水利工程論文-長(zhǎng)江中下游床沙組成垂直變化成因分析.doc

水利工程論文-長(zhǎng)江中下游床沙組成垂直變化成因分析摘要：通過晚更新世氣候冷暖變化，分析長(zhǎng)江河床演變，采用古地貌復(fù)原法，論證長(zhǎng)江中下游床沙組成垂直變化成因。認(rèn)為東中國海的海退和海侵，是形成長(zhǎng)江中下游卵礫石潛伏于沙層之下，覆蓋于基巖之上的原因；長(zhǎng)江上游卵礫石推移質(zhì)洲頭，現(xiàn)在已運(yùn)動(dòng)到宜昌下游約110km的江口一帶。三峽工程投產(chǎn)后，因壩下游清水沖刷，卵礫石仍將向下游運(yùn)動(dòng)一段距離。關(guān)鍵詞：海退海侵長(zhǎng)江床沙成因前言據(jù)大量地質(zhì)勘探資料揭示，長(zhǎng)江上游干支流河床中存在深厚的覆蓋層。例如，金沙江下段一般厚2030m，中段的虎跳峽達(dá)60200m，四川盆地的嘉陵江為1020m。金沙江覆蓋層的物質(zhì)組成：上部為現(xiàn)代漂卵石層，中部為塊碎石層，下部為含卵礫石的沙層或含沙的卵礫石層。嘉陵江都為現(xiàn)代卵礫石層。宜昌至下游110km的江口為卵礫石夾沙河床，河床中可見卵礫石洲灘分布。江口藕池口卵礫石層面以大于現(xiàn)代河床的坡度，向下游傾斜，沙層厚1020m，其下為卵礫石層。在天然情況下局部沖刷坑下游出現(xiàn)卵礫石的殼狀堆積體，這些殼狀堆積體的卵礫石，主要不是現(xiàn)代江口以上輸移下來的，而是沙層底部卵石沖出。下荊江卵礫石埋藏很深。武漢-南京覆蓋層厚度一般在3040m。覆蓋層的物質(zhì)組成：上部為粘性土層，中部為沙層，下部為卵礫石層。圖1、表1為裕溪口和黃石市上游約20km的圖1長(zhǎng)江裕溪口-曹姑洲-四褐山河床地質(zhì)剖面圖GeologicprofileofriverbedinthereachoftheYuxikouCaoguzhoudeltaSijiehill戴家洲地質(zhì)剖面(鉆孔未穿透)。因此，江口一帶以上為卵礫石夾沙河床，其下游卵礫石由表層消失，出現(xiàn)在河槽底部。江口附近成為上游和中下游卵礫石垂直分布變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。表1戴家洲深孔剖面ProfileofthedeepdrilledholeatDaijiazhoudelta深度(m)組成物質(zhì)中數(shù)粒徑(mm)最大粒徑(mm)大于0.5mm粒徑含量(%)01.3深褐色細(xì)粉砂1.34.9棕黃色淤泥質(zhì)粉壤土小于0.1小于0.104.918.0細(xì)砂0.0750.140.170.34018.030.6中細(xì)砂偶夾粗砂和礫石0.180.320.510.01.511.830.630.75卵礫石1871.9注：據(jù)參考文獻(xiàn)3資料整理。長(zhǎng)江上游和中下游床沙均系全新統(tǒng)沉積物。粒徑垂直變化：上游為“上層粗下層細(xì)”，表層卵礫石可以運(yùn)動(dòng)；中下游為“上層細(xì)下層粗”，卵礫石覆蓋于基巖石之上，被壓在沙層下面不能運(yùn)動(dòng)。這一現(xiàn)象引起泥沙工程師的關(guān)注，追究其成因不但對(duì)研究長(zhǎng)江中下游河床演變，還對(duì)研究三峽水庫下泄清水沖刷河床和中下游堤防工程具有重大意義。1玉木冰期的海退第四紀(jì)自然界的最大特點(diǎn)是具有輪回性變化的現(xiàn)象，即冰期與間冰期，海退與海侵，地殼抬升與下降，剝蝕與堆積等交替出現(xiàn)。冰期盛行時(shí)，地球上冰流和冰川覆蓋體積約7700萬km3，約為現(xiàn)存冰川2625萬km3的3倍。地球大量水體以固體形式貯存，勢(shì)必引起全球性的海面下降。趙松齡等研究認(rèn)為30萬年來中國東部沿海發(fā)生過5次大的海侵和海退。晚更新世發(fā)生過2次大的海退，第一次在5萬年前的玉木(wrm)冰期早期，當(dāng)時(shí)海平面低于現(xiàn)代70100m；第二次在1.5萬年前的玉木冰期最盛期，是30萬年中最大的一次海退。國外研究一般認(rèn)為1.5萬年前，全球海平面下降130m左右。楊懷仁研究認(rèn)為，主玉木冰期東海海面高程為-150-160m。金慶明根據(jù)微體古生物、孢粉組合和C14年齡測(cè)定，認(rèn)為距今1.5萬年左右，東海海面低于現(xiàn)代150160m。王靖泰等根據(jù)海濱砂堤、貝殼堤、C14測(cè)年等資料，認(rèn)為據(jù)今14780700年前的東海平面為-155m，海岸線向東后退600km，并繪制了“中國東部晚更新世以來溫度變化和海面升降曲線”(圖2)。任美鍔研究認(rèn)為在距今1.5萬年前，東海海平面位置在水深150160m靠近大陸架轉(zhuǎn)折處，并作了晚更新世東中國海海岸線圖(圖3)。圖2中國東部晚更新世以來溫度變化和海面升降曲線(據(jù)王靖泰、汪品先)VariationofsealevelandtemperatureinEastChinaseaafterLatePleistocene(referringtoJingtaiWang、PingxianWang)圖3晚更新世東中國海海岸線圖(據(jù)任美鍔)CoastofEastChinainLatePleistocene(referringtoMeieRen)水下長(zhǎng)江古河道有兩條，一條在北緯3030，東經(jīng)12750處入海槽；另一條在北緯2800，東經(jīng)12650入海槽。河口位置比現(xiàn)在長(zhǎng)江口偏南，海岸向東直線延伸約600km。李從先等研究認(rèn)為，水下長(zhǎng)江三角洲平原向東傾斜的自然坡度為0.180.31，古河谷寬達(dá)30余km。古平原在海相沉積物之下，為粘土、亞粘土、黃褐色砂礫層等構(gòu)成的陸相沉積物，在沖繩海槽內(nèi)側(cè)有古長(zhǎng)江搬運(yùn)來的泥沙沉積物。水下三角洲體積巨大，可見當(dāng)時(shí)長(zhǎng)江輸移的泥沙是豐富的；水下三角洲疊置，可見侵蝕基準(zhǔn)面在相對(duì)下降，曾一度出露海面受到剝蝕。又據(jù)勘測(cè)資料，現(xiàn)長(zhǎng)江三角洲地下存在兩級(jí)古長(zhǎng)江階地，在我國釣魚島附近的海底曾采集到納瑪象牙齒化石。各位學(xué)者的研究成果，均證實(shí)了距今10萬年內(nèi)發(fā)生過兩次大的海退，東海海平面曾兩度大幅度下降。2長(zhǎng)江中下游河床古地貌復(fù)原長(zhǎng)江中下游河谷兩岸存在兩級(jí)階地，形成年代分別為晚更新世中期和后期，同海退時(shí)間吻合。根據(jù)上述研究成果和河床演變規(guī)律，對(duì)長(zhǎng)江中下游進(jìn)行河谷古地貌復(fù)原。距今107萬年的晚更新世早期，年平均氣溫高于現(xiàn)代25，降水充沛；植被良好，河流含沙量低但輸沙量大；海平面高于現(xiàn)代57m，長(zhǎng)江口在揚(yáng)州、鎮(zhèn)江附近，潮汐可達(dá)九江；長(zhǎng)江江面寬闊，形成了廣闊的河漫灘(alQ31)。距今74萬年，進(jìn)入早玉木冰期，年平均氣溫低于現(xiàn)代約5，降水量減少，呈半干燥氣候；植被差，徑流量減少，河床縮窄；海平面下降70100m。因侵蝕基準(zhǔn)面下降河流下切河床，原河漫灘(alQ31)遠(yuǎn)高于水面。長(zhǎng)江口向東延伸數(shù)百公里形成較大的水下三角洲。距今42.5萬年，進(jìn)入玉木間冰期。氣溫回升，河川徑流量增大，海平面上升，高程雖低于現(xiàn)代但相差不多。長(zhǎng)江徑流量沒有早玉木冰期前豐沛，河寬不如早玉木冰期前廣闊。因地形抬升早玉木冰期前的河漫灘(alQ31)已上升為階地。此時(shí)長(zhǎng)江又形成了新的河漫灘(alQ32)，新河漫灘的規(guī)模較小。距今2.5萬年，進(jìn)入玉木主冰期。1.5萬年前海平面下降到-150-160m，比早玉木冰期低得多。長(zhǎng)江口向東直線延伸約600km，到達(dá)今大陸架邊緣直達(dá)海槽。長(zhǎng)江、黃河和其它河流三角洲相合，形成巨大的凸出體。黃海和東海大陸架出露成陸，形成了遼闊坦蕩的海濱平原。在距今2.51.5萬年的1萬年時(shí)間內(nèi)，長(zhǎng)江侵蝕基準(zhǔn)面不斷下降，河流產(chǎn)生溯源沖刷，水流下切河床。沖刷過程中把覆蓋于基巖之上的晚更新統(tǒng)沉積物蕩滌干凈，并使早玉木冰期形成的水下三角洲也遭受侵蝕。玉木間冰期形成的河漫灘(alQ32)又遠(yuǎn)高于水面。玉木冰期以后直到現(xiàn)在為關(guān)后期屬全新世，氣溫回升，植被變好，徑流增大，海水位回升，約6000年前恢復(fù)到現(xiàn)海平面。因河口水位抬高，比降變緩，泥沙回淤，在河床中形成了全新統(tǒng)沉積物。因地形抬升，107萬年前晚更新世早期形成的河漫灘(alQ31)，演變?yōu)榻袢斩?jí)階地。42.5萬年前玉木間冰期形成的河漫灘(alQ32)，演變?yōu)榻袢盏囊患?jí)階地。形成該河漫灘(alQ32)時(shí)的流量小于現(xiàn)代，河漫灘規(guī)模不大，故目前長(zhǎng)江中下游一級(jí)階地分布較為分散零星，且多數(shù)緊貼二級(jí)階地臨長(zhǎng)江一側(cè)。二級(jí)階地是在中更新世沉積物上發(fā)展的，故現(xiàn)在的二級(jí)階地下部常由中更新世的棕紅色礫石層和網(wǎng)紋紅土組成，上部為晚更新世的棕黃色亞粘土和沙卵礫，一旦臨江便成磯頭。鎮(zhèn)江以東兩次海退形成的階地，均被后期沉積物覆蓋被埋于地下。3現(xiàn)代長(zhǎng)江中下游床沙的形成上節(jié)恢復(fù)了晚更新世長(zhǎng)江中下游古河床地貌。值得探討的問題：海平面下降期間，長(zhǎng)江溯源侵蝕的終點(diǎn)在何處；現(xiàn)代長(zhǎng)江中下游的床沙形成同海退海侵關(guān)系如何。影響水流對(duì)床面剪力作用的諸水力因素中，最活躍的是比降。當(dāng)河口水位下降，勢(shì)必引起河流縱比降加大，水流對(duì)床面剪力加大，垂直、溯源侵蝕和沿程沖刷作用加強(qiáng)。河槽沿程淤積同沖刷相比，以沖刷為主。猶如降低壩前水位水庫發(fā)生溯源、沿程沖刷。根據(jù)鐵道部大橋工程局鉆探和有關(guān)地貌資料(詳見表2)，可以大致把現(xiàn)代長(zhǎng)江基巖面，覆蓋層厚度，一級(jí)階地高程連貫起來(詳見圖4)?；鶐r面大致代表1.5萬年前長(zhǎng)江坡度。武漢-大通1966年7月19日高水水面線縱比降為0.024，武漢-南京一級(jí)階地平圖4長(zhǎng)江中下游河谷地貌縱剖面示意圖ProfilesketchofphysiognomyofmiddleandlowerreachesoftheYangtzeRiver均坡度為0.026，兩者較接近，故一級(jí)階地平均坡度大致可代表2.5萬年前玉木間冰期長(zhǎng)江坡度。此外，圖4的圖形是一個(gè)典型的三角洲淤積縱剖面。表2宜昌-南京基巖頂板高程、覆蓋層厚度ThicknessofoverburdenandaltitudeoffoundationrockfromYichangtoNanjing地名宜昌武漢武穴九江安慶裕溪口南京基巖頂板平均高程(m)25-15-30-35-45-51-56-64覆蓋層平均厚度(m)523.53537404141一級(jí)階地平均高程(m)60403237302422采用基巖頂板坡度同一級(jí)階地坡度的比值，判斷海退時(shí)溯源沖刷的可能范圍。河段劃分為宜昌-武漢，武漢-裕溪口，裕溪口-南京三段。經(jīng)計(jì)算基巖頂板平均坡度同一級(jí)階地平均坡度之比，三河段比值分別為2，2.3和4.5。根據(jù)水庫溯源沖刷前后比降相差2倍即可發(fā)生強(qiáng)烈沖刷判斷，在海退的1萬年期間，長(zhǎng)江溯源侵蝕的長(zhǎng)度已越過宜昌，最終范圍應(yīng)在宜昌上游某一區(qū)段。上述坡降比值，以裕溪口-南京最大，達(dá)4.5倍；宜昌-武漢最小，為2倍；這與水庫降低壩前水位后，溯源沖刷強(qiáng)度隨距壩距離的增加而逐漸減小的規(guī)律一致。長(zhǎng)江口外水下三角洲坡度為0.180.31，裕溪口-南京基巖坡度為0.13，武漢-裕溪口為0.06。上述三坡度是下游大于上游，也符合水庫降低水位溯源沖刷，比降隨長(zhǎng)度增加而減小的規(guī)律。文獻(xiàn)6中談到：距今110006000年，當(dāng)時(shí)黃河下