湖南张家界溹水上游河床砾卵石输移分析

师长兴

摘要 对张家界石英砂岩峰林核心景区溹水上游河床砾卵石的搬运量进行了分析计算.野外实测发现，溹水上游近出口控制断面河床由大于1 cm的砾石和卵石组成.利用河床和流量实测数据，结合日降水序列和实测径流过程流量分布分析，计算得到溹水上游控制断面砾卵石的年均输移量约为1 470 kg/a，模数为20.7 kg/（km2·a）.分析认为相对于化学溶蚀和泥沙输移，在现在河床边界条件下，溹水上游的砾卵石输移不是侵蚀搬运的主要形式，这些粗颗粒物质需要经过进一步溶蚀或机械风化和磨蚀细化后，经水流搬运而实现河床的不断下切.

关键词 砂岩峰林；流域剥蚀；推移质

中图分类号TV142+2文献标识码A文章编号10002537（2015）01000105

张家界武陵源区以其独特的石英砂岩峰林地貌而闻名于世.张家界石英砂岩峰林由具有密集垂直节理且产状近水平的厚层泥盆系石英砂岩组成，是这套地层在构造抬升后经水流侵蚀切割而形成的[1].也就是说水流的侵蚀与搬运作用在张家界砂岩地貌形成中起着十分重要的作用.水流的侵蚀搬运作用包括化学溶蚀和物理剥蚀与溶解质和泥沙的搬运过程.河流泥沙的侵蚀与搬运作用是地球上从陆地到海洋泥沙输移的主要过程[2].我国的流域盆地的机械或物理剥蚀率大多高于世界平均值，南方河流的化学剥蚀率也高于世界主要流域的平均值[3].在张家界砂岩峰林主要发育地区的负地形是宽窄不同的纵横交织的河谷，河谷底部是砾卵石组成的河床.这些粗颗粒泥沙级配分布宽，其中较细的部分在水流作用下，沿床面滑动、滚动或在近床面跃移而形成推移质[4].掌握这部分泥沙随水流向下游搬运量，对于这一地区地表剥蚀速率，定量分析砂岩峰林地貌发育过程显然有着重要的意义.

张家界砂岩石柱主要发育于溹水（或溹溪）流域，十里画廊、金鞭溪、黄石寨等张家界砂岩石柱最为优美的景点都集中在溹水上游.为了揭示这一砂岩石柱核心景区的径流过程特征以及砾卵石搬运过程，我们在溹溪湖库尾以上，十里画廊所在的甘溪汇口以下设置了水位站，记录了溹水上游近出口断面水位变化过程，并通过流速测量和断面测量、断面床沙粒度测量，获得了连续一年以上的溹水上游径流过程曲线，分析了径流变化特征，计算了溹水砾石和卵石推移质输移强度.

1研究区概况

溹水属澧水流域，溹水在江垭汇入溇水，溇水在慈利汇入澧水.溹水发源于大庸磨子峪，河长63.8 km，河道比降为0.013，流域面积522 km2（图1）.武陵源公园东门以上（距河源20 km）为溹水上游[5].水位站站点设置在甘溪汇口以下约250 m处，站点河滩地面海拔419 m，控制流域面积71.1 km2.水位站以上溹水干流长15.5 km，河道平均比降为0.035.

2数据和方法

2.1流量过程

利用水位仪记录了自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日水位站水位变化过程，2012年9月和2013年9月进行了不同水位下水位站断面的流量测量.并通过部分时段流速测量，以及断面测量、断面床沙粒度测量，计算获得了连续一年以上的溹水上游径流过程.

图2为水位站河床横断面.断面分主槽和滩地两部分，主槽右（南）侧为一卵石滩，卵石滩与右侧滩地间为一支沟，但因卵石滩在上游不远处与右岸滩地相接，在低水位时，右侧支汊水流很小.河道两侧滩地上生长着茂密的草灌和乔木.漫滩流量下，主槽宽度为39.7 m，平均深度为0.67 m，宽深比为59.属比较宽浅的顺直型河道.水文站断面上游73 m至下游50 m长河道中心线纵剖面实测水面比降约为0.887%.

图3为利用观测数据计算得到的流量过程曲线.测量时段共480 d，日平均流量为1.88 m3/s.流量量级主要集中在0.1～10.9 m3/s，占时段总流量的78.6%.50 m3/s以上流量的历时320 min，占时段总流量的164%.记录到的最大洪峰流量为80.1 m3/s.

图3溹水水位站流量变化过程（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河床砾卵石粒度测量

2013年9月12～13日测量了河床砾卵石的粒度组成.测量时随机从河床抓取砾卵石，用卷尺测量砾卵石的三轴即长（a）、中（b）、短 （c） 轴的长度，共测量171颗砾卵石.这些河床砾卵石数据将用于获取河床组成参数，还用于分析估计河道水力参数和水流输沙量.

2.3降雨量

本文利用研究区周围6个气象站的日降雨数据（图1），用距离平方倒数法插值计算了研究区的日降水量.利用这一降水系列，分析了有观测时段的降雨径流关系和不同时期日降水量分布特征.

2.4砾卵石推移质输移计算

使用秦荣昱提出的方法计算了推移质输沙率[78].该方法考虑了复杂床面的有效输沙水力条件，不均匀床沙组成和床沙粗化对输沙的影响，经与其他推移质输沙公式对比，相对更适合估算研究区的推移质输沙规律.计算方法和公式参考文献[7～8]，具体步骤如下：

（1）计算床沙颗粒不动、输沙率为零的最大水深，或床沙中最细颗粒处于临界输移状态的最小水深.其表达式为hk = （25mDm + 10Dmin）/D901/3×hm4/3/Vm2. 式中hk为输沙率为零的最大水深（m），Dm为床沙平均粒径（m），Dmin为床沙最细粒径（m），D90为床沙中90%较之为细的粒径（m），hm为平均水深（m），Vm为平均流速（m3/s），m为床沙颗粒间的紧密系数，与床沙的不均匀程度有关，可根据m～D60/D10关系图查得（见文献[7]图3），其中D60和D10分别为床沙中60%和10%较之为细的粒径（m）.