第五章河流演变

1第六章河流演变第一节河流地质作用及其发育过程一、河流地质作用1.侵蚀作用河道水流在流动过程中，不断冲刷破坏河谷、加深河床的作用，称为河流的侵蚀作用。按侵蚀作用方向，又分垂向侵蚀(下蚀)、侧向侵蚀(旁蚀或侧蚀)和向源侵蚀（溯源侵蚀）三种情况。2.搬运作用河流携带大量的物质(泥沙)，不停地向下游方向输送的过程，称为河流的搬运作用。河流的搬运能力巨大。据统计，全世界河流每年输入海洋的物质总量约200亿吨。3.沉积作用河水在搬运过程中，一部分泥沙从水中沉积下来，此过程称为河流的沉积作用。其堆积物叫河流的冲积物。二、河流的发育过程在地貌学领域，河流发育和水系形成的时间尺度一般是以地质年代计。一条完整的河流水系，从初生到趋向成熟，是在漫长的历史年代中缓慢形成的。河流的发育过程，大致可分为幼年期、壮年期、老年期三个阶段。图6-1可用来说明河流的一般形成过程。其中，图(a）表示在陆面上受近代地壳活动的地形控制而形成的一条河流，水流在阶梯状瀑布中，强烈地磨蚀着基岩河床，此时的河流发育属于幼年期阶段。随着流水侵蚀的均夷作用的进行，湖泊、沼泽消失，峡谷加深，支谷延展，河床坡降逐渐减缓(图(b))，河流发育处于青年时期。往后，泛滥平原逐渐发育，河谷进一步拓宽，干流显现均衡河流特征，此时接近壮年期阶段(图(c))。随着侧蚀的不断进行，泛滥平原带宽扩大，形成冲积性准平原，曲流河型形成，河流地貌发育进入相对成熟期或称老年期(图(d))。再往后，又可能由于地壳运动、气候等因素影响，使河流侵蚀作用而重新“复活”，河谷地貌又现出幼年期的特征，表现出地貌上的“回春”现象。（a）幼年期(b)青年期(c)壮年期(d)老年期图6-1河流形成一般过程示意图2严格说来，上述河流发育的三个阶段并不是时间概念，而只是把河流发育过程中出观的现象(地貌现象)概括为三个具有一定特征的阶段。一般说来，一条发育历史较长、规模较大的河流，它的上游往往具有幼年期的特征，而中、下游则具有壮年期和老年期的特征。第二节山区河流的基本特性一、河床形态山区河流的平面形态复杂(图6-2)。河道曲折多变，沿程宽窄相间，急弯、卡口比比皆是，两岸与河心常有巨石突出，河槽边界极不规则，仅在宽谷段有较具规模的卵石边滩或心滩。山区河流的发育一般以下切为主。河谷断面多呈V字形或U字形，如图6-3所示。V字形河谷河槽狭窄，多位于峡谷段；U字形河谷，河槽相对宽广，多位于展宽段。断面宽深比较小。河床和谷坡之间无明显的界线。谷坡往往见有阶梯状阶地。图6-2山区河流的平面形态图6-3山区河道河谷断面形态河流阶地可为一级或多级。每级阶地都是由阶地面和阶地坎所组成，如图6-4所示。图6-4河流阶地形态示意图图6-5川江重庆至三斗坪河床深泓纵剖面河床纵剖面陡峻，急滩深潭上下交替。床面形态不规则，河床高程起伏甚大，有的河流局地床面起伏达20~30m，如长江万县附近的河床高差达60m，如图6-5所示。二、水流泥沙山区坡面陡峻，易发暴雨山洪。河道洪水暴涨暴落，水位、流量变幅很大，但持续时间一般不长。例如，长江支流嘉陵江，最大流量36900m3/s，最小流量220m3/s，流量变幅180倍；长江三峡的巫峡段，水位变幅达55.6m。水面比降一般都较大，且受河床形态影响沿程不同，绝大部分落差集中于局部河段。河床上存在的急湾、石梁、卡口等，造成很大的横比降。此外，由于滩险处的壅水情况随水位变化而不同，局部比降因时变化突出。因此，山区河道的3一些险滩段形成的急流，对航行威胁很大。山区河道流态十分复杂。常有回流、横流、旋涡、跌水、水跃、泡水、剪刀水等流态出现，流象极为险恶。悬移质含沙量一般不大。但在植被甚差的地区，特别是在山洪暴发时，含沙浓度可能很大；枯水期则相反，含沙量很小，不少山区河流甚至变为清水。推移质多为卵石及粗沙。由于山区河流洪水历时很短，卵石推移质输沙量一般不大。我国一些山区河流，推移质年输沙量不足悬移质年输沙量的10％。三、河床演变山区河道由于比降陡，流速大，含沙量相对较小，水流挟沙力有富余，这有利于河床向冲刷变形方面发展。但河床多系基岩或卵石组成，抗冲能力强，冲刷受到限制。因此，山区河道变形十分缓慢。但在某些局部河段，受特殊的边界和水流条件影响，可能发生大幅度的暂时性的淤积和冲刷。例如峡口滩，汛期受峡谷壅水影响，大量沙卵石落淤，枯季壅水消失，落淤的沙卵石被水流冲走，局部地区的冲淤幅度相当可观。特别是，在遭受突然而强烈的外力因素影响时，往往致使河床发生强烈变形。如地震造起的巨大山体崩塌，或因强降雨引发的特大山洪泥石流，都有可能堵江断流而形成堰塞湖，如不及时爆破排险，均有可能造成重大灾害。第三节平原河流的基本特性一、沉积扇河流从山区进入平原以后，出山口处形成放射状散流，由于流速骤减，随水流携带而来的泥沙沉积下来，所形成的沉积地貌因呈扇形而称为沉积扇。根据其成因，沉积扇可分为洪积扇和冲积扇两类。在干旱、半干旱地区，由季节性洪流搬运的泥沙沉积而成的沉积扇，称为洪积扇。常见两种形式，如图6-6）。我国西北干旱区山麓地带均有分布。图6-6两种洪积扇地貌(W.B.Bull)在湿润地区，由常年性流水搬运的泥沙沉积而成的沉积扇，称为冲积扇。黄河自孟津由山区流入平原，形成广阔的山前冲积扇。据叶青超的分析，其范围西起孟津，西北沿太行山麓与漳河冲积扇交错，西南沿嵩山东部与淮河上游相接，东邻南四湖，呈放射状向平原散开，面积约8万多km2，如图6-7所示。图中显示的黄河下游冲积扇，实际上是冲积扇的复合体，它是由历史上黄河大改道而形成的桃花峪冲积扇、兰考冲积扇和花园口冲积扇三个亚冲积扇构成的。这是因为，黄河下游筑堤束水悠久，筑堤后河槽淤积抬高，日久之后，就会决口，或因扒口而改道。而每次大的改道，都会在决口点以下形成一个冲积扇，这些冲积扇互相叠合在一起，便形成当今黄河下游的冲积扇复合体。通常所说的冲积平原河流，是指这类在广阔的山前平原冲积扇上发育演变的河流。4图6-7黄河下游冲积扇需要说明的是，洪积扇与冲积扇两者并无明显的界限，只是各自的形成与发育环境不同。洪积扇地貌的发育，主要与暂时性洪流的发生有关；而冲积扇地貌则是由常年性径流所形成。二、冲积平原冲积平原是在漫长的岁月里由河流的堆积作用所形成的平原地貌，如我国华北平原、江汉平原、东北松辽平原等。这些平原都堆积了深厚的第四纪沉积物。冲积平原可以分为山前平原、中部平原和滨海平原三部分。山前平原是从山区到平原的过渡带,其成因属于冲积-洪积型。中部平原是冲积平原的主要部分，其沉积物主要是冲积物。河流形态多以汊道、游荡型河流为主。滨海平原属于冲积-海积平原。其沉积物颗粒更细,沼泽面积大，并有周期性海水侵入,形成海积层〈滨海及浅海沉积〉，与冲积层交替,包括河口及三角洲沉积。三、河床形态冲积平原河流有深厚的冲积层。冲积层厚度往往深达数十m甚至数百m以上。冲积层的组成具有分层现象，最深处多为卵石层，其上为夹沙卵石层，再上为粗沙、中沙以至细沙，在中水位以上的河漫滩上，则有粘土和粘壤土存在，某些局部地区也可能存在深厚的粘土棱体。冲积平原河流的河谷断面形态,如图6-8所示。图中显示洪、中、枯三级水位，与之相应的为洪、中、枯水河槽。如无堤防约束，洪水河槽将相当宽广。通常所说的河槽，一般指中水河槽。中水河槽比较宽浅，断面宽深比一般高达100以上。图6-8平原河流的河谷断面形态1,2,3—洪水、中水、枯水位；4—谷坡；5--谷坡脚；6--河漫滩；7—滩唇；8—边滩；9—堤防；10—冲积层；11—原生基岩平原河流的横断面形态与河型有关。其横断面形态，可概括为抛物线形、不对称三角形、马鞍形和多汊形等四类，如图6-9所示。5图6-9平原河流的横断面(a)顺直段(b)分汊段((c)弯曲段(d)散乱段河床纵剖面无显著的大起大落。但由于深槽、浅滩交替分布，河床纵剖面仍是一条起伏的下降曲线，平均纵向坡度比较平缓（图6-10）图6-10长江中游枝城~城陵矶河段河床纵剖面平原河流中水河槽的两侧或一侧常存在河漫滩(图6-11)。它是由河流的堆积作用而形成的，洪水季节常被淹没，中枯水时露出水面。若无堤防约束，洪水期水流漫滩后，淹及范围宽广，由于过水断面增大，流速降低，泥沙落淤，造成滩面高程逐年增高。典型的河漫滩横剖面形态，如图6-12所示。图6-11平原河流的河漫滩图6-12河漫滩横剖面形态随着时间的推移，有些河流河漫滩的发展消长速度很快，原为主河槽的位置可能变为滩地，而原为河滩的位置可能变为主河槽。例如，我国黄河潼关以上的北干流，在历史上就不断横扫秦晋两省的滩地，时而东濒山西，时而西临陕西，如图6-13所示。因此，人们常把这种现象称之为“十年河东，十年河西”。6图6-13黄河潼关以上北干流近期河道变迁图平原河流的河床上常见各种成型堆积体，它是各种形式的大尺度沙丘的统称。包括边滩、江心滩、江心洲，以及边滩与边滩，或边滩与心滩之间的沙埂（在通航河道称为浅滩）等等，如图6-14所示。这些泥沙堆积体，在水流的作用下，处于不断移动变化过程中。图6-14枯水期河道中泥沙成型堆积体1--边滩；2—江心洲；3—江心滩；4—沙嘴；5—浅滩；6-深槽平原河流各类洲滩的区别：倚附于河岸，高程较低，在枯水时露出水面的沙滩称为边滩；边滩的下端称为沙嘴；连接上、下边滩或边滩与心滩之间的沙埂，在通航河道上称为浅滩；位于江中较低的沙滩，称为江心滩（或称潜洲），中水淹没，枯水出露，由泥沙淤积或因水流切割边滩形成；位于江心较高的的沙滩，称为江心洲，一般在江心滩的基础上落淤形成，其高程大致与河漫滩齐平，或略高于中水位，洪水季节可能上水，滩上生长植物，或种植庄稼，有的还有居民点；高于中水河槽的两侧滩地，称为河漫滩（外滩），洪水淹没，中水出露，滩上一般长有芦苇或灌木，或种植农作物，我国平原河流的河漫滩上一般都建有挡水堤防（图6-15）。图6-15平原河流各类洲滩四、水流泥沙平原河流的水文特性与山区河流有很大的差别。洪水一般无暴涨暴落现象，持续历时相对较长，流量变化与水位变幅相对较小。水面比降较小，一般在（1-10）×10-4以下，且沿程变化不大。流速相应较小，一般都在2～3m／s以下。水流流态较平缓，基本没有山区河流的跌水、7泡漩等险恶流象。平原河流中输移的泥沙，绝大部分为悬移质，推移质泥沙只占输沙总量中很少一部分，通常可以忽略不计。五、河床演变平原河流的河床演变，在输沙平衡状态下，主要表现在河槽中各类泥沙堆积体的发展和变化。主要演变规律是，汛期淤积壮大，枯季冲刷萎缩。在水流作用下，平面位置不断发生变化，与此相应，中水河槽的平面外形也会发生变化，河岸有些地方崩退，而在另—些地方则会淤长。平原河流的河型，一般分为顺直型、蜿蜒型、分汊型及游荡型等四类。第四节河床演变的基本原理一、河床演变分类（1）按河床演变的时间特征，可分为长期变形和短期变形。如由河底沙波运动引起的河床变形历时不过数小时以至数天；蛇曲状的弯曲河流，经裁直之后再度向弯曲发展，历时可能长达数十年、百年之久。（2）按河床演变的空间特征，可分为整体变形和局部变形。整体变形一般系指大范围的变形，如黄河下游的河床抬升遍及几百km的河床；而局部变形则一般指发生在范围不大的区域内的变形，如浅滩河段的汛期淤积，丁坝坝头的局部冲刷等。（3）按河床演变形式特征，可分为纵向变形、横向变形与平面变形。纵向变形是河床沿纵深方向发生的变形，如坝上游的沿程淤积和坝下游的沿程冲刷；横向变形是河床在与流向垂直的两侧方向发生的变形，如弯道的凹岸冲刷与凸岸淤积；平面变形是指从空中俯瞰河道发生的平面变化，如蜿蜒型河段的河弯在平面上的缓慢向下游蠕动。（4）按河床演变的方向性特征，可分为单向变形和复归性变形。河道在较长时期内沿着某一方向发生的变化如单向冲刷或淤积称为单向变形，如修建水库后较长时期内的库区淤积以及下游河道的沿程冲刷；而河道有规律的交替变化现象则称为复归性变形，如过渡段浅滩的汛期淤积、汛后冲刷，分汊河段的主汊发展、支汊衰退的周期性变化等。（5）按河床演变是否受人类活动干扰，可分为自然变形和受人为干扰变形。近代冲积河流的河床演变，完全不受人类活动干扰的自