刘波 林晓宁 马红亮 克热木·阿布都米吉提

摘要：现代黄河三角洲沉积作用活跃，沉积过程复杂，沉积物颗粒特性及渗透系数空间分布特征控制着三角洲地表水与地下水之间的相互作用、区域地下水的水分和盐分运移以及湿地生态环境的动态演化过程。基于黄河三角洲陆面70个采样点10，30，90cm深处的浅表层沉积物土样，对颗粒粒度参数和相应的渗透系数及其空间分布规律进行了计算与分析。结果表明：研究区浅表层沉积物主要由细砂与粉砂组成，有效粒径均值为5.2μm，从三角洲顶点向海岸线大致呈条带状分布；在三角洲北部刁口河与神仙沟故道附近的河滩高地，浅表层沉积物颗粒粒径较大；沉积物渗透系数均值为0.65m/d，空间差异较不明显；随着深度增大，渗透系数缓慢减小，且空间差异性有所增大；神仙沟故道沿线沉积物渗透系数均值为0.98m/d，明显大于其他区域，尤其在30cm深处沉积物渗透系数均值与方差均为全区最大；清水沟流路沿线的渗透系数均值小于刁口河沿线的，两处保护区内的渗透系数均值与空间差异性均较小；不同沉积环境下沉积物颗粒级配的差异是造成渗透系数空间差异的主要原因。

关键詞：渗透系数；颗粒分析；浅表层沉积物；黄河三角洲

中图分类号：P641；TV882.1 文献标志码：A doi ；10.3969/j.issn.1000-1379.2018.05.001

现代黄河三角洲地处渤海湾和莱州湾之间，陆地面积（冲积扇面积）约6000km2，形成于1855年之后，是一个非常年轻的三角洲[1]。黄河的频繁改道以及活跃的人类活动，使得现代黄河三角洲沉积环境与沉积状况复杂多变。1964年黄河从神仙沟向北改道，1964-1976年河道为刁口河（也称钓口河）流路，行水期间三角洲岸线向海推进15km，年均造陆面积为27.83 k m2[2]。其中：1972-1974年河流自神仙沟入海，1976年改道清水沟入海。1996年，经由“清8”断面改东北方向入海[3]。为保护黄河三角洲日益退化的湿地环境，1992年经国务院批准建立了黄河三角洲国家级自然保护区，分为南北两个区域，南部区域位于现行黄河入海口，面积10.45万hm2；北部区域位于刁口河故道入海口，面积4.85万hm2[4]。自2010年起，黄委借黄河调水调沙之际分别向两处保护区调水，以恢复黄河河口湿地的生态功能。同时，我国第二大油田——胜利油田也位于黄河三角洲，该油田自20世纪60年代开始建设，至2016年有1000余眼油、水、气井位于保护区内[5]。

现代黄河三角洲浅表层沉积物特性及其空间分布特征是沉积过程演变的综合反映。黄河尾闾摆动频繁，使三角洲沉积物在空间上具有较为明显的差异；三角洲地区日益加剧的人类活动，使得浅表层沉积物的空间分布更加复杂。沉积物的颗粒粒度等是影响渗透系数的主要因素，渗透系数与颗粒级配的统计参数之间存在着定量的联系[2]。由于黄河三角洲的特殊地形地貌和水文地质条件，因此地下水埋深较浅。地下水流的垂向运动过程对地下水位和地表盐分的累积作用影响显著，区域渗透系数及其空间分布特征是控制上述过程的重要参数之一[6-7]。地表植物根系主要集中在地表以下约1m的浅表层，受地层渗透系数控制的水分和盐分运动特征直接决定了不同植物种属的生长与分布情况[8-9]。

鉴于此，本文以黄河三角洲自然保护区内陆地浅表层沉积物为研究对象，基于区域及不同深度的现场采样，对黄河三角洲陆地浅表层沉积物的颗粒特性及渗透系数的空间分布特征进行分析，在此基础上对其与沉积环境之间的关系进行初步探讨，以期为研究沉积物渗透系数的空间变异性提供研究实例，并对研究自然和人为干扰下的湿地动态演化规律以及三角洲生态修复起到参考作用。

1 采样及分析方法

2015年6月，在黄河三角洲保护区范围内选择70个采样点，分布情况见图1，其中：编号以F开头的采样点大致沿刁口河故道，E开头的采样点大致沿神仙沟故道，C开头的采样点大致沿清水沟现行流路，X、Y开头的采样点分别位于清水沟与刁口河自然保护区内，A，B开头的为辅助测点。参照《山东黄河三角洲国家级自然保护区详细规划》，有36个采样点位于保护区试验区、12个位于缓冲区、7个位于核心区[5]。对于每个采样点，分别在地表以下10、30、90cm处获取浅表层沉积物土样，共计采样210个。按照《泥沙颗粒分析规范》分析沉积物样品，利用水文水资源与水利工程科学国家重点实验室的LS13320型全自动激光粒度仪测定其粒度组成，沉积物质地分类依据国际制土壤质地分级标准[10]。

基于采取的土样颗粒分析成果，利用经验公式法对渗透系数进行计算。选择在粒径适用范围内的Car-men-Kozeny公式[6]、Krumbein and Monk公式[11]、Aly-amani&Sen公式[12]等，根据原位竖管试验结果对公式进行比选，确定符合研究区颗粒特性的计算公式为Krumbein and Monk公式：

K=760dw2exp（-1.31σφ）式中：K为渗透系数，m/d；dw为中值粒径，mm；σφ为有效粒径，mm，小于此粒径的沙样质量占总质量的10%。

2 浅表层沉积物类型与分布特征

2.1 浅表层沉积物类型

颗粒分析结果表明，黄河三角洲浅表层沉积物主要由细砂与粉砂组成，细砂、粉砂、黏粒的平均含量分别为54.5%、37.1%、8.4%。颗粒有效粒径（d10）均值为5.2μm；10、30、90cm深度处的有效粒径均值分别为4.4、5.4、5.9μm，均方差分别为2.1、3.6、5.5μm；中值粒径（d50）均值为27.0μm，与黄河下游利津站悬移质泥沙中值粒径接近[13]；10、30、90cm深处的中值粒径均值分别为26.4、26.8、27.7μm，均方差分别为6.0、6.4、6.9μm。浅表层沉积物颗粒总体较细，不同深度的沉积物属性接近，沉积物粒径总体随深度的增大而略有增大，并且随着深度的增加，沉积物特征粒径的空间差异性逐渐增大。

由颗粒分析结果可知，研究区土壤组分中黏粒含量均小于15%，粉砂与细砂含量分别为22%～63%、24%～75%。根据国际制土壤质地分级标准，对所采210个土样进行质地分类，分类结果见图2。其中：粉砂质黏壤土样14个、粉砂质黏土样4个、粉砂质壤土样46个、壤土样29个、砂质壤土样108个、壤质砂土样9个。由此可见，研究区土壤总体属于壤土类，土壤质地以粉砂质壤土和沙质壤土为主，分别占土样总数的21.9%、51.4%。不同深度土样土壤质地类型较为接近，10cm深处细砂含量相对较高，30cm深处粉砂含量相对较高，90cm深处黏粒含量相对较高。

2.2 浅表层沉积物空间分布特征

从空间上看，在黄河三角洲扇形区域范围内，浅表层沉积物从三角洲顶点向海岸线大致呈条带状分布；在三角洲北部刁口河与神仙沟故道附近的河滩高地，浅表层沉积物颗粒粒径较大，现行清水沟流路附近沉积物颗粒相对较细。以中值粒径为例（见图3（a））：平均值为27.0μm；最大值为50.7μm（X6-1采样点），位于“清8”断面附近；最小值为5.5μm（B1采样点），位于清水沟与刁口河交汇处附近；清水沟保护区内中值粒径均值为25.8μm；刁口河保护区中值粒径均值为28.6μm。其他特征粒径的空间分布特征与中值粒径相似。

与沉积物颗粒粒径特征相对应，三角洲70个取样点的陆面浅表层沉积物主要为沙质壤土（见图3（b）），占取样点总数的52.9%，广泛分布于几乎整个黄河三角洲，在刁口河保护区分布较为集中；其次为壤土与粉砂质壤土，总占比为44.3%，在清水沟保护区分布相对较为集中，刁口河故道沿岸附近沉积物也多属于这一类型；粉砂质黏壤土分布较少，仅在清水沟现行流路附近偶有分布。

2.3 不同深度沉积物类型与分布

为反映浅表层不同深度沉积物特征粒径与相应土壤质地类型的空间分布情况，分别绘制10、30、90cm深处沉积物中值粒径等值面（见图4）。可见在清水沟与刁口河交汇处、清水沟“清8'.断面附近以及三角洲扇形中段10cm深处沉积物中值粒径（见图4（a））较大，而清水沟流路中部沉积物粒径较小，且清水沟保护区的表层沉积物粒径总体上大于刁口河保护区的；30cm深处沉积物（见图4（b））沿神仙沟故道大致存在一个相对粗颗粒的条带，而清水沟现行流路沿线沉积物粒径相对较细，且中值粒径普遍小于刁口河流路；90cm深处（见图4（c））沉积物粒径较小的区域向清水沟上游有所迁移，清水沟保护区沉积物进一步变细，刁口河保护区沉积物有所增粗。总的来看，清水沟流路相间隔存在的沉积物“细颗粒一粗颗粒”区域随深度的增大缓慢向上游移动，清水沟保护区沉积物在30cm深处相对较细，刁口河保护区浅表层沉积物随深度增大而逐渐变粗。

三角洲陆面浅表层沉积物的土壤质地在不同深度上也存在相应的规律性差异（见图5）。三角洲陆面浅表层沉积物的土壤质地在不同深度上也存在相应的规律性差异。10cm深处的沉积物质地主要为沙质壤土与粉砂质壤土（见图5（a）），广泛分布在三角洲的54个采样点上；颗粒相对较粗的壤土与壤质沙土占比较低，主要分布在刁口河保护区以及清水沟保护区东部，占采样点总数的15.7%；粉砂质黏壤土含量也较低，仅在清水沟沿岸有零星分布。30cm深处沉积物质地总体变化不大（见图5（b）），但有变细倾向，粉砂质黏土的占比有所增大，主要分布在清水沟沿岸。90cm深度處沉积物中壤土与壤质砂土的占比增大了7.2%（见图5（c）），主要出现在刁口河保护区，砂质壤土的采样点减少了10处，沉积物颗粒质地的空间差异性有所增强。

3 浅表层沉积物渗透系数空间分布特征

3.1 渗透系数的基本统计特征

根据Krumbein and Monk公式对黄河三角洲浅表层沉积物渗透系数进行了计算，计算结果（见图6）表明，三角洲沉积物渗透系数均值为0.65m/d，变化范围为0.04～2.01m/d，渗透系数的空间差异性较不明显。总体来看，渗透系数在不同深度不明显变化不大，10、30、90cm深处的渗透系数均值分别为0.67、0.64、0.63m/d，方差分别为0.36、0.34、0.41m/d，表明随着深度增加，渗透系数缓慢减小，且空间差异有所增大。

不同区域的渗透系数存在较为显著的差异。神仙沟故道沿线的沉积物渗透系数均值为0.98m/d，明显大于其他区域，该区域30cm深处的沉积物渗透系数均值与方差均最大，分别为1.54、1.79m/d；清水沟流路沿线渗透系数均值略小于刁口河沿线，其均值分别为0.59、0.64m/d，且渗透系数均随深度的增大有所减小；刁口河保护区的渗透系数随深度增大而增大，清水沟保护区渗透系数随深度的变化特征与神仙沟相反，在30cm深处渗透系数较小。总的来看，各个区域沉积物渗透系数在30cm深处的均值与方差均较大，而在10cm深处的渗透系数、方差均较小，空间差异也相应较小。

3.2 渗透系数的总体空间分布规律

虽然黄河三角洲沉积物质地较为均匀，相应的渗透系数空间差异不大，但仍然可以发现其存在一定的分布规律（图7）。清水沟原入海流路沿岸，浅表层沉积物渗透系数相对较大。由于现行流路泥沙淤积，地面高程增加，因此流路从原入海口北侧“清8”断面下游入海。黄河来沙减少且该处没有地形的屏蔽作用，受莱州湾风浪潮流影响，水动力较强，细粒悬浮物被波浪冲刷后沉积物较粗[14]，渗透性较好，渗透系数均值最大。清水沟北侧受到外海潮流的顶托作用，流速迅速减小，形成很厚的淤泥质层，水动力较南侧弱。清水沟自然保护区内沉积物渗透系数呈现出一定的不规律变化，原因是自2010年起黄委借黄河调水调沙之际，向黄河现行流路清水沟湿地调水，增大了河道水流流速，部分河段原本近乎静水的环境转为侵蚀环境，使局部沉积物逐渐粗化[15]。同时，保护区微地貌的人为改造活动改变了浅表层沉积物的天然空间分布规律。

神仙沟故道沿线浅表层沉积物渗透系数相对较大，且大致呈条带状分布。刁口河故道尾闾自然保护区河道及西侧的渗透系数大于东侧的，离河道越近渗透系数越大，远离河道渗透系数减小，且靠海距离越近反而越小。原因是黄河改道清水沟，故道入海口处的海区泥沙来源断绝，入海口在海湾内受风浪影响较小，受到潮流顶托作用影响流速减小，细颗粒泥沙在近海区域大量落淤、沉积川，沉积物以粉砂质黏土和粉砂质壤土为主，渗透系数较小。刁口河远海区域河道长时间不行河，受海洋动力影响弱，随着时间推移，浅表层沉积物逐渐被分选并均匀化，发生明显粗化[16]，沉积物渗透性较好。

3.3 不同深度渗透系数分布特征

由图8（a）可知：10cm深处渗透系数相对较小且空间差异也较小；清水沟流路沿线渗透系数比刁口河沿线约大11%；刁口河保护区渗透系数相对最小，仅为0.49m/d；清水沟保护区渗透系数较大，达到0.81m/d，且具有向入海口方向逐渐增大的特征；“清8”断面附近的渗透系数为全区最大，达到3.07m/d。在30cm深处（见图8（b）），三角洲东北部故道一带沉积物的渗透系数大于南部清水沟现行流路一带的，尤其是神仙沟故道沿岸渗透系数显著大于其他区域，绝大多数采样点的渗透系数大于1.0m/d，平均值为1.45m/d；刁口河保护区范围内渗透系数均值为0.72m/d，比清水沟保护区均值（0.48m/d）大50%，在该深度处，清水沟保护区内渗透系数较小且空间差异也较小。在90cm深处（见图8（c）），清水沟现行流路的渗透系数有所增大，均值增大为0.63m/d，在现行流路北侧较大，分布规律大致为由东南向西北减小。

4 结语

基于黄河三角洲70个采样点的210个土样数据，对三角洲陆面浅表层沉积物的颗粒特征与渗透系数的空间分布特征进行了分析研究，结果表明：黄河三角洲浅表层沉积物主要由细砂与粉砂组成，有效粒径均值为5.2μm，10cm深处细砂含量相对较大，30cm深处粉砂含量相对较大，90cm深处黏粒含量相对较大。在三角洲的扇形区域范围内，浅表层沉积物从三角洲顶点向海岸线大致呈条带状分布；在三角洲北部刁口河与神仙沟故道附近的河滩高地，浅表层沉积物颗粒粒径较大，现行清水沟流路附近沉积物颗粒相对较细。总体来看，浅表层沉积物颗粒较细，不同深度的沉积物属性接近，沉积物粒径总体随深度增大而略有增大，并且随着深度增大，沉积物特征粒径的空间差异性逐渐明显。

与沉积物颗粒属性相对应，黄河三角洲陆面浅表层沉积物渗透系数均值为0.65m/d，變化范围为0.04～2.01m/d，渗透系数的空间差异性较不明显，且随着深度增大，渗透系数缓慢减小，空间差异性有所增大。从空间上看，神仙沟故道沉积物的渗透系数明显大于其他区域，该区域30cm深处沉积物渗透系数的均值与方差均最大，清水沟流路沿线渗透系数均值略小于刁口河沿线，且渗透系数均随深度增大有所减小。有必要指出的是，由于本文的沉积物渗透系数计算是基于土样颗粒粒径的经验公式进行的，对土样的预处理与公式选择均有可能给结果带来一定的不确定性，因此需要在条件允许的情况下开展原位试验，以得到更加准确的渗透系数。

现代黄河三角洲形成时间仅有160余a，本次采样时约90%的采样点位于1855年后形成的陆地上[2]，河道流路的活跃摆动和复杂的造陆过程使黄河三角洲陆面浅表层沉积物的空间分布特征综合反映了沉积环境的变化。已有研究表明，自20世纪50年代至今，黄河利津站年天然径流量、年输沙量均呈减小趋势，而悬移质的中值粒径呈增大趋势[13]。1953-1963年神仙沟流路时期，三角洲年均造陆面积为39.2km，；1964-1976年刁口河流路时期，三角洲年均造陆面积为40.8km2；1976-1996年清水沟流路时期，三角洲年均造陆面积为22.1km2。这3个阶段利津站总来沙量分别为130.31亿、142.8亿、124.17亿t[1]。可见，清水沟流路总来沙量、造陆速率均小于神仙沟与刁口河流路，但由于河口位于三角洲东部，此处海域较浅，海洋动力较弱，因此岸线延伸距离最大。不同流路条件下的水沙综合作用共同决定了黄河三角洲陆面浅表层沉积物的上述空间分布特征，也进一步决定着三角洲地下水水分/盐分运移规律以及生态环境的空间分布特征。

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