水利工程論文-長江中下游床沙組成垂直變化成因分析摘要：通過晚更新世氣候冷暖變化，分析長江河床演變，采用古地貌復(fù)原法，論證長江中下游床沙組成垂直變化成因。認為東中國海的海退和海侵，是形成長江中下游卵礫石潛伏于沙層之下，覆蓋于基巖之上的原因；長江上游卵礫石推移質(zhì)洲頭，現(xiàn)在已運動到宜昌下游約110km的江口一帶。三峽工程投產(chǎn)后，因壩下游清水沖刷，卵礫石仍將向下游運動一段距離。關(guān)鍵詞：海退海侵長江床沙成因前言據(jù)大量地質(zhì)勘探資料揭示，長江上游干支流河床中存在深厚的覆蓋層。例如，金沙江下段一般厚2030m，中段的虎跳峽達60200m，四川盆地的嘉陵江為1020m。金沙江覆蓋層的物質(zhì)組成：上部為現(xiàn)代漂卵石層，中部為塊碎石層，下部為含卵礫石的沙層或含沙的卵礫石層。嘉陵江都為現(xiàn)代卵礫石層。宜昌至下游110km的江口為卵礫石夾沙河床，河床中可見卵礫石洲灘分布。江口藕池口卵礫石層面以大于現(xiàn)代河床的坡度，向下游傾斜，沙層厚1020m，其下為卵礫石層。在天然情況下局部沖刷坑下游出現(xiàn)卵礫石的殼狀堆積體，這些殼狀堆積體的卵礫石，主要不是現(xiàn)代江口以上輸移下來的，而是沙層底部卵石沖出。下荊江卵礫石埋藏很深。武漢-南京覆蓋層厚度一般在3040m。覆蓋層的物質(zhì)組成：上部為粘性土層，中部為沙層，下部為卵礫石層。圖1、表1為裕溪口和黃石市上游約20km的圖1長江裕溪口-曹姑洲-四褐山河床地質(zhì)剖面圖GeologicprofileofriverbedinthereachoftheYuxikouCaoguzhoudeltaSijiehill戴家洲地質(zhì)剖面(鉆孔未穿透)。因此，江口一帶以上為卵礫石夾沙河床，其下游卵礫石由表層消失，出現(xiàn)在河槽底部。江口附近成為上游和中下游卵礫石垂直分布變化的轉(zhuǎn)折點。表1戴家洲深孔剖面ProfileofthedeepdrilledholeatDaijiazhoudelta深度(m)組成物質(zhì)中數(shù)粒徑(mm)最大粒徑(mm)大于0.5mm粒徑含量(%)01.3深褐色細粉砂1.34.9棕黃色淤泥質(zhì)粉壤土小于0.1小于0.104.918.0細砂0.0750.140.170.34018.030.6中細砂偶夾粗砂和礫石0.180.320.510.01.511.830.630.75卵礫石1871.9注：據(jù)參考文獻3資料整理。長江上游和中下游床沙均系全新統(tǒng)沉積物。粒徑垂直變化：上游為“上層粗下層細”，表層卵礫石可以運動；中下游為“上層細下層粗”，卵礫石覆蓋于基巖石之上，被壓在沙層下面不能運動。這一現(xiàn)象引起泥沙工程師的關(guān)注，追究其成因不但對研究長江中下游河床演變，還對研究三峽水庫下泄清水沖刷河床和中下游堤防工程具有重大意義。1玉木冰期的海退第四紀(jì)自然界的最大特點是具有輪回性變化的現(xiàn)象，即冰期與間冰期，海退與海侵，地殼抬升與下降，剝蝕與堆積等交替出現(xiàn)。冰期盛行時，地球上冰流和冰川覆蓋體積約7700萬km3，約為現(xiàn)存冰川2625萬km3的3倍。地球大量水體以固體形式貯存，勢必引起全球性的海面下降。趙松齡等研究認為30萬年來中國東部沿海發(fā)生過5次大的海侵和海退。晚更新世發(fā)生過2次大的海退，第一次在5萬年前的玉木(wrm)冰期早期，當(dāng)時海平面低于現(xiàn)代70100m；第二次在1.5萬年前的玉木冰期最盛期，是30萬年中最大的一次海退。國外研究一般認為1.5萬年前，全球海平面下降130m左右。楊懷仁研究認為，主玉木冰期東海海面高程為-150-160m。金慶明根據(jù)微體古生物、孢粉組合和C14年齡測定，認為距今1.5萬年左右，東海海面低于現(xiàn)代150160m。王靖泰等根據(jù)海濱砂堤、貝殼堤、C14測年等資料，認為據(jù)今14780700年前的東海平面為-155m，海岸線向東后退600km，并繪制了“中國東部晚更新世以來溫度變化和海面升降曲線”(圖2)。任美鍔研究認為在距今1.5萬年前，東海海平面位置在水深150160m靠近大陸架轉(zhuǎn)折處，并作了晚更新世東中國海海岸線圖(圖3)。圖2中國東部晚更新世以來溫度變化和海面升降曲線(據(jù)王靖泰、汪品先)VariationofsealevelandtemperatureinEastChinaseaafterLatePleistocene(referringtoJingtaiWang、PingxianWang)圖3晚更新世東中國海海岸線圖(據(jù)任美鍔)CoastofEastChinainLatePleistocene(referringtoMeieRen)水下長江古河道有兩條，一條在北緯3030，東經(jīng)12750處入海槽；另一條在北緯2800，東經(jīng)12650入海槽。河口位置比現(xiàn)在長江口偏南，海岸向東直線延伸約600km。李從先等研究認為，水下長江三角洲平原向東傾斜的自然坡度為0.180.31，古河谷寬達30余km。古平原在海相沉積物之下，為粘土、亞粘土、黃褐色砂礫層等構(gòu)成的陸相沉積物，在沖繩海槽內(nèi)側(cè)有古長江搬運來的泥沙沉積物。水下三角洲體積巨大，可見當(dāng)時長江輸移的泥沙是豐富的；水下三角洲疊置，可見侵蝕基準(zhǔn)面在相對下降，曾一度出露海面受到剝蝕。又據(jù)勘測資料，現(xiàn)長江三角洲地下存在兩級古長江階地，在我國釣魚島附近的海底曾采集到納瑪象牙齒化石。各位學(xué)者的研究成果，均證實了距今10萬年內(nèi)發(fā)生過兩次大的海退，東海海平面曾兩度大幅度下降。2長江中下游河床古地貌復(fù)原長江中下游河谷兩岸存在兩級階地，形成年代分別為晚更新世中期和后期，同海退時間吻合。根據(jù)上述研究成果和河床演變規(guī)律，對長江中下游進行河谷古地貌復(fù)原。距今107萬年的晚更新世早期，年平均氣溫高于現(xiàn)代25，降水充沛；植被良好，河流含沙量低但輸沙量大；海平面高于現(xiàn)代57m，長江口在揚州、鎮(zhèn)江附近，潮汐可達九江；長江江面寬闊，形成了廣闊的河漫灘(alQ31)。距今74萬年，進入早玉木冰期，年平均氣溫低于現(xiàn)代約5，降水量減少，呈半干燥氣候；植被差，徑流量減少，河床縮窄；海平面下降70100m。因侵蝕基準(zhǔn)面下降河流下切河床，原河漫灘(alQ31)遠高于水面。長江口向東延伸數(shù)百公里形成較大的水下三角洲。距今42.5萬年，進入玉木間冰期。氣溫回升，河川徑流量增大，海平面上升，高程雖低于現(xiàn)代但相差不多。長江徑流量沒有早玉木冰期前豐沛，河寬不如早玉木冰期前廣闊。因地形抬升早玉木冰期前的河漫灘(alQ31)已上升為階地。此時長江又形成了新的河漫灘(alQ32)，新河漫灘的規(guī)模較小。距今2.5萬年，進入玉木主冰期。1.5萬年前海平面下降到-150-160m，比早玉木冰期低得多。長江口向東直線延伸約600km，到達今大陸架邊緣直達海槽。長江、黃河和其它河流三角洲相合，形成巨大的凸出體。黃海和東海大陸架出露成陸，形成了遼闊坦蕩的海濱平原。在距今2.51.5萬年的1萬年時間內(nèi)，長江侵蝕基準(zhǔn)面不斷下降，河流產(chǎn)生溯源沖刷，水流下切河床。沖刷過程中把覆蓋于基巖之上的晚更新統(tǒng)沉積物蕩滌干凈，并使早玉木冰期形成的水下三角洲也遭受侵蝕。玉木間冰期形成的河漫灘(alQ32)又遠高于水面。玉木冰期以后直到現(xiàn)在為關(guān)后期屬全新世，氣溫回升，植被變好，徑流增大，海水位回升，約6000年前恢復(fù)到現(xiàn)海平面。因河口水位抬高，比降變緩，泥沙回淤，在河床中形成了全新統(tǒng)沉積物。因地形抬升，107萬年前晚更新世早期形成的河漫灘(alQ31)，演變?yōu)榻袢斩夒A地。42.5萬年前玉木間冰期形成的河漫灘(alQ32)，演變?yōu)榻袢盏囊患夒A地。形成該河漫灘(alQ32)時的流量小于現(xiàn)代，河漫灘規(guī)模不大，故目前長江中下游一級階地分布較為分散零星，且多數(shù)緊貼二級階地臨長江一側(cè)。二級階地是在中更新世沉積物上發(fā)展的，故現(xiàn)在的二級階地下部常由中更新世的棕紅色礫石層和網(wǎng)紋紅土組成，上部為晚更新世的棕黃色亞粘土和沙卵礫，一旦臨江便成磯頭。鎮(zhèn)江以東兩次海退形成的階地，均被后期沉積物覆蓋被埋于地下。3現(xiàn)代長江中下游床沙的形成上節(jié)恢復(fù)了晚更新世長江中下游古河床地貌。值得探討的問題：海平面下降期間，長江溯源侵蝕的終點在何處；現(xiàn)代長江中下游的床沙形成同海退海侵關(guān)系如何。影響水流對床面剪力作用的諸水力因素中，最活躍的是比降。當(dāng)河口水位下降，勢必引起河流縱比降加大，水流對床面剪力加大，垂直、溯源侵蝕和沿程沖刷作用加強。河槽沿程淤積同沖刷相比，以沖刷為主。猶如降低壩前水位水庫發(fā)生溯源、沿程沖刷。根據(jù)鐵道部大橋工程局鉆探和有關(guān)地貌資料(詳見表2)，可以大致把現(xiàn)代長江基巖面，覆蓋層厚度，一級階地高程連貫起來(詳見圖4)?；鶐r面大致代表1.5萬年前長江坡度。武漢-大通1966年7月19日高水水面線縱比降為0.024，武漢-南京一級階地平圖4長江中下游河谷地貌縱剖面示意圖ProfilesketchofphysiognomyofmiddleandlowerreachesoftheYangtzeRiver均坡度為0.026，兩者較接近，故一級階地平均坡度大致可代表2.5萬年前玉木間冰期長江坡度。此外，圖4的圖形是一個典型的三角洲淤積縱剖面。表2宜昌-南京基巖頂板高程、覆蓋層厚度ThicknessofoverburdenandaltitudeoffoundationrockfromYichangtoNanjing地名宜昌武漢武穴九江安慶裕溪口南京基巖頂板平均高程(m)25-15-30-35-45-51-56-64覆蓋層平均厚度(m)523.53537404141一級階地平均高程(m)60403237302422采用基巖頂板坡度同一級階地坡度的比值，判斷海退時溯源沖刷的可能范圍。河段劃分為宜昌-武漢，武漢-裕溪口，裕溪口-南京三段。經(jīng)計算基巖頂板平均坡度同一級階地平均坡度之比，三河段比值分別為2，2.3和4.5。根據(jù)水庫溯源沖刷前后比降相差2倍即可發(fā)生強烈沖刷判斷，在海退的1萬年期間，長江溯源侵蝕的長度已越過宜昌，最終范圍應(yīng)在宜昌上游某一區(qū)段。上述坡降比值，以裕溪口-南京最大，達4.5倍；宜昌-武漢最小，為2倍；這與水庫降低壩前水位后，溯源沖刷強度隨距壩距離的增加而逐漸減小的規(guī)律一致。長江口外水下三角洲坡度為0.180.31，裕溪口-南京基巖坡度為0.13，武漢-裕溪口為0.06。上述三坡度是下游大于上游，也符合水庫降低水位溯源沖刷，比降隨長度增加而減小的規(guī)律。文獻6中談到：距今110006000年，當(dāng)時黃河下