湖南張家界溹水上游河床礫卵石輸移分析

師長興

摘要 對張家界石英砂巖峰林核心景區(qū)溹水上游河床礫卵石的搬運量進行了分析計算.野外實測發(fā)現(xiàn)，溹水上游近出口控制斷面河床由大于1 cm的礫石和卵石組成.利用河床和流量實測數(shù)據(jù)，結(jié)合日降水序列和實測徑流過程流量分布分析，計算得到溹水上游控制斷面礫卵石的年均輸移量約為1 470 kg/a，模數(shù)為20.7 kg/（km2·a）.分析認為相對于化學溶蝕和泥沙輸移，在現(xiàn)在河床邊界條件下，溹水上游的礫卵石輸移不是侵蝕搬運的主要形式，這些粗顆粒物質(zhì)需要經(jīng)過進一步溶蝕或機械風化和磨蝕細化后，經(jīng)水流搬運而實現(xiàn)河床的不斷下切.

關鍵詞 砂巖峰林；流域剝蝕；推移質(zhì)

中圖分類號TV142+2文獻標識碼A文章編號10002537（2015）01000105

張家界武陵源區(qū)以其獨特的石英砂巖峰林地貌而聞名于世.張家界石英砂巖峰林由具有密集垂直節(jié)理且產(chǎn)狀近水平的厚層泥盆系石英砂巖組成，是這套地層在構(gòu)造抬升后經(jīng)水流侵蝕切割而形成的[1].也就是說水流的侵蝕與搬運作用在張家界砂巖地貌形成中起著十分重要的作用.水流的侵蝕搬運作用包括化學溶蝕和物理剝蝕與溶解質(zhì)和泥沙的搬運過程.河流泥沙的侵蝕與搬運作用是地球上從陸地到海洋泥沙輸移的主要過程[2].我國的流域盆地的機械或物理剝蝕率大多高于世界平均值，南方河流的化學剝蝕率也高于世界主要流域的平均值[3].在張家界砂巖峰林主要發(fā)育地區(qū)的負地形是寬窄不同的縱橫交織的河谷，河谷底部是礫卵石組成的河床.這些粗顆粒泥沙級配分布寬，其中較細的部分在水流作用下，沿床面滑動、滾動或在近床面躍移而形成推移質(zhì)[4].掌握這部分泥沙隨水流向下游搬運量，對于這一地區(qū)地表剝蝕速率，定量分析砂巖峰林地貌發(fā)育過程顯然有著重要的意義.

張家界砂巖石柱主要發(fā)育于溹水（或溹溪）流域，十里畫廊、金鞭溪、黃石寨等張家界砂巖石柱最為優(yōu)美的景點都集中在溹水上游.為了揭示這一砂巖石柱核心景區(qū)的徑流過程特征以及礫卵石搬運過程，我們在溹溪湖庫尾以上，十里畫廊所在的甘溪匯口以下設置了水位站，記錄了溹水上游近出口斷面水位變化過程，并通過流速測量和斷面測量、斷面床沙粒度測量，獲得了連續(xù)一年以上的溹水上游徑流過程曲線，分析了徑流變化特征，計算了溹水礫石和卵石推移質(zhì)輸移強度.

1研究區(qū)概況

溹水屬澧水流域，溹水在江埡匯入溇水，溇水在慈利匯入澧水.溹水發(fā)源于大庸磨子峪，河長63.8 km，河道比降為0.013，流域面積522 km2（圖1）.武陵源公園東門以上（距河源20 km）為溹水上游[5].水位站站點設置在甘溪匯口以下約250 m處，站點河灘地面海拔419 m，控制流域面積71.1 km2.水位站以上溹水干流長15.5 km，河道平均比降為0.035.

2數(shù)據(jù)和方法

2.1流量過程

利用水位儀記錄了自2012年4月18日至2012年8月12日和2012年9月12日至2013年9月13日水位站水位變化過程，2012年9月和2013年9月進行了不同水位下水位站斷面的流量測量.并通過部分時段流速測量，以及斷面測量、斷面床沙粒度測量，計算獲得了連續(xù)一年以上的溹水上游徑流過程.

圖2為水位站河床橫斷面.斷面分主槽和灘地兩部分，主槽右（南）側(cè)為一卵石灘，卵石灘與右側(cè)灘地間為一支溝，但因卵石灘在上游不遠處與右岸灘地相接，在低水位時，右側(cè)支汊水流很小.河道兩側(cè)灘地上生長著茂密的草灌和喬木.漫灘流量下，主槽寬度為39.7 m，平均深度為0.67 m，寬深比為59.屬比較寬淺的順直型河道.水文站斷面上游73 m至下游50 m長河道中心線縱剖面實測水面比降約為0.887%.

圖3為利用觀測數(shù)據(jù)計算得到的流量過程曲線.測量時段共480 d，日平均流量為1.88 m3/s.流量量級主要集中在0.1～10.9 m3/s，占時段總流量的78.6%.50 m3/s以上流量的歷時320 min，占時段總流量的164%.記錄到的最大洪峰流量為80.1 m3/s.

圖3溹水水位站流量變化過程（a：2012年4月18日至8月9日；b：2012年9月11日至2013年9月13日）

Fig.3Changes of water discharge at gauging station（a：Apr.18， 2012～Aug.9， 2012， b：Sep.11， 2012～Sep.13， 2013）

2.2河床礫卵石粒度測量

2013年9月12～13日測量了河床礫卵石的粒度組成.測量時隨機從河床抓取礫卵石，用卷尺測量礫卵石的三軸即長（a）、中（b）、短 （c） 軸的長度，共測量171顆礫卵石.這些河床礫卵石數(shù)據(jù)將用于獲取河床組成參數(shù)，還用于分析估計河道水力參數(shù)和水流輸沙量.

2.3降雨量

本文利用研究區(qū)周圍6個氣象站的日降雨數(shù)據(jù)（圖1），用距離平方倒數(shù)法插值計算了研究區(qū)的日降水量.利用這一降水系列，分析了有觀測時段的降雨徑流關系和不同時期日降水量分布特征.

2.4礫卵石推移質(zhì)輸移計算

使用秦榮昱提出的方法計算了推移質(zhì)輸沙率[78].該方法考慮了復雜床面的有效輸沙水力條件，不均勻床沙組成和床沙粗化對輸沙的影響，經(jīng)與其他推移質(zhì)輸沙公式對比，相對更適合估算研究區(qū)的推移質(zhì)輸沙規(guī)律.計算方法和公式參考文獻[7～8]，具體步驟如下：

（1）計算床沙顆粒不動、輸沙率為零的最大水深，或床沙中最細顆粒處于臨界輸移狀態(tài)的最小水深.其表達式為hk = （25mDm + 10Dmin）/D901/3×hm4/3/Vm2. 式中hk為輸沙率為零的最大水深（m），Dm為床沙平均粒徑（m），Dmin為床沙最細粒徑（m），D90為床沙中90%較之為細的粒徑（m），hm為平均水深（m），Vm為平均流速（m3/s），m為床沙顆粒間的緊密系數(shù)，與床沙的不均勻程度有關，可根據(jù)m～D60/D10關系圖查得（見文獻[7]圖3），其中D60和D10分別為床沙中60%和10%較之為細的粒徑（m）.