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學家科里奧利的名字命名[1]。它是一種慣性力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性相對于旋轉體系產生的直線運動偏移的一種描述。在地球上，相對于地球運動的物體都會受到一種慣性力的作用，也叫地轉偏向力[2，3]。從物理學的角度考慮，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的體現，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為質點的質量；v′為相對于轉動參考系質點的運動速度（矢量）；ω為旋轉體系的角速度（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有3種形式，即水平運動物體的偏轉、落體偏東問題和傅科擺[4]。水體在河流中的流動，即為水平運動物體受科氏力的影響而發生偏轉[5-6]。普遍的觀點認為，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查項目”，對舒城縣境內的杭埠河南北兩岸進行淺鉆施工，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 研究區概況

杭埠河發源于岳西縣主薄鎮同安寨西側南界嶺，全長145.5 km，流域面積1970 km²，其中舒城縣境內長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（丘陵入平原區段）地帶修建節制工程―龍河口水庫（現稱萬佛湖），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，最低處杭埠鎮勝合村民組海拔6.8 m（圖1）。根據地貌成因、形態、地面組成物質及與農業生產的關系可將全縣劃分為山區、丘陵區、崗區、平原區四種地貌組合類型，西南部為中山、低山、丘陵，東北部為崗區、沖積平原。

研究區屬北淮陽褶皺構造帶東段，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。調查區在地層上屬北淮陽地層區的金寨―霍山小區。地層可劃分為前中生代基底變質巖系和中―新生代蓋層兩大部分。前者有大別山中深變質雜巖系（大別雜巖）和佛子嶺巖群中―淺變質巖系；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。在此地形地質條件下，經風化作用，杭埠河的中下游較易形成砂石沉積礦床，為周邊市區的城鎮化建設提供優質的建筑用河砂。

2 工作方法

調查采用平行勘探線剖面法輔以不平行勘探線剖面法進行估算，在河道較平直的地區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 的工程網度控制。共布設勘探線剖面84 條，鉆孔156個，總進尺2373.5 m，其中北岸布設了41條剖面計74個鉆孔，南岸布設了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）強烈[10-12]。南岸較之北岸擁有較高的流速，因此細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 的顆粒級配數據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）南北兩岸相對應的鉆孔樣品中，南岸大顆粒的礫石含量較高，而北岸細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，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，有利于細顆粒砂石的堆積。杭埠河南、北兩岸礫石和砂的體積儲量數據很好地印證了，在長時間的地質時期里，科里奧利力對河流兩岸沉積物的顯著影響。