喀斯特峡谷成因及数学模型研究_以猫跳河_六冲河为例

喀斯特峡谷成因及数学模型研究_以猫跳河_六冲河为例 喀斯特峡谷成因及数学模型研究 Ξ ——以猫跳河、六冲河为例 ? ? 肖鸿林邹成杰 ( )?贵州师范大学; ?电力部贵阳勘察设计院 摘 要 喀斯特峡谷, 是喀斯特地区由河流的侵蚀、溶蚀和崩塌作用共 同塑造的一种特殊地貌类型, 它的发生与发展, 与岩石性质、河床水力 比降、流量等各因素密切相关。 峡谷的发育和存在, 对水利水电建设具 有重要意义。本文主要从水文地貌物理场观点出发, 分析喀斯特峡谷形 态与上述各因素的相关关系, 并建立一定的数学模型, 为喀斯特峡谷的 研究尝试一种新的研究途径。 关键词 喀斯特峡谷 水文地貌物理场 数学模型 形成模式 前言0 喀斯特峡谷是喀斯特地区地貌结构形态中一种独特的深切河谷。它是由侵蚀作用、溶蚀作 用和崩塌作用共同塑造的一种特殊的地貌类型。喀斯特峡谷的主要特点是两岸边坡陡立, 坡度 通常在 45以?上、河谷深切而狭窄、水流湍急、河床纵向水力坡降大。此种河谷往往具有良好的 水力条件, 在水利水电工程建设中占有重要的地位。 迄今为止, 我国在喀斯特峡谷地区已建成 数十座大、中型水电站和数千座小型水库。 仅贵州省就建成了乌江渡、天生桥二级、普定、东风 () 及猫跳河梯级 其中 5 座在峡谷区等 10 多座大中型水电站, 小型水库数以百计, 为贵州省的 工农业建设发挥了巨大的作用。 本文将在已有成果的基础上, 选取喀斯特地区代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性的两条河流—— 乌江支流猫跳河和 乌江上游六冲河作为样区, 在对两河流域峡谷分布规律、类型特征、形态结构和控制因素以及 水动力条件等方面研究的基础上, 从水文地貌物理场的观点出发, 探求喀斯特峡谷的发育过 程、形成机理和基本模式, 并选取与喀斯特峡谷最密切的若干因子来进行相关分析, 以找出其 间的客观存在规律, 从而建立喀斯特峡谷的地貌数学模型。 ( ) Ξ 获国家自然科学基金项目 59569001资助。 第一作者简介: 肖鸿林, 男, 1966 年生, 1995 年贵州师范大学地理系自然地理专业毕业, 现为贵州师范大学地理系教师。 ( ) 550001贵阳市外环东路 270 号。 收稿日期: 1996- 07- 15; 改回日期: 1997- 03- 10。 1 样区地质构造背景 1. 1 猫跳河流域 流域内地层, 自震旦系至三叠系, 除缺失奥陶系和志留系地层之外, 其它地层均有出露, 大 部分属于浅海相与滨海相碳酸盐类沉积, 其间夹有少量非碳酸盐岩类沉积。 由于地壳升降变 化, 除震旦系与寒武系之间呈角度不整合接触以外, 其余均呈帄行不整合接触。 侏罗系至白垩 系, 皆为陆相沉积。 燕山运动使本区地层褶皱升起, 第三纪末至现代又表现为强烈的喜马拉雅陆升运动。主要 断层亦属燕山运动初期形成。 经受多次构造影响, 表现为不同方向的多组断裂。 1. 2 六冲河流域 流域内的地层除七星关以上具有少量成条带状分布、零星出露的玄武岩外, 95% 为沉积岩 分布。 沉积盖层总度达 4443。 出露地层由震旦系上统至第四系, 中间缺失了中上奥陶统、志m 留系、中下泥盆统及下石炭统岩关组、上侏罗统、白垩系。其中以二叠系、三叠系地层分布最广。 碳酸盐类岩石的沉积厚度约占沉积盖层总厚的 50% 左右, 其分布面积约为沉积岩分布总面积 的 87% 。 流域位于苗岭东西构造带之北, 川黔、滇西南北向构造带之间。在燕山期以后, 岩层发生了 比较强烈的形变, 产生了山字型、东西向、南北向、华夏式和新华夏等几个构造体系。 各种构造 形迹交织迭加在一起, 形成一幅十分复杂的构造图像。 喀斯特峡谷的成因及形成模式2 2. 1 喀斯特峡谷的分布规律 喀斯特峡谷的分布不是随机的, 它同地貌、水文、岩性、地质构造以及近期地壳运动等都有 着密切的联系。通过对猫跳河及六冲河主支流峡谷分布的研究, 发现其在空间分布上有以下规 律: 1 () 1峡谷的分布与形态, 同河流纵剖面上的水力比降有密切的对应关系; ( ) 2峡谷形态与分布规律同岩层类型、岩石强度有密切的关系。 根据统计, 几乎所有的嶂 谷、双循环峡谷都分布于岩层厚度大、岩石强度高的灰岩中, 而中等强度的灰岩、白云岩则对应 发育宽箱形谷、宽 型峡谷, 而缓宽谷则均发育于软弱的岩层中。V ( ) () 3峡谷形态与分布规律同地质构造 如断层、背斜、向斜等, 虽然也有一定关系, 但其影 响范围往往不大。 对于河谷横断面的影响, 主要表现在河谷的“对称性”上。 如纵向谷, 在顺向 坡一岸边坡较缓, 而在逆向坡一岸, 边度较陡。 () 4在峡谷两岸谷坡地带, 地表水汇流结构逐渐解体, 地下水汇流结构强烈发育, 在峡谷两 2 岸常见层楼状溶洞和暗河出口以及岸坡上高悬的失能喀斯特干悬谷。 2. 2 喀斯特峡谷的成因及其水文地貌物理场分析 喀斯特峡谷是由流水的侵蚀作用、溶蚀作用和崩塌作用共同参与下塑造的结果。这三种作 场, 用物质能量作用概念来研究流域系统的发育、演化和变异。 2. 2. 1 水的侵蚀作用 水的侵蚀作用在喀斯特形成中占有重要的地位。 它决定着喀斯特峡谷的形态、结构、规模 等。 流水的侵蚀作用表现在水流为了降低其自身势能导致的下切, 其作用力大小同水流流量、 1 河谷水力梯度等密切相关。 据研究, 下切力同水流速度的三次方成正比关系。2. 2. 2 水的溶蚀作用 溶蚀作用一直伴随着喀斯特峡谷发育的始终, 在峡谷形成的初期起着主导作用, 尔后与侵 蚀、崩塌作用共同塑造喀斯特峡谷。 喀斯特峡谷形成后要开辟新的地下通道时, 最先发挥作用 的是溶蚀作用。由于 岩溶管道水的汇流作用, 主管道愈发展愈大, 只有溶蚀作用通道打开到一 3 4 定程度时, 溶蚀作用才能很好地进行。据国外研究溶蚀作用打开原始裂隙成为管道所需的时间是相当长的, 至少需要 1 万年以上, 从此, 侵蚀作用才会逐渐加强或超过化学溶蚀作用。而 溶蚀作用也可加速崩塌的进行, 有时从岸边渗出的细小水流可将岩石溶出一凹槽。 2. 2. 3 河岸的崩塌作用 对一喀斯特峡谷的形成, 除了流水的侵蚀作用外, 崩塌作用也是关键的作用。 崩塌可分为四种类型, 即 () () () () 板状崩塌; 岩崩; 岩石剥落以及 粒状崩解 a b cd 5 () 图 1。 在峡谷形成的初期, 一般以侵蚀和溶蚀作用占主 导地位, 随着河谷的被切深, 崩塌作用越来越重要, 尤 其在两岸“应力松驰带”, 由于岸边卸荷节理的扩大, 使 崩塌作用趋于加强。 在猫跳河和六冲河峡谷中时常可 看到崩塌下来的石块及将要崩塌的岩体。 崩塌作用还是实现喀斯特峡谷双重结构互相转化 的主要动力。 喀斯特地下通道被溶蚀、侵蚀扩大以后, 当其达到一定规模时, 由于不能承受顶部岩体的压力 而发生崩塌, 从而实现地上地下水系的转化。另外也可 图 1 岩石崩塌类型 从地下伏流的入口及出口逐渐崩塌, 最后导致伏流全 (. 1 F igCo llap se typ e s af te r 6 部破坏。 对此, 张英骏通过对水城峡谷的研究后, 曾 ). . M AC a r so n 提出了“洞穴伏流向峡谷转化的模式”。 () ( ) 板状崩塌; 块状岩崩; ab () ( ) 岩石剥落; 粒状崩解cd 2. 3 喀斯特峡谷的形成模式 从水文地貌的角度来看, 喀斯特峡谷的产生是水流在降低自己的势能过程中, 力图以最佳 的途径, 最有效的转化而达到这一趋势。 从而不断将河谷向下切割, 并以大水力比降向更低的 排水基准面排泄。 水流在将自身势能降低过程中, 这一过程实现的效率可以用水流的水力比降来衡量, 水力 1 比降越大的河段, 其转化效率就越高, 反之则低。 要得到大的水力比降, 只有不断向下切割,这样就产生了高宽比比较大的喀斯特嶂谷或地下伏流。 嶂谷岸坡产生崩塌或地下伏流顶部塌 陷后将转化为箱形谷; 转化效率稍低的则对应产生峡谷, 峡谷岸坡崩塌后出现箱形谷。 双循环峡谷的上半部, 是为适应以前水文地貌物理场的产物。下半部与目前的水文地貌场 相适应, 它们或是已形成的喀斯特峡谷与伏流塌陷后两者合并而成, 或是由于地壳间歇后再次 抬升, 在已形成的峡谷基础上急剧向下切割而成。 喀斯特峡谷的形成模式可用图 2 表示。 图 2 喀斯特峡谷形成模式图 . 2 F igT h e deve lopm en t m o de l o f k a r st canyo n 喀斯特峡谷的数学模型3 3. 1 参数的选择 本文所要建立的数学模型, 主要是从水文地貌物理场的角度出发, 对喀斯特峡谷的形态结 () 构进行分析研究, 找出该场中各个因子 参数之间的相关关系, 然后用数学形式表示出来。 2 ( ()() ) 喀 斯特峡谷从形态上看有两大类型五种亚型图 3, 它们的横剖面可用高 、宽 H L 9 () 和横剖面面积 3 个参数来确定。F 对于双循环峡谷, 我们只研究下半部的河谷形态, 因为我们要建立的数学模型应是现代水 文地貌物理场的产物, 而其上半部分河谷是以前水文地貌物理场中的产物。 ( ) 水文地貌物理场中, 水力比降 是一重要参数, 它不光是该场中势能转化效率高低的标I 喀斯特峡谷所在河段的岩石性质和软硬程度, 与喀斯特峡谷的形态也有着密切关系, 它还 影响着水文地貌物理场中势能转化时水流向下的切割强度。 该参数可用岩石的帄均抗压强度 () 来表示。 RW 综合起来, 这些因子主要有以下 4 项, 共 6 个参数。 图 3 喀斯特峡谷形态示意图 (). 3 F igD iag ramm a t ic sk e tch show ing th e sh ap e o f k a r st canyo n af te r Yang M ingde () ()() () 1喀斯特峡谷横剖面的高差 、宽 和横剖面面积 ; H L F () ( ) 2喀斯特峡谷所在河段的水力比降 I ; () () 3喀斯特峡谷所在河段的年帄均流量 ;Q () () 4喀斯特峡谷所在河段的岩石帄均抗压强度 RW 。 3. 2 参数的获得与组合 对于喀斯特峡谷的各项参数, 除了实测外, 主要是通过大比例尺地形图切制河谷横剖面, ( ) 然后量取得到。水力比降 也可在地形图上切割河流纵剖面, 然后分段计算而得。河流的年帄 I 均流量主要从水文站及有关部门修建水电站、水库的 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 中获取。 岩石帄均抗压强度, 是根据喀斯特峡谷分布岩层性质确定的, 其数据可参考有关文献资料 7 获取。 3. 3 数学模型的建立 () 3. 3. 1 = 与 之间的关系ƒY Y H L I 通过回归分析, 得出猫跳河和六冲河及两河综合的回归方程, 发现两流域中峡谷的 Y 与 I ( ) 之间存在函数关系, 即 = , 呈直线关系, 相关系数 = 0. 92, 0. 98, 说明各参数之间紧密 Y f I r 1 相关。 () 3. 3. 2 与 = ƒ的关系 Y a a F Q () 与 的关系曲线 图 4呈现出十分明显的函数关系。 各种类型峡谷 与 的对应值是 Y a Y a 不同的。对于嶂谷, 每个流量的水流所需搬运的岩石容量最小; 而形成宽谷, 则需搬运大量的岩 石。 对形态类型不同的峡谷, 三种作用力在其中所起的作用的比例也是不同的, 嶂谷以下切侵 蚀为主, 而箱形峡谷则以侧蚀和崩塌作用占主要地位。 3. 3. 3 与 的关系Y RW () 喀斯特峡谷 与 成正相关 图 5, 即各种不同硬度的岩石在喀斯特区将产生形态类 Y RW 型不同的喀斯特峡谷。 两河的 Y 与 RW 关系通过回归分析, 也呈直线相关。 () () 图 4 猫跳河、六冲河峡谷高宽比 与峡谷横断面面积同流量比 关系图 Y a ( ) 2. 4 F igM ap illu st ra t ing th e re la t io n sh ip be tw een Y ra t io o f h e igh tw idene ssand ( ) a ra t io fo r bo th c ro ss sec t io n a rea and ave rage runo ffa t M ao t iao and L iucho ng r ive r s 3. 3. 4 数学模型的建立 由上述三个关系看出, 与 、、之间具有非常密切的关系, 故在数学模型建立中可将 Y IaRW 三式引入, 利用逐步回归方程, 建立起 与 、、之间的关系。Y IaRW 通过逐步回归分析, 得出如下关系式: = 0. 27+ 0. 459- 0. 029+ 0. 23Y I a RW 由数学模型可知, 喀斯特峡谷的生成是多因子的耦合; 不同形态的喀斯特峡谷 由河流 Y ( )() () 水力比降 、峡谷横断面面积与流量比 和岩石帄均抗压强度 三者决定。I a RW 基本结论4 () 1喀斯特峡谷的产生不是偶然的地貌事件, 它是在特定的水文地貌物理场中形成的必然 产物。 喀斯特峡谷的分布并非是随机的, 它有其自身的分布规律。 () 2喀斯特峡谷的成因, 主要包括三因素, 即侵蚀作用、溶蚀作用、崩塌作用。() 3喀斯特峡谷的形态 Y 与水力比降 I 有密切联系。 () 4由于水流所搬运的岩石数量不同, 因此会产生不同形态类型的喀斯特峡谷。 峡谷越狭 窄, 越大, 单位流量水流搬运的岩石越少; 越小, 单位流量所搬走的岩石就越多。 它们可用Y Y () () 图 5 高宽比 与岩石抗压强度 关系图 Y RW 2. 5 F igM ap illu st ra t ing th e rea lt io n sh ip be tw een th e ra t io o f h e igh tw idene ss o f k a r st canyo n and ro ck com p re ssive st reng th ( ) () 5喀斯特峡谷区岩石软硬程度对喀斯特峡谷的形态类型有很大影响, = , 呈直 Y f RW 线相关。 岩层愈厚愈纯, 所形成的峡谷就越狭窄, 反之则宽缓。 () ( )6不同形态的喀斯特峡谷是由多因素耦合的结果, 即由河流水流比降 、峡谷横断面面 I () () ( ) 积与流量比 和岩石帄均抗压强度 共同决定, 其中以 = 关系最密切。 a RW Y f I 参 考 文 献 1 肖鸿林. 水力梯度在喀斯特峡谷形成中的作用. 中国岩溶, 1996, 4 杨明德. 岩溶峡谷的成因及演化模式. 见: 中国地质学会第四届岩溶学术会议 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 选集. 北京科技出版社, 1995 2 邹成杰. 岩溶管道水汇流理论研究. 中国岩溶, 1992 3 ( ) , . . , 1984, 32: 247, 253P a lm e rA NR ecen t t rend s in k a r st geom o rp ho lo gyJo u rna l o f Geo lo g ica l E duca t io n 4 , . . , 1972 C a r so n M A and K irk by M JH illslop e fo rm and p ro ce ssC am b r idge a t th e U n ive r sity P re ss5 张英骏. 喀斯特地区地下地形向地表地形的转变过程. 见: 喀斯特地貌与洞穴研究. 科学出版社, 1990 6 邹成杰. 水利水电岩溶工程地质. 水利电力出版社, 1994 7 T H E GEN E S IS O F KA R ST CA N YO N A N D IT S M A T H EM A T ICA L M O D EL —C a se S tu dy o f M ao t iao an d L iu cho n g R ive r s ? ? X iao H o n g linZo u C h en g jie ( ?; ?G u iz h ou N orm a l U n iv ersity G u iy ang I nv estig a tion and D esig n I n ), stitu teM in istry of E nergy and M in istry of W a ter C onserv ancy A bstra c t K a r st can yo n is a sp ec ia l geom o rp ho lo g ic typ e w h ich is deve lop ed jo in t ly b y r ive r e ro 2 , , . sio n co r ro sio n an d co llap se in k a r st a reaIt s gen e sis an d deve lopm en t h ave a c lo se re la t io n2 , , . . sh ip to ro ck p rop e r tyh yd rau lic g rad ien t o f r ive r b ed an d d isch a rge o f r ive re tcT h e deve l2 opm en t an d ex isten ce o f can yo n h ave sign if ican t m ean in g s fo r co n st ru c t io n o f w a te r co n se r2 . van cy an d h yd ro e lec t r ic pow e rIn th is p ap e r th e re la t io n sh ip b e tw een k a r st can yo n sh ap e s 2 an d th e fac to r s m en t io n ed abo ve is an a ly sed f rom th e v iew po in t o f h yd ro geom o rp ho lo g ica l . p h y sica l f ie ld an d a m a th em a t ica l m o de l is b u iltT h is w o rk t r ie s to f in d a n ew w ay to k a r st .can yo n re sea rch 2 Key word s K a r st can yo n H yd ro geom o rp ho lo g ica lp h y sica l f ie ld M a th em a t ica l m o de l Gen e t ic m o de l