水利工程論文-黃河中游多沙粗沙區(qū)高含沙水流的粒度組成及其地貌學意義.doc

水利工程論文-黃河中游多沙粗沙區(qū)高含沙水流的粒度組成及其地貌學意義摘要：通過野外實測資料的分析，發(fā)現(xiàn)在黃土高原的高含沙水流中，存在著某種最優(yōu)的懸移質(zhì)泥沙粒度組成，使得含沙量達到最大。這一最優(yōu)粒度組成的出現(xiàn)，與流域中黃土、風成沙和基巖這三種物源的特定搭配有關(guān)，也是風力-水力交替區(qū)特有的外營力作用的結(jié)果。與懸移質(zhì)泥沙的最優(yōu)粒度組成相對應(yīng)，出現(xiàn)了黃河中游多沙粗沙區(qū)產(chǎn)沙模數(shù)最大值。關(guān)鍵詞：高含沙水流最優(yōu)粒度組成侵蝕產(chǎn)沙黃土高原1問題的提出黃河中游多沙粗沙區(qū)既是我國高含沙水流最為發(fā)育的地區(qū)，又是我國侵蝕產(chǎn)沙強度最高的地區(qū)。這一地區(qū)河流的斷面最大含沙量一般在1000kg/m3以上，而多年平均產(chǎn)沙模數(shù)則在500025000t/km3/a之間。高含沙水流是高強度侵蝕的產(chǎn)物，但它一旦形成之后，由于其特殊的物理、力學和能耗性質(zhì)，又會對泥沙的侵蝕、搬運過程產(chǎn)生巨大的反饋作用，從而大大地強化侵蝕產(chǎn)沙過程。對這二者之間的關(guān)系進行研究，將有助于更加深刻地認識這一地區(qū)的侵蝕機理。高含沙水流是一種特殊的固體-液體兩相流，其物理、力學行為與它所挾帶泥沙的1。一些研究者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就同一站點而言，懸移質(zhì)含沙量越大，則懸移質(zhì)的粒度組成越粗1。但是，如果考慮不同站點的情形，由于不同物質(zhì)來源及外營力作用的影響，則情況要復雜得多。在黃土高原的高含沙水流中，小于0.01mm的顆粒與水形成近于均質(zhì)、具有一定絮凝結(jié)構(gòu)的漿液，即液相；而大于0.05mm的粗顆粒作為固相懸浮于其中。液相與固相之間存在著相互作用、相互制約的關(guān)系。如果細顆粒的含量不足而粗顆粒較多，則上述均質(zhì)漿液的容重較小，不足以使大量的粗顆粒懸浮而搬運，故挾沙水流的極限含沙量較?。蝗绻氼w粒太多，形成的漿液粘滯性很大，將有可能轉(zhuǎn)化為層流，并進而發(fā)生阻塞，最后停止運動，也無法形成很大的極限含沙量。顯然，很可能存在著一種介于上述兩種極端情形之間的最優(yōu)粒度組成，使得高含沙水流的極限含沙量達到最大。戴紀嵐等在實驗室中對管流的研究發(fā)現(xiàn)，對于一定粒徑的顆粒，存在著一個最佳級配和細顆粒的最優(yōu)含量，使得管道兩相流的阻力最小，輸沙能力最大2。我們在對黃河中游支流的研究中首次發(fā)現(xiàn)，對于天然高含沙水流而言，同樣存在著某種最優(yōu)的粒度組成，這種最優(yōu)粒度組成對于闡明黃河中游多沙粗沙區(qū)的高強度侵蝕有著重要的地貌學意義。本文對此作簡報道。2高含沙水流的最優(yōu)粒度組成除了基巖以外，黃河中游的地表物質(zhì)組成具有十分顯著的地帶性分異特征。從西北向東南，依次為風成沙、不連續(xù)的風成沙覆蓋的沙黃土、黃土和粘黃土，其粒度組成逐漸變細。在一定意義上說，分布在沙漠地區(qū)的河流，由于缺乏細顆粒泥沙的補給，其水流接近于上文中所說的前一種極端情形；而分布在粘黃土地區(qū)的河流，由于缺乏足夠的粗顆粒泥沙的補給，其水流接近于上文中所說的后一種極端情形。顯然，在這兩種情形下，高含沙水流所能達到的極限含沙量都不會很高，只有介于二者之間的某一特定的地表物質(zhì)組合，才能使高含沙水流的含沙量達到最大。圖1中以歷年的資料為基礎(chǔ)，點繪了年最大含沙量與年降水量的關(guān)系。圖1位于不同類型地區(qū)河流的年最大含沙量與年降水量的關(guān)系其中，以無定河的支流海流兔河韓家峁站代表沙漠地區(qū)的河流，以渭河支流牛頭河石嶺寺站代表粘黃土地區(qū)的河流，而以無定河的支流蘆河橫山站代表位于風成沙與黃土過渡區(qū)的河流。可以看到，沙漠地區(qū)河流的年最大含沙量在1090kg/m3之間，粘黃土地區(qū)河流的年最大含沙量在400700kg/m3之間，而位于風成沙與黃土過渡區(qū)的河流，其年最大含沙量可以達到10001500kg/m3。圖2懸移質(zhì)含沙量與懸移質(zhì)粒度組成的關(guān)系為了揭示高含沙水流的含沙量與其懸移質(zhì)粒度組成的關(guān)系，我們以懸移質(zhì)泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm的重量百分比的多年平均值來表示其粒度組成，并以黃河中游各支流共40余站的資料為基礎(chǔ)，圖2(a)和2(b)中分別點繪了最大年平均含沙量Cmax與懸移質(zhì)泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm百分比的關(guān)系。另一方面，在一定意義上，多年平均的懸移質(zhì)泥沙的粒度組成反映了流域地表物質(zhì)組成特性，而多年平均含沙量則可以用來表示挾沙水流的一般特性。為了揭示這兩者之間的關(guān)系，圖2(c)和2(d)中還分別點繪了多年平均含沙量Cmean與懸移質(zhì)泥沙中大于0.05mm和小于0.01mm百分比的關(guān)系。在圖2中，盡管點據(jù)比較分散，但仍有明顯的趨勢，即Cmax和Cmean大致在大于0.05mm百分比為40%(見圖2(a)、2(c)、小于0.01mm百分比為20%(見圖2(b)、2(d)時達到最大值，當上述兩個百分比小于此值時，含沙量都變小。因此，0.05mm百分比大于40%、0.01mm百分比小于20%可視為使這一地區(qū)高含沙水流的含沙量和年平均含沙量達到最大的最優(yōu)粒度組成。3形成原因馬秀峰、景可等的研究表明3,4，黃河中游多沙粗沙區(qū)河流懸移質(zhì)泥沙的粒度組成比黃土粗，說明其中較粗的部分可能是黃土以外的來源所提供的。在基巖分布面積較大的地區(qū)，這部分粗泥沙可能來自基巖風化物，而在風力、水力交互作用地區(qū)，這部分粗泥沙則可能來自風成沙。為了證明后一點，我們以懸移質(zhì)泥沙中與黃土中大于0.05mm百分比之差作為指標，來表示黃土以外的粗泥沙來源對懸移質(zhì)泥沙的貢獻，而以多年平均沙塵暴日數(shù)表示受風力影響的程度。二者的關(guān)系已點繪在圖3(a)中。雖然點子比較分散，但仍可以看出某種正相關(guān)關(guān)系，即隨著風力作用的增強，它為懸移質(zhì)泥沙所提供的粗顆粒也增多。為了進一步證明風成沙的作用，圖3(b)中點繪了懸移質(zhì)泥沙中大于0.05mm百分比與年均沙塵暴日數(shù)的關(guān)系。所有點子可以用斜率不同的兩條直線來擬合；當年均沙塵暴日數(shù)超過10天以后，懸移質(zhì)泥沙急劇變粗，說明了風成沙的補給作用迅速增大。圖3風力作用與懸移質(zhì)泥沙粒度的關(guān)系應(yīng)該指出，風力作用與水力作用在時間上是異相的，前者盛行于冬春季，而后者則盛行于夏季。春季和冬季中風力將粗顆粒泥沙搬運到坡面、溝道、河道(特別是河岸和河漫灘)等地貌部位，夏季中包含大量細顆粒的暴雨徑流則將這部分粗泥沙繼續(xù)向下搬運。主流擺動導致河岸侵蝕，使逼近河岸的風成沙丘坍入河中，是風成沙進入河道的重要形式。很顯然，形成于黃土地區(qū)的暴雨徑流構(gòu)成了固體-液體兩相流的液相，而風成沙所提供的粗顆粒與沙黃土及基巖風化物中的粗