黃河下游河床演變中的地貌臨界

1、黃河下游河床演變中的地貌臨界    摘要：從地貌學(xué)的角度，比較深入地研究了黃河下游河床演變中的幾個臨界問題：縱剖面調(diào)整的臨界問題、河道平面形態(tài)的臨界問題、河型對河床邊界的臨界響應(yīng)問題以及河床斷面形態(tài)的臨界判別問題。并且以河型轉(zhuǎn)化趨勢預(yù)測為例，對地貌臨界在河床演變中的應(yīng)用作了進一步的探討。結(jié)果表明，小浪底水庫建成后，在其清水下泄期間，下游河型將不會發(fā)生改變。 關(guān)鍵詞：黃河下游 河床演變 地貌臨界 趨勢預(yù)測  1 前言河床演變，作為河流動力學(xué)和河流地貌學(xué)交叉研究的領(lǐng)域，具體是指在水流的作用下,河流的邊界所發(fā)生的變化。而這種變化實質(zhì)上體現(xiàn)了組成邊界的

2、物質(zhì)的沖刷、搬運和堆積過程。在諸過程中塑造的地貌現(xiàn)象，如河床縱橫斷面、河谷形態(tài)、邊界組成和河型等，在內(nèi)外營力共同作用下達到一定的限度，將會出現(xiàn)巨大的質(zhì)的變化。我們將其稱之為河床演變中的地貌臨界。自Schumm于上一世紀70年代首次將臨界規(guī)律引入到地貌系統(tǒng)的研究之中以來，經(jīng)過一些學(xué)者的不斷努力，逐步形成了所謂的“地貌臨界論”。由于該理論從嶄新的角度審視地貌現(xiàn)象由量變到質(zhì)變或者說由漸變到突變的轉(zhuǎn)化規(guī)律，使得對地貌演化過程中發(fā)生的明顯變異現(xiàn)象進行合理的解釋成為可能，因此受到地質(zhì)地貌界的普遍關(guān)注。研究地貌臨界不僅蘊涵著比較深刻的哲理和科學(xué)理論意義，而且具有一定的實踐意義，如通過確定和運用地貌過程中的臨

3、界閾值，對地貌發(fā)育階段進行量化，洞察地貌要素之間相互作用的內(nèi)在機理、強度和動態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界條件，進而預(yù)測地貌現(xiàn)象的發(fā)展趨勢，為國土整治服務(wù)。本文試圖從地貌學(xué)角度，研究黃河下游河床演變中的一些與地貌有關(guān)的臨界問題，以辯識臨界條件發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，同時對地貌臨界的應(yīng)用作了進一步的探討。2 縱剖面調(diào)整的臨界響應(yīng)根據(jù)黃河下游堆積區(qū)的地層、堤防和基準面的影響，可以發(fā)現(xiàn)黃河下游縱剖面的發(fā)育已經(jīng)歷了四個階段1，即構(gòu)造控制階段或適應(yīng)構(gòu)造階段、自由發(fā)展的加積階段、人工控制階段和侵蝕基準控制階段，以及三種調(diào)整形式，即沿程淤積的調(diào)整形式、溯源淤積的調(diào)整形式和平行抬升的淤積形式。對縱剖面的形態(tài)和比降的年際變化，分別用凹度

4、指標2（即通過縱剖面線上下端點作矩形，縱剖面線將矩形分為上下兩半，它們的面積之比形成凹度指標。該指標大于1，縱剖面為凹型；等于1，為直線型；小于1，為凸型）和比降點繪了圖1(a)和圖1(b)。由圖1(a)可以看出，從晚全新世地層底板到1954年，縱剖面的凹度是逐漸減小的，但到了1954年后，即從19541983年，曲度指標的變化就不大了，即多年平均凹度為1.35，分別比晚全新世地層底板、1855年和1935年的縱剖面凹度減少了37%，12%和7.5%，其均值與1954年以來最大和最小凹度相比，分別小于3%和大于3.7%。從圖1(b)來看，仍以1954年為界，1954年后的河床比降均在均值上下微

5、小變化，多年平均為1.28，與最大和最小值的偏離，分別為2%和1%，比凹度的偏離還小。    圖1(a) 黃河下游花園口到利津段凹度的歷年變化Changes of concavity from Huayuankou to Lijinin the Lower Yellow River during the past years圖1(b) 黃河下游花園口到利津段河床比降的歷年變化Changes of the channel slope from Huayuankou to Lijin in the Lower Yellow River during the

6、past years綜上所述，不論是縱剖面凹度，還是河床比降，就長時段的變化來說，都不大，這說明，此段從1954年至1983年在平均沉積速率為8.64cm/a的情況下，河床是平行抬高的。這種平行抬高，就是縱剖面調(diào)整的臨界響應(yīng)。它說明了兩個問題：其一，黃河下游已經(jīng)發(fā)育到了老年期階段，是發(fā)育史上的臨界階段；其二，抵擋歷史大洪水的能力大大減小，出現(xiàn)大險、大災(zāi)的機會更多。我們認為，縱剖面平行抬升，是由于黃河下游河道處在特殊的地理環(huán)境中，流經(jīng)不同的地貌部位，流域的來沙量和水流的挾沙能力不相適應(yīng)，所以自發(fā)育以來就是一條加積性河流，其河流縱剖面在加積的環(huán)境中作自動調(diào)整。加之受到地貌類型的影響，各段調(diào)整的形式

7、不同。如黃河出山口后的河南段，處于復(fù)合沖積扇上，地面坡降陡然減緩，為了力求使水流挾沙能力與來沙量相適應(yīng)，河床比降以沿程淤積的方式調(diào)整增大；人工控制的順直微彎段，流經(jīng)沖積平原和河口三角洲，由于河口三角洲的前緣不斷淤積向前推進，河長不斷增加，基準面相對上升，河床比降以溯源堆積的形式調(diào)整減??；處于疊加的沖積扇前緣的彎曲段，為了要在河口不斷延伸的條件下保持一定的輸沙能力，通過沿程淤積和溯源淤積的共同作用，每年在河道中就必然要淤積一定量的泥沙，當縱剖面形態(tài)與流域的水文狀況和地理環(huán)境相適應(yīng)而達到穩(wěn)定時，縱剖面必然平行抬高。3 河道平面形態(tài)的臨界規(guī)律伴隨著河床物質(zhì)影響河型的同時，河岸的相對可動性也同時影響著

8、河流的平面形態(tài)。在一定流量的情況下，河寬的大小反映了河岸侵蝕后退的程度。因此，可用河寬作為河岸相對可動性指標。不同的河型具有相應(yīng)的臨界河寬。一般說來，河岸抗沖性極強或極差的河流多為低曲率河流，其河寬可以很大或可能很小，而具有一定（中等）抗沖能力；河岸可動性適中的河流多具有較高的曲率。從圖2看出，黃河下游三種不同河型的平面形態(tài)與河寬的顯著差異：順直微彎段的河寬小于1000m（>40m），河岸的相對抗沖性最強，曲率最小，即1.15，為人工控制的結(jié)果；過渡段河寬介于10002000m，河岸的相對抗沖性中等，曲率最大，即1.30；游蕩河段的河寬大于3000m，河岸的抗沖性最差，因此，曲率也最小，

9、即1.14。由此可見，黃河下游不同河型，具有明顯的臨界河寬。另外，平原河流與曲流發(fā)育過程中也體現(xiàn)著臨界規(guī)律。據(jù)研究3，曲流河灣緊密度R/W（河灣半徑R與河寬W之比）與河床擺動速度存在著這種規(guī)律。一般來說，開闊型河灣緊密度約為6.0，緊密型的約為2.0。大于6.0和小于2.0時，河灣擺動很小或不擺動。開闊型和緊密型的分界值約為3.0，小于或大于3.0時，河灣擺動速度迅速下降。通過黃河過渡段河灣擺動速度與緊密度的資料研究表明，也有類似的規(guī)律。開始，隨著河灣緊密度的增加，擺動速度迅速增大。當緊密度達到2.4左右時，擺動速度達到最大值（臨界最大擺速），約為600m/a。此后，隨著緊密度的繼續(xù)增大，擺動

10、速度逐漸減小，當緊密度達到4.0以上時，擺動速度趨于穩(wěn)定值（圖3）。黃河下游這種河灣緊密度與河床擺動速度的臨界關(guān)系，反映了河灣緊密度對河床演變速度的控制作用，這是研究彎曲河流不可忽視的因素之一。    4 河型對河床邊界條件的臨界響應(yīng)就河床演變的科學(xué)性質(zhì)來說，它是研究河流的邊界在水流作用下的變化4，由此可見，邊界條件在河床演變中的重要性。具體到邊界條件與河型的形成來說，如當床沙質(zhì)來量多時，如果河岸的可動性不很大，或不能大大地超過河床可動性的話，河流就不能選擇側(cè)蝕的方式調(diào)整，則河流就不能形成寬淺的河床，所以也就沒有發(fā)育成分汊或游蕩型河流的可能；如果河岸可動

11、性很小，大大地小于河床的可動性時，主要選擇深蝕的調(diào)整方式，使河流趨于窄深，以至于成為比較順直的河型；只有當河岸可動性和河床可動性都比較適中時，河流才有可能發(fā)育成江心洲和曲流型5。    圖2 黃河下游曲率與河寬關(guān)系圖The relationship between curvature and river widthin the Lower Yellow River圖3 過渡段擺動速度與河灣緊密度的關(guān)系The relationship of wandering velocity and compactness of river sinuses in the

12、 transitionalrivers in the Lower Yellow River     基于以上條件，游蕩型河流的河岸和河床邊界一般為單一結(jié)構(gòu)，河床以細砂或粉砂組成為主，如黃河下游蘇泗莊以上河段，河床中粉砂 粘土含量一般在15%左右；曲流型一般說來河岸為混合結(jié)構(gòu)或二元結(jié)構(gòu)，而河床以粉砂 粘土組成為主，如黃河下游的孫口段河床中粉砂 粘土的含量最高達60%以上；黃河下游順直微彎段，河床中粉砂 粘土含量約為45%，如圖4所示。 5 河床斷面形態(tài)的地貌臨界判別河流作為流域的一個組成部分，它的許多性質(zhì)又是和流域因素分不開的。 

13、60;  圖4 黃河下游河床中粉砂 粘土含量沿程分布與河型的關(guān)系The relationship of silty sand and clay content of the channel with channel patternsalong the Lower Yellow River對它們的分析有一部分是屬于地貌學(xué)范疇。河床的形態(tài)變化和所有的地貌現(xiàn)象一樣，是地表在內(nèi)外營力作用下長期發(fā)展的產(chǎn)物，既要考慮流水的動力作用，也要考慮地質(zhì)構(gòu)造運動的深刻影響。    具體來說，不同的河型具有不同特征的河床形態(tài)，而不同的河床形態(tài)則代表著多種因素

14、間不同排列組合影響的結(jié)果。一旦這種排列組合遭到破壞，河型就要發(fā)生變化。因此，我們選擇了受綜合因素影響的河床形態(tài)（/H即河床寬B和水深H之比），作為判別河型的臨界指標。從數(shù)學(xué)的角度分析，將影響河型的內(nèi)外營力因素寫成下列形式河床形態(tài)與外力因素函數(shù)關(guān)系式    /H=f(Q1,QS,)河床形態(tài)與內(nèi)力因素函數(shù)關(guān)系式    /H=f(T)合并二式得到綜合因素影響下的河床形態(tài)與內(nèi)外營力因素函數(shù)關(guān)系式    /H=f(Q1,QS,，T)式中 Q1,QS,分別為來自上游的流量、沙量及其過程，

15、以及流域形狀要素，T為新構(gòu)造運動強度。根據(jù)上述物理概念判別的函數(shù)關(guān)系，就統(tǒng)計意義來說，可以認為這一函數(shù)關(guān)系具有指數(shù)關(guān)系。至于關(guān)系的指數(shù)及系數(shù)則根據(jù)多元回歸方法推算，計算的結(jié)果得到河床形態(tài)與自變量之間（其中包括河流能量QJ，河岸不穩(wěn)定系數(shù)A）的綜合相關(guān)關(guān)系如下    /H=3.94T0.28QJ0.35-0.06A0.48綜合相關(guān)系數(shù)為0.93。    根據(jù)河床形態(tài)方程，計算出一組與實測河床形態(tài)（/H）相對應(yīng)的值，并對計算值進行了精度檢驗，結(jié)果計算值與實測值的正負平均誤差平均為0.17，均方差為4.08，即有95.4

16、%的點子落在±8.16的范圍內(nèi)，變差系數(shù)cv=0.27。依照所得判別式，得出黃河下游不同河型的地貌臨界值如下    網(wǎng)狀河型18>/H>7順直型7/H3.5 彎曲型6 地貌臨界的實用意義本節(jié)主要以河型轉(zhuǎn)化趨勢為例，說明地貌臨界在河床演化中的應(yīng)用。    三門峽水庫在清水下泄期間，黃河下游河床形態(tài)（/H）變小。以黃河下游三種河型為例，與1960年相比，1962年和1964年游蕩段減小了33.7%，彎曲段減小了28.6%，順直微彎段減小了8.8%。這表明河床的斷面形態(tài)向窄深方向發(fā)展。在給定的水流條

17、件下，下切主要取決于沖刷段的沖刷強度和邊界條件。具體地說，游蕩段的比降大，河床組成物質(zhì)以沙和細沙為主，粉沙 粘土含量少，因此抗沖性小，又加之沖刷強度大，河床形態(tài)變化比較明顯。向下游，河床比降變小，粉砂 粘土含量增加，抗沖性亦增大，河床形態(tài)調(diào)整的幅度就小。為了定量分析黃河下游清水沖刷階段河床形態(tài)的變化，選擇了河床中粉沙 粘土含量百分數(shù)（M%）和河床比降（J%oo）與河床形態(tài)（BH）進行二元回歸分析，所得方程為5 /H=-21.59-0.11M+25.58J根據(jù)上式，可以對沒有斷面測量的河段進行形態(tài)預(yù)測。    1 分汊游蕩型 2 順直型 3 彎曲型 4 分

18、汊或游蕩 5 曲流 6 建庫前漢江分汊游蕩型 7 建庫后漢江分汊游蕩型 8 建庫前漢江曲流型 9 建庫后漢江曲流型 10 建庫前黃河游蕩段 11 建庫后黃河游蕩段 圖5 以0/avg比降關(guān)系圖The relationship between runoff using 0/avg as a parameter and the channel slope這里要強調(diào)說明的是，黃河下游清水沖刷階段比降的調(diào)整幅度不大。因此，比降的調(diào)整在短時間內(nèi)不可能對河床形態(tài)作出較大的調(diào)整，但為什么又有明顯的相關(guān)呢？從河流地貌的發(fā)育角度看，這是因為不同的河型是受不同過程的地貌單元所具有的坡度的影響。S.A.Schumm6認為：坡度的變化起控制作用的是地貌臨界。在地貌系統(tǒng)內(nèi)該值由于系統(tǒng)本身隨時間的變化而發(fā)展，只要系統(tǒng)還沒有演化到臨界的情況之前，調(diào)整或破壞將不會發(fā)生。而黃河下游比降對河床形態(tài)調(diào)整的影