)者的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，采用美國(guó)農(nóng)業(yè)部編制的軟件Rosetta，通過(guò)將顆粒分析和土壤容重參數(shù)輸入其內(nèi)置的層次化人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（Hierarchical ANN models），可以方便的對(duì)土樣的飽和導(dǎo)水率Ks進(jìn)行預(yù)測(cè)［14］，該模型是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析并且借助于附加的輸入變量容重來(lái)預(yù)測(cè)水力參數(shù)，因而具有更高的精確度。根據(jù)對(duì)該方法參數(shù)獲取過(guò)程的分析，獲取的飽和導(dǎo)水率參數(shù)沒(méi)有方向性，因此可以近似認(rèn)為是河床沉積物的綜合滲透參數(shù)。

3 結(jié)果與討論

表1 給出了野外豎管試驗(yàn)各試驗(yàn)點(diǎn)位的試驗(yàn)類(lèi)型、管徑參數(shù)、沉積物長(zhǎng)度等基本信息。共在7 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位開(kāi)展了19 組原位豎管試驗(yàn)，所測(cè)試的河床沉積物長(zhǎng)度在12.0～50.0 cm 之間，平均值為27.76 cm，試驗(yàn)點(diǎn)位處的河水深度為10.0～38.0 cm。

表1 野外豎管試驗(yàn)點(diǎn)基本情況一覽表Tab.1 List of basic conditions of field standpipe test sites

3.1 河床沉積物試驗(yàn)成果

表2 給出了各試驗(yàn)點(diǎn)位的顆分試驗(yàn)成果，表3 給出了各試驗(yàn)點(diǎn)位河床沉積物水平、垂直以及綜合滲透參數(shù)計(jì)算和預(yù)測(cè)結(jié)果，據(jù)此對(duì)和田河干流下游河段河床沉積物滲透特性的空間分布特征以及影響因素進(jìn)行了分析。

表2 各試驗(yàn)點(diǎn)土樣顆分試驗(yàn)成果表Tab.2 Particle analysis test results of soil sample at each test site

3.2 河床沉積物滲透參數(shù)空間分布特征分析

根據(jù)表3 滲透參數(shù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合豎管試驗(yàn)點(diǎn)的空間分布特征，給出了從上游至下游沿程河床沉積物垂向滲透系數(shù)平均值和水平向滲透系數(shù)的空間分布特征，見(jiàn)圖3。由圖3 可以看出，河床沉積物垂向滲透系數(shù)平均值沿河床縱斷面自上游至下游，整體呈增大的趨勢(shì)，最小值為HTST06試驗(yàn)點(diǎn)的的0.81 m/d，最大值為HTST03 試驗(yàn)點(diǎn)的2.77 m/d。在距上游起始點(diǎn)90 km處的HTST01試驗(yàn)點(diǎn)處，出現(xiàn)了一個(gè)垂向滲透系數(shù)低值異常點(diǎn)。通過(guò)回顧豎管試驗(yàn)過(guò)程，復(fù)核試驗(yàn)數(shù)據(jù)和可能的影響因素分析，初步認(rèn)為該異常點(diǎn)可能與該處試驗(yàn)點(diǎn)的位置有關(guān)，該試驗(yàn)點(diǎn)處于和田河與塔里木河交匯處上游約20 km 處，試驗(yàn)點(diǎn)處為一河岸邊存水彎，較差的河流水動(dòng)力條件、較穩(wěn)定的淤積作用和飽和固結(jié)作用，使得試驗(yàn)所獲取的沉積物滲透性系數(shù)偏小，該數(shù)值的偏小具有一定的隨機(jī)性，但不影響對(duì)整體趨勢(shì)的判斷，由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原因，該處缺失了水平滲透豎管試驗(yàn)。

圖3 河床沉積物Kv平均值和Kh沿程空間變化特征Fig.3 The spatial variation characteristics of Kv mean value and Kh of sediments along the longitudinal section of riverbed

表3 各試驗(yàn)點(diǎn)河床沉積物滲透系數(shù)計(jì)算成果表［12］m/dTab.3 Calculation results of hydraulic conductivity of riverbed sediments at each test site

河床沉積物水平向滲透系數(shù)沿河床縱斷面自上游至下游，整體呈增大的趨勢(shì)，Kh最小值為HTST05 試驗(yàn)點(diǎn)的4.32 m/d，最大值為HTST04試驗(yàn)點(diǎn)的10.37 m/d。河床沉積物水平向滲透系數(shù)試驗(yàn)值的極差為6.05 m/d，而垂向滲透系數(shù)試驗(yàn)值的極差為1.96 m/d，可以看出在試驗(yàn)河段范圍內(nèi)，河床沉積物水平向滲透系數(shù)數(shù)值遠(yuǎn)大于垂直方向，Kh與Kv比值的平均值處于4.35～6.37 之間，且水平向滲透系數(shù)的離散性顯著高于垂向滲透系數(shù)。

圖4 給出了河床沉積物綜合滲透參數(shù)Ks平均值以及河床沉積物各向異性比（Kh/Kv）沿河床縱斷面自上游至下游的空間變化特征，從圖4中可以看出，Ks平均值自上游至下游，整體呈先增大后減小的趨勢(shì)，Ks平均值最小值為HTST01試驗(yàn)點(diǎn)的0.54 m/d，最大值為HTST03試驗(yàn)點(diǎn)的1.30 m/d，河床沉積物綜合滲透系數(shù)的極差為0.76 m/d；在試驗(yàn)河段范圍內(nèi)，河床沉積物各向異性比平均值在3～9之間，最大值達(dá)9.09，且沿程整體呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。

圖4 河床沉積物Ks平均值及各向異性比沿程空間變化特征Fig.4 The spatial variation characteristics of Ks mean value and anisotropy ratio of sediments along the longitudinal section of riverbed

圖5給出了Kh和Kv與Ks的差值情況，可以看出，Kh與Ks的差值最小值為3.32 m/d，最大值為9.11 m/d，平均值為6.89 m/d；而Kv與Ks的差值最小值為-0.05 m/d，最大值為2.41 m/d，平均值為0.89 m/d；Kh與Ks的差值顯著大于Kv與Ks的差值，整體上Kv與Ks的數(shù)值相當(dāng)，Kv與Ks的數(shù)值接近程度與有無(wú)泥膜、泥膜厚度等因素有關(guān)，在有泥膜狀態(tài)下，Kv與Ks的差值相對(duì)較小，二者的差值平均值為0.45 m/d，在無(wú)泥膜狀態(tài)下，Kv與Ks的差值相對(duì)較大，二者的差值平均值為1.55 m/d。

圖5 Kh與Ks和Kv與Ks的差值柱狀對(duì)比圖Fig.5 Histogram comparison of the difference between Kh and Ks and between Kv and Ks

3.3 河床沉積物滲透參數(shù)影響因素分析

圖6給出了Kv與試驗(yàn)點(diǎn)土樣顆粒組合關(guān)系圖譜，可以看出，在不考慮異常數(shù)據(jù)的情況下，從上游至下游黏粒含量呈現(xiàn)出先小幅升高，后小幅降低的趨勢(shì)，但整體變化幅度較小，而砂粒含量整體呈顯著增加的趨勢(shì)，粉粒含量整體呈顯著減小的趨勢(shì)，這在一定程度上反映了研究河段的沖淤變化特征。而結(jié)合圖7中Kh和Kv與試驗(yàn)點(diǎn)土樣黏粒含量相關(guān)關(guān)系圖以及圖8Kh和Kv與試驗(yàn)點(diǎn)土樣中值粒徑d50相關(guān)關(guān)系圖可以看出，在黏粒含量整體處于較低水平，且差異不顯著的情況下，豎管試驗(yàn)獲取的河床沉積物垂向和水平向滲透系數(shù)，與試驗(yàn)點(diǎn)土樣單項(xiàng)類(lèi)別顆粒含量占比（如黏粒含量、粉粒含量）、中值粒徑等單一參數(shù)的相關(guān)性較差，而可能與沉積物顆粒組分占比的組合或者沉積物顆粒排列結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖6 Kv與土樣顆粒組合關(guān)系圖譜Fig.6 Correlation diagram between Kv and particle combination of soil sample

圖7 Kh和Kv與土樣黏粒含量相關(guān)關(guān)系圖Fig.7 Correlation diagram between Kh&Kv and clay content of soil samples

圖8 Kh和Kv與土樣中值粒徑d50相關(guān)關(guān)系圖Fig.8 Correlation diagram between Kh&Kv and median particle size d50 of soil samples

圖9 給出了Ks與試驗(yàn)點(diǎn)土樣黏粒含量相關(guān)關(guān)系圖，從圖9中可以看出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法預(yù)測(cè)的河床沉積物綜合滲透系數(shù)Ks值，與土樣黏粒含量呈現(xiàn)出較好的線(xiàn)性關(guān)系，即Ks值隨著試驗(yàn)點(diǎn)土樣黏粒含量的增大而具有明顯減小的趨勢(shì)。而Ks平均值的沿程空間變化在一定程度上反映了表層河床沉積物黏粒總含量的沿程變化情況，這一點(diǎn)在圖6中也得到了驗(yàn)證。

圖9 Ks與土樣黏粒含量相關(guān)關(guān)系圖Fig.9 Correlation diagram between Ks and clay content in soil samples

圖10 給出了有泥膜和無(wú)泥膜兩種狀態(tài)下垂向滲透系數(shù)Kv值對(duì)比情況。可以看出，無(wú)泥膜狀態(tài)下的河床沉積物垂向滲透系數(shù)顯著大于有泥膜狀態(tài)。河床沉積物在無(wú)泥膜狀態(tài)下與有泥膜狀態(tài)下的比值最小值為1.10，最大值為2.66，平均值為1.87，由于泥膜厚度的不同，二者的差值存在一定的波動(dòng)。

圖10 有泥膜和無(wú)泥膜兩種狀態(tài)下Kv值對(duì)比圖Fig.10 Comparison diagram of Kv values with and without mud film

3.4 討論

根據(jù)河道水文地質(zhì)調(diào)查，研究河段河床沉積物為典型的層狀沉積結(jié)構(gòu)，且河床表面近似為“波紋-瓦礫”組合狀，主河槽兩側(cè)河道內(nèi)，在河水漫溢的情況下，在沖蝕坑槽內(nèi)黏土淤積物相對(duì)較厚，而在坑槽之間的部位黏土淤積物相對(duì)較薄。在開(kāi)展豎管試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到有淤積泥膜層和無(wú)淤積泥膜層兩種沉積物狀態(tài)的差異性，開(kāi)展了兩種狀態(tài)下的垂向滲透試驗(yàn)對(duì)比。而利用同一試驗(yàn)點(diǎn)兩種狀態(tài)下的垂向滲透系數(shù)平均值Kv平均值代表垂向綜合滲透系數(shù)，分析研究河段垂向滲透系數(shù)沿程變化趨勢(shì)具有更好的代表性。

綜合豎管試驗(yàn)獲取的河床沉積物滲透系數(shù)空間分布和變化特征以及影響因素分析，可以看出：

（1）雖然整體上Kv與Ks的數(shù)值相當(dāng)，但二者與黏粒含量的相關(guān)性差異顯著。即Ks值與土樣黏粒含量相關(guān)性較好，Kv與黏粒含量相關(guān)性差。究其原因，土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)法是基于多樣本數(shù)據(jù)建立起的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)模型，更多考慮的是不同粒徑顆粒的滲透性及其數(shù)量或數(shù)量組合，代表多樣本統(tǒng)計(jì)意義上的土壤理化性質(zhì)與水力參數(shù)之間的關(guān)系，其將河床沉積物近似看做各向同性介質(zhì)，因此所得的Ks值與土樣黏粒含量具有較好的相關(guān)性；而在研究河段試驗(yàn)點(diǎn)位的黏粒含量整體處于較低水平，且差異不十分顯著的情況下，淤積泥膜層的存在與否顯著地影響到垂向滲透系數(shù)Kv的數(shù)值大小，反應(yīng)的是土壤顆粒排列結(jié)構(gòu)與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，因而對(duì)黏粒含量的細(xì)微變化反應(yīng)不敏感。從另一個(gè)維度上分析，雖然影響Kv與Ks的數(shù)值大小的機(jī)理不同，但對(duì)于研究河段存在淤積泥膜層的河床沉積物，兩種機(jī)理對(duì)滲透系數(shù)的影響大致相當(dāng)，這也就是為什么在有泥膜存在時(shí)河床沉積物的表層垂向滲透系數(shù)Kv與綜合滲透系數(shù)Ks較為接近的原因。在不具備試驗(yàn)條件的地帶，利用基于土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)沉積物綜合滲透系數(shù)的方法具有一定的適用性。

（2）Kh整體上達(dá)到Kv的4.0～6.0倍，反映出在河床沉積物剖面上呈顯著各向異性。通過(guò)分析河床沉積物的沉積結(jié)構(gòu)，淤積泥膜層主要呈層狀集中分布在河床的表面，雖然厚度較小，但較弱的滲透性能導(dǎo)致其對(duì)水流的垂向運(yùn)移影響較為明顯；而在水平方向上，表層集中分布的淤積泥膜層由于厚度較小，其在垂向上的投影極其有限，加之總的黏粒顆粒占比整體較小，因此對(duì)水流水平方向的運(yùn)移影響不大，沉積物土壤顆粒排列結(jié)構(gòu)特征是導(dǎo)致各向異性的主要原因。

（3）根據(jù)河道調(diào)查，研究河段的河床寬度自上游至下游逐漸減小，在上、中游大量分布的跑水口，使得上、中游河流的有效過(guò)水寬度遠(yuǎn)大于河床，進(jìn)而大幅削弱了河流的水力坡度；在河段下游散流的河水逐漸匯聚到主河道之中，收斂的河道和匯聚的水流使得水力坡度有效增大。

結(jié)合Ks平均值沿程的空間變化特征圖4和Kv與土樣顆粒組合關(guān)系圖6 進(jìn)行分析，研究河段河床沉積物顆粒組合關(guān)系反映的河流沖淤狀態(tài)能夠揭示研究河段的水動(dòng)力變化特征：和田河干流上游和中游河水?dāng)y帶、搬運(yùn)而來(lái)的粉粒、黏粒等細(xì)顆粒物質(zhì)在到達(dá)研究河段上游時(shí)，平緩的水動(dòng)力條件使得河水?dāng)y帶的細(xì)顆粒物質(zhì)大量沉積，并不斷累積在河床的表層，河段上游的河流水動(dòng)力特征以沉積作用為主；至河段下游，隨著河水?dāng)y帶的粉粒、黏粒等懸浮物質(zhì)減少，以及水流匯集后相對(duì)加快的流速，使得河流水動(dòng)力特征演變?yōu)橐詻_刷、搬運(yùn)作用為主，物源的減少和自身不斷的流失，導(dǎo)致河段下游黏粒和粉粒等細(xì)顆粒物質(zhì)的不斷減少。粉粒和黏粒總含量的大幅減少，導(dǎo)致河床沉積物中的砂粒含量顯著升高，這種沉積物顆粒組成的演變很好的解釋了河床沉積物垂向和水平向滲透系數(shù)沿程增大的原因，同時(shí)顆粒組成變化導(dǎo)致以粗顆粒物質(zhì)砂粒為主的沉積物均勻程度顯著提高，進(jìn)而使得各向異性比減小。

4 結(jié)論

（1）在研究河段，沿河床縱斷面自上游至下游方向，Kv平均值與Kh整體上均呈增大的趨勢(shì)；Ks平均值呈先增大后減小的趨勢(shì)，河床沉積物各向異性比逐漸減小；Kh整體上達(dá)到Kv的4.0～6.0倍，反映出在垂向和水平方向上河床沉積物的各向異性較為顯著。Kh與Ks的差值顯著大于Kv與Ks的差值，整體上Kv與Ks的數(shù)值相當(dāng)，但相較于無(wú)泥膜狀態(tài)，在有泥膜覆蓋的沉積物狀態(tài)下Ks的數(shù)值更加接近Kv。

（2）由于參數(shù)獲取方法的不同，導(dǎo)致影響Kv、Kh和Ks數(shù)值大小的機(jī)理不同，采用多樣本統(tǒng)計(jì)意義上的土壤理化性質(zhì)與水力參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行模型校正的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，影響滲透系數(shù)大小的主要因素為不同粒徑顆粒的滲透性及其數(shù)量或數(shù)量組合；而現(xiàn)場(chǎng)豎管試驗(yàn)法獲取的垂向滲透系數(shù)受河床表層淤積泥膜層的影響而明顯低于水平方向，影響滲透性的原因是沉積物顆粒排列結(jié)構(gòu)。基于此，河床沉積物綜合滲透系數(shù)Ks與土樣黏粒含量表現(xiàn)出較好的線(xiàn)性關(guān)系，而Kv和Kh則對(duì)黏粒含量以及中值粒徑等參數(shù)的變化反應(yīng)不敏感，相關(guān)性低。

（3）在研究河段，對(duì)于有淤積泥膜層存在的沉積物地層，不同粒徑顆粒的占比及其組合與沉積土壤顆粒排列結(jié)構(gòu)對(duì)滲透系數(shù)的影響大致相當(dāng)，在有泥膜存在時(shí)河床沉積物的表層垂向滲透系數(shù)Kv與綜合滲透系數(shù)Ks較為接近，在不具備試驗(yàn)條件的地帶，利用基于土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)沉積物綜合滲透系數(shù)的方法具有一定的適用性。

（4）河床沉積物顆粒組合關(guān)系反映的河床沖淤狀態(tài)能夠揭示研究河段的水動(dòng)力變化特征，分析認(rèn)為，在汛期末，研究河段的水動(dòng)力特征自上游至下游，由以沉積作用為主逐漸演變?yōu)橐詻_刷、搬運(yùn)作用為主，物源的減少和自身不斷的流失，導(dǎo)致河段下游黏粒和粉粒等細(xì)顆粒物質(zhì)的顯著減少，同時(shí)河床沉積物中的砂粒含量顯著升高，均勻性更好，進(jìn)而引起河床沉積物垂向和水平向滲透系數(shù)沿程的增大以及河床沉積物各向異性比的降低。