雅安市雨城區(qū)壺穴形態(tài)特征

唐 笛，馬至敏，廖紫伊，漆力健

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 雅安 625014)

壺穴的研究有其形成過程中的地貌學(xué)意義，但更重要的是其背后的環(huán)境學(xué)意義，因?yàn)閷?duì)壺穴形成的不同見解會(huì)導(dǎo)致完全不同的地球環(huán)境演化方向結(jié)論[1]。根據(jù)其形成的地理位置，主要分為山脊壺穴、海岸壺穴、河流壺穴等，其中，河流壺穴在中國(guó)最為普遍[2]，它是記錄流域地貌演化過程、水流與河床邊界條件相互作用的關(guān)鍵性證據(jù)之一[3]。

壺穴研究始于19世紀(jì)中期，到目前為止已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。對(duì)于壺穴的研究從對(duì)其形態(tài)特征的描述、分析其形態(tài)特征與水動(dòng)力條件[2-6]，發(fā)展到現(xiàn)在通過空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度定量描述其空間分布特征[4，7]，以及通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，使用其幾何形狀來理解其表面侵蝕過程[8]，除此之外還研究壺穴周圍的地貌演化過程[9，10]及其內(nèi)部的生物多樣性[11]。

河流壺穴的形成與河谷的發(fā)育過程有關(guān)。對(duì)于南方河床上的壺穴，其形成動(dòng)力可以有兩種：一是河流瀑布或急流下方平坦地段河流漩渦造成的，另一個(gè)就是第四紀(jì)山谷冰川因冰川融水下泄而對(duì)河床進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖蝕造成的[12]。這兩種動(dòng)力形成的壺穴在外形上應(yīng)該有一定的區(qū)別，值得進(jìn)一步研究。且由于國(guó)內(nèi)對(duì)壺穴的研究多集中在廣東、福建、貴州等地，對(duì)西南地區(qū)的壺穴研究較少，故本文以雅安市雨城區(qū)河床壺穴作為研究對(duì)象，以揭示雅安市雨城區(qū)壺穴的規(guī)模和形態(tài)規(guī)律。

1 研究區(qū)概況

雅安市位于四川盆地西部邊緣，長(zhǎng)江上游，域跨北緯28°51′10″～30°56′40″，東經(jīng)101°56′26″～103°23′28″，其地形地貌較為復(fù)雜，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年均氣溫在14.1 ℃～17.9 ℃，年均降雨量1 800 mm左右，降雨較多。

雅安市雨城區(qū)內(nèi)地層屬揚(yáng)子地層，巖性主要為砂巖、泥巖和礫巖。區(qū)域內(nèi)褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，主要構(gòu)造有西北側(cè)的斷裂構(gòu)造，褶皺則主要呈現(xiàn)出近南北向，為川滇南北向構(gòu)造帶組成部分。其中以周公山兩側(cè)的嚴(yán)橋河和周公河為主要研究區(qū)域(圖1)，兩地區(qū)域巖性都較為單一。嚴(yán)橋河是楊村河的支流，發(fā)源于氈帽山南麓，縱貫嚴(yán)橋鎮(zhèn)東部；多年平均流量為3.7 m3/s，落差710 m；測(cè)量區(qū)巖性屬砂巖，河床平均坡降為3.8%，河床中心巖檻較多，巖檻與巖檻相互連接，形成較大的河床基巖，基巖層理構(gòu)造明顯，裂隙眾多。周公河發(fā)源于洪雅縣與金口河區(qū)交界城墻埂2 835 m峰東麓，是青衣江在雅安市境內(nèi)最大的支流；多年平均流量為57 m3/s，在雅安市境內(nèi)落差為377 m；測(cè)量區(qū)巖性屬砂巖，河床平均坡降為0.9%，河床上基巖出露較少，巖石堆積物主要分布在河床兩岸，多為光滑獨(dú)立巖石塊，多數(shù)巖石表面因受水流沖擊而形成波痕。

圖1 研究區(qū)位置圖(●為壺穴分布位置)

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

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究方法

用精度為1 mm的長(zhǎng)尺、短尺和游標(biāo)卡尺對(duì)壺穴的長(zhǎng)軸、短軸和深度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)依次對(duì)每個(gè)壺穴進(jìn)行編號(hào)、記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并逐一觀測(cè)、記錄每個(gè)壺穴的垂直剖面形態(tài)，然后計(jì)算各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)、分布形態(tài)等。

2.2 主要參數(shù)

2.1.1 壺穴形態(tài)

根據(jù)對(duì)兩地壺穴的形態(tài)特征觀察，按垂直剖面形態(tài)將壺穴可分為U型、V型和倒Ω型；在U型里面還存在極個(gè)別比較特殊的形狀，其底部屬于V型，然后逐漸發(fā)育到產(chǎn)生突變形成一個(gè)直筒U型，最后形成一個(gè)像嬰兒奶嘴形狀的壺穴(圖2b)，部分壺穴內(nèi)壁有一個(gè)在1～2 cm之間出的圓環(huán)(圖2c)；按壺口平面形態(tài)將壺穴分為正圓型、近圓型、橢圓型和極橢圓型。

a 普通型 b 奶嘴型 c 圓環(huán)型

2.1.2 壺穴形態(tài)比例參數(shù)

一般情況下，壺穴形態(tài)并不都是正圓型，故采用以下參數(shù)來描述壺穴的形態(tài)比例。

(1)扁率

扁率的值介于0～1，它反映了橢球體的扁平程度。因此，本文通過扁率來描述壺穴平面形態(tài)特征。e為壺穴扁率，可用下式計(jì)算：

(1)

式中：a為長(zhǎng)軸長(zhǎng)度，b為短軸長(zhǎng)度。

當(dāng)e=0時(shí)，為圓型壺穴；當(dāng)0

(2)深寬比

深寬比為壺穴深度與口徑的比值。α為深寬比，可用下式計(jì)算：

(2)

式中：h為壺穴平均深度，R為壺穴口徑。

當(dāng)0<α≤0.5時(shí)，為極淺型壺穴；當(dāng)0.5<α≤1時(shí)，為淺型壺穴；當(dāng)1<α≤1.5時(shí)，為深型壺穴；當(dāng)α>1.5時(shí)，為極深型壺穴。

3 野外觀察、測(cè)量及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 壺穴規(guī)模

兩地的壺穴規(guī)模有明顯差異，包括其分布位置和平面形態(tài)等方面。

嚴(yán)橋河處壺穴主要分布于巖坎上(圖3a)，或是跌水附近，分布于河底的大多是連通壺穴(壺穴口部分離，底部相通兩個(gè)或多個(gè)壺穴組成)，且大部分發(fā)育在片狀層理處，導(dǎo)致其左右岸高低不一致。周公河的壺穴大多分布在岸邊大石塊上(圖3b)，所以選擇對(duì)有壺穴的石塊表面進(jìn)行大小測(cè)量，有壺穴存在的石塊最小邊長(zhǎng)為0.6 m，最小面積為0.44 m2，且大部分壺穴軸心與石塊表面垂直，多數(shù)壺穴出口與河流流水方向基本一致。

a 嚴(yán)橋河 b 周公河

嚴(yán)橋河干流、支流分別測(cè)得58、30個(gè)壺穴，壺穴群分布范圍的面積分別約110 m2、27 m2，其分布密度分別為0.53個(gè)/m2、1.11個(gè)/m2，明顯可以看出，支流壺穴分布密度遠(yuǎn)大于干流，是干流的2.1倍。周公河處測(cè)得40個(gè)壺穴，分布范圍的面積約160 m2，其分布密度為0.25個(gè)/m2，顯然周公河的壺穴分布密度更小，僅為嚴(yán)橋河平均分布密度的0.4倍，兩地壺穴平均分布密度為0.43個(gè)/m2，但是川中丘陵區(qū)岳池縣坪灘鎮(zhèn)高坑瀑布處砂巖河床上壺穴密度為1.76個(gè)/m2[3]，明顯大于雨城區(qū)壺穴分布密度，與嚴(yán)橋河支流處相差并不是很大，由此看出丘陵地區(qū)壺穴分布也存在一定的差異性?？疾彀l(fā)現(xiàn)，周公河上游也有壺穴分布的情況，但數(shù)量不多，分布也相對(duì)稀疏。

由測(cè)量數(shù)據(jù)可知，兩地壺穴的長(zhǎng)短軸及深度最明顯的差異主要表現(xiàn)在分布范圍上。嚴(yán)橋河壺穴的長(zhǎng)軸范圍為5～146 cm，72.7%分布在10～40 cm，周公河壺穴的長(zhǎng)軸范圍為3.8～46 cm，90%分布在3.8～20 cm(圖4a)；嚴(yán)橋河壺穴的短軸范圍為4.5～104 cm，78.4%分布在4.5～30 cm，周公河壺穴的短軸范圍為3.8～28 cm，92.5%分布在3.8～20 cm(圖4b)；嚴(yán)橋河壺穴的深度范圍為3～50 cm，68.2%是大于10 cm的，周公河壺穴的深度范圍為2.7～14.5 cm，70%是小于10 cm(圖4c)。其中嚴(yán)橋河有一處壺穴長(zhǎng)短軸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他壺穴，因?yàn)槠涫怯啥鄠€(gè)壺穴耦合而成的，如果將壺穴全部分開單獨(dú)計(jì)，分開統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)短軸分布區(qū)間還是在主要的分布范圍內(nèi)的。由兩地長(zhǎng)、短軸及深度分布的集中區(qū)間可知，周公河處壺穴發(fā)育程度和形態(tài)特征較嚴(yán)橋河處而言相對(duì)集中，但嚴(yán)橋河處壺穴的形態(tài)規(guī)模較周公河處而言更為廣泛。嚴(yán)橋河壺穴的平均口徑范圍為4.75～125 cm，73.7%分布在10～40 cm，周公河壺穴的平均口徑范圍為3.8～37 cm，92.5%分布小于20 cm(圖4d)，說明兩處的平均口徑主要分布區(qū)間還是有明顯區(qū)別。

a b

c d

通過對(duì)兩地壺穴形態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)得出，嚴(yán)橋河壺穴的長(zhǎng)軸、短軸和深度的均值分別為28.1 cm、22.6 cm和16.3 cm(表1)；周公河壺穴的長(zhǎng)軸、短軸和深度的均值分別為12.3 cm、11 cm和8 cm(表2)?？梢钥闯鰢?yán)橋河壺穴長(zhǎng)短軸及深度的均值和中值都是周公河處2倍左右。雖然嚴(yán)橋河壺穴的長(zhǎng)短軸及深度的極大值、極小值之比較大，但是其離散系數(shù)均在0.6左右波動(dòng)，離散程度并不大；而周公河壺穴的長(zhǎng)短軸及深度的極大值、極小值之比相較于嚴(yán)橋河更小，其離散系數(shù)也都比嚴(yán)橋河小，說明雨城區(qū)壺穴的長(zhǎng)短軸和深度也都有相對(duì)明顯的規(guī)律。

表1 嚴(yán)橋河壺穴形態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表2 周公河壺穴形態(tài)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

由壺穴長(zhǎng)、短軸分布圖(圖5a)可以看出，兩地的長(zhǎng)短軸都有很好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)也比較接近，且都在0.9以上，說明其相關(guān)性很好；長(zhǎng)短軸發(fā)育有明顯的成正比增長(zhǎng)的規(guī)律；通過對(duì)壺穴的深度與平均口徑進(jìn)行最優(yōu)的回歸分析(乘冪關(guān)系)發(fā)現(xiàn)，周公河處的相關(guān)系數(shù)為0.44(圖5b)，說明該處壺穴深度與平均口徑的發(fā)育還是有一定的相關(guān)性，嚴(yán)橋河處的相關(guān)系數(shù)為0.45(圖5b)，與周公河處十分接近，說明雨城區(qū)壺穴的深度與平均口徑還是有相對(duì)明顯的相關(guān)性。

a b

3.2 壺穴平面形態(tài)

兩地壺穴的平面形態(tài)有顯著差異，主要體現(xiàn)在扁率和長(zhǎng)軸走向的不同。

嚴(yán)橋河河床上橢圓型壺穴最多，占63.6%，其次為近圓型壺穴和正圓型壺穴，分別占27.3%、6.8%，極橢圓型壺穴所占比例最小，僅占2.3%；而周公河岸邊近圓型壺穴最多，占52.5%，其次為正圓型壺穴和橢圓型壺穴，分別占30%、17.5%，無極橢圓型壺穴(表3)；可以看出，周公河壺穴更偏向于圓型，嚴(yán)橋河壺穴更偏向于橢圓型。

表3 壺穴扁率統(tǒng)計(jì)表

3.3 壺穴垂直剖面形態(tài)

兩地壺穴的垂直斷面形態(tài)也有明顯差異，主要表現(xiàn)在垂直剖面組合和口徑深寬比的不同。

嚴(yán)橋河壺穴垂直剖面為V型所占比例最大，占52.3%，其次是U型，占44.3%，倒Ω型僅占3.54%；周公河壺穴垂直剖面形態(tài)大部分為U型，比例高達(dá)90%，其次是V型，占5%，無倒Ω型(表4)?？梢?，雨城區(qū)壺穴的垂直形態(tài)比較單一，倒Ω型偏少。

表4 壺穴垂直剖面形態(tài)統(tǒng)計(jì)表

嚴(yán)橋河上河床壺穴以淺型最多，占52.3%，其次為極淺型和深型，分別占29.5%、15.9%，極深型所占比例最少，僅占2.3%；周公河處壺穴也以淺型最多，占67.5%，其次為極淺型和深型，分別占20%、12.5%(表5)?？傮w來說，雨城區(qū)的壺穴大多數(shù)屬于偏淺型，深型較少。

表5 壺穴深寬比統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)嚴(yán)橋河壺穴觀察發(fā)現(xiàn)，還有一些壺穴不是垂直發(fā)育于平面上，屬斜“U”型，其中心軸與其發(fā)育河床平面垂直方向有一定的夾角，夾角在6°～15°，大部分壺穴內(nèi)部光滑且都有沉積水，近一半有泥沙堆積物，極個(gè)別壺穴節(jié)理穿過明顯；而周公河處壺穴則比較單一，較多圓柱形干枯壺穴，大部分壺穴內(nèi)壁流紋明顯。

4 結(jié)論

兩地壺穴在規(guī)模、平面形態(tài)和垂直剖面形態(tài)上表現(xiàn)有一定差別。從分布規(guī)模來看，嚴(yán)橋河壺穴在河流巖坎、河水中均有分布，干流、支流分布密度分別為0.53個(gè)/m2、1.11個(gè)/m2，分布相對(duì)密集；周公河壺穴集中分布在河流岸邊的大巖石塊上，分布密度僅0.25個(gè)/m2。從幾何參數(shù)來看，嚴(yán)橋河壺穴的長(zhǎng)短軸及深度范圍都比周公河大，主要分布區(qū)間也明顯不同?？傮w來說，雨城區(qū)的壺穴的長(zhǎng)短軸和深度有相對(duì)明顯的相關(guān)性，長(zhǎng)短軸也有很好的線性關(guān)系。

雨城區(qū)的壺穴在平面形態(tài)上分布是多種多樣的，但嚴(yán)橋河壺穴63.6%為橢圓形，而周公河壺穴52.5%為圓形；在垂直斷面形態(tài)上，嚴(yán)橋河壺穴U型和V型占97.6%，而周公河壺穴90%都為U型，嚴(yán)橋河壺穴形態(tài)更具多樣性，周公河壺穴形態(tài)比較單一。雨城區(qū)的壺穴總體上以淺型為主。

致謝：在野外調(diào)查、測(cè)量期間，感謝胡小涵、范東楊、鐘承霖等同學(xué)的幫助！