黄河中游多沙粗沙区高含沙水流的粒度组成及其地貌学意义(许炯心)

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黄河中游多沙粗沙区高含沙水流粒度组成及其地貌学意义

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许炯心水利论文9uR@ x.a&]!X&U
(中国科学院地理研究所)

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摘  要  通过野外实测资料的分析,发现在黄土高原的高含沙水流中,存在着某种最优的悬移质泥沙粒度组成,使得含沙量达到最大。这一最优粒度组成的出现,与流域中黄土、风成沙和基岩这三种物源的特定搭配有关,也是风力-水力交替区特有的外营力作用的结果。与悬移质泥沙的最优粒度组成相对应,出现了黄河中游多沙粗沙区产沙模数最大值。

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关键词  高含沙水流;最优粒度组成;侵蚀产沙;黄土高原水利论文!|E JO0t

1 问题的提出水利论文 B/Ed9L*`4e&TP _(w,L

  黄河中游多沙粗沙区既是我国高含沙水流最为发育的地区,又是我国侵蚀产沙强度最高的地区。这一地区河流的断面最大含沙量一般在1000kg/m3以上,而多年平均产沙模数则在5000~25000t/km3/a之间。高含沙水流是高强度侵蚀的产物,但它一旦形成之后,由于其特殊的物理、力学和能耗性质,又会对泥沙的侵蚀、搬运过程产生巨大的反馈作用,从而大大地强化侵蚀产沙过程。对这二者之间的关系进行研究,将有助于更加深刻地认识这一地区的侵蚀机理。水利论文L^2G}5_"{i
  高含沙水流是一种特殊的固体-液体两相流,其物理、力学行为与它所挟带泥沙的粒度组成有密切关系[1]。一些研究者已经发现,就同一站点而言,悬移质含沙量越大,则悬移质的粒度组成越粗[1]。但是,如果考虑不同站点的情形,由于不同物质来源及外营力作用的影响,则情况要复杂得多。在黄土高原的高含沙水流中,小于0.01mm的颗粒与水形成近于均质、具有一定絮凝结构的浆液,即液相;而大于0.05mm的粗颗粒作为固相悬浮于其中。液相与固相之间存在着相互作用、相互制约的关系。如果细颗粒的含量不足而粗颗粒较多,则上述均质浆液的容重较小,不足以使大量的粗颗粒悬浮而搬运,故挟沙水流的极限含沙量较小;如果细颗粒太多,形成的浆液粘滞性很大,将有可能转化为层流,并进而发生阻塞,最后停止运动,也无法形成很大的极限含沙量。显然,很可能存在着一种介于上述两种极端情形之间的最优粒度组成,使得高含沙水流的极限含沙量达到最大。戴纪岚等在实验室中对管流的研究发现,对于一定粒径的颗粒,存在着一个最佳级配和细颗粒的最优含量,使得管道两相流的阻力最小,输沙能力最大[2]。我们在对黄河中游支流的研究中首次发现,对于天然高含沙水流而言,同样存在着某种最优的粒度组成,这种最优粒度组成对于阐明黄河中游多沙粗沙区的高强度侵蚀有着重要的地貌学意义。本文对此作简报道。

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2 高含沙水流的最优粒度组成水利论文e'X|jV%N {\

  除了基岩以外,黄河中游的地表物质组成具有十分显著的地带性分异特征。从西北向东南,依次为风成沙、不连续的风成沙覆盖的沙黄土、黄土和粘黄土,其粒度组成逐渐变细。在一定意义上说,分布在沙漠地区的河流,由于缺乏细颗粒泥沙的补给,其水流接近于上文中所说的前一种极端情形;而分布在粘黄土地区的河流,由于缺乏足够的粗颗粒泥沙的补给,其水流接近于上文中所说的后一种极端情形。显然,在这两种情形下,高含沙水流所能达到的极限含沙量都不会很高,只有介于二者之间的某一特定的地表物质组合,才能使高含沙水流的含沙量达到最大。图1中以历年的资料为基础,点绘了年最大含沙量与年降水量的关系。

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图1 位于不同类型地区河流的年最大含沙量与年降水量的关系水利论文0U0QlMh4?

其中,以无定河的支流海流兔河韩家峁站代表沙漠地区的河流,以渭河支流牛头河石岭寺站代表粘黄土地区的河流,而以无定河的支流芦河横山站代表位于风成沙与黄土过渡区的河流。可以看到,沙漠地区河流的年最大含沙量在10~90kg/m3之间,粘黄土地区河流的年最大含沙量在400~700kg/m3之间,而位于风成沙与黄土过渡区的河流,其年最大含沙量可以达到1000~1500kg/m3水利论文B2vG B"lC:J

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4V*GY{ [T0图2 悬移质含沙量与悬移质粒度组成的关系
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  为了揭示高含沙水流的含沙量与其悬移质粒度组成的关系,我们以悬移质泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm的重量百分比的多年平均值来表示其粒度组成,并以黄河中游各支流共40余站的资料为基础,图2(a)和2(b)中分别点绘了最大年平均含沙量Cmax与悬移质泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm百分比的关系。另一方面, 在一定意义上,多年平均的悬移质泥沙的粒度组成反映了流域地表物质组成特性, 而多年平均含沙量则可以用来表示挟沙水流的一般特性。为了揭示这两者之间的关系,图2(c)和2(d)中还分别点绘了多年平均含沙量Cmean与悬移质泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm百分比的关系。在图2中,尽管点据比较分散,但仍有明显的趋势,即Cmax和Cmean大致在 大于0.05mm百分比为40%(见图2(a)、2(c))、小于0.01mm百分比为20%(见图2(b)、2(d))时达到最大值,当上述两个百分比小于此值时,含沙量都变小。因此,>0.05mm百分比大于40%、<0.01mm百分比小于20%可视为使这一地区高含沙水流的含沙量和年平均含沙量达到最大的最优粒度组成。

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3 形成原因

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  马秀峰、景可等的研究表明[3,4],黄河中游多沙粗沙区河流悬移质泥沙的粒度组成比黄土粗,说明其中较粗的部分可能是黄土以外的来源所提供的。在基岩分布面积较大的地区,这部分粗泥沙可能来自基岩风化物,而在风力、水力交互作用地区,这部分粗泥沙则可能来自风成沙。为了证明后一点,我们以悬移质泥沙中与黄土中大于0.05mm百分比之差作为指标,来表示黄土以外的粗泥沙来源对悬移质泥沙的贡献,而以多年平均沙尘暴日数表示受风力影响的程度。二者的关系已点绘在图3(a)中。虽然点子比较分散,但仍可以看出某种正相关关系,即随着风力作用的增强,它为悬移质泥沙所提供的粗颗粒也增多。为了进一步证明风成沙的作用,图3(b)中点绘了悬移质泥沙中大于0.05mm百分比与年均沙尘暴日数的关系。所有点子可以用斜率不同的两条直线来拟合;当年均沙尘暴日数超过10天以后,悬移质泥沙急剧变粗,说明了风成沙的补给作用迅速增大。水利论文*IO&wN0LV0qpC(?S

t0203.gif (4835 bytes)水利论文@%jD3NWVh0~X


Z(Up'@1mjV0图3 风力作用与悬移质泥沙粒度的关系

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  应该指出,风力作用与水力作用在时间上是异相的,前者盛行于冬春季,而后者则盛行于夏季。春季和冬季中风力将粗颗粒泥沙搬运到坡面、沟道、河道(特别是河岸和河漫滩)等地貌部位,夏季中包含大量细颗粒的暴雨径流则将这部分粗泥沙继续向下搬运。主流摆动导致河岸侵蚀,使逼近河岸的风成沙丘坍入河中,是风成沙进入河道的重要形式。很显然,形成于黄土地区的暴雨径流构成了固体-液体两相流的液相,而风成沙所提供的粗颗粒与沙黄土及基岩风化物中的粗颗粒则悬浮于其中随水流运动,从而形成了高含沙水流。如果粗、细颗粒的搭配接近于图2中的最优组合,则会出现悬移质含沙量的最大值。水利论文h8V YEk'o X B

4 地貌学意义水利论文Qu KWlN:J

  由于含沙量表示单位体积的水流所挟运泥沙的重量,故在一定意义上,它可以用来表示径流的输沙能力。在一般情形下,沟道与河流流域的产沙量取决于地表物质分离量与水流搬运量的对比关系。当分离量小于水流的搬运能力时,产沙强度由分离速率所决定;当分离量大于水流的搬运能力时,产沙强度由水流的搬运能力所决定。由于黄土物质十分疏松,极易受到雨滴溅蚀,且垂直节理发育,很容易发生滑坡、崩塌等重力侵蚀,因而物质分离速率很大,故产沙强度可以认为是由水流的输沙能力所决定的。很显然,当水流的输沙能力达到最大时,流域产沙强度也会达到最大。由于在地表组成物质和风力、水力作用的控制下所形成的悬移质泥沙的最优粒度组成,导致了最大含沙量的出现,在这一最优粒度组成的控制下,也有可能出现侵蚀产沙强度的最大值。实测资料的分析证明了这一点。

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图4 产沙模数与悬移质中大于0.05mm百分比和小于0.01mm百分比的关系

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  以黄河支流共40余个水文站的资料为基础,我们在图4中分别点绘了产沙模数与悬移质泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm百分比的关系。虽然点子比较分散,但在图中仍可以看到两个峰值区,分别出现于>0.05mm百分比为40%~50%、<0.01mm百分比为15%~20%的地方。这表明,与悬移质泥沙的最优粒度组成相对应,出现了产沙模数最大值。在图2和图4的各条曲线上,各峰值区的点子都来自黄河中游多沙粗沙区的河流,因而这两条曲线所揭示的关系,有助于更深刻地理解这一地区高含沙水流、高强度侵蚀产沙的形成机理及其二者之间的内在联系。水利论文2b0k?Y*q5tz
  还应指出,黄河中游多沙粗沙区的一些流域,黄土分布面积不大,但其最大断面含沙量和产沙模数都很大,如皇甫川、窟野河即是如此。这一现象一直未能得到满意的解释。在这些流域中,主要产沙地层是当地称为“砒砂岩”和“羊肝石”的粉砂岩和泥岩。“砒砂岩”粒度较粗,为河流提供了粗泥沙;“羊肝石”粒度较细,为河流提供了细泥沙。在皇甫川、窟野河流域的野外调查和采样分析表明,这两个流域的基岩风化物中,>0.05mm的百分比为36%~71%,平均为55%;而<0.01mm的百分比为6%~33%,平均为17%。这与本文中揭示的悬移质最优粒度组成是相近的。因此,运用本文所得出的最优粒度组成的概念,可以较好地解释“砒砂岩”地区高含沙水流十分发育、侵蚀产沙强度极高的原因。

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参  考  文  献

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[1] 钱宁(主编)。高含沙水流运动。清华大学出版社,1989.水利论文xo#WGw]lr

[2] 戴纪岚,钱宁。粒径分布和细颗粒含量对两相管流水力特性的影响。泥沙研究,1982,(1):24-38.水利论文s{8\B&x6O

[3] 马秀峰。关于黄河粗泥沙来源问题的商榷。人民黄河,1982,(4).水利论文 qzt&dMa.hq

[4] 景可,陈浩。黄河中游粗泥沙区别的面积、数量及基岩产沙。科学通报,1986,(12)。

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