雅安市雨城区壶穴形态特征

唐 笛，马至敏，廖紫伊，漆力健

(四川农业大学 水利水电学院，四川 雅安 625014)

壶穴的研究有其形成过程中的地貌学意义，但更重要的是其背后的环境学意义，因为对壶穴形成的不同见解会导致完全不同的地球环境演化方向结论[1]。根据其形成的地理位置，主要分为山脊壶穴、海岸壶穴、河流壶穴等，其中，河流壶穴在中国最为普遍[2]，它是记录流域地貌演化过程、水流与河床边界条件相互作用的关键性证据之一[3]。

壶穴研究始于19世纪中期，到目前为止已经取得显著进展。对于壶穴的研究从对其形态特征的描述、分析其形态特征与水动力条件[2-6]，发展到现在通过空间统计学的角度定量描述其空间分布特征[4，7]，以及通过构建数学模型，使用其几何形状来理解其表面侵蚀过程[8]，除此之外还研究壶穴周围的地貌演化过程[9，10]及其内部的生物多样性[11]。

河流壶穴的形成与河谷的发育过程有关。对于南方河床上的壶穴，其形成动力可以有两种：一是河流瀑布或急流下方平坦地段河流漩涡造成的，另一个就是第四纪山谷冰川因冰川融水下泄而对河床进行旋转冲蚀造成的[12]。这两种动力形成的壶穴在外形上应该有一定的区别，值得进一步研究。且由于国内对壶穴的研究多集中在广东、福建、贵州等地，对西南地区的壶穴研究较少，故本文以雅安市雨城区河床壶穴作为研究对象，以揭示雅安市雨城区壶穴的规模和形态规律。

1 研究区概况

雅安市位于四川盆地西部边缘，长江上游，域跨北纬28°51′10″～30°56′40″，东经101°56′26″～103°23′28″，其地形地貌较为复杂，气候类型为亚热带季风性湿润气候，年均气温在14.1 ℃～17.9 ℃，年均降雨量1 800 mm左右，降雨较多。

雅安市雨城区内地层属扬子地层，岩性主要为砂岩、泥岩和砾岩。区域内褶皱构造和断裂构造较为发育，主要构造有西北侧的断裂构造，褶皱则主要呈现出近南北向，为川滇南北向构造带组成部分。其中以周公山两侧的严桥河和周公河为主要研究区域(图1)，两地区域岩性都较为单一。严桥河是杨村河的支流，发源于毡帽山南麓，纵贯严桥镇东部；多年平均流量为3.7 m3/s，落差710 m；测量区岩性属砂岩，河床平均坡降为3.8%，河床中心岩槛较多，岩槛与岩槛相互连接，形成较大的河床基岩，基岩层理构造明显，裂隙众多。周公河发源于洪雅县与金口河区交界城墙埂2 835 m峰东麓，是青衣江在雅安市境内最大的支流；多年平均流量为57 m3/s，在雅安市境内落差为377 m；测量区岩性属砂岩，河床平均坡降为0.9%，河床上基岩出露较少，岩石堆积物主要分布在河床两岸，多为光滑独立岩石块，多数岩石表面因受水流冲击而形成波痕。

图1 研究区位置图(●为壶穴分布位置)

Fig.1 Location map of the study area (● is the location of the potholes)

2 数据与方法

2.1 研究方法

用精度为1 mm的长尺、短尺和游标卡尺对壶穴的长轴、短轴和深度进行测量。测量时依次对每个壶穴进行编号、记录测量数据，并逐一观测、记录每个壶穴的垂直剖面形态，然后计算各指标的统计参数、分布形态等。

2.2 主要参数

2.1.1 壶穴形态

根据对两地壶穴的形态特征观察，按垂直剖面形态将壶穴可分为U型、V型和倒Ω型；在U型里面还存在极个别比较特殊的形状，其底部属于V型，然后逐渐发育到产生突变形成一个直筒U型，最后形成一个像婴儿奶嘴形状的壶穴(图2b)，部分壶穴内壁有一个在1～2 cm之间出的圆环(图2c)；按壶口平面形态将壶穴分为正圆型、近圆型、椭圆型和极椭圆型。

a 普通型 b 奶嘴型 c 圆环型

2.1.2 壶穴形态比例参数

一般情况下，壶穴形态并不都是正圆型，故采用以下参数来描述壶穴的形态比例。

(1)扁率

扁率的值介于0～1，它反映了椭球体的扁平程度。因此，本文通过扁率来描述壶穴平面形态特征。e为壶穴扁率，可用下式计算：

(1)

式中：a为长轴长度，b为短轴长度。

当e=0时，为圆型壶穴；当0

(2)深宽比

深宽比为壶穴深度与口径的比值。α为深宽比，可用下式计算：

(2)

式中：h为壶穴平均深度，R为壶穴口径。

当0<α≤0.5时，为极浅型壶穴；当0.5<α≤1时，为浅型壶穴；当1<α≤1.5时，为深型壶穴；当α>1.5时，为极深型壶穴。

3 野外观察、测量及统计结果

3.1 壶穴规模

两地的壶穴规模有明显差异，包括其分布位置和平面形态等方面。

严桥河处壶穴主要分布于岩坎上(图3a)，或是跌水附近，分布于河底的大多是连通壶穴(壶穴口部分离，底部相通两个或多个壶穴组成)，且大部分发育在片状层理处，导致其左右岸高低不一致。周公河的壶穴大多分布在岸边大石块上(图3b)，所以选择对有壶穴的石块表面进行大小测量，有壶穴存在的石块最小边长为0.6 m，最小面积为0.44 m2，且大部分壶穴轴心与石块表面垂直，多数壶穴出口与河流流水方向基本一致。

a 严桥河 b 周公河

严桥河干流、支流分别测得58、30个壶穴，壶穴群分布范围的面积分别约110 m2、27 m2，其分布密度分别为0.53个/m2、1.11个/m2，明显可以看出，支流壶穴分布密度远大于干流，是干流的2.1倍。周公河处测得40个壶穴，分布范围的面积约160 m2，其分布密度为0.25个/m2，显然周公河的壶穴分布密度更小，仅为严桥河平均分布密度的0.4倍，两地壶穴平均分布密度为0.43个/m2，但是川中丘陵区岳池县坪滩镇高坑瀑布处砂岩河床上壶穴密度为1.76个/m2[3]，明显大于雨城区壶穴分布密度，与严桥河支流处相差并不是很大，由此看出丘陵地区壶穴分布也存在一定的差异性。考察发现，周公河上游也有壶穴分布的情况，但数量不多，分布也相对稀疏。

由测量数据可知，两地壶穴的长短轴及深度最明显的差异主要表现在分布范围上。严桥河壶穴的长轴范围为5～146 cm，72.7%分布在10～40 cm，周公河壶穴的长轴范围为3.8～46 cm，90%分布在3.8～20 cm(图4a)；严桥河壶穴的短轴范围为4.5～104 cm，78.4%分布在4.5～30 cm，周公河壶穴的短轴范围为3.8～28 cm，92.5%分布在3.8～20 cm(图4b)；严桥河壶穴的深度范围为3～50 cm，68.2%是大于10 cm的，周公河壶穴的深度范围为2.7～14.5 cm，70%是小于10 cm(图4c)。其中严桥河有一处壶穴长短轴远远大于其他壶穴，因为其是由多个壶穴耦合而成的，如果将壶穴全部分开单独计，分开统计长短轴分布区间还是在主要的分布范围内的。由两地长、短轴及深度分布的集中区间可知，周公河处壶穴发育程度和形态特征较严桥河处而言相对集中，但严桥河处壶穴的形态规模较周公河处而言更为广泛。严桥河壶穴的平均口径范围为4.75～125 cm，73.7%分布在10～40 cm，周公河壶穴的平均口径范围为3.8～37 cm，92.5%分布小于20 cm(图4d)，说明两处的平均口径主要分布区间还是有明显区别。

a b

c d

通过对两地壶穴形态指标统计得出，严桥河壶穴的长轴、短轴和深度的均值分别为28.1 cm、22.6 cm和16.3 cm(表1)；周公河壶穴的长轴、短轴和深度的均值分别为12.3 cm、11 cm和8 cm(表2)。可以看出严桥河壶穴长短轴及深度的均值和中值都是周公河处2倍左右。虽然严桥河壶穴的长短轴及深度的极大值、极小值之比较大，但是其离散系数均在0.6左右波动，离散程度并不大；而周公河壶穴的长短轴及深度的极大值、极小值之比相较于严桥河更小，其离散系数也都比严桥河小，说明雨城区壶穴的长短轴和深度也都有相对明显的规律。

表1 严桥河壶穴形态指标统计数据

表2 周公河壶穴形态指标统计数据

由壶穴长、短轴分布图(图5a)可以看出，两地的长短轴都有很好的线性关系，相关系数也比较接近，且都在0.9以上，说明其相关性很好；长短轴发育有明显的成正比增长的规律；通过对壶穴的深度与平均口径进行最优的回归分析(乘幂关系)发现，周公河处的相关系数为0.44(图5b)，说明该处壶穴深度与平均口径的发育还是有一定的相关性，严桥河处的相关系数为0.45(图5b)，与周公河处十分接近，说明雨城区壶穴的深度与平均口径还是有相对明显的相关性。

a b

3.2 壶穴平面形态

两地壶穴的平面形态有显著差异，主要体现在扁率和长轴走向的不同。

严桥河河床上椭圆型壶穴最多，占63.6%，其次为近圆型壶穴和正圆型壶穴，分别占27.3%、6.8%，极椭圆型壶穴所占比例最小，仅占2.3%；而周公河岸边近圆型壶穴最多，占52.5%，其次为正圆型壶穴和椭圆型壶穴，分别占30%、17.5%，无极椭圆型壶穴(表3)；可以看出，周公河壶穴更偏向于圆型，严桥河壶穴更偏向于椭圆型。

表3 壶穴扁率统计表

3.3 壶穴垂直剖面形态

两地壶穴的垂直断面形态也有明显差异，主要表现在垂直剖面组合和口径深宽比的不同。

严桥河壶穴垂直剖面为V型所占比例最大，占52.3%，其次是U型，占44.3%，倒Ω型仅占3.54%；周公河壶穴垂直剖面形态大部分为U型，比例高达90%，其次是V型，占5%，无倒Ω型(表4)。可见，雨城区壶穴的垂直形态比较单一，倒Ω型偏少。

表4 壶穴垂直剖面形态统计表

严桥河上河床壶穴以浅型最多，占52.3%，其次为极浅型和深型，分别占29.5%、15.9%，极深型所占比例最少，仅占2.3%；周公河处壶穴也以浅型最多，占67.5%，其次为极浅型和深型，分别占20%、12.5%(表5)。总体来说，雨城区的壶穴大多数属于偏浅型，深型较少。

表5 壶穴深宽比统计表

通过对严桥河壶穴观察发现，还有一些壶穴不是垂直发育于平面上，属斜“U”型，其中心轴与其发育河床平面垂直方向有一定的夹角，夹角在6°～15°，大部分壶穴内部光滑且都有沉积水，近一半有泥沙堆积物，极个别壶穴节理穿过明显；而周公河处壶穴则比较单一，较多圆柱形干枯壶穴，大部分壶穴内壁流纹明显。

4 结论

两地壶穴在规模、平面形态和垂直剖面形态上表现有一定差别。从分布规模来看，严桥河壶穴在河流岩坎、河水中均有分布，干流、支流分布密度分别为0.53个/m2、1.11个/m2，分布相对密集；周公河壶穴集中分布在河流岸边的大岩石块上，分布密度仅0.25个/m2。从几何参数来看，严桥河壶穴的长短轴及深度范围都比周公河大，主要分布区间也明显不同。总体来说，雨城区的壶穴的长短轴和深度有相对明显的相关性，长短轴也有很好的线性关系。

雨城区的壶穴在平面形态上分布是多种多样的，但严桥河壶穴63.6%为椭圆形，而周公河壶穴52.5%为圆形；在垂直断面形态上，严桥河壶穴U型和V型占97.6%，而周公河壶穴90%都为U型，严桥河壶穴形态更具多样性，周公河壶穴形态比较单一。雨城区的壶穴总体上以浅型为主。

致谢：在野外调查、测量期间，感谢胡小涵、范东杨、钟承霖等同学的帮助！