水利工程论文-长江中下游床沙组成垂直变化成因分析.doc

水利工程论文-长江中下游床沙组成垂直变化成因分析摘要：通过晚更新世气候冷暖变化，分析长江河床演变，采用古地貌复原法，论证长江中下游床沙组成垂直变化成因。认为东中国海的海退和海侵，是形成长江中下游卵砾石潜伏于沙层之下，覆盖于基岩之上的原因；长江上游卵砾石推移质洲头，现在已运动到宜昌下游约110km的江口一带。三峡工程投产后，因坝下游清水冲刷，卵砾石仍将向下游运动一段距离。关键词：海退海侵长江床沙成因前言据大量地质勘探资料揭示，长江上游干支流河床中存在深厚的覆盖层。例如，金沙江下段一般厚2030m，中段的虎跳峡达60200m，四川盆地的嘉陵江为1020m。金沙江覆盖层的物质组成：上部为现代漂卵石层，中部为块碎石层，下部为含卵砾石的沙层或含沙的卵砾石层。嘉陵江都为现代卵砾石层。宜昌至下游110km的江口为卵砾石夹沙河床，河床中可见卵砾石洲滩分布。江口藕池口卵砾石层面以大于现代河床的坡度，向下游倾斜，沙层厚1020m，其下为卵砾石层。在天然情况下局部冲刷坑下游出现卵砾石的壳状堆积体，这些壳状堆积体的卵砾石，主要不是现代江口以上输移下来的，而是沙层底部卵石冲出。下荆江卵砾石埋藏很深。武汉-南京覆盖层厚度一般在3040m。覆盖层的物质组成：上部为粘性土层，中部为沙层，下部为卵砾石层。图1、表1为裕溪口和黄石市上游约20km的图1长江裕溪口-曹姑洲-四褐山河床地质剖面图GeologicprofileofriverbedinthereachoftheYuxikouCaoguzhoudeltaSijiehill戴家洲地质剖面(钻孔未穿透)。因此，江口一带以上为卵砾石夹沙河床，其下游卵砾石由表层消失，出现在河槽底部。江口附近成为上游和中下游卵砾石垂直分布变化的转折点。表1戴家洲深孔剖面ProfileofthedeepdrilledholeatDaijiazhoudelta深度(m)组成物质中数粒径(mm)最大粒径(mm)大于0.5mm粒径含量(%)01.3深褐色细粉砂1.34.9棕黄色淤泥质粉壤土小于0.1小于0.104.918.0细砂0.0750.140.170.34018.030.6中细砂偶夹粗砂和砾石0.180.320.510.01.511.830.630.75卵砾石1871.9注：据参考文献3资料整理。长江上游和中下游床沙均系全新统沉积物。粒径垂直变化：上游为“上层粗下层细”，表层卵砾石可以运动；中下游为“上层细下层粗”，卵砾石覆盖于基岩石之上，被压在沙层下面不能运动。这一现象引起泥沙工程师的关注，追究其成因不但对研究长江中下游河床演变，还对研究三峡水库下泄清水冲刷河床和中下游堤防工程具有重大意义。1玉木冰期的海退第四纪自然界的最大特点是具有轮回性变化的现象，即冰期与间冰期，海退与海侵，地壳抬升与下降，剥蚀与堆积等交替出现。冰期盛行时，地球上冰流和冰川覆盖体积约7700万km3，约为现存冰川2625万km3的3倍。地球大量水体以固体形式贮存，势必引起全球性的海面下降。赵松龄等研究认为30万年来中国东部沿海发生过5次大的海侵和海退。晚更新世发生过2次大的海退，第一次在5万年前的玉木(wrm)冰期早期，当时海平面低于现代70100m；第二次在1.5万年前的玉木冰期最盛期，是30万年中最大的一次海退。国外研究一般认为1.5万年前，全球海平面下降130m左右。杨怀仁研究认为，主玉木冰期东海海面高程为-150-160m。金庆明根据微体古生物、孢粉组合和C14年龄测定，认为距今1.5万年左右，东海海面低于现代150160m。王靖泰等根据海滨砂堤、贝壳堤、C14测年等资料，认为据今14780700年前的东海平面为-155m，海岸线向东后退600km，并绘制了“中国东部晚更新世以来温度变化和海面升降曲线”(图2)。任美锷研究认为在距今1.5万年前，东海海平面位置在水深150160m靠近大陆架转折处，并作了晚更新世东中国海海岸线图(图3)。图2中国东部晚更新世以来温度变化和海面升降曲线(据王靖泰、汪品先)VariationofsealevelandtemperatureinEastChinaseaafterLatePleistocene(referringtoJingtaiWang、PingxianWang)图3晚更新世东中国海海岸线图(据任美锷)CoastofEastChinainLatePleistocene(referringtoMeieRen)水下长江古河道有两条，一条在北纬3030，东经12750处入海槽；另一条在北纬2800，东经12650入海槽。河口位置比现在长江口偏南，海岸向东直线延伸约600km。李从先等研究认为，水下长江三角洲平原向东倾斜的自然坡度为0.180.31，古河谷宽达30余km。古平原在海相沉积物之下，为粘土、亚粘土、黄褐色砂砾层等构成的陆相沉积物，在冲绳海槽内侧有古长江搬运来的泥沙沉积物。水下三角洲体积巨大，可见当时长江输移的泥沙是丰富的；水下三角洲叠置，可见侵蚀基准面在相对下降，曾一度出露海面受到剥蚀。又据勘测资料，现长江三角洲地下存在两级古长江阶地，在我国钓鱼岛附近的海底曾采集到纳玛象牙齿化石。各位学者的研究成果，均证实了距今10万年内发生过两次大的海退，东海海平面曾两度大幅度下降。2长江中下游河床古地貌复原长江中下游河谷两岸存在两级阶地，形成年代分别为晚更新世中期和后期，同海退时间吻合。根据上述研究成果和河床演变规律，对长江中下游进行河谷古地貌复原。距今107万年的晚更新世早期，年平均气温高于现代25，降水充沛；植被良好，河流含沙量低但输沙量大；海平面高于现代57m，长江口在扬州、镇江附近，潮汐可达九江；长江江面宽阔，形成了广阔的河漫滩(alQ31)。距今74万年，进入早玉木冰期，年平均气温低于现代约5，降水量减少，呈半干燥气候；植被差，径流量减少，河床缩窄；海平面下降70100m。因侵蚀基准面下降河流下切河床，原河漫滩(alQ31)远高于水面。长江口向东延伸数百公里形成较大的水下三角洲。距今42.5万年，进入玉木间冰期。气温回升，河川径流量增大，海平面上升，高程虽低于现代但相差不多。长江径流量没有早玉木冰期前丰沛，河宽不如早玉木冰期前广阔。因地形抬升早玉木冰期前的河漫滩(alQ31)已上升为阶地。此时长江又形成了新的河漫滩(alQ32)，新河漫滩的规模较小。距今2.5万年，进入玉木主冰期。1.5万年前海平面下降到-150-160m，比早玉木冰期低得多。长江口向东直线延伸约600km，到达今大陆架边缘直达海槽。长江、黄河和其它河流三角洲相合，形成巨大的凸出体。黄海和东海大陆架出露成陆，形成了辽阔坦荡的海滨平原。在距今2.51.5万年的1万年时间内，长江侵蚀基准面不断下降，河流产生溯源冲刷，水流下切河床。冲刷过程中把覆盖于基岩之上的晚更新统沉积物荡涤干净，并使早玉木冰期形成的水下三角洲也遭受侵蚀。玉木间冰期形成的河漫滩(alQ32)又远高于水面。玉木冰期以后直到现在为关后期属全新世，气温回升，植被变好，径流增大，海水位回升，约6000年前恢复到现海平面。因河口水位抬高，比降变缓，泥沙回淤，在河床中形成了全新统沉积物。因地形抬升，107万年前晚更新世早期形成的河漫滩(alQ31)，演变为今日二级阶地。42.5万年前玉木间冰期形成的河漫滩(alQ32)，演变为今日的一级阶地。形成该河漫滩(alQ32)时的流量小于现代，河漫滩规模不大，故目前长江中下游一级阶地分布较为分散零星，且多数紧贴二级阶地临长江一侧。二级阶地是在中更新世沉积物上发展的，故现在的二级阶地下部常由中更新世的棕红色砾石层和网纹红土组成，上部为晚更新世的棕黄色亚粘土和沙卵砾，一旦临江便成矶头。镇江以东两次海退形成的阶地，均被后期沉积物覆盖被埋于地下。3现代长江中下游床沙的形成上节恢复了晚更新世长江中下游古河床地貌。值得探讨的问题：海平面下降期间，长江溯源侵蚀的终点在何处；现代长江中下游的床沙形成同海退海侵关系如何。影响水流对床面剪力作用的诸水力因素中，最活跃的是比降。当河口水位下降，势必引起河流纵比降加大，水流对床面剪力加大，垂直、溯源侵蚀和沿程冲刷作用加强。河槽沿程淤积同冲刷相比，以冲刷为主。犹如降低坝前水位水库发生溯源、沿程冲刷。根据铁道部大桥工程局钻探和有关地貌资料(详见表2)，可以大致把现代长江基岩面，覆盖层厚度，一级阶地高程连贯起来(详见图4)。基岩面大致代表1.5万年前长江坡度。武汉-大通1966年7月19日高水水面线纵比降为0.024，武汉-南京一级阶地平图4长江中下游河谷地貌纵剖面示意图ProfilesketchofphysiognomyofmiddleandlowerreachesoftheYangtzeRiver均坡度为0.026，两者较接近，故一级阶地平均坡度大致可代表2.5万年前玉木间冰期长江坡度。此外，图4的图形是一个典型的三角洲淤积纵剖面。表2宜昌-南京基岩顶板高程、覆盖层厚度ThicknessofoverburdenandaltitudeoffoundationrockfromYichangtoNanjing地名宜昌武汉武穴九江安庆裕溪口南京基岩顶板平均高程(m)25-15-30-35-45-51-56-64覆盖层平均厚度(m)523.53537404141一级阶地平均高程(m)60403237302422采用基岩顶板坡度同一级阶地坡度的比值，判断海退时溯源冲刷的可能范围。河段划分为宜昌-武汉，武汉-裕溪口，裕溪口-南京三段。经计算基岩顶板平均坡度同一级阶地平均坡度之比，三河段比值分别为2，2.3和4.5。根据水库溯源冲刷前后比降相差2倍即可发生强烈冲刷判断，在海退的1万年期间，长江溯源侵蚀的长度已越过宜昌，最终范围应在宜昌上游某一区段。上述坡降比值，以裕溪口-南京最大，达4.5倍；宜昌-武汉最小，为2倍；这与水库降低坝前水位后，溯源冲刷强度随距坝距离的增加而逐渐减小的规律一致。长江口外水下三角洲坡度为0.180.31，裕溪口-南京基岩坡度为0.13，武汉-裕溪口为0.06。上述三坡度是下游大于上游，也符合水库降低水位溯源冲刷，比降随长度增加而减小的规律。文献6中谈到：距今110006000年，当时黄河下