Spatial variability of streambed vertical hydraulic conductivity and its relation to distinctive stream morphologies in the Beiluo River, Shaanxi Province, China

Abstract

Streambed vertical hydraulic conductivity (K _v) is a key parameter in the analysis of interactions between streams and aquifers, and of stream ecosystems. However, knowledge of the streambed hydraulic conductivity associated with different stream morphologies is relatively scarce. An in-situ standpipe permeameter test method was used to determine the spatial variability in streambed K _v measured along 18.5 km of stream reach in the Beiluo River, Shaanxi Province, China. The 59 total measurements were conducted at four test sites in three different stream morphologies: straight channel, anabranching channels and a nearby meander bend. There was great spatial variability in K _v among the four test sites and three K _v distribution patterns can be determined: (1) higher K _v values appear on the erosional bank in contrast to lower K _v values on the depositional bank at the two sites near meander bends; (2) the K _v distribution in straight channels shows that the higher K _v values occur in the center of the channel; (3) the K _v values are generally highest on the branch with more alluvial forms in the anabranching channels. Moreover, grain-size analysis results illustrate that the average grain-size distributions of streambed sediments are significantly different on each side of the channel. The erosional and depositional forms are one of the driving dynamics for the distribution of streambed grain size that trigger the differences in the distribution of the K _v.

Résumé

La conductivité hydraulique verticale du lit d’un cours d’eau (K _v) est un paramètre clé dans l’analyse des interactions entre cours d’eau et aquifères, et des écosystèmes fluviaux associés. Cependant, la connaissance de la conductivité hydraulique du lit d’un cours d’eau, associée à différentes morphologies d’écoulements, est assez rare. Une méthode d’essai in-situ au perméamètre a été utilisée pour déterminer la variabilité spatiale de K _v dans le lit d’un cours d’eau, mesurée sur un tronçon d’une longueur de 18.5 km de la rivière Beiluo, dans la province de Shaanxi, en Chine. Les 59 mesures au total ont été réalisées sur quatre sites tests situés au niveau de trois morphologies d’écoulement différentes: une zone d’écoulement rectiligne, un réseau anastomosé et une zone de méandre à proximité d’un coude. Il y a eu une grande variabilité spatiale de la valeur K _v au droit des quatre sites tests et trois modèles de distribution de K _v peuvent être déterminés: (1) les valeurs les plus élevées de K _v apparaissent sur la rive soumise à l’érosion, à l’opposé des valeurs de K _v plus faibles qui sont rencontrées sur la rive soumise aux dépôts (pour les deux sites proches des méandres); (2) la distribution du paramètre K _v au droit des zones d’écoulement rectiligne montre que les valeurs de K _v les plus élevées sont constatées au centre du cours d’eau; (3) les valeurs de K _v sont généralement les plus élevées sur la partie avec le plus de formes alluviales du réseau anastomosé. De plus, les résultats de l’analyse granulométrique indiquent que les distributions moyennes de la taille des grains des sédiments du lit du cours d’eau sont significativement différentes de part et d’autre du cours d’eau. Les formes d’érosion et de dépôt sont l’une des dynamiques qui déterminent la distribution de la taille des grains du lit du cours d’eau et qui sont à l’origine des différences dans la distribution de K _v.

Resumen

La conductividad hidráulica vertical de un cauce (K _v) es un parámetro clave en el análisis de las interacciones entre los ríos y acuíferos, y de los ecosistemas fluviales. Sin embargo, el conocimiento de la conductividad hidráulica del cauce asociado con diferentes morfologías de la corriente es relativamente escaso. Se utilizó como método de ensayo el permeámetro del tubo vertical para determinar la variabilidad espacial en el cauce K _v medida a lo largo de un tramo de 18.5 kilometros de río en el río Beiluo, provincia de Shaanxi, China. Se llevaron a cabo un total de 59 mediciones en cuatro sitios de prueba en tres morfologías diferentes: en el canal recto, en canales ramificados y en la curva de un meandro cercano. Se reconoció una gran variabilidad espacial en K _v entre los cuatro sitios de prueba y tres patrones de distribución de K _v se pueden determinar: (1) Los valores de K _v más altos aparecen en la orilla de erosión en contraste con valores más bajos K _v en la orilla de sedimentación en los dos sitios cercanos de las curvas meandro; (2) la distribución K _v en canales rectos muestra que los valores de K _v más altos se producen en el centro de la canal; (3) los valores K _v son generalmente más altos en la ramificación con más formas aluviales en los canales ramificados. Por otra parte, los resultados del análisis de tamaño de grano ilustran que las distribuciones de tamaño promedio de grano de los sedimentos de los cauces son significativamente diferentes en cada lado del canal. Las formas de erosión y de sedimentación constituyen los comportamientos dinámicos para la distribución de tamaño de grano en el cauce, los cuales desencadenan las diferencias en la distribución de la K _v.

摘要

河床垂向渗透系数是分析河流-含水层相互作用及其河流生态系统的重要参数之一。目前对河床渗透系数与河貌类型的影响效应研究相对较少。本文采用水头下降竖管渗透试验法在北洛河4个研究点、3种不同河貌类型(弯曲河道、直河道、分叉型河道)的共59个试验点位做了垂向渗透系数测试与分析研究。结果表明:在弯曲河道,垂向渗透系数在侵蚀岸值较大,而沉积岸的值较小;在直河道,河道中间比两岸的垂向渗透系数值都大;在分叉型河道,冲蚀能力较大,垂向渗透系数较大。同时,河床平均粒径的大小在河道两岸及中间都有明显差异,河流侵蚀与沉积的过程是引起河床沉积物粒径大小分异的重要因素,从而对垂向渗透系数大小的差异起到了显著的影响作用。

Resumo

A condutividade hidráulica vertical de leito de rio (K _v) é um parâmetro chave na análise de interações entre cursos d’água, aquíferos e ecossistemas de fluxo. Entretanto, a compreensão da condutividade hidráulica de leitos de rios associada à distintas morfologias de fluxo é relativamente escarça. O método de teste através de um permeâmetro vertical in-situ foi usado para determinar a variabilidade espacial de K _v de leito de rio, medido ao longo de 18.5 km do fluxo no Rio Beiluo, Província de Shaanxi, China. Um total de 59 medidas foram conduzidas em quatro locais de teste em três morfologias de fluxo diferentes: canal linear, canais com ramificações e uma abertura em meandro. Houve uma grande variabilidade espacial na K _v entre os quatro locais de teste e três padrões de distribuição de K _v puderam ser determinados: (1) valores maiores de K _v aparecem no banco erosional, em contraste com valores menores de K _v nos bancos deposicionais nos dois locais próximos às aberturas em meandros; (2) a distribuição de K _v em canais lineares mostra que valores de K _v mais altos ocorrem no centro do canal; (3) os valores de K _v são geralmente os mais altos no ramo com mais formações aluviais, nos canais com ramificação. Além disso, a análise de tamanho de grãos ilustra que as distribuições de tamanho médio de tamanho de grãos dos sedimentos do rio são significativamente diferentes em cada lado do canal. As formações erosionais e deposicionais são uma das dinâmicas forçantes para a distribuição de tamanho de grãos do leito do rio, que ocasiona as diferenças na distribuição de K _v.