科里奧利力對河流兩岸砂、礫石儲量差異特征的影響

闞迎松　唐偉　畢輝　羅賢冬

［關(guān)鍵詞］科里奧利力；河流；礫石；砂；體積儲量

科里奧利力簡稱科氏力，以首先研究它的法國數(shù)學(xué)家科里奧利的名字命名[1]。它是一種慣性力，是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動偏移的一種描述。在地球上，相對于地球運(yùn)動的物體都會受到一種慣性力的作用，也叫地轉(zhuǎn)偏向力[2，3]。從物理學(xué)的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是在慣性系中真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內(nèi)的體現(xiàn)，同時也是在慣性參考系中引入的慣性力，為了方便計算。

科里奧利力的計算公式如下：

F= -2mω×v′ （1）

公式中F為科里奧利力；m為質(zhì)點的質(zhì)量；v′為相對于轉(zhuǎn)動參考系質(zhì)點的運(yùn)動速度（矢量）；ω為旋轉(zhuǎn)體系的角速度（矢量）；×表示兩個向量的外積符號（ω×v′：大小等于ω的大小乘以v的大小再乘以兩矢量夾角的正弦值，方向滿足右手螺旋定則[1]）。

相對于地球運(yùn)動的物體會受到科里奧利力的作用，地球上物體受其影響主要表現(xiàn)有3種形式，即水平運(yùn)動物體的偏轉(zhuǎn)、落體偏東問題和傅科擺[4]。水體在河流中的流動，即為水平運(yùn)動物體受科氏力的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)[5-6]。普遍的觀點認(rèn)為，在北半球，由于科氏力的影響，河流的右岸受到的沖刷較左岸強(qiáng)烈，因而河流的右岸陡峭，左岸則比較平緩；南半球與之相反[7-9]。本文依托于“舒城縣杭埠河域砂資源調(diào)查項目”，對舒城縣境內(nèi)的杭埠河南北兩岸進(jìn)行淺鉆施工，并估算出南北兩岸的砂及礫石的體積儲量，探討科里奧利力對杭埠河南北兩岸砂及礫石沉積的影響。

1 研究區(qū)概況

杭埠河發(fā)源于岳西縣主薄鎮(zhèn)同安寨西側(cè)南界嶺，全長145.5 km，流域面積1970 km²，其中舒城縣境內(nèi)長99.17 km，流域面積1587.5 km²，多年平均徑流量8.87×10⁸ m³。1958年開始在該河的中游（丘陵入平原區(qū)段）地帶修建節(jié)制工程―龍河口水庫（現(xiàn)稱萬佛湖），在龍河口水庫以下至百神廟的周公渡河寬200～1000 m，河道較為平緩。由于自1974年開始全面開采砂石資源以來，河床普遍下降（平均約3 m），受采砂影響主河道不斷改變。

舒城縣地處大別山北麓，地勢由南西向北東傾斜，作階梯狀下降。西南部山勢挺拔，溝谷深切，層巒疊嶂。東北部地勢平坦，田連阡陌。中部崗沖交錯，波狀起伏。安徽著名的龍河口水庫，位于縣境中心。最高點萬佛山海拔1539 m，最低處杭埠鎮(zhèn)勝合村民組海拔6.8 m（圖1）。根據(jù)地貌成因、形態(tài)、地面組成物質(zhì)及與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系可將全縣劃分為山區(qū)、丘陵區(qū)、崗區(qū)、平原區(qū)四種地貌組合類型，西南部為中山、低山、丘陵，東北部為崗區(qū)、沖積平原。

研究區(qū)屬北淮陽褶皺構(gòu)造帶東段，南以桐柏―桐城斷裂為界，北以六安―明港斷裂為界，西以商城―麻城斷裂為界，東止于郯城―廬江斷裂。調(diào)查區(qū)在地層上屬北淮陽地層區(qū)的金寨―霍山小區(qū)。地層可劃分為前中生代基底變質(zhì)巖系和中―新生代蓋層兩大部分。前者有大別山中深變質(zhì)雜巖系（大別雜巖）和佛子嶺巖群中―淺變質(zhì)巖系；后者為中生代火山巖―火山沉積巖地層和新生代的河湖相沉積巖地層。杭埠河流域中上游的出露基巖多為石英閃長巖、花崗閃長巖、片麻巖、砂礫巖、含礫粗砂巖等，上述巖類中石英和長石類礦物含量很高。在此地形地質(zhì)條件下，經(jīng)風(fēng)化作用，杭埠河的中下游較易形成砂石沉積礦床，為周邊市區(qū)的城鎮(zhèn)化建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)的建筑用河砂。

2 工作方法

調(diào)查采用平行勘探線剖面法輔以不平行勘探線剖面法進(jìn)行估算，在河道較平直的地區(qū)采用平行勘探線剖面法，在河道拐彎處采用不平行勘探線剖面法。以河道為界，南岸勘探線主體走向約135°，北岸勘探線主體走向165°，采用500～1500 m×200～800 m 的工程網(wǎng)度控制。共布設(shè)勘探線剖面84 條，鉆孔156個，總進(jìn)尺2373.5 m，其中北岸布設(shè)了41條剖面計74個鉆孔，南岸布設(shè)了43條剖面計82個鉆孔。北岸劃分了41個塊段，南岸劃分了45個塊段（圖2）。

塊段體積計算公式如下：

（1）相鄰兩剖面對應(yīng)面積之差≤40%時，其體積計算公式為：

3 工作成果

3.1 塊段體積儲量，以南岸塊段S24 為例

該塊段由21′及22′勘探線控制，分別施工鉆孔zk21′-1 及鉆孔zk22′-1。根據(jù)地形地貌及工程控制要求，21′勘探線外推230 m，22′勘探線外推190 m（圖3），其中鉆孔zk21′-1中砂及砂礫石均有，鉆孔zk22′-1中只見有砂礫石，塊段S24砂及礫石資源儲量見表1。

3.2 資源儲量計算結(jié)果

由塊段體積估算公式計算得出南岸和北岸砂、礫石的體積儲量如表2。

表2中北岸砂的體積儲量是南岸的2.67倍；北岸礫石的體積儲量是南岸的84.34%，略低于南岸。

3.3 南、北兩岸鉆孔砂、礫石顆粒級配差異

分別選取杭埠河南岸上、中、下游3′號勘探線1號鉆孔1號樣品，22′號勘探線1號孔1號樣品，36′號勘探線2號孔1號樣品以及北岸3號勘探線1號鉆孔1號樣品，22號勘探線1號孔1號樣品，36號勘探線2號孔1 號樣品為例，從圖4 中可直觀地看見南岸鉆孔ZK3′-1、ZK22′-1、ZK36′-2比北岸鉆孔ZK3-1、ZK22-1、ZK36-2 樣品中礫石含量較高，而砂的含量較少。從表3中可見南岸的沉積物中大顆粒的礫石含量較高，而北岸的沉積物中細(xì)顆粒的砂及粘粒含量較高，這與工作成果中南北兩岸總體積儲量的差異是一致的，表明了科氏力對兩岸沉積物的影響是顯著的。

4 討論

杭埠河與長江、黃河一樣，都是北半球自西向東的河流，由于科里奧利力的影響，右岸（即南岸）受到的沖刷比左岸（即北岸）強(qiáng)烈[10-12]。南岸較之北岸擁有較高的流速，因此細(xì)顆粒的砂石粘土堆積較少，大顆粒的礫石較多；北岸河水流速比較緩慢，易于細(xì)顆粒砂石、粘土的堆積。從表2 中可見北岸砂的體積儲量是南岸的2.67 倍；北岸礫石的體積儲量是南岸的84.34%，略低于南岸。南岸鉆孔樣品ZK3′-1-1、ZK22′-1-1、ZK36′-2-1 以及北岸鉆孔樣品ZK3-1-1、ZK22-1-1、ZK36-2-1 的顆粒級配數(shù)據(jù)也表明了南岸沉積物中礫石含量較高，北岸沉積物中砂及粘土含量較高。由此可見，盡管科里奧利力很微弱，但是在地質(zhì)歷史長時間的作用下，對河流兩岸沉積物的影響是足夠明顯的。

5 結(jié)論

（1）北岸砂的體積儲量是6920.42×10⁴m³，而南岸砂的體積儲量是2594.89×10⁴m³，北岸砂的體積儲量比南岸多167%；北岸礫石的體積儲量是21966.25×10⁴m³，南岸礫石的體積儲量是26042.47×10⁴m³，北岸礫石的體積儲量比南岸少15.7%，低于南岸。

（2）南北兩岸相對應(yīng)的鉆孔樣品中，南岸大顆粒的礫石含量較高，而北岸細(xì)顆粒的砂及粘粒含量較高，這與工作成果中南北兩岸總體積儲量的差異是一致的。

（3）由于地球的自轉(zhuǎn)，北半球河流受到向右的科里奧利力作用，自西向東的河流，河道右岸比左岸水動力更大，沖刷得更厲害，細(xì)顆粒的砂石較難沉積。相較于右岸，左岸河水流速較緩慢，有利于細(xì)顆粒砂石的堆積。杭埠河南、北兩岸礫石和砂的體積儲量數(shù)據(jù)很好地印證了，在長時間的地質(zhì)時期里，科里奧利力對河流兩岸沉積物的顯著影響。