師長(zhǎng)興

摘要 對(duì)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(yùn)量進(jìn)行了分析計(jì)算.野外實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合日降水序列和實(shí)測(cè)徑流過程流量分布分析，計(jì)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(rèn)為相對(duì)于化學(xué)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(yùn)的主要形式，這些粗顆粒物質(zhì)需要經(jīng)過進(jìn)一步溶蝕或機(jī)械風(fēng)化和磨蝕細(xì)化后，經(jīng)水流搬運(yùn)而實(shí)現(xiàn)河床的不斷下切.

關(guān)鍵詞 砂巖峰林；流域剝蝕；推移質(zhì)

中圖分類號(hào)TV142+2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)10002537（2015）01000105

張家界武陵源區(qū)以其獨(dú)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(yùn)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(yùn)作用包括化學(xué)溶蝕和物理剝蝕與溶解質(zhì)和泥沙的搬運(yùn)過程.河流泥沙的侵蝕與搬運(yùn)作用是地球上從陸地到海洋泥沙輸移的主要過程[2].我國(guó)的流域盆地的機(jī)械或物理剝蝕率大多高于世界平均值，南方河流的化學(xué)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(fù)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(jí)配分布寬，其中較細(xì)的部分在水流作用下，沿床面滑動(dòng)、滾動(dòng)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(yùn)量，對(duì)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(diǎn)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(yùn)過程，我們?cè)跍嘞煳惨陨?，十里畫廊所在的甘溪匯口以下設(shè)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(cè)量和斷面測(cè)量、斷面床沙粒度測(cè)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(jì)算了溹水礫石和卵石推移質(zhì)輸移強(qiáng)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(zhǎng)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(diǎn)設(shè)置在甘溪匯口以下約250 m處，站點(diǎn)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(zhǎng)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(jìn)行了不同水位下水位站斷面的流量測(cè)量.并通過部分時(shí)段流速測(cè)量，以及斷面測(cè)量、斷面床沙粒度測(cè)量，計(jì)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(yuǎn)處與右岸灘地相接，在低水位時(shí)，右側(cè)支汊水流很小.河道兩側(cè)灘地上生長(zhǎng)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(zhǎng)河道中心線縱剖面實(shí)測(cè)水面比降約為0.887%.

圖3為利用觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的流量過程曲線.測(cè)量時(shí)段共480 d，日平均流量為1.88 m3/s.流量量級(jí)主要集中在0.1～10.9 m3/s，占時(shí)段總流量的78.6%.50 m3/s以上流量的歷時(shí)320 min，占時(shí)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(cè)量

2013年9月12～13日測(cè)量了河床礫卵石的粒度組成.測(cè)量時(shí)隨機(jī)從河床抓取礫卵石，用卷尺測(cè)量礫卵石的三軸即長(zhǎng)（a）、中（b）、短 （c） 軸的長(zhǎng)度，共測(cè)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(jì)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(gè)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(jì)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(cè)時(shí)段的降雨徑流關(guān)系和不同時(shí)期日降水量分布特征.

2.4礫卵石推移質(zhì)輸移計(jì)算

使用秦榮昱提出的方法計(jì)算了推移質(zhì)輸沙率[78].該方法考慮了復(fù)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(duì)輸沙的影響，經(jīng)與其他推移質(zhì)輸沙公式對(duì)比，相對(duì)更適合估算研究區(qū)的推移質(zhì)輸沙規(guī)律.計(jì)算方法和公式參考文獻(xiàn)[7～8]，具體步驟如下：

（1）計(jì)算床沙顆粒不動(dòng)、輸沙率為零的最大水深，或床沙中最細(xì)顆粒處于臨界輸移狀態(tài)的最小水深.其表達(dá)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(xì)粒徑（m），D90為床沙中90%較之為細(xì)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(guān)，可根據(jù)m～D60/D10關(guān)系圖查得（見文獻(xiàn)[7]圖3），其中D60和D10分別為床沙中60%和10%較之為細(xì)的粒徑（m）.