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河流--河流的地质作用及地貌

归档日期:09-26       文本归类:冲积物      文章编辑:爱尚语录

  河谷分谷底和谷坡两部分。谷底是可以被洪水淹没的部分,又进一步分为河床和河漫滩(后述);谷坡可以分布阶梯状地形(河流阶地,后述)(图10-3)。

  流动着的河水机械冲刷、挟带沙石撞击和摩擦以及溶解作用是河流发生侵蚀的原因。简言之,河流的侵蚀作用包括冲蚀、磨蚀和溶蚀三种方式,前二者为机械的,后者为化学的。

  按照河流侵蚀作用的方向不同,可以把河流侵蚀作用分为侧向侵蚀、下切侵蚀和溯源侵蚀三种类型。

  河水流经弯曲河道时,发生偏转,水流由凸岸流向凹岸,形成横向环流(图10-4左),叠加向下游方向的流动,产生螺旋式向前的运动水流(图10-4右)。

  上层水流流速(v1)大于下层水流的流速(v2),相应地,惯性离心力大小F1和F2大小为:

  造成上层水向凹岸排挤,凹岸水位高出凸岸,产生水位差(Δh)和压力差,促使水体作河流横截面方向的圆周运动(横向环流)。

  北半球的河流,因受科氏力(科里奥力,Coriolis force,或称地转偏向力,一种非惯性力)(第二、八章)作用,会向右岸偏转,产生顺时针方向的横向环流,其强度与流速和流量成正比。南半球的情况正好相反。

  思考:河流弯道造成的横向环流和科氏力造成的横向环流相同或相反的结果分别如何?

  在河流横向环流的不断作用下,河流凹岸遭受侵蚀而变陡后退,河槽变深,形成深槽(pool);凸岸则发生堆积而变缓前伸,河槽变浅,形成浅滩(riffle),使河道弯曲度增加,造成凹岸陡、凸岸缓的不对称形态(图10-4)。

  平面上,凹岸不断侵蚀后退,产生侧向侵蚀(lateral erosion);而凸岸不断堆积而前伸(侧向堆积)(lateral accretion),河谷不断拓宽,其结果使河道弯曲度逐渐增大。

  因此,河流侧向侵蚀使河谷拓宽,弯曲度增加,使河谷由“V形”发展到“U形”,再发展到“蝶形”,并向冲积平原(alluvial plain)方向发展。

  河道中若有浅滩(心滩)(图10-5),即使河道平直,也能产生横向环流,两侧横向环流方向相反(图10-5),河道中间堆积,心滩不断发展,最后可以形成江心洲或小岛。实际情况更为复杂,可以形成多种不同组合的横向环流。

  发生自由而充分的侧向迁移和摆动的河流称为自由河曲(free meander)。随着河流侧向侵蚀不断地进行,河流弯曲度越来越大,上、下游河段越来越接近,形成狭窄的曲流颈(meander neck)(图10-6),最终曲流颈被冲开(meander neck cutoff),河道取直,称截弯取直。截弯取直后,弯曲河道被废弃,形成牛轭湖(oxbow lake)(图10-6)。

  思考:河流侧向侵蚀作用不断发展,河流弯曲度不断增加,河床坡度会发生什么变化?侧向侵蚀增加弯曲度的过程应当是加速、减速还是匀速的?为什么?

  河流除侧向侵蚀外,还会发生向下的侵蚀——下切侵蚀(downward erosion)。下切侵蚀会加深河床或河谷,深邃的峡谷便是下切侵蚀的表现。

  100多年前,美国学者Powell就注意到,河流下切侵蚀并非无限,河流中、上游的下切不会超过河口,换句话说,河流下切作用是有限度的,接近该限度,下切侵蚀作用减弱乃至消失,从而提出了侵蚀基准面的概念。

  河流下切侵蚀作用消失的面称为侵蚀基准面(简称基面)(base level)。

  一般把海平面看成是所有河流下切侵蚀作用消失的面,称为终极侵蚀基准面(ultimate base level)。与终极性侵蚀基准面相对应的是地方性侵蚀基准面,或称局部的侵蚀基准面(regional base level or local base level)。地方性侵蚀基准面仅控制其上游的下切侵蚀。湖泊、瀑布等都可以成为地方性侵蚀基准面。

  沿河流流向,河床最低点的连线称为河流纵剖面(longitudinal profile)。一般而言,从上游至下游,河流纵剖面的坡度变缓,呈现“凹形”。早年伽利略曾认为理想的河流纵剖面应为抛物线形。

  实际上,河流纵剖面并不“光滑”,常出现坡折、陡坎,称为裂点(nick point or knick point)(图10-7)。大的裂点表现为瀑布,小的裂点也会造成河道中出现急流、湍滩。

  瀑布下的基岩陡崖因受水流的强烈冲刷和侵蚀,发生垮塌,会不断向上游方向后退(图10-8)。黄河壶口瀑布(图10-9)的后退速度为5cm/yr;美国和加拿大交界处的尼亚加拉大瀑布(Niagara Falls)的后退速度为66.5英寸/年(第三章)。瀑布后退造成河谷向上游方向加深,这种由于河流下切侵蚀作用造成的河谷向上游方向加深的现象称为溯源侵蚀。换句话说,溯源侵蚀(headward erosion)是由于下蚀作用而产生的河流向源头方向不断加深、加长的作用。

  裂点无论表现为瀑布与否,都会造成局部水流速度增加,侵蚀能力加强,因此,裂点总是向上游方向迁移的。裂点向上游迁移正是溯源侵蚀的表现。

  河流溯源侵蚀,切穿分水岭,把分水岭另一侧的河流抢夺过来,使原来流入其他流域的河流改流入切穿分水岭的河流,这种现象称为河流袭夺(river capture),或称抢水。

  夺水的河流(主动)称为袭夺河,被夺水的河流称为被夺河(被动),被夺河下游因上游河段被切断流入袭夺河而水量减少,源头被切断,称为断头河。由于河流袭夺,河谷常形成突然转弯,称为袭夺湾。在断头河和被夺河之间,残留了古河谷(哑口),称为风口。

  金沙江被认为曾经流入红河,后被长江溯源侵蚀而袭夺,从而在石鼓形成急弯(袭夺湾),果真如此的话,金沙江则为被夺河,长江则为袭夺河,而红河则为断头河(图10-10)。

  俗话说“跳进黄河也洗不清”,“黄河斗水七升沙”,黄河浑浊,众所周知,有目共睹,这正是河水含沙量大的表现,也是河流搬运物质很多的体现。因此,河流在流动过程中携带物质一起运动的作用称为河流的搬运作用(river transportation)。

  实际上,我们只看到河流搬运物质的一小部分,其他搬运物质或者集中在河床下部和底部,或者以溶液的形式迁移。因此河流的搬运作用归结为以下几种方式:

  (1)溶运(溶解运移)(solution load)。岩石和矿物遭受流水的化学溶解,以溶液形式运移。

  (2)悬移(悬运)(suspended load)。细小颗粒在水中呈悬浮状态运移,例如浑浊河水就是悬移物的表现。

  (3)跃移(saltation load)。河床底部泥沙呈跳跃式向前运移。

  (4)推移(蠕移)(traction load)。河床底部的沙与砾石等较粗物质以滚动、滑动、碰撞或拖曳方式运移。

  泥沙的搬运方式随河流流速的变化而变化。此外,流速越大,河流的搬运能力也越强。

  思考:河床中表层和底层水流速度相等吗?为什么?如果不等,表层还是底层的流速大?对泥沙的搬运起何种作用(提示:从流速与压强的关系考虑)?

  河流搬运力相对减弱时,被搬运的物质就会堆积下来,称为河流的沉积作用(river deposition)。

  河流搬运力大于搬运量时,以侵蚀作用为主;反之,河流搬运力小于搬运量时,以沉积作用为主;而两者相等时,河流则处于动态平衡状态,既不发生侵蚀,也不发生堆积,河流的所有动能,都用于搬运物质。

  河流无论发生侵蚀还是堆积,都是自动调节的表现。当河流侵蚀力较大时,河流处于“饥饿”状态,增加侵蚀量,可以使进入河流的物质增加,从而达到“吃饱”的目的。反之,当河流搬运物质太多时,会适当“卸掉包袱”,通过沉积作用,减少搬运量,从而“轻装前进”。

  河流堆积下来的沉积物称为冲积物(alluvium)。沉积物具有如下特征:

  冲积物可以在河流许多部位堆积,如河床中间(心滩)(batture, channel bar or mid-channel bar)、河床边缘(边滩)(point bar)以及河流入海、入湖处(三角洲)(delta)等等,他们的特征和结构有别。

  平面上蜿蜒曲折,深槽位于凹岸,浅滩位于凸岸,横剖面不对称,形成横向环流(图10-6),搬运物质较少或达到平衡状态,以侧向迁移为主,河床坡度较小。

  平面上河床呈宽窄相间的莲藕状,窄段为单一河床,宽段有一个或几个心滩或江心洲(图10-11),搬运物质较多,河流经常改道,河床坡度大。

  特殊类型的汊河型河床—游荡型河床:河身宽浅,沙滩众多,洪水时汪洋一片,波涛汹涌,枯水时河汊密布,水流散乱,河床变形迅速,是一种严重的淤积型河床。例如黄河下游(图10-11)。

  洪水期被淹没而平水期出露水面的河谷谷底部分称为河漫滩(flood plain)(图10-3)。

  洪水时水位升高,河水漫出河岸,水流减慢,沿河的粗碎屑不能带上漫滩,因此,河漫滩沉积物粒度较细,主要是细砂和粘土,称为河漫滩相沉积。由于河床的侧向迁移或改道,河漫滩相沉积可以覆盖在过去的河床相沉积之上,构成上细下粗的二元结构。

  曲流型河流主要以侧蚀和侧向迁移为主,河漫滩二元结构比较稳定,厚度变化也不大,又称为平坦河漫滩(flat flood plain);辫流型河流经常决堤改道,其河漫滩变化大,不具有典型的二元结构,又称为凸河漫滩(convex flood plain)。

  构造抬升,或者侵蚀基准面下降,河流就要发生下切侵蚀,从而使河谷谷底抬升,这种作用称为回春作用(rejuvenation)或去均一化作用(degradation)。

  过去的河谷谷底(例如河漫滩),由于构造抬升,河流下切,被抬升到一般洪水位之上,呈阶梯状分布于河谷两岸,称为河流阶地(river terrace)(图10-3,图10-12)。

  平原上的曲流,如果发生“去均一化作用”,有可能按照原来的流路下切,形成深切曲流(incised meander)(图10-13)。

  图10-13 美国犹他州科罗拉多河的支流圣胡安河(San Juan River)的深切曲流

  裂点下游,河流已经下切,而裂点上游,河流尚未下切,因此,裂点下游会形成阶地(图10-7),裂点和阶地具有一一对应的关系。

  河流入海时,流速骤减,动能降低,发生堆积,形成三角洲。三角洲最早由三角形的尼罗河三角洲而得名,用希腊字母的Δ表示,英文为Delta。实际上,河流入海所形成的堆积(冲积平原)无论形态如何,都称为三角洲。

  三角洲的形态有多种多样,例如扇形三角洲(如尼罗河、黄河)、鸟嘴状三角洲(如长江三角洲)、鸟爪状三角洲(如密西西比河)、岛屿状三角洲(如恒河)。根据构造背景,还有断块型三角洲(如珠江三角洲),等等。

  三角洲的形成和形态反映了河流与海洋相互作用的对比关系,与河流输沙量、海浪和潮汐的强度以及坡度有关,如果河流输沙量小,不一定能发展成三角洲,例如杭州湾。

  同理,河流流入湖泊时,也能形成三角洲;进入人工湖(水库)时,同样也会形成三角洲。后者称为水库三角洲,或称库尾堆积、水库“翘尾巴”等等,说明水库淤积是从河流进入水库的地方开始的。

  世界上所有水库,都存在着淤积的问题,美国许多水库,已经“寿终正寝”,完全被泥沙所淤满,例如位于密苏里河中游的路易斯和克拉克湖(Lewis and Clark Lake)、位于共和国河(Republican River)的哈伦县湖(Harian County Lake),等等,美国地质学家和水利工程师,正在研究拆除水库大坝的技术和政策问题。中国许多水库建于上世纪五十年代末到六十年代初,其中许多已经严重淤积、发电和防洪的效益明显降低,甚至已经淤积成为诺大的“泥沙库”,特别是黄河中的水库,由于泥沙量大,淤积问题更为严重。黄河中游的青铜峡水库,设计的6.06亿库容80%被淤,泥沙直逼坝前,水库中出现大量边滩、心滩、鸟岛等湿地(图10-14)。新建的水库,都有一定的排沙措施,例如长江三峡大坝(图10-15),采用“蓄清排混”的方法。黄河小浪底工程集“减淤、防洪、防凌、灌溉、发电”等为一体,采用 “防淤冲淤”措施,通过排沙洞排沙,并利用黄河中游水库联合泄洪调沙的方法,减少河道淤积,取得了较好的效果。

  秦朝李冰父子采用了“疏而不堵”的思路,修建了都江堰水利工程,该工程由鱼嘴分水堤、飞沙堰溢洪道和宝瓶口进水口三大部分构成(图10-16)。鱼嘴分水堤位于岷江江心,把岷江分成内、外二江,外江(西侧)是岷江主流,主要用于排洪;内江(东侧)是人工引水渠道,渠道底部较外江河床底部低,平水期河水主要走内江,通过宝瓶口人工河道,灌溉成都平原的万亩粮田。若遇洪水,水位上升,多余江水走外江泄洪,还可通过飞沙堰溢出,回归岷江。都江堰水利枢纽各部分相互依存,共为体系,两千多年来经久不衰,成为世界上至今为止年代最久、唯一存留、无坝引水的工程,是中华民族的绚丽瑰宝、世界珍贵的物质文化遗产。

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