黄河下游河床演变中的地貌临界(陆中臣, 陈劭锋, 陈浩)

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黄河下游河床演变中的地貌临界

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陆中臣1陈劭锋2, 陈 浩3水利论文0}RTX+~@3_0}R D
(1. 中国科学院生态环境研究中心; 2.中国科学院科技政策与管理科学研究所;水利论文VV2P:T-M7[x'g
3.中国科学院地理科学与资源研究所)

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摘要:从地貌学的角度,比较深入地研究了黄河下游河床演变中的几个临界问题:纵剖面调整的临界问题、河道平面形态的临界问题、河型对河床边界的临界响应问题以及河床断面形态的临界判别问题。并且以河型转化趋势预测为例,对地貌临界在河床演变中的应用作了进一步的探讨。结果表明,小浪底水库建成后,在其清水下泄期间,下游河型将不会发生改变。水利论文;t8b5D'x(_k n(FG0Qp

关键词:黄河下游; 河床演变; 地貌临界; 趋势预测水利论文/i/Y8}*]n/Jw T+W?

基金项目国家重点基础研究发展规划项目(G1999043604)Foundation Item: 973 project of Ministry of Science,No.G1999043604水利论文^Q ~:z SM&P
作者简介:陆中臣(1935-),男,中科院生态环境研究中心教授级高级工程师。
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1 前言水利论文%Ed3a,VI?'`Q"Z

  河床演变,作为河流动力学和河流地貌学交叉研究的领域,具体是指在水流的作用下,河流的边界所发生的变化。而这种变化实质上体现了组成边界的物质的冲刷、搬运和堆积过程。在诸过程中塑造的地貌现象,如河床纵横断面、河谷形态、边界组成和河型等,在内外营力共同作用下达到一定的限度,将会出现巨大的质的变化。我们将其称之为河床演变中的地貌临界。

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  自Schumm于上一世纪70年代首次将临界规律引入到地貌系统的研究之中以来,经过一些学者的不断努力,逐步形成了所谓的“地貌临界论”。由于该理论从崭新的角度审视地貌现象由量变到质变或者说由渐变到突变的转化规律,使得对地貌演化过程中发生的明显变异现象进行合理的解释成为可能,因此受到地质地貌界的普遍关注。研究地貌临界不仅蕴涵着比较深刻的哲理和科学理论意义,而且具有一定的实践意义,如通过确定和运用地貌过程中的临界阈值,对地貌发育阶段进行量化,洞察地貌要素之间相互作用的内在机理、强度和动态转化的临界条件,进而预测地貌现象的发展趋势,为国土整治服务。本文试图从地貌学角度,研究黄河下游河床演变中的一些与地貌有关的临界问题,以辩识临界条件发生发展的规律,同时对地貌临界的应用作了进一步的探讨。

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2 纵剖面调整的临界响应水利论文CD]J3HE2E/q

  根据黄河下游堆积区的地层、堤防和基准面的影响,可以发现黄河下游纵剖面的发育已经历了四个阶段[1],即构造控制阶段或适应构造阶段、自由发展的加积阶段、人工控制阶段和侵蚀基准控制阶段,以及三种调整形式,即沿程淤积的调整形式、溯源淤积的调整形式和平行抬升的淤积形式。对纵剖面的形态和比降的年际变化,分别用凹度指标[2](即通过纵剖面线上下端点作矩形,纵剖面线将矩形分为上下两半,它们的面积之比形成凹度指标。该指标大于1,纵剖面为凹型;等于1,为直线型;小于1,为凸型)和比降点绘了图1(a)和图1(b)。

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  由图1(a)可以看出,从晚全新世地层底板到1954年,纵剖面的凹度是逐渐减小的,但到了1954年后,即从1954~1983年,曲度指标的变化就不大了,即多年平均凹度为1.35,分别比晚全新世地层底板、1855年和1935年的纵剖面凹度减少了37%,12%和7.5%,其均值与1954年以来最大和最小凹度相比,分别小于3%和大于3.7%。水利论文6tOjnb

  从图1(b)来看,仍以1954年为界,1954年后的河床比降均在均值上下微小变化,多年平均为1.28,与最大和最小值的偏离,分别为2%和1%,比凹度的偏离还小。

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图1(a) 黄河下游花园口到利津段凹度的历年变化水利论文V.G?Lphu
Changes of concavity from Huayuankou to Lijinin the Lower Yellow River during the past years
图1(b) 黄河下游花园口到利津段河床比降的历年变化
!nk&B1R3qiG0Changes of the channel slope from Huayuankou to Lijin in the Lower Yellow River during the past years

  综上所述,不论是纵剖面凹度,还是河床比降,就长时段的变化来说,都不大,这说明,此段从1954年至1983年在平均沉积速率为8.64cm/a的情况下,河床是平行抬高的。这种平行抬高,就是纵剖面调整的临界响应。它说明了两个问题:其一,黄河下游已经发育到了老年期阶段,是发育史上的临界阶段;其二,抵挡历史大洪水的能力大大减小,出现大险、大灾的机会更多。水利论文`7]~Sf1vT

  我们认为,纵剖面平行抬升,是由于黄河下游河道处在特殊的地理环境中,流经不同的地貌部位,流域的来沙量和水流的挟沙能力不相适应,所以自发育以来就是一条加积性河流,其河流纵剖面在加积的环境中作自动调整。加之受到地貌类型的影响,各段调整的形式不同。如黄河出山口后的河南段,处于复合冲积扇上,地面坡降陡然减缓,为了力求使水流挟沙能力与来沙量相适应,河床比降以沿程淤积的方式调整增大;人工控制的顺直微弯段,流经冲积平原和河口三角洲,由于河口三角洲的前缘不断淤积向前推进,河长不断增加,基准面相对上升,河床比降以溯源堆积的形式调整减小;处于叠加的冲积扇前缘的弯曲段,为了要在河口不断延伸的条件下保持一定的输沙能力,通过沿程淤积和溯源淤积的共同作用,每年在河道中就必然要淤积一定量的泥沙,当纵剖面形态与流域的水文状况和地理环境相适应而达到稳定时,纵剖面必然平行抬高。水利论文-WW"[._8gW'c

3 河道平面形态的临界规律水利论文y6Wa'pog

  伴随着河床物质影响河型的同时,河岸的相对可动性也同时影响着河流的平面形态。在一定流量的情况下,河宽的大小反映了河岸侵蚀后退的程度。因此,可用河宽作为河岸相对可动性指标。不同的河型具有相应的临界河宽。一般说来,河岸抗冲性极强或极差的河流多为低曲率河流,其河宽可以很大或可能很小,而具有一定(中等)抗冲能力;河岸可动性适中的河流多具有较高的曲率。从图2看出,黄河下游三种不同河型的平面形态与河宽的显著差异:顺直微弯段的河宽小于1000m(>40m),河岸的相对抗冲性最强,曲率最小,即1.15,为人工控制的结果;过渡段河宽介于1000~2000m,河岸的相对抗冲性中等,曲率最大,即1.30;游荡河段的河宽大于3000m,河岸的抗冲性最差,因此,曲率也最小,即1.14。由此可见,黄河下游不同河型,具有明显的临界河宽。

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  另外,平原河流与曲流发育过程中也体现着临界规律。据研究[3],曲流河湾紧密度R/W(河湾半径R与河宽W之比)与河床摆动速度存在着这种规律。一般来说,开阔型河湾紧密度约为6.0,紧密型的约为2.0。大于6.0和小于2.0时,河湾摆动很小或不摆动。开阔型和紧密型的分界值约为3.0,小于或大于3.0时,河湾摆动速度迅速下降。水利论文aR#Lcp

  通过黄河过渡段河湾摆动速度与紧密度的资料研究表明,也有类似的规律。开始,随着河湾紧密度的增加,摆动速度迅速增大。当紧密度达到2.4左右时,摆动速度达到最大值(临界最大摆速),约为600m/a。此后,随着紧密度的继续增大,摆动速度逐渐减小,当紧密度达到4.0以上时,摆动速度趋于稳定值(图3)。黄河下游这种河湾紧密度与河床摆动速度的临界关系,反映了河湾紧密度对河床演变速度的控制作用,这是研究弯曲河流不可忽视的因素之一。水利论文e/o5O]`h\

4 河型对河床边界条件的临界响应

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  就河床演变的科学性质来说,它是研究河流的边界在水流作用下的变化[4],由此可见,边界条件在河床演变中的重要性。具体到边界条件与河型的形成来说,如当床沙质来量多时,如果河岸的可动性不很大,或不能大大地超过河床可动性的话,河流就不能选择侧蚀的方式调整,则河流就不能形成宽浅的河床,所以也就没有发育成分汊或游荡型河流的可能;如果河岸可动性很小,大大地小于河床的可动性时,主要选择深蚀的调整方式,使河流趋于窄深,以至于成为比较顺直的河型;只有当河岸可动性和河床可动性都比较适中时,河流才有可能发育成江心洲和曲流型[5]

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图2 黄河下游曲率与河宽关系图水利论文5HaGC/d!W.q
The relationship between curvature and river widthin the Lower Yellow River
图3 过渡段摆动速度与河湾紧密度的关系
U-[z3h/C AWx y0The relationship of wandering velocity and compactness of river sinuses in the transitionalrivers in the Lower Yellow River
  基于以上条件,游荡型河流的河岸和河床边界一般为单一结构,河床以细砂或粉砂组成为主,如黄河下游苏泗庄以上河段,河床中粉砂 粘土含量一般在15%左右;曲流型一般说来河岸为混合结构或二元结构,而河床以粉砂 粘土组成为主,如黄河下游的孙口段河床中粉砂 粘土的含量最高达60%以上;黄河下游顺直微弯段,河床中粉砂 粘土含量约为45%,如图4所示。水利论文I xyg*@"pz

5 河床断面形态的地貌临界判别水利论文0p%s1mr&[0Od&c

9Wf:la2F)~{#v1t4im0  河流作为流域的一个组成部分,它的许多性质又是和流域因素分不开的。水利论文q:l } ZN t*O

图4 黄河下游河床中粉砂 粘土含量沿程分布与河型的关系
$\|7U(yP o js7r0The relationship of silty sand and clay content of the channel with channel patterns水利论文 K\l&|5L6rn
along the Lower Yellow River

对它们的分析有一部分是属于地貌学范畴。河床的形态变化和所有的地貌现象一样,是地表在内外营力作用下长期发展的产物,既要考虑流水的动力作用,也要考虑地质构造运动的深刻影响。

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  具体来说,不同的河型具有不同特征的河床形态,而不同的河床形态则代表着多种因素间不同排列组合影响的结果。一旦这种排列组合遭到破坏,河型就要发生变化。因此,我们选择了受综合因素影响的河床形态(/H即河床宽B和水深H之比),作为判别河型的临界指标。从数学的角度分析,将影响河型的内外营力因素写成下列形式

  河床形态与外力因素函数关系式水利论文g zEJs`

/H=f(Q1,QS,α)

i t9v5N9a$[0

  河床形态与内力因素函数关系式

+X9Tw%I8Z3R v0?S0

/H=f(T)

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合并二式得到综合因素影响下的河床形态与内外营力因素函数关系式

)M-l*[7@8\j@j%zA&U0

/H=f(Q1,QS,α,T)水利论文A$jhOV];I#Z

式中 Q1,QS,α,分别为来自上游的流量、沙量及其过程,以及流域形状要素,T为新构造运动强度。

M$}$H l|;cY-{ FP0

  根据上述物理概念判别的函数关系,就统计意义来说,可以认为这一函数关系具有指数关系。至于关系的指数及系数则根据多元回归方法推算,计算的结果得到河床形态与自变量之间(其中包括河流能量QJ,河岸不稳定系数A)的综合相关关系如下

/p6?#B,qCuJr0

/H=3.94T0.28QJ0.35α-0.06A0.48水利论文.p|7Co_ @s

综合相关系数为0.93。

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  根据河床形态方程,计算出一组与实测河床形态(/H)相对应的值,并对计算值进行了精度检验,结果计算值与实测值的正负平均误差平均为0.17,均方差为4.08,即有95.4%的点子落在±8.16的范围内,变差系数cv=0.27。

  依照所得判别式,得出黄河下游不同河型的地貌临界值如下水利论文-~p,_ `r7I r

网状河型水利论文 ]+x9K9Gef A

18>/H>7顺直型水利论文Z*NR] B1N

7≥/H≥3.5 弯曲型

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6 地貌临界的实用意义水利论文W~ KU eU(w

  本节主要以河型转化趋势为例,说明地貌临界在河床演化中的应用。水利论文!N*oT/Qxx

  三门峡水库在清水下泄期间,黄河下游河床形态(/H)变小。以黄河下游三种河型为例,与1960年相比,1962年和1964年游荡段减小了33.7%,弯曲段减小了28.6%,顺直微弯段减小了8.8%。这表明河床的断面形态向窄深方向发展。在给定的水流条件下,下切主要取决于冲刷段的冲刷强度和边界条件。具体地说,游荡段的比降大,河床组成物质以沙和细沙为主,粉沙 粘土含量少,因此抗冲性小,又加之冲刷强度大,河床形态变化比较明显。向下游,河床比降变小,粉砂 粘土含量增加,抗冲性亦增大,河床形态调整的幅度就小。为了定量分析黄河下游清水冲刷阶段河床形态的变化,选择了河床中粉沙 粘土含量百分数(M%)和河床比降(J%oo)与河床形态(BH)进行二元回归分析,所得方程为[5]

/H=-21.59-0.11M+25.58J水利论文|3L2Hu*hx7B3C

根据上式,可以对没有断面测量的河段进行形态预测。

3p:y:Y4OM4N0
1 分汊游荡型 2 顺直型 3 弯曲型 4 分汊或游荡 5 曲流 6 建库前汉江分汊游荡型 7 建库后汉江分汊游荡型 8 建库前汉江曲流型 9 建库后汉江曲流型 10 建库前黄河游荡段 11 建库后黄河游荡段

Y3L3a/so?6xm.^a0图5 以τ0avg比降关系图
M1ms,q]8p,v#T0The relationship between runoff using τ0avgas a parameter and the channel slope

[v#O'H-vZDd0

  这里要强调说明的是,黄河下游清水冲刷阶段比降的调整幅度不大。因此,比降的调整在短时间内不可能对河床形态作出较大的调整,但为什么又有明显的相关呢?从河流地貌的发育角度看,这是因为不同的河型是受不同过程的地貌单元所具有的坡度的影响。S.A.Schumm[6]认为:坡度的变化起控制作用的是地貌临界。在地貌系统内该值由于系统本身随时间的变化而发展,只要系统还没有演化到临界的情况之前,调整或破坏将不会发生。而黄河下游比降对河床形态调整的影响,因河床纵剖面形态和河床比降的调整近于常数,所以只能是不同地貌单元原始地形所具有的坡度的作用。在坡度没有演化到临界值之前,即使来水来沙变化了,河型也不会转化。黄河下游虽然蓄水运用时间较短,但仍可以预测不同河型转化的趋势。首先,我们绘制了以相对切应力τ0avg0为河床水流作用在床面上的切应力;τavg为所在河流的平均切应力)为参数划分河型的流量比降关系图(图5),然后将黄河的资料点绘上去。由图5可见,黄河下游游荡段在2<τ0avg<4之间,过渡和顺直微弯段位于0.75<τ0avg<1.5之间,黄河下游游荡段建库前和建库后的数值仍处于游荡范围区间之内,尽管游荡强度有所减弱,但河型没有转化。可以预料,小浪底水库建成后,在其清水下泄期间,下游河型不会发生改变。水利论文r/t$XoH+y l%C w

7 结论水利论文,\;a(d T)nu:q9E6?j

  综上所述,我们可以得出以下结论:水利论文f)l1~ l4w

  1. 地貌临界是地貌现象由量变到质变的“突发转化点”。超过这一界限,地貌现象将发生巨大的质的变化。不同的地貌过程具有不同的临界阈值。

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  2. 河床演化是河流动力学和河流地貌学的交叉研究领域。从地貌学的角度探讨黄河下游河床演化过程中存在的临界问题,如纵横断面的临界、河型临界、河道平面形态的临界,不仅对于河床演变中地貌类型的突发转化现象、地貌要素相互作用机理、强度的合理解释和动态转化阈值区间的确定具有较深刻的理论意义,而且对于地貌发育过程演变趋势的预测,乃至于国土的开发和整治也具有重要的实践意义。

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参 考 文 献水利论文,R B?7ekpXU'V

[1] Ye Qingchao, Lu Zhongchen et al. The River Geomorphology in the Lower Yellow River. Beijing: Science Press, 1990. 叶青超,陆中臣等。黄河下游河流地貌。北京:科学出版社,1990.水利论文4y.D-JWvDq]

[2] Иваноь, И。В。: Метод количественной характеристикн формы продолвного профиля реки, Ивьестия Всесоюзного Теографическогообщества, Том。вып。6, 1955.

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[3] Nason, G. C. and Hickin, E. J. Channel Migration and Incision on the Beatton River. ASCE, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 109, No. 3, pp 327-337, 1980.水利论文P mIBy

[4] Qian Ning, Zhang Ren and Zhou Zhide. Science of the channel process。Beijing: Science Press, 1987.水利论文YE+Vzf

[5] You Lianyuan et al. A preliminary Research on Impact of Some Factors on the Developing River Patterns. In: Paper compilation on the second International Academic symposium on River sediment. Water Conservancy and Electric Power Press,1983. 尤联元等。影响河型发育的几个主要因素的初步探讨。见:第二次河流泥沙国际学术讨论会论文集。北京:水利电力出版社,1983.

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[6] Schumm, S.A. Geomorphic Thresholds and Complex Response of Drainage Systems 。In : Fluvial Geomorphology. Publications of Geomorphology, State University of New York, Binghamton, 1973.水利论文F3u%]h_ U bh3q"]

 

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