英国某河流颗粒变化(翻译).doc

人为影响下流域的沙砾转变过程摘要：1875到1984年之间人们向Ringarooma河中提供超过4千万立方米的采矿废物，导致了一系列的侵蚀和沉积现象。天然河床物质是砾石，但参考外来物的体积，并且大部分外来物直径都小于5毫米，河床粒度组成在下游沉积期由砾石变为沙子。一个剧烈的砾沙转变过程即中值粒径由30mm多变为不到3mm，这些变化距离都少于500m。随着上游矿物残片来源的去除，然后和下游变化过程如沉积作用，侵蚀作用一起造成过渡带向下游迁移。到1984年，河流可以被划分为几个区域，每一个区域由于河床条件都有自己的特点，一共划分了7个区域：天然的卵石-砾石河床，未被矿物废料影响（0-32km）；2在35到40年期间由于侵蚀作用前期被干扰的河床产生了二次暴露（32-53km）；砾石保护面的沙性基面是由于在侵蚀时期不同的搬运过程产生的（53-65km）；沙子占主要但是同时也有块状的粗颗粒发育（65-75km）；沙质河床反映了原始矿物废料粒径组成（75-118km）。尽管沙砾转变本身很激烈，过渡区域却很长（53-75km）。当侵蚀作用继续，尽管沙砾转变被期望在下游进行，但是它停留在一个稳定的位置12年了。事实上，从表面保护层和矿物废料新形成的河岸中冲刷了大量沙子，这个时期的两次大洪水，是转化区上下游表面细化的主要原因。当河流力求从一个主要人类干扰的状况下恢复，地表粒径是过渡区的可调成分。关键词：砾沙转变；流域；Ringarooma河 1简介河床上物质的大小对颗粒搬运特征，阻力系数和河道形态调节有很大的影响。在河流系统的任意点，河床物质大小是冲刷到河流里物质的原始大小与这个物质在搬运过程时大小的函数。这个过程最显著的表现就是下游河床物质体积是减小的趋势。下游细化一般分为两个过程，磨损和分选。前一个过程伴随着以下几种机械作用，如碾碎，分裂，压实和摩擦，而第二个过程就是在夹杂，搬运和沉积时期的颗粒大小选择。在没有外来的更粗颗粒的输入，由于上面过程的影响产生了一个复杂的指数，这个指数是关于下游粒径减小的情况。D是指粒径的特性(例如中值粒径，D50)，D0是指它的初始值，是代表磨损和分选相同影响的速率，L是下游距离。值可以大相径庭（表1），它取决于粒度级份额和岩性，河流是否沉积或下降，河流功率改变下游的速率。表1中下游细化最快速率发生在AllyDubhaig，那里的河流倾斜产生一个严重的塌落，搬运能力不少于3公里。等式1是一个连续方程式，它描述的是下游逐渐的细化过程，但是下游河床颗粒变小的过程不会变缓，有时会伴随着河床倾斜产生的断裂在沙砾过渡带突然发生。过渡带发生在河流上的长度有一百米到上千米，甚至可能产生在一个少于50m长的实验室水槽内。Sanmbrook Smith和Ferguson提及到过渡带的三个成型机理：局部基准面控制，磨损或颗粒裂变，沙性物质输入。局部基准面控制告诉我们，例如一个湖或残片能引起河流上游坡度明显的下降，以至于沙碎片仍然在移动，砾石被迅速掩埋。这种机理比较普遍。第二种机理裂变产生的快速分裂或1-4毫米的颗粒的压溃，导致砾石质河床变成沙质河床。大量的沙子输入取决于第三种机理使得他不是常见的现象，它需要更多特殊的条件例如在一个流域特殊点加速磨损或人类采矿时额外的输入。无论何种机理，过渡带的河床颗粒一般是双峰。第三种机理是这篇论文讨论的重点。在流域扰动条件不断变化时期，沙砾过渡带发育已经分析完，而过渡带的稳定性是下面重点要注意的。2. 研究区受到的干扰在Tasmania北部Ringarooma流域在过去的100年以砂锡矿为主要资源。开采区域延伸到下游超过70公里的区域，开采带来的沉积物集中在了原始河岸上。开采开始于1875年，1900-1920年达到它的巅峰，尽管在需求量比较高的时期第二次世界大战开采终止过，但是1982年开采停止。Ringarooma流域在整个开采时期开采了超过40000吨的锡矿，四个矿的开采量（Abra，Briseis，Pioneer，Endurance）占了所有的75%。通过高压喷射水柱来开采锡矿的水力开采是最常见的开采方式，但同时也产生了大量的浪费。据统计，53个矿输出了超过40107m3的残渣，成为背景颗粒的重要组成。大量的矿物和接近矿物的物质向主要河流输入，致使在整个流域中出现了复杂的颗粒运动。观测了22个主要点，其中有12个点在主要河流每不到0.5公里就会被锡矿影响。颗粒类型在15公里内被重建，通过分选度来展现。在L2 上的Briseis矿尤其在早些年份是主要的影响点。到1930年前三条（L1-L3）输入了大量的物质，下游很明显达到峰值。在重组颗粒的运移历史上，在5条河流的范围内，河床高程的变化被估计。下游的侵蚀和沉积过程是所有变化里的一种，一种模式到另一种模式的改变说明越到下游越推迟。在上游停采35年之后，预测Briseis（L2）在1980年代会下降到先前的河床高度，然而（L3和L4）虽然伴随着侵蚀依然会不同程度的被矿物残片影响。预测L5曲线不同于其他，它在将来几年会不断的上升，并没有下降的趋势。在建一座新桥时通过桩贯入试验确定了最大沉积高度为12米。向河流里倾泻的采矿废料会和相同性质的颗粒沿岸运移而不会发生分离，也会造成河道形态的改变，Lewin和Macklin将这两种现象定义为“被动散布”和“主动转型”。Ringarooma河倾向于后者。向河流里倾泻的残渣粒径不超过5毫米，属于第三系冲积沉积物。矿厂尾料样品和下游河道里的颗粒粒径在1-2毫米之间。比自然河床物质（平均粒径30-35毫米）要细，引入的物质很快代替自然物质称为河床主要的组成。3. 下游河床颗粒特征的变化下游河床颗粒特征变化一方面表现了多变的搬运历史。河床的采样点最初来自沿Ringarooma河100千米MT,maurice和Fosters之间的15个地带。后来的采样点集中在砾沙过渡区和下游区(5个这样的地带为取样点，分别在图3中被描述)。由于河床多变的特性，我们使用了不同的采样方法：在砾石部分采用的是Wolman的离散采样法，在沙子部分采用的是集中采样法。尽管空间栅格法和重量体积法被认为是相等的，但这种不同将会影响结果，也不利于对比。空间栅格法采样的范围在100到275颗粒之间，取决于河床变化程度。由于过渡区域附近颗粒粒径变化范围大，采样的较低截断值被设为相对较低的2mm，并且当更小颗粒碰到栅格交点时保持不变，指定了1mm的象征性粒径。沙子部分中的集中采样使用一个这样的标准，即最大颗粒的重量不能超过总样品重量的1%。大多数情况下，这个值是大大小于1%的，但有个别情况下例外，也就是当最大的岩屑占总重量的2.6%时。在一段河流内实施了系统的取样，主要是在横穿整个河段时通过挖出来自于16个取样点的从小的颗粒一直到下面的大颗粒。粒径分布通过筛分继而确定。Ringarooma河发源于maurice的南侧1000m处，穿过一个小的平原区域，然后在一个很陡的悬崖处下降，在第一个9公里处下降了三分之二的高度。Ringarooma河及其主要支流的源头是以Devonian 花岗岩石为主要岩性。花岗岩结构被分解然后他们的碎片成为河流中主要的颗粒，颗粒范围为大到巨大卵石，小到粗砂（0.2-2mm），但是较大砾石数量占一定优势。仅仅在前三个采样点完全没有被采矿废料影响，直到Arba矿影响才变得明显。L1（Branxholm河长）经历了相对少的沉积并且在50年代的时候明显回到了它最初的河床高程。它的下游很长一段被采矿影响了。40年代在L2上游的末尾过渡形式从沉积改成下降模式，经历了超过35公里的下游区域，刚刚越过Endurance矿。然而，在这个区域上仍存在相当数量的矿物残片，L2的上游仅仅10公里为前面河床物质的重复暴露经历了充分的下降。图3反映了1984年的位置，在Herrick和pioneer之间中粒径明显减少，把砾石占主要的河床和沙子占主要的河床区分开来。这两部分等式（1）的应用，表明系数一样（a=-0.009）但是截流值明显不同。这两部分的系数一样多少有点令人吃惊，表明下游砾石河床比沙子河床粒径下降要快。同时，在对比河流其他部分时这里砾石部分的比率特别低。不可否认，第一个采样点（来自一高原地区）中值粒径的相对适度值在某程度上代表了一个低比值，它的疏漏改变了系数，从-0.009到-0.011。另外，河床颗粒粒径从cascade 到weld河流下游是增加的，令人意想不到的事情发生了，一些大的支流往河流主干道注入了粗颗粒。不管怎样，第一个采样点包含在砾石部分的回归方程中，下游的推断说明Ringarooma河床在入海口处仍然是多碎石的，粒径在22到25毫米之间。他们的误差在1到2毫米之间.其他粒径百分数改变的速率不会和砾石部分的中值明显不同（图3B），这个速率也不会伴随着粒径变小而减小，Brierley 和Hickin说。然而，沙子部分不是这种情况，从D95到D16之间的速率有一个循序渐进降低的趋势。粗颗粒粒径的百分数（D95到D84）会迅速降低，主要因为过渡区的下游两个取样点（Trestule和Pioneer）维持了相对较高的值。事实上，只要注意到D95和D84，这两个采样点会出现更多的上游砾石部分有条件的扩充，而不是沙子部分被矿物废料覆盖。超过pioneer的这些粗颗粒会减少，估计类似的值有更多典型较低百分数值（D16和D5）。分析粒径作用:1.划分河流下游的参照物。2.河流是如何被划分成几个区域的。图中可以定义出砾沙转化的区域为65km处, 可以看出粗砾cobble(64-256mm)明显消失,同时卵石pebble(16-64mm)急剧的减少. 尽管有如此的剧烈的转化, 但是通过实地考察和粒径分布的分析，我们知道过渡的区域在55km到75km之间。当粗砾和大卵石减少，小卵石（4-16mm）通过这区域时呈现一个增长趋势，而之前它稳定在15-20%。过渡区下游，大卵石在沙子部分前两个取样点大约占河床组成部分的20%，这里D95和D84值的相对系数提高了，且碎片在超过75km的地方明显消失了。从75千米开始，河床的组成物相对固定，颗粒粒径主要在0.5-16mm之间，其中1-4mm之间分布的特别多。在其他冲积环境里1-4mm碎片是不存在的，通过粉碎、有选择的去除，它成了主要物，也就是沙石过渡的主要原因。这里碎片占主要，同时在一条河流上维持在同一水平上，反映了矿物废料在下游河床上有很大影响力。河床颗粒分选程度的不同表明中间带不同于上游和下游。在这个区域之外，分选系数确有不同但也有一致性，砾石部分平均为1.25，沙子部分为1.16。在这个区域内，系数显示不规则并且总值增加到平均1.73。颗粒明显分选较差，或是因为在大的砾质河床（过渡区上游）有细小的颗粒，或是因为粗泥块布满了沙质物的表面(过渡区下游)。另一方面大约65千米处河床物质特性的明显改变是一个人工制造的不同，这种不同因为河流不同的部分表现的也不一样。在栅格数字法应用的粗砂的河床中细小颗粒的量很难被确定。然而，只要注意表面物质野外不连续的区域很明显，河床上沙石过渡范围不超过500m。如此短的过渡区域在没人影响的情况下是不会存在的。下游中粒径（图3A）和河床混合物（图4）的改变证明了有一个突变的过渡区。然而，这比起简单的细分砾石和沙子的情况更复杂。通过对不同粒径的分析（图3-5）和野外的观测，划分了下游一系列区域（图6）：1）0-32km：河床这部分还没有被矿物残片影响，它的组成反映了自然条件的供给和运送，这两方面非常不一样，尤其在两大支流Maurice和Dorset的入口处（图1）。2）32-53km：这一段上游部分出现了相对较小的沉积，并且很快的恢复到本来的河床高程（图2）。矿物残片在下游部分开始累积，但是先是出现侵蚀，到1980年代被干扰的河床再次暴露。3）53-65km：粗砾是河床主要物质但是大多作为最表面的物质。片状的流沙地确实存在，特别在池塘里，下切使得由矿物尾料组成的河床暴露，这些尾料是河流中沙子和细小的砾石的来源。某种程度上，这段河床物质代表了细砾石（32-64mm）和沙子（1-2mm）两种双峰，尽管到目前为止粗颗粒更重要。双峰性为砾石过渡带发育的必要条件。在上游开采停止后，大量的粗砂流入，这些沙子也出现了一系列侵蚀。自从砾石在外来物质中占了很小的比例后，大量的侵蚀现象必然发生以满足表面覆盖的连续性。过渡区的上游，在1920年代的时期发生了一个4米的下切。然而，河岸暴露预示着砾石的比例随着深度的增加而增加。结果，粗颗粒的供应以及双峰性的发育在侵蚀过程中都会有加速的趋势，同时还有粗颗粒碎屑出现在上游。自从事实证明搬运和拖拽不断的产生粒径分选，在侵蚀过程中不同的搬运将变得更加明显，最终导致了表面岩层的形成。河床上沙子和砾石的转换只能靠推测，但是Sambrook Smith利用Iseya和Ikeda事实证明了处在对立位置的转换在表面沙子的含量超过30%情况下就会发生。那么如果河床要发生沙子和砾石转变的行为，表面含有超过70%的砾石是必须的。4）65-75km：河床物质具有双峰性，但没那么明显。正如在Trestle和Pioneer地区较高的D95和D84两个值反映，粗砂占主导但是卵石碎片也开始发育（图3B）。这些碎片出现在和河流流向一致的方向上，可能会是地表发育的指示剂。侵蚀现象更加推迟，在这个区域内比起上游来更不明显（在1972年和1986年之间是1m到2.6m）。这个区域有些年还出现了沉积，造成了来自上游的额外的输入。结果与矿物输入有关的粗砂继续成为了河床主体，粗颗粒的表面浓度与单独的碎片有关。分选粗细颗粒碎片成为了双峰性颗粒一个独特的特征。Paola和Seal说当河床表面变成粗细条状，相比不存在条状时候，细条状将会搬运更多细颗粒，粗条状搬运更少粗颗粒，实际效果是有更大更细的和表面粗化。碎片化被认为是下游细化机理的一种，但是凭借河床物质在持续侵蚀过程中粗化，这里它是作为援引。5）75-118km：河床物质相对统一，大部分沙化。侵蚀过程在这部分上游区开始发生，但是无论在垂直方向还是水平方向都没有延伸太远。更远的下游，河床相对稳定，仍旧缓缓的沉积。在65km处的河床物质平均粒径的显著变化没有让下游停止侵蚀作用，但是它说明了侵蚀作用对于原始河床（32-53km）的暴露或者地表（53-65km）的发育已经应用的足够了。说明了在Ringarooma河下游上侵蚀作用是连续的过程，河床表面的特征也会在同一个方向上连续的变化。4.过渡区的变化 1984-1996图7对于粒径数据的一般印象是尽管有不断的侵蚀产生，在12年内过渡带仍保留了同样的基本特征。然而，当仔细研究，数据表明河床的组成发生了改变。复制样品来评估不同河道是一个不可行的，但是应该注意确保样品在每一次观测在条件范围内。Herrick支流过渡区上游有明显的变化。1984年，河床有一层连贯的砾石保护层包括相对较高比例系数（0.18）的鹅卵石（64-256mm）（图7A）。1989年之前所有的粒径指标都在减小，直到1996年尽管百分数在增加，但还是维持在较低的程度上。另外，河床颗粒分选程度变更差，使得河流和过渡区其他采样点变成一条直线。（图5）。19854之后据统计明显变细和较差的分选与粗砂的不断增加有一定关系，粗砂形成于沙洲（bar）表面。1984年和1996年之间出现了2.4m的侵蚀，这是通过暴露的树木年轮来判断的，其中1984年到1989年还伴随着河床下切。河水开始侧向迁移，切入废料的沉积物里，1996之前产生了超过3米高的河流陡岸（图7c）。1988年Ringarooma经历了史上最大的洪水（486m3/s），据估计间隔一百年就会有一次排放物出现，紧跟着4年后另一次大量排放物出现。这表明Ringarooma在每年洪水为110m3/s的时候依然有能力搬运大量的砂石，这些大洪流将会破坏地表岩石，并且在下面的细小物质也暴露了，迅速增加了河床搬运速率，更大的下切产生了。粒径的变化反映了这种破坏（对比1984和1989，表2）还有岩石的变化（对比1989和1996年）。相对于1989,1996的特点是小卵石（16-64mm）和大卵石（64mm）都很多。接下来Squaw creek，Montana16年一次的洪水，岩石3个月后恢复。Ringarooma河的尽头和河流陡岸中矿物废料供应的增多使得恢复过程延长了。1984到1989年的特点是下游河段的沙部分细化，尤其是Pioneer。在那里，大颗粒大幅度减少主要是大于16毫米的表面粗颗粒的明显消失的原因，1984年这些粗颗粒是地表的重要组成部分。1988年洪水期间一场大的沙子搬运就好像受这个影响，在枯水期Herrick地区的侵蚀与Pioneer地区的沉积是对应的。Trestle地区河床变化如此之小令人震惊（图8A）。到1996年为止，Pioneer的河流很好的恢复前期洪水的特征（图