長江上游泥沙輸移比初探

1、長江上游泥沙輸移比初探 摘要：首先闡述泥沙輸移比界定的三個條件一是粒級，二是時間，三是空間，在此基礎(chǔ)上討論了長江上游泥沙輸移比研究中存在的主要問題是缺少可靠的侵蝕產(chǎn)沙量，對懸移質(zhì)和推移質(zhì)的分界線不明確，對坡面侵蝕產(chǎn)沙和重力侵蝕產(chǎn)沙在總輸沙量中的權(quán)重缺少量的概念；針對上述問題對河道及溝道泥沙輸移比的推理分析，再根據(jù)反映泥沙輸移比的形態(tài)指標的定性分析，認為長江上游除丘陵寬谷區(qū)泥沙輸移比會小于0.5外，高中山區(qū)長時段的泥沙輸移比都接近1（不包括泥石流在內(nèi)的重力侵蝕）。關(guān)鍵詞：泥沙；輸移比；長江上游1 引言泥沙輸移比是反映流域侵蝕泥沙輸移能力狀況的指標。正因如此，在過去的日子里泥沙輸移比研究被河流泥沙

2、專家忽視，這方面可參考的文獻資料寥寥無幾。在我國泥沙輸移比的研究直到70年代后期才有人注意到。首先開創(chuàng)這個問題研究的是龔時旸，熊貴樞1，后來陸續(xù)開展了這方面的研究（牟金澤等，1982；景可，1989；蔡強國，1991）24。泥沙輸移比的研究區(qū)域主要集中在黃河中游，其他地區(qū)泥沙輸移比研究幾乎是空白。直到80年代史德明等人（1983年）研究了三峽庫區(qū)的泥沙輸移比5,6，上述研究者所進行的泥沙輸移比研究，除少數(shù)小流域為定量研究外，多數(shù)屬于定性的，至多是半定量研究。這方面的研究還很不成熟，還有許多認識問題存在較大分歧，甚至于對泥沙輸移比內(nèi)涵理解都相距甚遠，如將泥沙輸移比與排沙比混淆就是一例。黃土高原由

3、于評估水土保持的減沙效益和黃土高原侵蝕產(chǎn)沙對下游河道淤積抬高影響，以及水土保持與治黃關(guān)系的需要，促使侵蝕泥沙輸移研究。長江流域泥沙輸移比的提出，并且得到重視，是隨著三峽樞紐工程興建的可行性論證需要才得以發(fā)展。三峽水庫興建的兩大問題，一是移民問題，二是泥沙問題。前者是一個社會問題，能否處理，如何處理主要取決于政府行為；后者是一個自然科學(xué)問題，關(guān)系到水庫的壽命與效益。長江流域泥沙輸移比的研究成果可以由流域侵蝕量來正確地預(yù)估入庫沙量，而且還能確切地評估某時段水土保持效益，為此流域泥沙輸移比的研究引起眾多學(xué)者的關(guān)注，但至今各學(xué)者對長江流域的泥沙輸移比的大小未形成共識；史德明認為長江三峽庫區(qū)流域的泥沙輸

4、移比為0.286;張信寶認為長江上游泥沙輸移比介于0.150.61之間7,其中嘉陵江上游的西漢水最高為0.61，四川盆地丘陵區(qū)和滇東、黔西高原山地也較高，為0.400.41，四川盆地西北、東北部山區(qū)最低為0.15，其余地區(qū)為0.3左右。向安東等研究后給出了長江上游主要流域的泥沙輸移比，介于0.150.618；吳成基的漢江流域泥沙輸移比研究結(jié)果是0.30.49；還有汪德麟對烏江上中游河流輸沙量變化規(guī)律分析后認為烏江流域的泥沙輸移比為0.3?？傊?，絕大多數(shù)學(xué)者比較一致的認為長江上游的泥沙輸移比為0.3左右。根據(jù)泥沙輸移比的定義，應(yīng)該同時具備侵蝕量和輸沙量才能求得泥沙輸移比，在上述輸移比研究成果中多

5、數(shù)都未能明確泥沙輸移比是如何求得的，只有向安東論述了泥沙輸移比的侵蝕量是來自水利部土壤侵蝕遙感普查成果，然后再求得侵蝕量的歸槽率；所謂歸槽率就是進入溝谷的泥沙量與坡面侵蝕量之比。這樣就可以根據(jù)歸槽率和侵蝕量求得長江上游的泥沙輸移比。這個概念是很清楚的，理論上也是正確的，但真正執(zhí)行起來也不是一件容易的事情。這里存在兩個不易解決的關(guān)鍵問題，第一問題仍是侵蝕量，單靠遙感圖象信息不可能獲得正確侵蝕量1)；第二是歸槽率的問題，其一這里的槽（溝谷或河谷）算到哪一級，其二是入槽的侵蝕產(chǎn)沙量又如何獲取，對于一個中小流域這兩個參數(shù)都無法獲取，由此上述流域泥沙輸移比的可信度勢必受到質(zhì)疑?？傮w上看，現(xiàn)在的研究水平和

6、研究程度，要完全依賴于侵蝕量和輸沙量定量地計算出流域泥沙輸移比還不可能，至少條件還不成熟。2 界定泥沙輸移比的前提條件所謂泥沙輸移比，以往都定義為：流域某一斷面實測輸沙量與斷面以上流域侵蝕量之比，一般可用下式表示=/T式中dr為泥沙輸移比（無量綱）；為流域出口斷面實測輸沙量（/km2或）。T為控制斷面以上流域總侵蝕量（t/km2或t）。由上式可見，流域的侵蝕量和輸沙量的比值最大只能等于，同時從這個表達式中還可以看出它缺少時間概念。從深層次看，該表達式還缺少空間規(guī)模和泥沙粒徑的制約條件。由于該式存在這樣一些缺陷，在黃河中游泥沙輸移比的研究中產(chǎn)生不同認識，有的認為黃河中游的泥沙輸移比等于1或接近1

7、（龔時旸，1979；景可，1989），有的認為有時接近1，有時大于1，有時小于1（牟金澤1982,蔡強國1991）。由此可以看出上式泥沙輸移比定義的不嚴謹是形成對同一區(qū)域泥沙輸移比產(chǎn)生分歧的關(guān)鍵。為此筆者認為泥沙輸移比的確定必須受到三個條件的制約。第一，廣義的泥沙概念是“凡在流體中運動或受水流、風力、波浪及重力作用后沉積下來的固體碎屑”10。由此可見泥沙的最大粒徑與最小粒徑可相差百萬倍，其體積差值則用億倍計。眾所周知，輸移不同粒級的泥沙，需要不同的環(huán)境條件，對于某一相對固定的流域來說，在一個不太長的 target=_blank class=infotextkey歷史時段內(nèi)影響泥沙輸移比的基本因

8、素是穩(wěn)定的，除有某些因素有所變化外，如侵蝕泥沙的粒徑就有變化，來自以坡耕地侵蝕為主的泥沙粒徑細；若有泥石流或滑坡等重力侵蝕產(chǎn)沙，粗粒徑泥沙就多，此時在一般水流條件下細顆粒泥沙就可以輸送到較遠的區(qū)域，而粗粒徑的礫石就可能沉積在河道內(nèi)。從這一點看流域的泥沙輸移比，它永遠是小于，這是無可置疑的。然而這種結(jié)論既無應(yīng)用意義，又無理論意義。為此只有根據(jù)流域的實際情況或者根據(jù)研究目的，界定一個參與確定泥沙輸移比的泥沙粒徑的上限。在黃河中游把參與計算輸移比的最大泥沙粒級上限定在1.0mm，長江三峽定在2.0mm為宜，理由是懸移質(zhì)中90%的粒徑d3.2.1 面狀侵蝕與重力侵蝕的權(quán)重長江上游的侵蝕方式以面狀侵蝕為

9、主，還是以溝谷侵蝕為主，這直接關(guān)系到泥沙輸移比的大小；上游坡耕地、撂荒地、荒草荒坡等都是面狀侵蝕；其中又以坡耕地為主，是河流泥沙的主要來源，面狀侵蝕都是發(fā)生在地表土壤層，侵蝕物質(zhì)毫無疑問是以細粒物為主，這可以從表中發(fā)育不同母質(zhì)上的土壤剖面中土壤的顆分結(jié)構(gòu)中看出。由表可見，面狀侵蝕泥沙都是細沙，只有少量的粗沙。現(xiàn)在河道與溝道粗大沉積物只能來自重力侵蝕，不可能是面狀侵蝕產(chǎn)沙。長江上游是新構(gòu)造運動活躍區(qū)，金沙江和嘉陵江也是地震多發(fā)區(qū)，這個區(qū)域是重力侵蝕最為活躍的地區(qū)，但與面蝕相比，發(fā)生范圍小，頻率低，一次侵蝕量大，侵蝕泥沙級大的特點，據(jù)資料，長江上游重力侵蝕量每年約2億，占總侵蝕量的10%左右12;

10、在重力侵蝕物中小于細沙級的泥沙只占到5%10%。一般說來,面狀的侵蝕物質(zhì)較細,大部分都能被水流帶走,而滑坡崩塌等重力侵蝕產(chǎn)生的物質(zhì)中只有少部分細粒級泥沙能當年被洪水輸移外，大部分侵蝕泥沙就地堆積在山前，坡腳及岸邊。此外泥石流沖出溝口后大部分泥沙也就地堆積。由上分析可以認為，長江懸移質(zhì)泥沙主要來自面蝕，既然來自面蝕，那么面狀侵蝕泥沙則以懸移質(zhì)輸入中下游，而現(xiàn)代河床堆積物則主要是來自重力侵蝕，這是由于特殊的地質(zhì)地貌條件造就金沙江下游和嘉陵江中上游河谷中堆積物主要是來自重力侵蝕而非面狀侵蝕。3.2.2 懸移質(zhì)與推移質(zhì)的粒級分界這方面的研究文獻所見不多，在所見文獻中，一種意見將懸移質(zhì)和推移質(zhì)粒徑分界定為1.0mm或2.0mm，另一種則定為0.1mm，即0.1mm的侵蝕物都是推移質(zhì)13，以表2說明二者之間的數(shù)量差異，如表中I區(qū)以1mm為推移質(zhì)和懸移質(zhì)分界線，那么推移質(zhì)是3.6萬t/a，以0.1mm為分界線那么推移質(zhì)量是46.60萬t/a。由于我們目前缺少侵蝕量，只能假設(shè)區(qū)的侵蝕量是X（為100萬t/a）,那么流域的泥沙輸移比DR1=x-3.6/x,DR2=x-46.6/xDR1=0.96，DR2=0.53。由此可