黄河中游区高原地质环境对黄河泥沙的影响.pdf

第 2 5卷第 2期 2 0 0 3年 2月 人民黄河 YELLOW RI VER Vo 1 ． 25． No ． 2 Fe b ．， 2 0 0 3 【 水土保持 】 黄河中游区高原地质环境对黄河泥沙的影响 孙 绪金 ， 殷 淑 华 ， 田卫宾 华北水利 水电学院 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 8 摘要 从工程地质角度， 通过对黄河中游高原区的地形地貌、 地质构造、 岩性特征 以及水文地质条件等状况的分析， 研 究 了黄 土高原黄土堆 积的力学性 质 、 结构 特征和侵蚀 的基本原 因。黄河 中游地 区河 流泥沙骤增 的原因是 多方 面的 ， 既 有 人类对环境的干扰破坏， 更是因为该区复杂的地质构造、 特殊的岩土层特征和干旱的气候条件综合作用 的结果。 关键词 水土流失；地质环境；风成黄土层；黄河 中游区 中图分类号 S 1 5 7 ； T V 8 8 2 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 01 3 7 9 2 0 0 3 0 2- 0 0 2 9一 o 3 黄河是世 界上最 著 名 的多泥 沙河 流 。由于黄 河 沿途 区域 地质环境条件不同， 使得黄河的泥沙含量在不 同地域、 不同时 段 的含量差 异很大 。实 际上 ， 黄 河下 游 的来水 量 ， 有 一 半 以上 来 自河 口镇 以上 的干 流 ， 而 且挟 带 的泥 沙很 少 ， 仅 占下 游泥 沙 量的 1 0 ％左右。在河 口镇至龙门一段 ， 来水量只占 1 5 ％ 的情 况下， 来沙量却 占了黄河总沙量的6 5 ％以上， 成 了黄河泥沙的 集中来源区， 其中的渭河、 泾河、 北洛河、 无定河的来沙量占黄 河下游总含沙量 的 3 3 ． 8 ％ 以上 。经过 调查分析 ， 黄河泥沙 主要 来 自中游的高原黄土和流沙地区。一般来讲， 一条河流地质作 用的总的趋势往往是上游区剥蚀 、 中游搬运、 下游沉积。黄河 的情况却不同， 它的中游区剥蚀最为强烈， 远远大于上游区。 1 黄河流域的主要地质构造特征 地质构造学的最新理论研 究表 明， 在地球 自转作用驱动 下 ， 地球 内部 的低 速层 漩涡 热对 流 ， 对 岩石 圈造 成 了旋 转挤 压 作用， 引起近乎对数螺线走 向的褶皱、 近涡轮状 的褶皱体系以 及组合成看似完整地环绕某一 中心的同心环状褶皱体系。为 了解释这种旋转挤压作用， 人们很容易联想到大气圈的变化。 随着电子技术 、 卫星通信技术以及计算机技术的发展， 现在人 类很容易从云层的变动看清楚全球性的天气变化， 在地球的旋 转之下， 大气的漩涡构造大气旋台风总是影响和控制着全 球的天气形势 ， 它具有全球性、 普遍性、 不均一性和周期性等特 征， 也是漩涡型的， 只是大气圈的变化与岩石圈比较 ， 更加十分 明显而已。通过参考全球性的天气变化特征 ， 可以清晰地推断 岩石圈的变化特征。上述地质体系也适合于解释我国的大陆 构造体系。中国大陆地质构造体系明显地表现出旋转向心挤 压构造、 反对称构造 、 中心纵裂谷构造等形态。 在古老地质年代系列构造变动的基础上， 由于印度陆块的 旋转俯冲对欧亚大陆块的撞击， 因而 自渐新世以来， 黄河中游 地区的地质构造运动一直十分活跃。在长达 2 0 0 0多万年的地 质年代里 ， 持续的剪切和挤压变形， 使得该地区形成 了巨大的 韧性剪切变形带 ， 使岩石圈的物质向东蠕散 ， 并在整体上形成 西部地区连续隆起， 东部地区不断断陷的动态格局。形成 了以 昆仑山一祁连山一贺兰山一阴山为北界， 以巴颜喀拉山一秦岭 一 太行山为南界的黄河流域 ， 即形成西高东低的阶梯状降落 ， 上游 以 4 0 0 0 m高山山地 为主 ， 中游 以 1 2 0 02 0 0 0 m的 黄土 高原为主， 东部以海拔 1 0 0 m以下的华北平原为主的现今地貌 景 观和地势形态 。 这里的黄河中游是指从甘肃兰州的稍西至河南郑州一段。 从地域上讲， 该地区北起阴山， 南到秦岭 ， 东界为太行、 吕梁山 脉 ， 西至贺兰、 六盘山脉。黄河中游区被群山环绕， 中部成为高 原、 盆地和沙漠地带 ， 海拔在 1 2 0 0 2 0 0 0 m。主要高原有陇西 的黄土高原、 陕甘宁黄土高原、 山西山地黄土塬 、 伊盟和昭孟沙 漠高原、 阿尔多斯高原和豫西山地。这一地区在地质构造上形 成了陵格状构造， 这种构造正是大陆岩板挤压扭拖形成的。这 一 地区的高原地层由于其地理和气候条件的限制 ， 多为河流沉 积和风成堆积。经过地质考证， 由于气候干燥 ， 因此 自第 四纪 以来 ， 这里的高原地层大都是风成作用形成的。 2 高原黄土及沙漠工程地质特征 在新老多次多级强烈的地质构造作用下， 黄河中游区的地 质构造是十分复杂的， 表现了岩体结构破碎复杂， 岩石组合多 样 ， 松散岩类广泛分布。除去沿河谷和山前地带形成流水作用 堆积外， 大面积范围内覆盖着第四纪和第三纪黄土及流沙。 根据地质调查证实 ， 专家学者们已经对该地区大面积的黄 土和流沙成因， 基本上达成了共识 ， 该地区黄土高原地层和流 沙是第四纪以来以风成作用为主形成的。 风成作用形成的黄土堆积 ， 在中游地 区有以下的主要 特 征 孔隙发育， 结构松散， 土颗粒以粉质沙黏土为主， 土壤呈弱 碱性， p H值在 7 8之间， 腐殖质含量少 ， 土的崩解性、 湿陷性 收稿 日期 2 0 0 21 21 0 作者简介 孙绪金 1 9 4 2一 ， 男， 山东肥城人， 教授， 主要从事 水文地质、 水土保持及水环境方面的研究和教学工作。 维普资讯 3 0 人民黄河 2 0 0 3年 渭南0 ． 6 洛川 1 0 ． 5 西峰0 ． 8 0 ． 3 5 0 ． 3 0 0 ． 5 0 1 4 l l l 5 4 9 5 5 5 5 7 ． 5 0． 5 8 3 ． 9 0． 0 o 6 5 7． 9 0． 4 5 2． 1 0． 0 o 8 5 8． 0 0． 6 9 4． 5 0． 0l 0 6 6 0 5 0 8 0 迅速 1分钟崩解 迅速 在北部的昭盟、 伊盟和腾格里地区， 广泛分布着结构松散、 移动频繁的沙丘 ， 大风吹过， 沙土飞扬， 不但形成沙漠地带， 而且 沙尘暴影响的区域十分广泛。该区虽属于沙土堆积， 但是颗粒 的粒度成分和颗粒大小构成却具有颗粒细、 密度小、 渗透性强的 特征 ， 颗粒组分小于 0 ． 1 n l n l 的占了9 5 ％以上。这也是风成作 用的典型特点之一⋯。 需要特别指出的是， 在上述黄土层的各项物理力学指标 中， 有两个指标由于具有更为明显的特征， 引起了人们的注意 ①表 现了渗透性能的不均一性， 黄土层沿垂直方向上的渗透系数大 于水平方向的渗透系数， 两者之间的渗透性差了几个数量级； ② 沿水平方向的抗剪强度明显高于垂直方向的抗剪强度 ， 表现出 了力学性质 的不 均一性 。 ． 分析研究表明， 风成黄土层与其他原因形成的黄土， 在物理 性质、 力学特征和水力特性方面都有明显的差异。观察和试验 表明， 造成这种特殊性的主要原因 一是黄土颗粒具有一定的电 性特征 ； 二是颗粒的形状和堆积方式不同。风沙尘暴一般是在 干燥气候条件下发生 ， 干燥条件下的土颗粒在空中飘浮时， 具有 一 定的电性特征， 即颗粒同时携带了正电荷 ， 当飞落至地面时将 与已经存在于地面的负电性土层发生静电效应。从微观上讲 ， 这种效应引起了颗粒之间在垂直方向上的颗粒排列会 比沿水平 方向的排列更加紧密 ， 而颗粒的下落重力冲击作用， 则又加剧了 这一过程。另外， 在相同重量的颗粒中， 由于风力的作用 ， 圆度 较好的颗粒总是首先飘落于地 ， 而板状或片状颗粒则滞后落地， 从而使得板状或片状颗粒以直立或近似直立状态在地面上稳定 下来 ， 形成直立的板状或片状排列堆积。这种排列方式极大地 影响了高原黄土的物理力学性质和渗透性能 ， 造成黄土层垂向 抗剪强度小于水平抗剪强度 ， 并使垂直方向的渗透系数大于水 平方向渗透系数的独特黄土结构。这样的结构特征是黄河中游 区的黄土高原形成黄土梁峁、 沟壑纵横、 地面切割强烈、 土壤侵 蚀严重的基础地质条件。 3 黄河中游区风成黄土层的侵蚀破坏特征 在陕西 、 山西以及甘肃南部的黄土层地区， 当每年7、 8月份 的暴雨季节来临时 ， 一些黄河支流的水流含沙量很高 ， 例如三门 峡库区经常出现含沙量过 5 0 0 k g ／ m 的高含沙洪水， 一次或数 次高含沙量洪峰期间所通过的泥沙量为 4亿 一5亿 t 。表 2给 出了龙门水文站几个水文年的泥沙含量观测资料 ] 。 在黄河中游地区一些小支流上， 每年的 7 、 8月份甚至还会 形成“ 浆河” 现象， 洪水的含沙量 1 0 0 02 0 0 0 k g ／ m 。原因是 在行洪期间， 洪水中高含泥沙 ， 还常夹杂着大小不 同的漂浮土 块 ， 大者如同一两间房屋大小。这种现象是由于沟头 、 坡岸的黄 土层在流水的淘刷下坍塌形成的。随着洪水的减弱 ， 含沙量会 越来越高， 直到洪水变为泥流， 停止淤落在河床 ， 并使河床抬高， 为下次洪水挟带更多的泥沙创造条件 。 表 2 黄河干流龙门一次洪峰通过的泥沙量统计 黄土层为什么会以这种形式被剥蚀洪水中的泥沙含量为 什么如此之高这就是风成黄土层的结构特征、 物理力学性质 和不均一的渗透性特点所造成的。经过观察发现 ， 当暴雨洪水 发生时， 沿着大小沟壑运动的水流总是对沟谷的坡脚进行淘刷。 由于黄土层的柱状结构特征， 使沟谷无法形成稳定的 自然边坡， 坡脚逐步被水流掏空 ， 甚至形成倒悬反坡。前面提到， 黄土层沿 着垂直方向的抗剪强度较弱而渗透性强， 这一特征很容易使雨 水沿垂直方向渗透 ， 降低土层的垂向抗剪强度， 土层在重力作用 下 ， 很块就从沟坡上塌落下来 ， 使沟谷形成新 的峭壁斜坡， 然后 在水流和重力作用下， 重新掏刷， 不断地重复上面的过程。由于 沟谷边坡继续垮落 ， 沟谷不断加深和加宽， 因而黄土也就源源不 断地进入流水中。也就是这一过程 ， 使得陕、 甘、 晋、 豫西地区构 成了黄河中游黄河泥沙剧增的源区 J 。 在黄河中游区北部的甘肃、 内蒙古一带 ， 风成的流沙更为 松散 ， 洪水挟带泥沙进入黄河的量不少于南部地区。因此， 黄河 中游泥沙的骤增 ， 除去人类对环境的干扰破坏之外 ， 是该区复杂 的地质构造、 特殊的岩土层特征和干旱的气候条件综合作用的 结果。为了进一步划分该地区的土壤侵蚀强度， 国家有关部门 绘制了黄河中游区的输沙模数图 见图 1 ， 把水土流失情况进 行了详细的分区。由图 1可以看出， 自蒙古的河 口镇至无定河 的榆林是强侵蚀带之一 ； 无定河的中下游区、 北洛河 、 泾河流域 是第二个强侵蚀带； 第三个强侵蚀带是渭河的中上游地区。这 三个地区的输沙模数为 2 0 o o o一3 0 0 0 0 t ／ k m a 。 4 人为因素对黄河中游区含沙量增高的影响 黄河中游区产沙量的骤增， 除去和当地的地质地貌特征即 气候条件有关外， 人为因素所造成的水土流失也是不可忽视的 重要因素。据历史记载和地质考察证实， 中游地区的植被覆盖 率和湿地面积， 在历史上要比现在大得多 ， 那时的热带植物林随 低 低 低 H 维普资讯 第 2期 孙绪金等 黄河中游区高原地质环境对黄河泥沙的影响 3 l 处可见。但是 ， 本来就十分脆弱的植被， 经不起人类毫无节制的 乱砍盗伐。据考证 ， 为了修建穿越黄河中游区的万里长城 ， 烧砖 用薪， 烧掉了几乎整个中游北部地区的森林。 图 1 黄河中游区输沙模数 [ 单位 k m ． a ] 在最近的上百年甚至几十年里 ， 人们为了改善生活， 获取好 的收成 ， 大量从河中和地下引水灌溉 ， 进行毁林开荒 ， 实施梯田 上山和过度放牧， 致使河水断流， 地下水大幅度下降， 湿地消失， 草场退化 ， 形成了大面积的荒漠或沙漠。据统计， 在全国9 o多 万 k m2 的荒漠中， 黄河中游地区就占了 1 ／ 8多； 全国的沙漠化每 年以 2 4 0 0 k m 2 的速度发展 ， 黄河中游地区占了3 0 0多 k I n 2 。 到 2 0世纪 8 0年代末期 ， 在 山西省中部几个县的田野上竟然看 不到一棵树 ， 可见人类对环境的干扰破坏是多么地严重 水资源是生命之源 ， 是人类生存的依据 ，森林资源是人类 生存的基础 ， 是生态系统处于良性循环和资源可持续发展的保 护神， 无论哪一种资源受到干扰和破坏 ， 都会带来各种各样的地 质灾害 ， 而最直接最突出也是最严重的问题 ， 就是产生水土流 失。因此 ， 黄河中游区河流泥沙骤增， 和人类对环境的干扰破坏 有着密切的关系。 5 结论 黄河中游地区河流泥沙骤增的原因是多方面的， 首先区域 地质条件起主导作用 ， 其次是区域 自然环境及人类对环境 的干 扰破坏。到目前为止 ， 人类现有的科学技术还无法改变和抗拒 威力巨大的地质营力。一条河流的水流流动， 总是伴随着侵蚀、 搬运和沉积这样一个规律性的过程。黄河中游高原区是属于侵 蚀地带 ， 黄河将不停息地把大量泥沙从中游地区搬运到下游。 黄河中游地区黄土层的结构特征决定了它的极易侵蚀性。 参考 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 文 献 刘东生． 黄河中游黄土[ M] ． 北京 科学出版社 ， 1 9 6 4 ． 何希吾 ， 康清蔚 ， 王旭 ， 等． 水资源研究参考资料汇编[ R] ． 北京 中国科学考察委员会， 1 9 8 5 ． 戴英生， 闫太白， 朱钧， 等． 黄河中游工程地质[ M] ． 北京 地质出版社 ， 1 9 8 6 ． 孙绪金． 黄河流域功能的恢复研究[ A] ． 第 3 0届国际地质 大会论文集[ C] ． 北京 地震出版社 ， 1 9 9 5 ． 孙绪金． 工程与水文环境地质学[ M] ． 北京 科学出版社 ， 20 o1． 【 责任编辑赵宏伟】 上接第 1 4页 本框中， 以便直接查看结果 ， 软件运行界面见图 4 。同时还把结果写到一指定的文本文件中， 方便用户的打印。 文件内容除了每一个断面的水位值外， 还可以根据需要输出一 些基本参数， 如每一断面的过水断面面积、 湿周等， 这样可以选 取几个断面进行校对 ， 以验证程序的正确性。为了向用户提供 更直观的计算结果， 该软件还可以自动画出河道的水面曲线及 左右岸大堤堤顶曲线示意图， 这样也可给用户留下计算结果的 整体印象， 有助于后续工作有的放矢， 见图4 。 图4软件 运行界面 5 结语 软件开发成功以后， 在新蟒河推演水面曲线应用中， 很短 时间内就计算出了多种工况下的水面曲线， 这在以前是无论如 何也做不到的。利用该软件来解决此类问题 的优点是 ① 效 率高。与手工计算相比， 该软件彻底改变了过去人工试算重复 性、 机械性的计算方式 ， 节约了大量的时间和精力； ② 计算误 差小。过去一般都是直接在测量单位提供的断面图上手工分 割计算过水断面面积、 湿周等， 工作量大且难免会产生误差 ， 影 响计算结果的可靠性。采用该软件来计算上述参数 ， 由于是由 断面上的坐标点直接应用计算公式算出的， 因而计算误差大大 低于手工计算， 计算结果更切合实际 ； ③ 适用面广 ， 计算成本 低。相同或相似的计算任务几乎无需任何计算成本 ， 只需输入 几个参数 ， 稍加修改数据文件格式， 就可以完成计算任务。 参考文献 [ 2 ] 武汉水利水电学院水力学教研室． 水力计算手册[ M] ． 北 京水利电力出版社 ， 1 9 8 3 ． 吴持恭． 水力学 上册[ M] ． 北京 高等教育 出版社 ， 1 9 8 3 ． 【 责任编辑翟戌亮】 维普资讯