山区河流河床基岩暴露与沙卵石覆盖反常关系研究.DOC

1、山区河流河床基岩暴露与沙卵石覆盖 反常 关系研究 以陇西河为例 顾继一，范念念 ，刘兴年 (四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室 水利水电学院，四川 成都 610065) 摘要： 山区河流不同河段的河床形态常处于基岩暴露与沙卵石覆盖的相间变化中。 野外调查发现，至少在青藏高原与四川盆地过渡带，不少河流出现了坡度大反而沙卵石覆盖多，坡度小反而基岩暴露多的现象。为了研究该反常规律，以岷江二级支流陇西河为例，进行了 多次 野外观测与数据采集，通过提取 流域 地形数据， 得到并分析其干流沿程剖面，并结合已有的室内水槽 实验研究结果 ，进一步说明床面沙卵石的运动情况与 分布特性 ， 得到以下

2、结论 ：陇西河流域岩性以砂岩为主， 干流 从上游向下游依次出现陡、缓、陡、缓交替的四段， 平均坡度 依次为 8.1%、 0.2%、 6.2%和 1.2%，较陡的两段全部沙卵石覆盖而较缓的两段全部基岩暴露 。 产生这种现象的原因 ：一是 较陡段泥沙颗粒通过 两侧山体崩塌滑坡 侧向补给，床面大尺寸漂石与周围的 较细颗粒 会逐渐形成相对稳定且水流阻力大的自锁结构， 且 床面粗糙 ，有助于 提高床面抗冲刷性，抑制基岩的暴露，因此导致输送到下游较缓段的输沙率很低； 二是 砂岩颗粒 岩性较软 ， 少量被输移 到下游的颗粒 容易破碎成更小的颗粒，更容易被输移，使得较缓段基岩暴露现象 突出 。 较陡段被沙卵石

3、覆盖，将有效抑制窄深处基岩河床的侵蚀下切速率 ，从而进一步影响 相关 流域地貌的演化，如增加河流袭夺的机率 。 关键词： 基岩暴露 ； 沙卵石覆盖 ； 沿程剖面；自锁结构 中图分类号： TV147.1 文献标识码： A Study on the Abnormal Phenomena of Bedrock Exposure and Alluvial Cover in the River Bed of Mountain Area-A Case Study of Longxi River Gu Jiyi,Fan Niannian* ,Liu Xingnian (State Key Lab. of H

4、ydraulics and Mountain River Eng. , College of Water Resource moreover, the rare sandstone grains transported downstream are easily broken into smaller ones, which are more mobile, generating the bedrock exposure phenomenon to be prominent; steep slope reaches covered by alluvial deposits will suppr

5、ess the erosion rate of narrow and deep bedrock and further affect the evolution of basin geomorphology, for e.g., promote stream piracies. Key words: bedrock exposure; alluvial cover; longitudinal profile; interlock structures 天然河道中，根据河床表面特性的不同，可分为基岩暴露河床和沙卵石覆盖河床。过去一般认为在坡度较陡并且窄深的河道中，输沙能力较强，更容易形成基岩暴露

6、河床。 而对于坡度较缓且宽浅的河道，输沙能力较弱，上游持续来沙会造成河床的淤积，更容易形成沙卵石覆盖河床 1-2。山区河流河床中基岩暴露与沙卵石覆盖是相互作用 、 相互影响的，当河床的边界条件，上游来沙及水流情况等发生变化时，河床表面形态也随之调整。在洪水演进、河床演变、水生生态、水利工程的施工以及地貌演化等各方面，两种类型的河床均表现出明显不同的特性。因此研究河床的基 岩暴露与沙卵石覆盖规律与原因具有重要的意义， 一百多年前即引起了学者的关注 3， 特别是近二十年来不少学者对此展开了较多研究。 Sklar 和 Dietrich4发现 在基岩床面侵蚀作用下，来沙与输沙的不平衡关系将很大程度上影

7、响基岩裸露程度 。同时 Finnegan 等 5利用水槽实验发现，长时间基岩侵蚀作用往往持续增加床面粗糙度。 Lague6强调厚度较大的河床底部泥沙层将有效抑制展宽河道基岩侵蚀 。而对于坡度较陡且有不能移动的较大粒径颗粒的河床 ， Yager 等 7结合水槽实验发现这些不能移动的尺寸较大的卵石能减 少小尺寸沙卵石的输移，利于床面稳定 。进一步地， Johnson 和 Whipple8研究基岩河道中泥沙输移与侵蚀作用的关系，泥沙的输移将加速基岩的侵蚀，同时 基岩床面 粗糙度增加 会减缓泥沙的输送，两者相互作用，使得河床形态处于基岩暴露与沙卵石覆盖的交替变化中。 Solari 和 Parker9通

8、过水槽实验观察到在泥沙输送过程中，当坡度较小时小颗粒运动更快，坡度超过 2%时，大颗粒运动更快，会出现粗颗粒比细颗粒更具有机动性的反常现象。结合坡降的影响，Whipple 等 10通过野外观测，深入分析了不同暴露河床中基岩侵蚀 的机理，指出剥蚀(plucking) 、磨蚀 (abrasion) 和空化空蚀(cavitation)为基岩河床侵蚀的三种主要方式 。结合野外观测现象 ,Chatanantavet 和Parker11通过室内水槽实验，表明不同坡度下床面沙卵石覆盖特性存在很大差异，即存在临界坡度 1.5%，当坡度大于该临界值时，床面或者全部基岩暴露，或者全被沙卵石覆盖，而坡度小于该临界值

9、时，床面沙卵石覆盖度随来沙 /输沙能力的增加呈线性增加，同时粗糙度也与沙卵石覆盖度明显相关，河床越粗糙，越容易出现沙卵石覆盖。 Johnson等 12指 出基岩侵蚀床面泥沙的输移率迫使床面坡降不断调整，从而完全适应 。对于山区由陡变缓的河流，李彬等 13通过实验得到河道在强输沙条件下会在下游较缓段产生泥沙淤积和水位激增，从而抑制基岩暴露。进一步地，曹叔尤和刘兴年 14指出山区陡坡河段的持续泥沙补给将有效促进上游河床的沙卵石覆盖 。 除了大量的实验与野外观测，学者还通过建立模型来进行分析与研究。 Sklar 和Dietrich15基于颗粒跃移以及与床面碰撞过程的能量转换 ， 建立 了 河道侵蚀模

10、型，讨论了推移质对于基岩表面所起的的覆盖 (cover)和磨蚀工具 (tool)的双重作用，分别抑制和促进河床的下切。同时， Turowski 等 16通过理论研究表明， 在均衡状态下基岩床面下游覆盖度将随着河床抬升速率的增加而增加。 而当来沙率超过输沙能力 (qs qsc)，基岩床面的覆盖度不断增加时， Lamb 等 17认为即便推移质转变为悬移质，侵蚀仍将持续 。 通过以往的研究可见，不同的坡度、河宽、糙率以及上游来沙条件等因素对河床基岩的暴露程度会产生不同的影响，而不同流域由于综合因素的差异，其规律也存在不同，目前对基岩河床的分布规律尚未达到一致和统一的认识。 模型研究中常常有很多简化的

11、 假设，需要通过野外原型实例 限制 其假设条件并对结果进行 验证 。 我们通过野外实地考察发现，至少是青藏高原和四川盆地交界处的诸多河流，都表现为窄深且坡度较陡的河段沙卵石覆盖而宽浅且坡度较缓的河段基岩暴露，这些河流包括岷江水系的宝兴河、芦山河、陇西河、名山河和沱江干流等18， 坡度更缓的密西西比河下游 (小于 0.01%)也有基岩暴露出现 19。 本文重点以陇西河为例，通过详细的实地考察，得到基岩暴露与沙卵石覆盖河段的分布情况，同时分析不同河段的水力学特征，并结合 Chatanantavet和 Parker11对基岩暴 露与沙卵石覆盖规律的水槽实验研究结果，试图揭示不同河床特征分布 的产生原

12、因 。 1 陇西河不同河段的河床特征 1.1 陇西河流域概况 陇西河发源于 四川省 雅安、芦山 和 邛崃三县市交界的天台山南麓。始段称杨家沟，南流至上里镇许家沟后，经中里 镇 ，在黄龙水库大坝下游进入 黄龙峡，南下 5km 出 黄龙 峡口 ， 经 太平桥镇 ，在雅安城区青衣桥下注入青衣江 ，见图 1。该河全长 约 35km，流域面积 201km2。落差 770m，河口高程565m。 流域内属于亚热带湿润季风性气候，年平均降水量约 2000mm， 年平均流量6.7m3/s 20， 洪水以暴 雨洪水为主， 多 发生于6-9 月 。 流域岩性以砂岩为主，干流黄龙峡口以上建有黄龙水库大坝， 坝高约 3

13、0m，水库回水约 2km，如图 1。除此之外，干流无主要拦水建筑物，河道基本保持了天然的形态。另外， 2013 年 4 月 20 日芦山 7.0 级地震对陇西河流域影响有限，地震前后的实地考察表明，河床的基岩暴露与砂卵石覆盖的分布规律无明显变化 。 1.2 流域地形分析 地形资料来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台 ASTER GDEM 2.0(http:/ ， 该DEM(数字高程模型 )空间 分辨率为 30m。利用地理信息空间分析软件 (ArcGIS)对其进行水文分析中的裁剪、填洼、 汇 流量计算、生成栅格河网、河网分级、掩膜提取等操作， 提取流域图，如图 1，陇西河流域边界

14、如蓝色 虚 线所示，干流如 深蓝色 实线所示。 图 1 陇西河流域图 Fig. 1 Sketch of Longxi River Basin 同时，提取干流的沿程剖面图，如图 2所示。依据剖面图，陇西河源头海拔约为1350m，其沿程大致可以分为 较陡较缓交替分布，表现为 较陡段，较缓 段 ，较陡段，较缓段四段，平均坡度分别为 8.1%、 0.2%、6.2%、 1.2%， 平滩 河宽分别约为 10m、 40m、30m 和 40m。为描述方便，下文将该四段分别称作、和段 。 同时，结合图 1的流域图可见，段 位于 上里镇以上，为陇西河源头，处在天台山区；段为上里镇上游至黄龙水库，地势相对平坦；而段

15、较陡段，陇西河在此切穿蒙顶山背斜，形成黄龙峡；最下游的段出黄龙峡口，地势再次变得相对平坦。 图 2 陇西河纵剖面图 Fig. 2 Longitudinal profile of the Longxi River 1.3 野外考察结果 通过多次野外实地考察， 重点调 查不同河段的基岩暴露、沙卵石覆盖的分布，以及与坡度等地形和水力条件的关系，并 对沙卵石进行岩性 和 级配分析 。 结合图 2 与 1.2 节的分析，陇西河干流从上游至下游依次出现陡、缓、陡和缓四段，其中 较 陡段 和 (图 2 中红色所示 )长度分别为 5km 和 4km， 平滩 河宽分别约为 10m和 30m， 较 缓段 和 (图

16、 2 中黄色所示 )长度分别为 16km 和 9km， 平滩 河宽 均 约为40m。 根据野外观测，两个较缓段 和 均为 基岩暴露 河道 (见图 1 中的照片 b 和 d)；而 两个较陡段 和 均 为 沙卵石覆盖 河道(见图 1 中的照片 a 和 c)，并伴有大块 漂 石分布。 即表 现出坡度陡且河道窄深处为沙卵石覆盖，坡度缓且河道宽浅处为基岩暴露，与以往研究结果，如 Montgomery 等 1相反。 对于 较陡段 ， 河床为明显的阶梯 -深潭结构 (step-pool)2,21， 控制性大颗粒粒径Dkey可达 2m 以上， 如图 1a， 由于粒径太大，不便进行 Wolman基于颗粒个数的粒

17、径测试22； 而 下游较陡段 ， 河床为明显的平整簇状结构 (plane bed)，控制性大颗粒粒径 Dkey可达 1m 以上 ， 如图 1c。 对于缓坡段， 上游较缓段 则多表现为大面积基岩暴露，表面相对 光滑， 侵蚀主要以磨蚀 (abrasion)为主，无 明显剥 蚀 (plunking)10痕迹 ，如图 1b，由于该河段几乎全部基岩暴露，很少有沉积物，故未进行粒径测试 ；而 下游较缓段 ，基岩沿程不平滑 ， 有明显剥蚀 (plunking)10痕迹， 如图 1d，虽然该河段大部分基岩暴露，但在靠近与青衣江入汇口处，估计由于青衣江的回水作用，有相对连续的颗粒沉积， 我们在此利用 Wolma

18、n 基于颗粒个数的方法 22进行了粒径分析，得到 D84和 D50分别为 11.3和 8.6cm。对于基岩暴露的两河段，基岩结构面的走向与水流方向之间可呈任意角度，无明显规律 。表 1 陇西河干流各河段特征值 Tab.1 Each reachs characteristic value of the Longxi Rivers main stream 河段 长度 /km 平滩宽度 /m 平均比降 /% 河床类型 床沙粒径 /cm 与上段分界点经纬度 5 10 8.1 阶梯 -深潭 Dkey=200cm 16 40 0.2 基岩暴露 30.18882N,103.06230E 4 30 6.2 平

19、坦簇状 Dkey=100cm 30.08964N,102.99988E 9 40 1.2 基岩暴露 D50=8.6cm 30.05064N,103.01543E 注： Dkey 为控制性大颗粒粒径， D50 表示中值粒径。 2 与 Chatanantavet 和 Parker11实验结果的对比与进一步讨论 Chatanantavet 和 Parker11通过水槽实验，利用均匀颗粒， 在不同的水流、来沙和床面边界条件下，系统地研究了基岩暴露与沙卵石覆盖的规律。 其中 两组均匀 颗粒粒径分别为 2mm和 7mm，坡度范围为 3 至 3%，该实验研究的 主要结论为： 1)存在 临界坡度 Sc，该值一

20、般接近1.5%，当 坡度小于该临界值时，随来沙 /输沙能力 qs/qsc 的增加 ， 床面沙卵石覆盖度 即呈线性增加 ； 而当坡度大于该临界值时， 只有 来沙 /输沙能力 增加到一定值 (qs/qsc)c 后，床面 沙卵石覆盖度才开始随 qs/qsc 的增加 线型增加，否则 全部基岩暴露。 2)床面粗糙度的增加促使床面被沙卵石覆盖 ，如加入不能移动的大漂石，将增加临界坡度 Sc，同时对于大于 Sc的较陡坡，不能移动的大漂石的加入会减小 (qs/qsc)c，促使沙卵石覆盖的发生。 3)基岩暴露与沙卵石覆盖特性与坡度有密切关系，同时与床面 粗糙度有关，而与床面切应力无明显关系。 根据剖面图， 陇西

21、河两个较陡段 平均 坡度 分别是： 段为 8.1%，段为 6.2%， 均远大于 临界坡度 Sc = 1.5%， 这两河段 均为沙卵石覆盖；而另外两个较缓段 平均 坡度 分别是：段为 0.2%，段为 1.2%， 均小于 临界坡度 Sc = 1.5%， 两河段 几乎没有沙卵石覆盖。 陇西河 坡度较大且 沙卵石覆盖的河段，其坡度 大于临界坡度 Sc = 1.5%，说明 有较充分的推移质补给， 其河床粗糙度较大，不利于沙卵石的输移，其中包含粒径较大的 漂石。根据野外观测，河 床 中大块 漂 石的粒径可达 2m，结合 Chatanantavet 和 Parker11的结论 ，大块 漂 石 由于其自身重力

22、作用， 能有效阻止泥沙的冲刷 。当上游段岩性较差的沙卵石被冲刷下来时，与 陇西河中的大块坚硬卵石 发生碰撞， 促 使 沙卵石破碎的同时，有效降低了其周围的局部冲刷速度；且由于长时间的推移作用，粒径不均匀的 颗粒 在床面相互堆积，相互填充，彼此之间产生了作用力与反作用力， 通过自锁作用 (interlock)形成了相对稳定的床 结构，一方面使得抗冲刷能力明显增强 23，另一方面增加河床粗糙度，有效消耗水流能量 10,24，从而 显著降低输沙率 7，所以较 陡段出现了反常的沙卵石覆盖现象 。 对于和两河段床面基岩暴露现象，由于上游较陡段 河段 的沙卵石 形成了 比较稳 定的河床结构 ，只有少部分被

23、冲刷至下游， 与 缓段 段的输沙能力相比， 实际来沙量较 小 ， 从而基岩河床长时间得不到沙卵石的覆盖； 对于 段，基岩河床比段更不平坦，剥蚀作用更加明显 10，初步分析其原因为较陡段 大漂石粒径 (1m)比段的小 (2m)，因此有更多的颗粒输送到下游 ，段比段坡度相对更大，促进了基岩河道的 侵 蚀 ，但其基岩暴露的现象依旧非常明显。 综合分析陇西河从上游到下游的输沙特性表明，泥沙来源主要为较陡 段 和 的侧向补给。由于较陡段河谷相对窄深，两岸山体坡度大，容易发生崩塌滑坡等，给河道带来侧向泥沙补给。而这些泥沙通过自锁作用，形成相对稳定的结构，抗冲刷能力明显增强，从而在坡度较陡的情况下，河床仍被

24、沙卵石覆盖。由于输沙率较低，分别进入下游较缓段 和的沙量较小，即便有少量颗粒被输送到该河段，由于砂岩较容易破碎，破碎后粒径变小，更容易被输移 ， 对于 床面颗粒粒径， 较缓段 (D84=11.3cm)远小于较陡段 (Dkey=100cm)，也验证了以上推论 。同时较缓段河 谷 相对宽浅，两岸山体给河道带来的侧向泥沙补给 很 少，从而河床基岩暴露。 另外需要说明的是，干流上的黄龙水库大坝位于 段起始端下游附近，坝下游沙卵石覆盖。水库回水约 2km，回水末端处基岩暴露，属于段。 因此，大坝位于段起始端附近，总的来说对该段的泥沙颗粒的拦截作用很小，与段的基岩暴露无直接关系 。 3 结语 本文以陇西河

25、为例，通过野外观测，结合实测数据，借助地理信息系统软件，分析不同河段基岩暴露与沙卵石覆盖的分布和变化关系，并对照已有的水槽实验结果， 得出以下结论： 1)陇西河 干流坡度较陡且窄深河段与坡度较缓且宽浅河段交替出现，在坡度较陡处为沙卵石覆盖，坡 度较缓处为基岩暴露。 2)结合 Chatanantavet 和 Parker11的水槽实验研究，陇西河两个较陡段坡度大于临界坡度 Sc = 1.5%，河床被沙卵石覆盖，表明侧向来沙量较大。两个较缓段坡度小于临界坡度，河床基岩暴露，表明上游较陡段颗粒自锁形成稳定结构，输送到下游的很少。 同时在坡度较大的窄深河道，床面粗糙度也起到关键作用 。 3)除陇西河外

26、， 岷江水系的宝兴河、芦山河、陇西河、名山河均 出现坡度较陡且窄深处为沙卵石覆盖，坡度较缓且宽浅处为基岩暴露的反常现象，在流域岩性为砂岩等相对较软、容易破碎的岩石的情况 下，更容易出现这种现象。 4)这种现象对山区地貌演化具有重要的影响，如坡度较陡且窄深处地表抬升速率往往较快，而沙卵石覆盖抑制了基岩河床的侵蚀下切，这样会增加河流袭夺的发生频率25-26。 至少是四川的众多山区河流，坡度较陡且窄深的河段几乎均被沙卵石覆盖 。 5)本文主要依靠于野外观测数据， 下一步研究中，一方面要借助于无人机，得到更精细的河道地形资料，并进行水流的模拟，更进一步地展开定量分析 ，另一方面 通过水槽实验 ， 综合

27、考虑不同的床面和来沙特性，深入研究河床基岩暴露与沙卵石覆盖特性 。 参考文献： 1Montgomery D R, Abbe T B, Buffington J M, et al. Distribution of bedrock and alluvial channels in forested mountain drainage basinsJ. Nature, 1996, 381(6583):587-589. 2Montgomery D R, Buffington J M. Channel-reach morphology in mountain drainage basinsJ. Geol

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