李凱杰

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）

太原柴村汾河沉積與水流變化分析

李凱杰

（太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院）

對(duì)太原柴村地區(qū)出露保存完好的古河床剖面和沉積相進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，分析了河床沉積砂質(zhì)層的組成、粒度及河道沉積與水流變化的關(guān)系。結(jié)果表明：沉積物主要來(lái)源于古汾河從西山河谷內(nèi)的沖蝕，并通過(guò)較大水流帶至平原地區(qū)沉積下來(lái)；礫石層越厚，代表水流的速度和流量越大，也代表著河流的侵蝕能力越強(qiáng)。建議加強(qiáng)對(duì)郊區(qū)汾河的河道治理與河道采砂、上游煤炭開(kāi)采的管控，讓汾河重現(xiàn)往日奔流不息的盛況。

古河床剖面 礫石沉積 河流侵蝕 汾河柴村段

汾河作為山西的第一大河，穿越省會(huì)城市太原而過(guò)，屬三晉人民的“母親河”，對(duì)全省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響巨大。研究汾河的沉積作用，對(duì)分析汾河水流變化有著重要意義。隨著汾河太原城區(qū)段的改造，現(xiàn)在可以看到的原始河道最理想?yún)^(qū)域，在柴村橋以北至中北大學(xué)。此處河床及附近，可分為河床、河漫灘等。根據(jù)前人統(tǒng)計(jì)，共有六級(jí)河流階地。據(jù)調(diào)查，在道路附近較為明顯的有3-4級(jí)階地，由于破壞嚴(yán)重，分級(jí)并不是特別明顯。但是，在靠近道路的一側(cè)，仍然保留有完整的剖面和典型的河道沉積?，F(xiàn)以礫石為主，砂礫為輔（由于前期挖沙嚴(yán)重，細(xì)粒砂大幅度減少），通過(guò)對(duì)汾河河道兩側(cè)的河床沉積進(jìn)行描述，分析現(xiàn)代汾河的沉積作用與水流變化。

1 柴村地區(qū)河道的沉積剖面及典型河流沉積作用

1.1 沉積剖面

柴村地區(qū)的汾河河道沉積在柴村橋東北方向約7 km處（大留村）有較好的剖面露頭，地理坐標(biāo)為37°59′19.4″N，112°26′56.5″E，位于河流東岸。人工挖掘的新鮮剖面，厚度10-15 m，長(zhǎng)約400 m（如圖1所示）。該剖面為砂質(zhì)層、礫石層的互層，屬典型的河道沉積。通過(guò)對(duì)現(xiàn)今河道位置進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為是汾河的古河道沉積。在長(zhǎng)約400 m的剖面，走向?yàn)楸薄蔽?，西北方向的剖面以礫石層為主，厚約10 m，中間夾有5層細(xì)砂層，最厚約40 cm，最薄為10 cm；礫石層與砂質(zhì)層均未固結(jié)成巖，極易脫落下來(lái)；在最下層有較厚的坡積物，坡積物被河水在高水位時(shí)沖刷，僅保留有礫石。剖面整體上的分選性較差，礫石的磨圓度較好，基本均無(wú)明顯的棱角。中部的剖面保存完好，有良好的露頭。下層為以礫石層為主夾薄層砂質(zhì)層或砂質(zhì)層透鏡體，厚度為8 m。中上層砂質(zhì)層比礫石層要厚，部分礫石層以透鏡體形式夾在厚層砂質(zhì)層中，厚度為4 m。最上層為較薄的土層，以黃土為主，厚度40 cm。西南側(cè)剖面與中部剖面類(lèi)似。

1.2 沉積相分析

河床東側(cè)的新鮮剖面以礫石層為主，尤其是下部礫石層較厚，砂質(zhì)層較薄或以透鏡體形式出現(xiàn)，向上砂質(zhì)層逐漸增厚。礫石層分選性差，磨圓度好，礫石的粒徑變化較大。由此可以分析出汾河水流變化明顯，且水流是呈現(xiàn)出逐漸減少的態(tài)勢(shì)，且出現(xiàn)了明顯的韻律性，每一個(gè)旋回都由下部河床沉積（粗粒）、中上部的河漫灘（粉沙）組成，反映出河流的側(cè)向擺動(dòng)。由此，也可判斷此處為典型河流相沉積。

1.3 沖積物地貌類(lèi)型

在汾河現(xiàn)在的河道中，廣泛發(fā)育有心灘。由于汾河河道在此處頻繁被人為改動(dòng)，造成河道一段寬闊一段狹窄，構(gòu)成了形成心灘的條件。由于心灘的存在，當(dāng)汾河水流大時(shí)，使得過(guò)水?dāng)嗝婵s小，心灘處水流速度加快，促使主流線偏向兩岸，使兩岸受到?jīng)_刷，尤其以東岸沖刷尤為嚴(yán)重。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河?xùn)|岸河面與新鮮剖面距離很近，而西岸則有較大的河漫灘。多處心灘的發(fā)育和河流在洪水期與枯水期水動(dòng)力的較大變化，使汾河在此處發(fā)育為辮狀河。

圖1 中部新鮮剖面

1.4 層理構(gòu)造及砂質(zhì)層分析

據(jù)調(diào)查，該剖面上部的砂質(zhì)層厚度增大，砂質(zhì)層數(shù)目增多，部分砂質(zhì)層中可以看到層理構(gòu)造（水平層理或平行層理），反映出當(dāng)時(shí)的水動(dòng)力條件—河流流速較慢。剖面多沉積了粒度在0.2-0.6 mm的細(xì)砂至粗沙（見(jiàn)表1），根據(jù)自然粒級(jí)的形成規(guī)律，可以確定在砂質(zhì)層沉積過(guò)程中，多數(shù)沙粒以跳躍式搬運(yùn)，少數(shù)大于2 mm的沙粒以滾動(dòng)方式搬運(yùn)。搬運(yùn)過(guò)程中也使沙粒逐漸磨蝕，并使較為耐磨的石英富集下來(lái)。在砂質(zhì)層中，可以看到很多透明、油脂光澤的細(xì)小石英顆粒。根據(jù)，將粒徑d轉(zhuǎn)化為伍德—溫特華斯標(biāo)準(zhǔn)，繪制概率密度曲線見(jiàn)圖2。

表1 剖面砂礫大小分布

圖2 砂礫概率密度曲線

根據(jù)砂礫粒度概率曲線的特征，可以區(qū)分出在值低和高時(shí)斜率低，而中間段斜率高，反映出該段為低坡降的辮狀河，跳躍搬移組分約占80%，滾動(dòng)和懸浮運(yùn)移組分約占20%。

2 汾河的侵蝕作用

2.1 典型河流侵蝕現(xiàn)象

汾河從太原西山地區(qū)流出，在中北大學(xué)至柴村段屬于由山地向平原的過(guò)渡區(qū)，水流速度較快，產(chǎn)生了明顯的旁蝕效果。

該剖面地區(qū)的凹岸位于東岸，根據(jù)彎道離心力的作用，使最大流速偏向于凹岸，水體涌向凹岸，對(duì)凹岸產(chǎn)生侵蝕作用。從該地區(qū)的地形上來(lái)看，東岸（凸岸）的河漫灘要更加的寬闊，形成了較為平緩的堆積灘，草本植物很茂盛。而西岸（凹岸）的河漫灘很窄，上部多發(fā)生崩塌，向下塌落礫石形成很高的由礫石組成的坡積物。同時(shí)，由于心灘的存在，西岸沖蝕的礫石多在心灘上堆積，使心灘的面積不斷擴(kuò)大。由于西岸的水流速度大，對(duì)于西岸的河床下部掏蝕更為明顯，表現(xiàn)為西岸的水深更深，尤其在彎道下游表現(xiàn)明顯，河水深度在5 m以上。根據(jù)河水的侵蝕進(jìn)程，凹岸會(huì)不斷加深并向下游推進(jìn)，并且在彎道的下游可以看到新的沖蝕崖正在形成。

2.2 礫石層與上游地層對(duì)比

汾河的侵蝕作用，也表現(xiàn)為將上游西山地區(qū)的地層進(jìn)行侵蝕并搬運(yùn)至下游平原地區(qū)，并在剛出山地的區(qū)域進(jìn)行堆積。將河灘處堆積的礫石巖性，與西山地區(qū)地層的巖性進(jìn)行對(duì)比，可以對(duì)這些礫石的來(lái)源做出判斷。

西山地區(qū)屬于典型的華北地層，主要有：早寒武紀(jì)霍山砂巖，寒武紀(jì)的白色、灰白色的白云巖，以及奧陶紀(jì)的灰色石灰?guī)r；晚石炭紀(jì)太原組的灰白色石英砂巖、石灰?guī)r、泥巖和煤層；早二疊紀(jì)山西組的黃綠色砂巖、黑色頁(yè)巖及煤層；上石河子組黃綠色砂巖、泥巖；石千峰組的灰紫色砂巖和紫紅色泥巖；同時(shí)，還存在少量火山巖侵入現(xiàn)象，地層中也有花崗巖和二長(zhǎng)巖。但根據(jù)巖石的特性和分布的特征分析，主要發(fā)生易侵蝕作用的地層為碳酸鹽地層，相比之下，砂巖和火山巖地層侵蝕作用相對(duì)較弱。

對(duì)柴村地區(qū)新鮮剖面的礫石，從成分、含量、粒徑進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 剖面礫石成分分析表

從表2可以看出，在礫石層中，石灰?guī)r所占比例高達(dá)43%，黃綠色砂巖占14%，淡肉紅色長(zhǎng)石砂巖占11%，灰白色砂巖占10%，砂粒占14%。分析表明，礫石層的沉積物組分與西山地區(qū)主要的地層巖石類(lèi)型相似?？梢源_定，這些礫石是由古汾河從西山河谷內(nèi)沖蝕，并通過(guò)較大水流速度帶至平原地區(qū)沉積下來(lái)。礫石層越厚，代表水流的速度和流量大，也代表著其侵蝕能力越強(qiáng)。

3 汾河水流變化與沉積特征關(guān)系

從該新鮮剖面礫石層與砂質(zhì)層的沉積特點(diǎn)中不難看出，較早時(shí)期汾河的水流量和水流速度均很大，導(dǎo)致在出西山進(jìn)入太原盆地的交界處堆積了大量的礫石。越向上砂質(zhì)層越厚，礫石層數(shù)量和厚度減少減薄，表明了在越接近近代，水流量和流速都在大幅度下降。從近年來(lái)實(shí)際的情況來(lái)看，汾河柴村段未被改造的河道大多被切割為若干段“湖泊”，而中間則以細(xì)小的河道連接。雨水量大時(shí)可以看到河流流動(dòng)，而遇到少雨的年份則會(huì)出現(xiàn)斷流，原來(lái)的細(xì)小河道變?yōu)槁懵兜暮哟?。根?jù)近50年的數(shù)據(jù)，汾河水庫(kù)、寨上、蘭村、二壩等水文站的徑流量都出現(xiàn)了總體下降的趨勢(shì)，尤其是在1980年后下降迅速。

筆者認(rèn)為，汾河水流下降不僅僅是由于整體大環(huán)境趨于干旱，還由于近年來(lái)過(guò)度的開(kāi)采地下水和農(nóng)業(yè)灌溉所致。同時(shí)，由于西山地區(qū)的煤炭開(kāi)采，造成生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，土壤保水能力下降，礦井開(kāi)挖又使得地下水位下降。由于上述原因，產(chǎn)生了現(xiàn)在汾河水流量嚴(yán)重匱乏的情況。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)汾河柴村段河流沉積、侵蝕現(xiàn)象和對(duì)礫石層、砂質(zhì)層進(jìn)行分析，可以得出以下認(rèn)識(shí)：

（1）柴村地區(qū)汾河河道東側(cè)新鮮剖面，由未固結(jié)的砂質(zhì)和礫石互層、透鏡體組成，有明顯的韻律性，同時(shí)有層理產(chǎn)生和心灘發(fā)育。結(jié)合砂質(zhì)層的累積概率分布曲線，可以判斷該區(qū)段為典型的辮狀河河流沉積體系。

（2）根據(jù)河岸兩側(cè)河漫灘寬度的差異和河水掏蝕作用下水深度的變化，可以知道汾河仍然存在相當(dāng)強(qiáng)的侵蝕作用。礫石層中有大量磨圓度由圓形到次圓狀的西山地區(qū)的灰?guī)r和砂巖組成，可見(jiàn)很早以前汾河在洪水期的沖蝕作用十分強(qiáng)烈。

（3）綜合侵蝕、沉積和人為干預(yù)下的氣候條件，可以得出總體上汾河的水流和流量呈下降的趨勢(shì)。對(duì)于太原市最重要的河流，我們應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)汾河河道的治理，目前雖然市區(qū)內(nèi)的河道治理很好，但也應(yīng)當(dāng)高度重視在郊區(qū)汾河河水匱乏甚至斷流的現(xiàn)象，加強(qiáng)對(duì)河道挖沙與上游煤炭開(kāi)采的管控，疏通狹窄河道，讓汾河重現(xiàn)往日奔流不息的盛況。

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1008-0120（2017）01-0024-03

2016-09-30

李凱杰（1995-）：男，本科在讀；通訊地址：太原市迎澤西大街新礦院路18號(hào)，030024