太原柴村汾河沉积与水流变化分析

李凯杰

（太原理工大学矿业工程学院）

太原柴村汾河沉积与水流变化分析

李凯杰

（太原理工大学矿业工程学院）

对太原柴村地区出露保存完好的古河床剖面和沉积相进行了详细调查，分析了河床沉积砂质层的组成、粒度及河道沉积与水流变化的关系。结果表明：沉积物主要来源于古汾河从西山河谷内的冲蚀，并通过较大水流带至平原地区沉积下来；砾石层越厚，代表水流的速度和流量越大，也代表着河流的侵蚀能力越强。建议加强对郊区汾河的河道治理与河道采砂、上游煤炭开采的管控，让汾河重现往日奔流不息的盛况。

古河床剖面 砾石沉积 河流侵蚀 汾河柴村段

汾河作为山西的第一大河，穿越省会城市太原而过，属三晋人民的“母亲河”，对全省的社会经济发展影响巨大。研究汾河的沉积作用，对分析汾河水流变化有着重要意义。随着汾河太原城区段的改造，现在可以看到的原始河道最理想区域，在柴村桥以北至中北大学。此处河床及附近，可分为河床、河漫滩等。根据前人统计，共有六级河流阶地。据调查，在道路附近较为明显的有3-4级阶地，由于破坏严重，分级并不是特别明显。但是，在靠近道路的一侧，仍然保留有完整的剖面和典型的河道沉积。现以砾石为主，砂砾为辅（由于前期挖沙严重，细粒砂大幅度减少），通过对汾河河道两侧的河床沉积进行描述，分析现代汾河的沉积作用与水流变化。

1 柴村地区河道的沉积剖面及典型河流沉积作用

1.1 沉积剖面

柴村地区的汾河河道沉积在柴村桥东北方向约7 km处（大留村）有较好的剖面露头，地理坐标为37°59′19.4″N，112°26′56.5″E，位于河流东岸。人工挖掘的新鲜剖面，厚度10-15 m，长约400 m（如图1所示）。该剖面为砂质层、砾石层的互层，属典型的河道沉积。通过对现今河道位置进行对比，认为是汾河的古河道沉积。在长约400 m的剖面，走向为北—北西，西北方向的剖面以砾石层为主，厚约10 m，中间夹有5层细砂层，最厚约40 cm，最薄为10 cm；砾石层与砂质层均未固结成岩，极易脱落下来；在最下层有较厚的坡积物，坡积物被河水在高水位时冲刷，仅保留有砾石。剖面整体上的分选性较差，砾石的磨圆度较好，基本均无明显的棱角。中部的剖面保存完好，有良好的露头。下层为以砾石层为主夹薄层砂质层或砂质层透镜体，厚度为8 m。中上层砂质层比砾石层要厚，部分砾石层以透镜体形式夹在厚层砂质层中，厚度为4 m。最上层为较薄的土层，以黄土为主，厚度40 cm。西南侧剖面与中部剖面类似。

1.2 沉积相分析

河床东侧的新鲜剖面以砾石层为主，尤其是下部砾石层较厚，砂质层较薄或以透镜体形式出现，向上砂质层逐渐增厚。砾石层分选性差，磨圆度好，砾石的粒径变化较大。由此可以分析出汾河水流变化明显，且水流是呈现出逐渐减少的态势，且出现了明显的韵律性，每一个旋回都由下部河床沉积（粗粒）、中上部的河漫滩（粉沙）组成，反映出河流的侧向摆动。由此，也可判断此处为典型河流相沉积。

1.3 冲积物地貌类型

在汾河现在的河道中，广泛发育有心滩。由于汾河河道在此处频繁被人为改动，造成河道一段宽阔一段狭窄，构成了形成心滩的条件。由于心滩的存在，当汾河水流大时，使得过水断面缩小，心滩处水流速度加快，促使主流线偏向两岸，使两岸受到冲刷，尤其以东岸冲刷尤为严重。调查发现，河东岸河面与新鲜剖面距离很近，而西岸则有较大的河漫滩。多处心滩的发育和河流在洪水期与枯水期水动力的较大变化，使汾河在此处发育为辫状河。

图1 中部新鲜剖面

1.4 层理构造及砂质层分析

据调查，该剖面上部的砂质层厚度增大，砂质层数目增多，部分砂质层中可以看到层理构造（水平层理或平行层理），反映出当时的水动力条件—河流流速较慢。剖面多沉积了粒度在0.2-0.6 mm的细砂至粗沙（见表1），根据自然粒级的形成规律，可以确定在砂质层沉积过程中，多数沙粒以跳跃式搬运，少数大于2 mm的沙粒以滚动方式搬运。搬运过程中也使沙粒逐渐磨蚀，并使较为耐磨的石英富集下来。在砂质层中，可以看到很多透明、油脂光泽的细小石英颗粒。根据，将粒径d转化为伍德—温特华斯标准，绘制概率密度曲线见图2。

表1 剖面砂砾大小分布

图2 砂砾概率密度曲线

根据砂砾粒度概率曲线的特征，可以区分出在值低和高时斜率低，而中间段斜率高，反映出该段为低坡降的辫状河，跳跃搬移组分约占80%，滚动和悬浮运移组分约占20%。

2 汾河的侵蚀作用

2.1 典型河流侵蚀现象

汾河从太原西山地区流出，在中北大学至柴村段属于由山地向平原的过渡区，水流速度较快，产生了明显的旁蚀效果。

该剖面地区的凹岸位于东岸，根据弯道离心力的作用，使最大流速偏向于凹岸，水体涌向凹岸，对凹岸产生侵蚀作用。从该地区的地形上来看，东岸（凸岸）的河漫滩要更加的宽阔，形成了较为平缓的堆积滩，草本植物很茂盛。而西岸（凹岸）的河漫滩很窄，上部多发生崩塌，向下塌落砾石形成很高的由砾石组成的坡积物。同时，由于心滩的存在，西岸冲蚀的砾石多在心滩上堆积，使心滩的面积不断扩大。由于西岸的水流速度大，对于西岸的河床下部掏蚀更为明显，表现为西岸的水深更深，尤其在弯道下游表现明显，河水深度在5 m以上。根据河水的侵蚀进程，凹岸会不断加深并向下游推进，并且在弯道的下游可以看到新的冲蚀崖正在形成。

2.2 砾石层与上游地层对比

汾河的侵蚀作用，也表现为将上游西山地区的地层进行侵蚀并搬运至下游平原地区，并在刚出山地的区域进行堆积。将河滩处堆积的砾石岩性，与西山地区地层的岩性进行对比，可以对这些砾石的来源做出判断。

西山地区属于典型的华北地层，主要有：早寒武纪霍山砂岩，寒武纪的白色、灰白色的白云岩，以及奥陶纪的灰色石灰岩；晚石炭纪太原组的灰白色石英砂岩、石灰岩、泥岩和煤层；早二叠纪山西组的黄绿色砂岩、黑色页岩及煤层；上石河子组黄绿色砂岩、泥岩；石千峰组的灰紫色砂岩和紫红色泥岩；同时，还存在少量火山岩侵入现象，地层中也有花岗岩和二长岩。但根据岩石的特性和分布的特征分析，主要发生易侵蚀作用的地层为碳酸盐地层，相比之下，砂岩和火山岩地层侵蚀作用相对较弱。

对柴村地区新鲜剖面的砾石，从成分、含量、粒径进行分析，结果见表2。

表2 剖面砾石成分分析表

从表2可以看出，在砾石层中，石灰岩所占比例高达43%，黄绿色砂岩占14%，淡肉红色长石砂岩占11%，灰白色砂岩占10%，砂粒占14%。分析表明，砾石层的沉积物组分与西山地区主要的地层岩石类型相似。可以确定，这些砾石是由古汾河从西山河谷内冲蚀，并通过较大水流速度带至平原地区沉积下来。砾石层越厚，代表水流的速度和流量大，也代表着其侵蚀能力越强。

3 汾河水流变化与沉积特征关系

从该新鲜剖面砾石层与砂质层的沉积特点中不难看出，较早时期汾河的水流量和水流速度均很大，导致在出西山进入太原盆地的交界处堆积了大量的砾石。越向上砂质层越厚，砾石层数量和厚度减少减薄，表明了在越接近近代，水流量和流速都在大幅度下降。从近年来实际的情况来看，汾河柴村段未被改造的河道大多被切割为若干段“湖泊”，而中间则以细小的河道连接。雨水量大时可以看到河流流动，而遇到少雨的年份则会出现断流，原来的细小河道变为裸露的河床。根据近50年的数据，汾河水库、寨上、兰村、二坝等水文站的径流量都出现了总体下降的趋势，尤其是在1980年后下降迅速。

笔者认为，汾河水流下降不仅仅是由于整体大环境趋于干旱，还由于近年来过度的开采地下水和农业灌溉所致。同时，由于西山地区的煤炭开采，造成生态环境严重破坏，土壤保水能力下降，矿井开挖又使得地下水位下降。由于上述原因，产生了现在汾河水流量严重匮乏的情况。

4 结论与建议

通过对汾河柴村段河流沉积、侵蚀现象和对砾石层、砂质层进行分析，可以得出以下认识：

（1）柴村地区汾河河道东侧新鲜剖面，由未固结的砂质和砾石互层、透镜体组成，有明显的韵律性，同时有层理产生和心滩发育。结合砂质层的累积概率分布曲线，可以判断该区段为典型的辫状河河流沉积体系。

（2）根据河岸两侧河漫滩宽度的差异和河水掏蚀作用下水深度的变化，可以知道汾河仍然存在相当强的侵蚀作用。砾石层中有大量磨圆度由圆形到次圆状的西山地区的灰岩和砂岩组成，可见很早以前汾河在洪水期的冲蚀作用十分强烈。

（3）综合侵蚀、沉积和人为干预下的气候条件，可以得出总体上汾河的水流和流量呈下降的趋势。对于太原市最重要的河流，我们应当进一步加强对汾河河道的治理，目前虽然市区内的河道治理很好，但也应当高度重视在郊区汾河河水匮乏甚至断流的现象，加强对河道挖沙与上游煤炭开采的管控，疏通狭窄河道，让汾河重现往日奔流不息的盛况。

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1008-0120（2017）01-0024-03

2016-09-30

李凯杰（1995-）：男，本科在读；通讯地址：太原市迎泽西大街新矿院路18号，030024