长江源曲麻莱段河床沉积物分布特征

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(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010；2.河海大学 水文水资源学院，南京 210098； 3.水利部人才资源开发中心，北京 100038)

1 研究背景

在长期的地质演化过程中，长江流域经受剧烈的构造运动、海平面升降和气候变化等因素的影响。近年来，人为和自然因素的变化，对河流水力形态和沉积过程进一步产生了较大影响[1-4]。迄今，已有很多学者在长江流域的历史环境演化和演变趋势方面作了大量的研究工作，但在具体河段河流沉积物历史演化方面的研究相对较少。张玉柱等[5]在汉江上游和渭河干支流一级阶地的典型沉积剖面上横向采集沉积物样品，从沉积学学科角度分析古河床的演变；赵怡文等[6]在长江中下游河道断面采集河床沉积物样品，分析沉积物粒度参数，以河流动力学学科基础探讨现代河床地貌的演变过程；李九发等[7]在长江口采集河床浅层沉积物，采用沉积学和泥沙运动力学相结合的方法研究河床沉积物粒度空间分布特征。上述研究多在中下游河段，河床演变受人类影响的直接作用较多，而对于以自然演变为主的青藏高原河流研究较少，且青藏高原对气候变化响应较为敏感，其河流的径流输沙及泥沙沉积变化可以为气候及水文反演提供直接标识。

本文在长江源区通天河河床断面上布置采样点并垂向钻孔，采集一定深度的河床沉积物，分析河床沉积物粒度的空间分布特征，探索长江源通天河段沉积物的环境意义，以期为长江源区河流历史形态数字复原和长时间径流泥沙数据重建与序列重构提供基础数据支撑。

2 研究区概况

2.1 区域地貌概况

长江源区水系由长江正源沱沱河、南源当曲、北源楚玛尔河和通天河组成。沱沱河与当曲汇合于囊极巴陇，以下河段称通天河，自囊极巴陇向东流与楚玛尔河汇合，此河段为通天河上段(见图1)。江源干流段全长1 174 km，区间集水面积13.77万km2。根据全国第二次水资源调查评价1956—2000年系列成果，区域多年水资源总量124.5亿m3，占青海省长江流域水资源总量的69%，占全长江流域的1.3%。

图1 长江源区水系分布Fig.1 Map of water system in the source region of Changjiang River

2.2 取样河段地貌特点

样品采集地在通天河曲麻莱新县城附近，河道为单侧有山体约束的宽谷河道，多股分汊河型，主槽为沙卵石河床组成，如图2(a)；河段下游右岸聂恰曲入汇后，逐渐进入峡谷河段,如图2(b)，峡谷的壅水作用促进泥沙在宽谷段落淤。如图2(a)所示，取样断面附近河道左岸是坡度约80°陡峭高山，右岸是冲、洪积扇共同作用的一级阶地，呈现清晰的水平状层理。

图2 长江源取样河段概貌及其下游河段Fig.2 Geomorphology of the sampling reach and its downstream

3 样品采集及研究方法

3.1 样品采集

通过实地考察选取了采样断面，在断面的一级阶地、河漫滩、江心洲等位置布置采样点，取样断面及样品采集点位置见图3(断面取样点由右岸→左岸依序编号)。

图3 样品采集点位置Fig.3 Location of sample collection points

图4 岩芯钻孔现场Fig.4 Photo of core drilling

河床沉积物采集方法不同于古洪水平流沉积物的采集[8]，采用HZ-130Y型岩芯钻机(现场施工见图4)在河床断面垂向钻孔取样，直至钻到基岩或河水大量渗入影响取样为止。采样时间为2017年4月，河道流量较小、水面窄，大部分河床为裸露状态，为钻孔取样提供了较好的作业空间。将取出的沉积岩芯按取样深度依次倒入槽中,如图5所示；依据沉积学中的含砾率、颜色、成分、分选性等指标，定性描述样品外观特征，见表1；按照细沙、细沙夹砾石、粗沙夹砾石、砾石分类标准，得到河床沉积物的垂向成分变化图，见图6；同时采用目测法粗略估算粒径较大的沙砾石，粒径较小的粉土、粉沙夹砾石等样品则单独包装带回实验室分析。钻孔位置及高程由GPS设备定位，河宽采用激光测距仪直接测量，水深测量通过标尺或现场参照物进行估算。

图5 采集沉积物的外观特征Fig.5 Macroscopic features of sediments

图6 各采样点河床沉积物垂向成分分段图Fig.6 Sectional composition of riverbed sediments in each sampling point

3.2 研究方法

在定性描述样品外观特征的基础上(见表1)进行沉积芯分层，然后将各层沉积物取样，按照粒径大小不同分别采取目测法、标准筛法和激光粒度仪(LA-950 型，日本Horiba公司生产)进行中值粒径D50和级配测量，并按照一般粒度参数公式计算平均粒径、标准偏差、偏度和峰态，得到沉积物粒度参数及特征值。

表1 长江源区采样点沉积学特征描述Table 1 Pedo-stratigraphic descriptions of>sampling points

4 结果分析与讨论

4.1 粒度成分分析

从表1和表2可看出长江源曲麻莱段沉积物以分选和磨圆较差的沙砾石为主，成分在棕色、灰色沙质砾岩或含砾沙岩间变化，形成块状层理、粒序层理，沉积厚度最深可达7 m。表2给出了一级阶地、江心滩、潜滩和主汊河床的沉积物粒度参数特征值，结合图6可见，长江源曲麻莱段沉积物以沙砾石(>62.5 μm)为主，其质量百分含量占90%以上。沉积物粒度成分垂向发生波动，以Q1-1钻孔为例，采集样品中Q1-1-3以细沙(62.5～2 000 μm)为主，其质量百分比含量为95%；Q1-1-4和Q1-1-7细沙含量则在50%以下，砾石含量(>2 000 μm)分别为49.62%和55.92%； Q1-1-6和Q1-1-8细沙含量均约为62%以下，砾石含量约为1/3；Q1-1-9则除表层沉积物以外细沙含量最大的，其含量>80%。

表2 各采样点河床沉积物粒度垂向变化Table 2 Grain size characteristics of riverbed sediment at the sampling points in vertical direction

注：黏粒粒径<2 μm，粉沙粒径2～62.5 μm，细沙粒径62.5～2 000 μm，砾石粒径>2 000 μm；偏度(Sk)是表示粒径频率曲线对称性的参数，分为正偏、负偏和近似对称(Sk=-0.1～0.1)，河流沉积物多为正偏；峰度(KG)是表示粒径频率曲线峰态的参数，以1.11为界分为宽(数值小)、窄(数值大)2个大区间，河流沉积物峰度多样，一般偏宽

一般认为垂向沉积物粒度的变化主要取决于输入物源的粗细变化，大致反映当年水流搬运能力的强弱[9-10]。当降水较多、径流较大、水位抬升、河流挟沙能力较强时，河床沉积物粒径偏粗；当降水较少、径流较小、河流挟沙能力较弱时，相应的河床沉积物粒径偏细。故各样品采集点的泥沙中值粒径、成分垂向变化(见图6)能够直观地反映出河段径流的变化，即中值粒径减小表明当年径流下降，中值粒径增大表明当年径流增加。

同一采样点的沉积物粒度成分垂向波动，形成“粗→细”交替变化，反映了相应环境下河段水文的变化及多次强弱交替的流水堆积过程。

4.2 粒度参数

通天河曲麻莱河段河床沉积物中值粒径为412.02～3 163.25 μm，主要为沙砾石，标准离差介于1.08～2.38之间，多数在1～2之间，河床的分选系数介于1.69～3.21之间，为典型的非均匀沙，分选较差(标准离差[0.7，1.0]为分选中等，[1，2)为分选较差，>2为分选差)，一般河流沉积物愈往下游分选愈好，分选较差说明沉积物为河流上游段的沉积结果。

各采样点中，Q1-7和Q1-6均位于河道主槽，Q1-4为最小的一个支汊，Q1-1为阶地。一般认为河漫滩、江心滩上堆积的沉积物为河床沉积物，一级阶地堆积物为地貌堆积层。结合表2，可以得到沉积物粒径大小的横向分布规律。由表2可见，主槽的中值粒径及砾石含量均大于支汊和阶地，说明粒度差异与样品采集的位置有关，越靠近河槽、河流动力越强，沉积物粒径越粗。反之越靠近河岸，沉积物粒径越细，河流动力较弱，这与河道水动力分布规律较为吻合。

4.3 粒度自然分布频率与累积频率分析

沉积物粒度自然分布频率可以比较直观地反映河床沉积物样品的性质、成因和物源[11]。由表3所示，由于钻孔位置的差异，各沉积粒度曲线存在一定差异。Q1-1曲线存在3个波峰，说明了冰川与河流的共同作用；Q1-4，Q1-6，Q1-7都存在2个波峰，是典型的河流沉积环境，同时正偏态亦是河相沉积物特征之一，说明该河段河床沉积物以河流动力沉积为主，阶地则有冰川与河流的共同作用。而河床主槽区域沉积物较宽的峰度说明其尽管是河流沉积的结果，但经河流改造的程度并不够明显，仍代表着河床泥沙是多种来源混合而成。

表3各取样点河床沉积物粒度特征
Table3Particlesizefeaturesofriverbedsedimentsatsamplingpoints

取样点编号成分自然分布频率曲线偏度分选性峰度最大峰值粒径/μmQ1-1沙砾石3个波峰很正偏较差中等1 791Q1-4沙砾石2个波峰正偏差中等4 120Q1-6沙砾石2个波峰正偏较差宽4 090Q1-7沙砾石2个波峰正偏较差宽4 124

粒度累积频率曲线是以图解形式研究沉积物粒度成分分布特征的方法。如图7所示，该河段河床沉积物分为2段，下段斜率大，上段斜率小，表明其主要由跃移质和悬移质成分组成，无滚动沉积，是典型的壅水河道沉积结果。

图7 通天河曲麻莱河段河床沉积物曲线Fig.7 Sediment curves of the Qumali Reach inthe Tongtian River

5 结 论

河床沉积物是河床演变的信息载体，反映特定年份河床干枯特性，也是研究河流泥沙及其搬运状况有效的记录，通过本文研究得到如下结论：

(1)粒度成分和粒度概率累积曲线分析表明，长江源河床沉积物以沙砾石为主，这与野外宏观特征描述一致，同一采样点的沉积物粒度成分、粒径垂向波动：“粗→细”交替变化，反映了相应环境下河段水位的变化及多次强弱交替的流水堆积过程。

(2)粒度参数和频率分布曲线特征显示长江源曲麻莱河段河床沉积物多为双峰、分选差，是河流动力沉积的结果，其阶地沉积物则为多峰、分选差，推测为河流动力与冰川动力的共同作用。

(3)粒度概率累积曲线分析表明，沉积物由跃移质和悬移质成分组成，无滚动沉积，粒径沿横断面分布表现为河槽沉积物粒径较粗，阶地及远离主槽的支汊粒径较细，沉积物峰值形态差异与采样位置有关，并与河流水动力特性基本一致。

本文通过对长江源区沉积物的研究，揭示江源地区沉积物粒度的基本特性，可为探索长江源区河流历史演化过程提供基础数据支撑。