阶梯-深潭的形成及作用机理.doc

水 利 学 报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 文章编号: 0559- 9350( 2004) 10- 0048- 08 阶梯- 深潭的形成及作用机理 徐江１，王兆印1，2 ( 1. 清华大学 水利水电工程系，北京 100084；2. 国际泥沙研究培训中心，北京 100044) 摘要：阶梯- 深潭系统是山区河流中常见的河床微地貌现象。本文通过水槽实验，研究了在不同的水流流量、河床 坡度、床沙级配和上游来沙率条件下，阶梯- 深潭的形成过程。在此基础上探讨了阶梯- 深潭的发育和作用机理。 通过定义阶梯- 深潭发育程度系数SP，结合水槽实验结果和天然阶梯- 深潭河流的资料，总结阶梯- 深潭的发育条件， 得出了SP与河道坡度、床沙级配、上游来沙率之间的关系式，并分析了阶梯- 深潭系统增加水流阻力，消减水流动 能，稳定河床的作用。 关键词：阶梯- 深潭系统；阶梯- 深潭发育程度；水流阻力；消能；河床稳定性 中图分类号：TV147 文献标识码：A 山区陡坡河流的河床常由一段陡坡和一段缓坡加上深潭相间连接而成，呈一系列阶梯状，这就是 st ep- pool syst em，或译为阶梯- 深潭系统。陡坡上堆积着较大的卵石，构成阶梯，深潭里充满了细小的 沙粒和一些较粗糙的砂砾。除了卵石以外，有时河道基岩出露的地方也可以发育为阶梯，在森林地区的河 流中，有些阶梯由树木堆积而成。阶梯- 深潭河流的典型形态特征体现在床面纵剖面上起伏很大，存在一 系列折点，沿程水流急流和缓流相间，水面线上也存在许多折点，呈现出明显的连续阶梯状。河流通过缓 慢地、持续不断的侵蚀下切，使得河床在纵向具有弯曲特性。在河床中阶梯处，泥沙颗粒的粒径相对粗大 一些，有较大粒径的卵石甚至巨石存在，处在阶梯下游深潭内的泥沙颗粒比阶梯处细小，而且粒径很小的 细沙也可以存在。早在1957年，Lepol d和Wol man就注意到这种河流地貌特征，但是这个名词是在20世纪80 年代才出现的。Judd于1964年称这种地貌为“st eps”，1966年Wer t z称其为“Ser i es of smal l wat er f al l s and i nt er veni ng pl unge pool s”，1978年Newson和Har r i son称其为“Fal l s and Pool s”，1981年Heede 称其为“Gr avel bar s”，到1982，Whi t t aker 和Jaeggi ，1985年Pet t s和Fost er 都称其为“St ep- Pool syst em”， 其后这个名词被人们广泛接受 [ 1] 。 阶梯- 深潭系统在山区河流中是一种很常见的地貌现象。山区流域降水丰富，河流经常流经陡峭峡谷， 泥沙组成复杂，所以发育阶梯- 深潭系统的河道坡度较大，水流挟沙力不饱和，河流泥沙级配不均匀。甚 至于在英国，对坡度大于1%的河流，凡是河床泥沙颗粒较粗，具有阶梯- 深潭( st ep- pool ) 形态特征的，都 被认为属于山区河流范畴[ 2] 。在美国的加利福尼亚Sant a Moni ca山区[ 3, 4] ，纽约Adi r ondack山区[ 5, 6] ，加拿 大Br i t i sh Col umbi a的Shat f or d Cr eek山区[ 7] ，德国Bavar i an Al ps[ 8] 等山区河流中都发现了发育良好的阶 梯- 深潭系统。我国是多山国家，大多数河流发源于山区，阶梯- 深潭系统分布很广，如四川西北岷江上游 段，贵州清水河的锦屏至新市河段[ 9] ，云南山区河流中都可以观测到明显的阶梯- 深潭系统。 天然的阶梯- 深潭河岸生态系统受山区陡坡河流的水流参数和河床特性等关键因素的影响。这些因素 不仅控制水生物，同样影响两栖类和陆生类生物的栖息地。阶梯- 深潭系统中水流存在强紊流，使水体内 收稿日期：2003- 07- 28 基金项目：国家973计划资助项目( 2003CB415206) 作者简介：徐江( 1979- ) ，男，陕西榆林人，硕士生，主要研究方向为山区河流地貌。 1水 利 学 报 2004 年 10 月 SHUILI XUEBAO 第 10 期 部温度和氧气分布均匀，给许多生物提供了良好的生存条件，同时阶梯- 深潭创造了不同流速、不同深浅 的水生物栖息地和产卵地，不仅较大的两栖动物和水生物可以在此生存，幼小的生物也可找到躲避急流和 捕食动物的地方；同时多样性的栖息地也有利于保持较高的生物多样性，防止单个物种密度偏高。故而从 总体上说阶梯- 深潭的生态系统具有一个全面而又健康的良好环境，对于保持天然生态环境的稳定大有裨 益。一些国家已经开始利用阶梯- 深潭系统对河流进行治