冲积河床及其地形

112.163/12.463 地表过程与景观演变 K. 惠普尔 2004 年 9 月 第二讲冲积河床及其地形第二讲冲积河床及其地形 A. 定义及地形定义及地形 河床类型：可分为溪谷、冲沟（水流侵蚀受到限制，没有形成冲积平原，通常形态平直而 陡峻） ，基岩河床，基岩－冲积混合型河床，冲积河床 基岩及基岩－冲积混合型河床对于流域（侵蚀环境）的演化至关重要冲积河床对于更好 地研究和理解沉积物的运移、地质历史演化、洪水及水资源具有重要意义 通常，在概念上可以将河床分为两组类型，我分别简单地以类型 1 和类型 2 来表示这种 分类与将基岩/混合型河床和冲积河床相对比的分类基本一致但又略有不同 连续统一体 类型 1 类型 2 “受约束”型河床 “自我塑造”型河床 不可移动河床：有砾石阻塞的河床（由崩塌、 泥石流、岩石重力运动等形成）或基岩河床与 河岸的组合体 可移动河床与河岸的组合体（沉积物可搬运）随机性沉积物供给；坡度（大量的侵蚀物质） 控制河道形态和沉积物的运移速率；随机性的 洪流。

洪流和沉积物的供给很少有随机性的；不易形 成大的洪流，沉积物的供给几乎没有变化 供给受限 侵蚀受限 运移受限 bE xq tzEs  集水区面积小 集水区面积大（考虑抬升速率类型和冲积物供 给形式而有所例外） 两种类型河床相互转化的时间尺度不同 长时间尺度长时间尺度 类型 1 2：由于地表负荷减小，大量侵蚀物质的压力减轻，基岩、砾石、气候等变化导 致侵蚀下切速率减小 短时间尺度（临时性的）短时间尺度（临时性的） 类型 2 1：崩塌和碎屑流的涌入能够干扰（使河道变窄，裁弯曲直，坡度增加等）冲积 河床，使河道布满不可移动的岩石 时间尺度：需要 1000 年到数万年 类型 1 2：增加沉积物的供给（由于火灾、土地利用（农业生产、森林采伐） ） ，气候波 动（厄而尼诺，飓风） 沉积物受泥石流、采伐原木等物质阻塞 因而，当河床受周期性的洪水干扰，沉积物供给速率，大量废物输入以及可变的沉积物输 入粒径等影响时，河床形态和功能会随时间发生变化 B. 冲积河床冲积河床 “自我塑造”形态 1112.163/12.463 地表过程与景观演变 K. 惠普尔 2004 年 9 月  受冲积物携带，搬运和沉积影响。

松散沉积物质的搬运，主要发生在：  河谷  泛滥平原/河岸  水流 河床形态受环境要素控制：  水文要素（流量大小、发生时间和持续时间长短） ；  沉积物质特性（沉积物的粒径，硬度、密度、磨圆程度） ；  地质构造性质（地壳上升、下降还是保持稳定？） 在一个集水区内，这些因素保持稳定，河流形态就能保持稳定，但河床却会发生变化也 就是说，这种稳定性仅仅保持在一个总体上的、统计意义的范畴内 举个例子来说：河床宽度是泄洪流量的函数；曲流弧长是河床宽度的函数 理解冲积河流的重要意义在于： 流域控制，河流管理（水资源－堤坝，灌溉，运输） ，旅游资源，渔业，环境管理（流域生 态恢复） ，古水动力及沉积环境重建 C、冲积地形的简要说明、冲积地形的简要说明 填充阶地：原为废弃的冲积河床表面，在冲积物上形成，目前正好位于正常洪水位以上； 形成原因－河流下切侵蚀，切入河漫滩而形成（增加，减少，地壳上升，海平面下降，河流袭夺） wQsQ河谷阶地：侵蚀阶地下切侵蚀切入基岩（或许有顶部被称为阶地面的冲积沉积物） [阶地可以是对称分布，也可以不对称分布这可以作为气候变化或地壳抬升方式的重要标 志。

但是辨识过程中必须非常认真才能解释清楚] 河漫滩： 沉积物表面经常被泛滥洪水所淹没 （一般定义为百年一遇的洪水） 河漫滩的发育， 或者在垂直方向上受颗粒较细的悬移质沉积物控制， 或者水平方向上受粗糙的水流带来的碎石， 泥沙物质控制 河漫滩水道：对于河漫滩泛滥与排水（以及沉积物分布，地层发育）具有重要意义的较小 水流通道 曲流带：位于河漫滩之上，时常被河道占据的区域 古河道、牛轭湖：废弃河道的一部分（由弯曲河流裁弯曲直而形成） 2112.163/12.463 地表过程与景观演变 K. 惠普尔 2004 年 9 月 堤坝：与河道直接相连，由粗粒物质组成的自然堤坝 溃口扇：由粗粒沉积物组成，呈扇形楔状，洪水期间沉积在堤坝溃口的下游 浅滩：河床内冲积物累积形成，通常仅在洪水期被淹没浅滩对于河道的形态和功能非常 重要，是水动力糙率、偏转流的重要部分浅滩的移动（长时间缓慢移动，能被大规模洪水重 新塑造）是沉积物运移的重要组成部分 心滩：通常位于河道突然变宽后的快速沉积区域（水流携带过多的粗粒泥沙） 。

当心滩形成 以后，水流会被分成若干股 交替边滩：在顺直河道（可移动河床）一侧形成的浅滩－当自然水流或沉积物的不稳定搬 运时通常能够形成：这实际上来自于对于顺直、平坦河道原始扰动的正反馈 点状浅滩：在曲流带内侧，由于沉积而形成的浅滩类型它对于曲流迁移和沉积地层演化 具有重要意义 滩后斜槽：通常在高水位河床的点状浅滩顶部、内侧边缘形成 卷状浅滩地形：一系列弯曲的地形框架，与移动浅滩和滩后斜槽相关的移动曲流回路 最深谷底线：水流最深部位的痕迹线（近似的，但不等同于高速中心线） 沙丘：背面具有崩塌表面特征的大的移动河床地形；受水流深度影响，高度也有限制（约 为水流深度的三分之一） 纹泥：小型移动河床地形，具有崩塌表面特征，形成不受水流深度限制，其间隔距离受水 流速度、沉积物粒径和流体粘性控制 D、冲积河床类型、冲积河床类型 图形显示出每个类型的大致轮廓 顺直河道（单线型）  发育受约束；具有可迁移的交替浅滩；砂砾物质环境  数量较少；不稳定 网状河道：  复线河道，受中心河道心滩控制，通常是砂砾结构  较大宽深比，频繁横向移动而不稳定  通常在大洪水过后被重塑，没有堤坝，非粘性河岸。

汇流型河道（河道分岔少） ：  具有复线河道，但不是所有分岔都具有心滩；比网状河道稳定，但却受频繁的河水冲 蚀控制，即河水在洪枯河道之间的跃迁  通常发育在植被覆盖较好的砂砾层河床 弯曲型河道：  单一线形河道，蜿蜒平面形态，每一弯曲部位发育点状浅滩  中度宽深比例，粘滞型河岸与堤坝相连，由粒径较小的河漫滩沉积物组成 主河道形态的控制环境 3112.163/12.463 地表过程与景观演变 K. 惠普尔 2004 年 9 月 网状河道 弯曲型河道 非粘滞性河岸 大量泥沙迅速在河道内沉积 坡度较陡 水流宣泄较快 粘滞性河岸 丰富的悬移质沉积物，河漫滩沉积 坡度较缓 水流宣泄较慢 不可遇见的洪水 更稳定，短期洪水可遇见 视图：案例来源于华盛顿的斯诺可密河与巴布亚新几内亚的富莱河 问题： 通过控制，，,植被等变量，冲积性河床能够“自我塑造”或“自我调整” 河床发育成“等级剖面” ，也就是说河道变得陡深从而能够更充分地运移来自上游的冲积物 wQsQ50D因此，为什么河流泛滥如此平常？是什么控制河道形态－是河道宽度、深度、坡度、平面 形态的综合作用结果？在所有已发生的的洪水事件中，哪一方面是最重要的？ E、量度和频率：支配流量的概念、量度和频率：支配流量的概念 概念：洪水下泻对于河流形态和长期平均沉积物运移具有支配作用。

主要观测结论： 大洪水：河道发育不受溃岸洪水约束 低水位水流：河水沿河道流动，河道发育不明显 引自 1960 年 Wolman、Miller 和 J.Geology“地形发育力量的量度和频率” 1、（沙质河流的主要沉积物种类－悬移质沉积物）与相比较 sQwQ32ws（沉积物运移的力学方程） 2、洪水分布频率（极少数大洪水表现出右倾的柱状图） 3、PDF 产物及（）曲线 对长期沉积物运移的累积贡献率是的函数；在相对较小洪水排泄的情况下表现出明显的极大值 sQwQwQ下图表示当Q和的情况下，分离点流量Q和Q二者对于Q的贡献率很小 iwQjw ijs4112.163/12.463 地表过程与景观演变 K. 惠普尔 2004 年 9 月 总结：净输沙峰值达到的概率相对较小但却频繁发生 由观测数据可以发现典型现象： 森林覆盖的集水区，通常21max ；某些牧草地覆被的集水区 53max 1953 年，Leopold 和 Maddock 认为21 bf是比较普遍的情况。

从质量学角度说，这些是逻辑上形成河床的水流或者是主要的下泻水流 回顾两种类型河床的联系Wolman 、Miller、Leopold 和 Maddock 的数据及分析结果只能 应用于主要由悬移质沉积物和可移动基岩和河岸组成的第 2 种类型的冲积性河床 第 1 种类型的河床（在本文中，甚至包括那些由最近的泥石流或碎屑流所破坏的第 1 种类 型河床）可能对于大的洪水反应更灵敏大的洪水可以造成河床由第 1 型向第 2 型的转化，反 之，则需要一个渐进的过程也就是说，河流形态对于大的洪水具有长时间的记忆 （这种记忆 对于山区、有暴雨急流的干旱区以及河岸区域植被稀疏的地区将会很长久 ） 河床宽度（有时是河床形态，以弯曲河床向网状河床转变为例）被大的洪水或负荷沉积物 变化而调整是最普遍的情况 Schumm 和 Lichty(1964，USGS PP 357-D)提出了一个经典的例子他们列举了一个稳定的 河床在 1～2 年这样较短的时间内突然变宽和变窄的历史数据 起因： （1）一系列大洪水 （2）一波沉积物到来 （在较小的尺度范围内，碎屑流、木质碎屑、采伐原木都能达到同样的效果） 示意图：观测到的河床宽度随时间的变化 在非粘性河岸中，植被（植物根系）是河岸稳定性的关键。

然而，对于河床宽度来说，河 床基底是可移动的经常是大的洪水重新塑造河床，破坏植被，导致大规模但却是临时性的河 床宽度变化 示意图：河床宽度随时间以百年为尺度发生变化以及河床宽度位于某一位置伴随时间变化 的假定频率 5112.163/12.463 地表过程与景观演变 K. 惠普尔 2004 年 9 月 河床宽度与覆岸洪流 为什么Leopold和Maddock(1953)的数据显示21 bf是非常普遍的情况？如果大的洪流突然破坏了河床形态，大大增加了河床的宽度，这就暗示河床被大的洪流重新改变了也就是 说，随着河床宽度在洪水期突然增加，覆岸泄流会相应增加有人会假设若干年以后，河床会 逐渐恢复，因为许多较小的洪水会重新改造可移动基底和河岸的状态，同时在河床太宽和太窄 的部位发生沉积，植被也得到重建 19 世纪 60 年代的许多文章中都证实了较早的结果，即51然而，有两篇文章强调了围绕这种平均情况下的变化状况 Gar Williams(1978 年)水资源研究。

野外观测研究：应用多种方法通过野外观测估计，然后将这些数据与来自于这些河流的美国地质勘探局观测站点记录的进行比对。