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(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010；2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，南京 210098； 3.水利部人才資源開發(fā)中心，北京 100038)

1 研究背景

在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化過程中，長(zhǎng)江流域經(jīng)受劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面升降和氣候變化等因素的影響。近年來，人為和自然因素的變化，對(duì)河流水力形態(tài)和沉積過程進(jìn)一步產(chǎn)生了較大影響[1-4]。迄今，已有很多學(xué)者在長(zhǎng)江流域的歷史環(huán)境演化和演變趨勢(shì)方面作了大量的研究工作，但在具體河段河流沉積物歷史演化方面的研究相對(duì)較少。張玉柱等[5]在漢江上游和渭河干支流一級(jí)階地的典型沉積剖面上橫向采集沉積物樣品，從沉積學(xué)學(xué)科角度分析古河床的演變；趙怡文等[6]在長(zhǎng)江中下游河道斷面采集河床沉積物樣品，分析沉積物粒度參數(shù)，以河流動(dòng)力學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)探討現(xiàn)代河床地貌的演變過程；李九發(fā)等[7]在長(zhǎng)江口采集河床淺層沉積物，采用沉積學(xué)和泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的方法研究河床沉積物粒度空間分布特征。上述研究多在中下游河段，河床演變受人類影響的直接作用較多，而對(duì)于以自然演變?yōu)橹鞯那嗖馗咴恿餮芯枯^少，且青藏高原對(duì)氣候變化響應(yīng)較為敏感，其河流的徑流輸沙及泥沙沉積變化可以為氣候及水文反演提供直接標(biāo)識(shí)。

本文在長(zhǎng)江源區(qū)通天河河床斷面上布置采樣點(diǎn)并垂向鉆孔，采集一定深度的河床沉積物，分析河床沉積物粒度的空間分布特征，探索長(zhǎng)江源通天河段沉積物的環(huán)境意義，以期為長(zhǎng)江源區(qū)河流歷史形態(tài)數(shù)字復(fù)原和長(zhǎng)時(shí)間徑流泥沙數(shù)據(jù)重建與序列重構(gòu)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

2 研究區(qū)概況

2.1 區(qū)域地貌概況

長(zhǎng)江源區(qū)水系由長(zhǎng)江正源沱沱河、南源當(dāng)曲、北源楚瑪爾河和通天河組成。沱沱河與當(dāng)曲匯合于囊極巴隴，以下河段稱通天河，自囊極巴隴向東流與楚瑪爾河匯合，此河段為通天河上段(見圖1)。江源干流段全長(zhǎng)1 174 km，區(qū)間集水面積13.77萬km2。根據(jù)全國(guó)第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)1956—2000年系列成果，區(qū)域多年水資源總量124.5億m3，占青海省長(zhǎng)江流域水資源總量的69%，占全長(zhǎng)江流域的1.3%。

圖1 長(zhǎng)江源區(qū)水系分布Fig.1 Map of water system in the source region of Changjiang River

2.2 取樣河段地貌特點(diǎn)

樣品采集地在通天河曲麻萊新縣城附近，河道為單側(cè)有山體約束的寬谷河道，多股分汊河型，主槽為沙卵石河床組成，如圖2(a)；河段下游右岸聶恰曲入?yún)R后，逐漸進(jìn)入峽谷河段,如圖2(b)，峽谷的壅水作用促進(jìn)泥沙在寬谷段落淤。如圖2(a)所示，取樣斷面附近河道左岸是坡度約80°陡峭高山，右岸是沖、洪積扇共同作用的一級(jí)階地，呈現(xiàn)清晰的水平狀層理。

圖2 長(zhǎng)江源取樣河段概貌及其下游河段Fig.2 Geomorphology of the sampling reach and its downstream

3 樣品采集及研究方法

3.1 樣品采集

通過實(shí)地考察選取了采樣斷面，在斷面的一級(jí)階地、河漫灘、江心洲等位置布置采樣點(diǎn)，取樣斷面及樣品采集點(diǎn)位置見圖3(斷面取樣點(diǎn)由右岸→左岸依序編號(hào))。

圖3 樣品采集點(diǎn)位置Fig.3 Location of sample collection points

圖4 巖芯鉆孔現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Photo of core drilling

河床沉積物采集方法不同于古洪水平流沉積物的采集[8]，采用HZ-130Y型巖芯鉆機(jī)(現(xiàn)場(chǎng)施工見圖4)在河床斷面垂向鉆孔取樣，直至鉆到基巖或河水大量滲入影響取樣為止。采樣時(shí)間為2017年4月，河道流量較小、水面窄，大部分河床為裸露狀態(tài)，為鉆孔取樣提供了較好的作業(yè)空間。將取出的沉積巖芯按取樣深度依次倒入槽中,如圖5所示；依據(jù)沉積學(xué)中的含礫率、顏色、成分、分選性等指標(biāo)，定性描述樣品外觀特征，見表1；按照細(xì)沙、細(xì)沙夾礫石、粗沙夾礫石、礫石分類標(biāo)準(zhǔn)，得到河床沉積物的垂向成分變化圖，見圖6；同時(shí)采用目測(cè)法粗略估算粒徑較大的沙礫石，粒徑較小的粉土、粉沙夾礫石等樣品則單獨(dú)包裝帶回實(shí)驗(yàn)室分析。鉆孔位置及高程由GPS設(shè)備定位，河寬采用激光測(cè)距儀直接測(cè)量，水深測(cè)量通過標(biāo)尺或現(xiàn)場(chǎng)參照物進(jìn)行估算。

圖5 采集沉積物的外觀特征Fig.5 Macroscopic features of sediments

圖6 各采樣點(diǎn)河床沉積物垂向成分分段圖Fig.6 Sectional composition of riverbed sediments in each sampling point

3.2 研究方法

在定性描述樣品外觀特征的基礎(chǔ)上(見表1)進(jìn)行沉積芯分層，然后將各層沉積物取樣，按照粒徑大小不同分別采取目測(cè)法、標(biāo)準(zhǔn)篩法和激光粒度儀(LA-950 型，日本Horiba公司生產(chǎn))進(jìn)行中值粒徑D50和級(jí)配測(cè)量，并按照一般粒度參數(shù)公式計(jì)算平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)偏差、偏度和峰態(tài)，得到沉積物粒度參數(shù)及特征值。

表1 長(zhǎng)江源區(qū)采樣點(diǎn)沉積學(xué)特征描述Table 1 Pedo-stratigraphic descriptions of>sampling points

4 結(jié)果分析與討論

4.1 粒度成分分析

從表1和表2可看出長(zhǎng)江源曲麻萊段沉積物以分選和磨圓較差的沙礫石為主，成分在棕色、灰色沙質(zhì)礫巖或含礫沙巖間變化，形成塊狀層理、粒序?qū)永?，沉積厚度最深可達(dá)7 m。表2給出了一級(jí)階地、江心灘、潛灘和主汊河床的沉積物粒度參數(shù)特征值，結(jié)合圖6可見，長(zhǎng)江源曲麻萊段沉積物以沙礫石(>62.5 μm)為主，其質(zhì)量百分含量占90%以上。沉積物粒度成分垂向發(fā)生波動(dòng)，以Q1-1鉆孔為例，采集樣品中Q1-1-3以細(xì)沙(62.5～2 000 μm)為主，其質(zhì)量百分比含量為95%；Q1-1-4和Q1-1-7細(xì)沙含量則在50%以下，礫石含量(>2 000 μm)分別為49.62%和55.92%； Q1-1-6和Q1-1-8細(xì)沙含量均約為62%以下，礫石含量約為1/3；Q1-1-9則除表層沉積物以外細(xì)沙含量最大的，其含量>80%。

表2 各采樣點(diǎn)河床沉積物粒度垂向變化Table 2 Grain size characteristics of riverbed sediment at the sampling points in vertical direction

注：黏粒粒徑<2 μm，粉沙粒徑2～62.5 μm，細(xì)沙粒徑62.5～2 000 μm，礫石粒徑>2 000 μm；偏度(Sk)是表示粒徑頻率曲線對(duì)稱性的參數(shù)，分為正偏、負(fù)偏和近似對(duì)稱(Sk=-0.1～0.1)，河流沉積物多為正偏；峰度(KG)是表示粒徑頻率曲線峰態(tài)的參數(shù)，以1.11為界分為寬(數(shù)值小)、窄(數(shù)值大)2個(gè)大區(qū)間，河流沉積物峰度多樣，一般偏寬

一般認(rèn)為垂向沉積物粒度的變化主要取決于輸入物源的粗細(xì)變化，大致反映當(dāng)年水流搬運(yùn)能力的強(qiáng)弱[9-10]。當(dāng)降水較多、徑流較大、水位抬升、河流挾沙能力較強(qiáng)時(shí)，河床沉積物粒徑偏粗；當(dāng)降水較少、徑流較小、河流挾沙能力較弱時(shí)，相應(yīng)的河床沉積物粒徑偏細(xì)。故各樣品采集點(diǎn)的泥沙中值粒徑、成分垂向變化(見圖6)能夠直觀地反映出河段徑流的變化，即中值粒徑減小表明當(dāng)年徑流下降，中值粒徑增大表明當(dāng)年徑流增加。

同一采樣點(diǎn)的沉積物粒度成分垂向波動(dòng)，形成“粗→細(xì)”交替變化，反映了相應(yīng)環(huán)境下河段水文的變化及多次強(qiáng)弱交替的流水堆積過程。

4.2 粒度參數(shù)

通天河曲麻萊河段河床沉積物中值粒徑為412.02～3 163.25 μm，主要為沙礫石，標(biāo)準(zhǔn)離差介于1.08～2.38之間，多數(shù)在1～2之間，河床的分選系數(shù)介于1.69～3.21之間，為典型的非均勻沙，分選較差(標(biāo)準(zhǔn)離差[0.7，1.0]為分選中等，[1，2)為分選較差，>2為分選差)，一般河流沉積物愈往下游分選愈好，分選較差說明沉積物為河流上游段的沉積結(jié)果。

各采樣點(diǎn)中，Q1-7和Q1-6均位于河道主槽，Q1-4為最小的一個(gè)支汊，Q1-1為階地。一般認(rèn)為河漫灘、江心灘上堆積的沉積物為河床沉積物，一級(jí)階地堆積物為地貌堆積層。結(jié)合表2，可以得到沉積物粒徑大小的橫向分布規(guī)律。由表2可見，主槽的中值粒徑及礫石含量均大于支汊和階地，說明粒度差異與樣品采集的位置有關(guān)，越靠近河槽、河流動(dòng)力越強(qiáng)，沉積物粒徑越粗。反之越靠近河岸，沉積物粒徑越細(xì)，河流動(dòng)力較弱，這與河道水動(dòng)力分布規(guī)律較為吻合。

4.3 粒度自然分布頻率與累積頻率分析

沉積物粒度自然分布頻率可以比較直觀地反映河床沉積物樣品的性質(zhì)、成因和物源[11]。由表3所示，由于鉆孔位置的差異，各沉積粒度曲線存在一定差異。Q1-1曲線存在3個(gè)波峰，說明了冰川與河流的共同作用；Q1-4，Q1-6，Q1-7都存在2個(gè)波峰，是典型的河流沉積環(huán)境，同時(shí)正偏態(tài)亦是河相沉積物特征之一，說明該河段河床沉積物以河流動(dòng)力沉積為主，階地則有冰川與河流的共同作用。而河床主槽區(qū)域沉積物較寬的峰度說明其盡管是河流沉積的結(jié)果，但經(jīng)河流改造的程度并不夠明顯，仍代表著河床泥沙是多種來源混合而成。

表3各取樣點(diǎn)河床沉積物粒度特征
Table3Particlesizefeaturesofriverbedsedimentsatsamplingpoints

取樣點(diǎn)編號(hào)成分自然分布頻率曲線偏度分選性峰度最大峰值粒徑/μmQ1-1沙礫石3個(gè)波峰很正偏較差中等1 791Q1-4沙礫石2個(gè)波峰正偏差中等4 120Q1-6沙礫石2個(gè)波峰正偏較差寬4 090Q1-7沙礫石2個(gè)波峰正偏較差寬4 124

粒度累積頻率曲線是以圖解形式研究沉積物粒度成分分布特征的方法。如圖7所示，該河段河床沉積物分為2段，下段斜率大，上段斜率小，表明其主要由躍移質(zhì)和懸移質(zhì)成分組成，無滾動(dòng)沉積，是典型的壅水河道沉積結(jié)果。

圖7 通天河曲麻萊河段河床沉積物曲線Fig.7 Sediment curves of the Qumali Reach inthe Tongtian River

5 結(jié) 論

河床沉積物是河床演變的信息載體，反映特定年份河床干枯特性，也是研究河流泥沙及其搬運(yùn)狀況有效的記錄，通過本文研究得到如下結(jié)論：

(1)粒度成分和粒度概率累積曲線分析表明，長(zhǎng)江源河床沉積物以沙礫石為主，這與野外宏觀特征描述一致，同一采樣點(diǎn)的沉積物粒度成分、粒徑垂向波動(dòng)：“粗→細(xì)”交替變化，反映了相應(yīng)環(huán)境下河段水位的變化及多次強(qiáng)弱交替的流水堆積過程。

(2)粒度參數(shù)和頻率分布曲線特征顯示長(zhǎng)江源曲麻萊河段河床沉積物多為雙峰、分選差，是河流動(dòng)力沉積的結(jié)果，其階地沉積物則為多峰、分選差，推測(cè)為河流動(dòng)力與冰川動(dòng)力的共同作用。

(3)粒度概率累積曲線分析表明，沉積物由躍移質(zhì)和懸移質(zhì)成分組成，無滾動(dòng)沉積，粒徑沿橫斷面分布表現(xiàn)為河槽沉積物粒徑較粗，階地及遠(yuǎn)離主槽的支汊粒徑較細(xì)，沉積物峰值形態(tài)差異與采樣位置有關(guān)，并與河流水動(dòng)力特性基本一致。

本文通過對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)沉積物的研究，揭示江源地區(qū)沉積物粒度的基本特性，可為探索長(zhǎng)江源區(qū)河流歷史演化過程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。