图特河北汊对圣海伦斯火山爆发响应过程的模拟 Simulation of channel response of North Fork Toutle River to the eruption of Mount St. Helens.pdfVIP

水 利 学 报 2013年10月 SHUILI XUEBAO 第44卷 第10期 文章编号：0559-9350（2013）10-1239-10 图特河北汊对圣海伦斯火山爆发响应过程的模拟 1 1 2 郑 珊 ，吴保生 ，李凌云 （1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 长江科学院 河流研究所，湖北 武汉 430010） 摘要：受1980年圣海伦斯火山爆发的影响，图特河北汊（NorthForkToutleRiver）河道被掩埋深度达140多米，重 新发育河道在时空上均表现出冲淤交替的调整特点。以往研究方法仅能模拟河床高程单调上升或下降的变化趋 势，而不能模拟火山爆发后30多年间河道冲淤交替的动态调整过程。本文收集了图特河北汊近30年来的水沙资 料和断面形态资料，采用河床演变的滞后响应模型，对图特河北汊的河床高程及河道冲淤过程进行了模拟。结果 表明，滞后响应模型的不同计算模式均能较好地模拟图特河北汊对火山爆发的响应调整过程，模型计算精度较 高。由于滞后响应模型考虑了前期水沙条件对河道演变的累计影响，因此该模型能够较好模拟河道由扰动后的非 平衡状态向平衡状态调整的全过程，可用于模拟和预测河流受突发剧烈扰动后的动态调整路径。 关键词：火山爆发；图特河北汊；河道调整；滞后响应模型；深泓高程 中图分类号：TV147 文献标识码：A 1 研究背景 1980年圣海伦斯火山爆发是20世纪世界上规模最大的火山爆发之一，火山灰覆盖范围达600多平 方千米，2.5km3 的火山崩塌体直接堆积于图特河北汊上游，27.4km长的河段被覆盖，覆盖厚度局部达 140多米，平均约40m［1］。受火山爆发影响，图特河北汊的流域特性、水沙条件、河流形态和河床边界 2 2［1］ 条件均发生了巨大变化，流域面积由1980年前的782km 缩减至580km ；流域的来沙量剧增，其泥沙 2 ［2-3］ 侵蚀率在火山爆发后初期达130000t/（km ·a），是全世界流域泥沙侵蚀率最高的记录之一 ；受岩浆 流、火山碎屑流及泥石流等的综合影响，图特河北汊下游河道形态由微弯向顺直和分汊型转变，河 ［1］ ［2］ ［1］ 长减少约22km，河床泥沙粒径变细 ，糙率减小 ，坡度变缓 ，进而直接影响水流和泥沙的输移及 河床的冲淤调整。 河流对火山爆发的响应调整过程十分复杂［1，4-8］。一般来讲，河流的源头往往受火山爆发的影响最 为严重，大量的泥沙堆积于河道上游，导致火山爆发后上游河道侵蚀剧烈；而受上游来沙的影响， ［5］ ［2-3］ 下游河道淤积严重 ，易发展为宽浅分汊型河道 。并且，河床的调整往往表现出冲淤交替的变化 特点［3，6］，以往发生冲刷的河道之后可能发生淤积，反之亦然。此外，河流的调整速率在火山爆发后 一般呈现先快后慢的非线性变化特点，例如，Major等［7］研究了受1980年圣海伦斯火山爆发影响的河 流，发现河道在火山爆发后一年内的调整演变最为迅速，之后调整速率锐减，河道大幅度的调整在火 山爆发后的5a内基本完成。由于火山爆发对河流的扰动形式和影响程度不一，不同的河流具有不同的 流域、地质和形态特征，河流在受到扰动后调整的速率和达到平衡所需的时间也不相同。例如，受 ［2］ ［8］ 1980年陶波火山岩浆流影响的朗伊泰基河调整至平衡所需的时间约为10~13a ；而Pierson等 的研究 显示受胡德火山岩浆流影响的河流需至少半个世纪的时间才能恢复火山爆发前的状态。 由于河流对火山爆发的响应和调整