17、辫状河的特征、形态单元与发育机制

辫状河的特征、形态单元与发育机制

1. 辫状河的基本特征

辫状河与曲流河不同，对它的研究大多集中在砾石河床的河流上。不过，大多数辫状河包含相当广泛的颗粒大小范围，这是由于河岸和河床侵蚀造成的。与沙丘、波纹和粗粒度的小规模河床形态相比，不同颗粒大小范围的河流中，大规模的沙洲形态和相应的辫状模式似乎相似。

辫状河的形成需要更大的水流功率，因此在任何给定流量下都需要更陡的坡度。沉积变量可用于补充甚至替代流量和坡度来“预测”河道模式。沉积物特性与水流特性相互作用以确定河道模式类型（即是否存在辫状河）主要有两种方式：
- 河岸材料（以及整体河岸强度）对河岸侵蚀的影响。
- 沉积物供应对推移质输沙能力和容量的影响。

辫状河比曲流河涉及更广泛的河岸侵蚀，会使河道变宽，并“破坏”曲流弯道而非使其扩大。简单来说，如果侵蚀比输沙更容易，或者河岸侵蚀产生的沉积物供应远远超过水流的输沙能力，就会发生淤积，浅滩化将导致形成辫状模式。辫状河可能是由于缺乏清除沙质河岸侵蚀提供的沉积物的能力，或者缺乏清除砾石质河岸侵蚀提供的沉积物大小的能力。

2. 辫状河的基本形态单元

2.1 沙洲与岛屿的区别

在辫状河中，形成地形高点的砾石堆积通常被统称为沙洲。通常会对沙洲和岛屿进行区分，前者无植被覆盖，在洪峰（满岸）流量条件下常被淹没，而岛屿有植被覆盖，即使在满岸条件下也会露出水面。不过，这种区分可能人为地将具有相似几何特性和可能相似起源的形态分开。

2.2 沙洲的分类

沙洲是辫状河的显著特征。多年来，人们使用了许多术语来指代各种类型的沙洲、它们的大小、形态和位置。由于沙洲形态复杂，相关术语有些混乱。可以通过计算每河道横截面的活跃河道（或支流）数量来得出辫状指数，以评估辫状程度。

沙洲主要分为单位沙洲和复合沙洲：
- 单位沙洲 ：形态大多由沉积过程决定，相对未受改变。主要有以下四种类型：
- 纵向沙洲 ：平面呈菱形，平行于水流方向延伸，下游逐渐变细，通过较细物质的向上和向下游堆积而生长。
- 横向沙洲 ：通常在分叉处或汇合处下游以及河道突然扩宽处更常见，呈叶状，下游面较陡且弯曲，通常不与河岸相连。
- 点沙洲 ：沿弯曲的支流延伸，水流方向上呈细长状，外侧面较陡，垂直和侧向加积重要，且纵向、横向和点沙洲都倾向于下游变细。
- 斜向沙洲 ：附着在两岸，斜穿过河道，下游前缘可能较陡，许多斜向沙洲可能被称为浅滩，它们会显著增加粗粒度河道的水流阻力。

单位沙洲类型	形态特征	常见位置
纵向沙洲	菱形，平行水流延伸，下游变细	河道中
横向沙洲	叶状，下游面陡且弯曲	分叉处、汇合处下游、河道扩宽处
点沙洲	沿支流延伸，外侧面陡	弯曲支流处
斜向沙洲	附着两岸，斜穿河道，下游前缘陡	砾石河床河流

• 复合沙洲 ：由多次侵蚀和沉积事件形成，常见的有以下两种：
  • 中间沙洲（舌状沙洲） ：对称且独立的沙洲形态，呈叶状，下游有弯曲的“雪崩”斜坡，可能由单位沙洲演化而来。
  • 侧向沙洲 ：形状不对称，附着在一侧河岸，是演化后的复杂特征，相对更稳定。

2.3 池 - 洲单元

将池 - 洲单元视为一个整体，是另一种看待辫状河基本单元的方式。许多研究人员认为池 - 洲单元是所有河道模式的砾石河床河流的基本元素，不仅仅适用于辫状河。在辫状河中，池 - 洲单元以两排或更多排平行排列。池通过深泓线相连，池 - 洲单元会导致下游水流出现汇聚和分散的序列，单个支流类似于缓和的曲流弯道。河岸侵蚀是沙洲建设的重要沉积物来源。

2.4 河道汇合与分叉

辫状河的另一个基本单元是众多的河道汇合和分叉。这些特征可以方便地分为 Y 形和 X 形河道配置。汇合处或交汇处可以是 Y 形或倒 Y 形配置，而 X 形配置指的是一个交汇处后接着一个分叉处。这些 Y 形和 X 形配置已被用作实地调查和过程测量的基本单元。

graph LR
    A[河道] --> B{汇合/分叉}
    B --> C[Y 形配置]
    B --> D[X 形配置]

3. 辫状河的发育机制

3.1 传统的中央沙洲机制

传统的辫状河发育模型是中央沙洲机制，由 Leopold 和 Wolman 在 1957 年提出。这种沉积性辫状河发育机制会在河道中间附近形成纵向或中间沙洲。当水流局部无法运输上游供应的沉积物时，粗颗粒推移质会沉积，进而促进更多沉积物向表面和下游沉积，较大颗粒会困住较小颗粒。沙洲在宽阔浅河道中心生长，会使水流集中在较窄的侧翼河道，导致河床和河岸更活跃的侵蚀，形成“岛屿”（河道中央沙洲）。这个反馈过程会在河道其他地方重复，最终形成辫状模式。不过，中央沙洲机制可能不太常见，仅限于接近初始运动阈值的水流条件。

3.2 横向沙洲转换机制

横向沙洲转换也是一种沉积机制。在 Ashmore 的实验中，带有下游雪崩面的横向沙洲很常见，在高水流功率条件下发育更好。这种机制中，横向沙洲在汇合冲刷区下游形成，推移质片在沙洲表面迁移有助于其垂直加积。当推移质片在新出现的“叶瓣”顶部或前部“停滞”时，水流逐渐从新出现的沙洲边缘偏转，最终形成大致对称的辫状沙洲。该机制在水流条件远高于沉积物运动起始条件时被观察到。

横向沙洲转换机制与中央沙洲启动模式有一些相似之处，如推移质片的垂直加积、在河道中心“停滞”的推移质启动辫状河形成以及随后水流围绕新出现的沙洲分流。但横向沙洲转换机制的沉积物流动性（因此水流强度）更高，沙洲形态更明显，河床冲刷更大，而中央沙洲机制的特点是没有河床冲刷且河岸侵蚀率相对较低。

3.3 chute 截弯取直机制

“chute”河道在点沙洲上的发育是辫状河形成的一种广泛模式。chute 河道是在现有沙洲表面形成的相对狭窄的河道，水流集中，会对沙洲形态进行冲刷，推移质输沙变得占主导地位。chute 截弯取直可能发生在已形成的辫状河的单个点沙洲上，或在（最初）相对直的河道中的交替点沙洲上。可视化推移质输沙序列显示，截弯取直过程的开始通常与来自上游的推移质脉冲（通常以推移质片的形式）的到达相吻合。一旦完全形成，chute 河道的大小可能与点沙洲另一侧的原始主河道相似。chute 截弯取直过程不仅在辫状河的启动中起重要作用，还有助于维持辫状模式。

3.4 多沙洲切割机制

多沙洲切割机制也是一种侵蚀机制。在新西兰的辫状河中，这种过程最初被认为是主导的辫状河发育机制。但在 Ashmore 的实验室观察中，这种过程并不常见，这可能部分是由于水槽中受限的河道宽度和实验中使用的稳定流量，而多叶瓣切割可能需要在风暴事件的退水阶段对沙洲表面进行切割。观察表明，水流最初集中在孤立且不连续的 chute 中，推移质沿 chute 运输，沉积物常沉积在这些河道的下游端，因此在侵蚀性 chute 的下游会形成沉积舌。水流围绕这些舌状物分流，chute 河道逐渐成为一个相互连接的河道网络，水流集中在其中。

一旦辫状河形成，上述任何过程都可能继续影响其发展。

graph LR
    A[辫状河发育] --> B[沉积过程]
    A --> C[侵蚀过程]
    B --> B1[中央沙洲机制]
    B --> B2[横向沙洲转换机制]
    C --> C1[chute 截弯取直机制]
    C --> C2[多沙洲切割机制]

综上所述，辫状河的形成和发展是一个复杂的过程，受到多种因素的综合影响。了解这些特征、形态单元和发育机制，有助于我们更好地认识辫状河的演变规律。

4. 不同发育机制的对比分析

为了更清晰地理解辫状河不同发育机制的特点，我们对上述四种机制进行对比分析，如下表所示：
| 发育机制 | 机制类型 | 主要形成条件 | 主要特征 | 对辫状河的影响 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 中央沙洲机制 | 沉积机制 | 接近初始运动阈值的水流条件，局部水流无法运输上游沉积物 | 形成纵向或中间沙洲，无河床冲刷，河岸侵蚀率相对较低 | 形成辫状模式，过程相对缓慢，依赖特定水流条件 |
| 横向沙洲转换机制 | 沉积机制 | 高水流功率条件，水流远高于沉积物运动起始条件 | 形成大致对称的辫状沙洲，沉积物流动性高，沙洲形态明显，河床冲刷大 | 促进辫状河形成，在高水流功率时作用显著 |
| chute 截弯取直机制 | 侵蚀机制 | 点沙洲存在，有来自上游的推移质脉冲 | chute 河道发育，与原始主河道大小可能相似 | 启动和维持辫状模式，过程较迅速 |
| 多沙洲切割机制 | 侵蚀机制 | 可能需要在风暴事件退水阶段对沙洲表面进行切割 | 形成沉积舌，chute 河道形成相互连接的网络 | 在特定条件下主导辫状河发育 |

从这个表格中可以看出，不同的发育机制在形成条件、特征和对辫状河的影响方面都存在明显差异。沉积机制通常依赖于水流和沉积物的沉积作用，而侵蚀机制则侧重于水流对沙洲的侵蚀和改造。

5. 辫状河发育机制的相互作用

辫状河的实际发育过程中，这些机制并不是孤立存在的，而是相互作用、相互影响的。以下是它们可能的相互作用方式：
- 沉积与侵蚀机制的协同作用 ：沉积机制形成的沙洲可能为侵蚀机制提供了作用对象。例如，中央沙洲机制形成的纵向沙洲，可能会成为 chute 截弯取直机制或多沙洲切割机制作用的目标。当 chute 截弯取直机制在纵向沙洲上形成 chute 河道时，会进一步改变水流和沉积物的分布，影响其他沙洲的形成和发展。
- 不同沉积机制的相互转化 ：横向沙洲转换机制和中央沙洲机制在一定条件下可能相互转化。如果水流条件发生变化，原本由中央沙洲机制形成的沙洲，可能在水流功率增加时，向横向沙洲转换机制发展，形成更复杂的辫状沙洲。
- 侵蚀机制对沉积机制的反馈 ：侵蚀机制产生的沉积物可能会影响沉积机制的过程。多沙洲切割机制形成的沉积舌，会改变水流的流动路径和沉积物的输运，从而影响后续中央沙洲或横向沙洲的形成和生长。

graph LR
    A[中央沙洲机制] --> B[提供沙洲对象] --> C[chute 截弯取直机制]
    C --> D[改变水流和沉积物分布] --> E[影响其他沙洲形成]
    F[横向沙洲转换机制] <-->|水流条件变化| A
    G[多沙洲切割机制] --> H[形成沉积舌] --> I[影响水流和输运] --> J[影响沉积机制]

6. 辫状河研究的实际意义

辫状河的研究不仅具有理论价值，还在多个实际领域具有重要意义：
- 水利工程 ：了解辫状河的发育机制和形态特征，有助于水利工程师设计更合理的河道整治工程。例如，在修建水坝、堤防等工程时，可以考虑辫状河的水流和沉积物特点，减少工程对河道生态和稳定性的影响。
- 生态保护 ：辫状河是许多生物的栖息地，研究辫状河可以帮助我们更好地保护这些生态系统。通过了解辫状河的演变规律，可以采取措施保护生物的生存环境，维护生态平衡。
- 地质研究 ：辫状河的沉积记录可以反映地质历史时期的环境变化。通过对辫状河沉积物的分析，可以了解过去的气候变化、地壳运动等信息，为地质研究提供重要依据。

7. 总结

辫状河作为一种独特的河流形态，具有丰富的特征和复杂的发育机制。本文详细介绍了辫状河的基本特征，包括其与曲流河的区别、沉积物特性与水流特性的相互作用等。在形态单元方面，对沙洲和岛屿进行了区分，并详细介绍了不同类型的沙洲和池 - 洲单元、河道汇合与分叉等基本形态单元。同时，深入探讨了辫状河的发育机制，包括中央沙洲机制、横向沙洲转换机制、chute 截弯取直机制和多沙洲切割机制，并对这些机制进行了对比分析和相互作用的探讨。

辫状河的研究对于水利工程、生态保护和地质研究等领域都具有重要意义。未来，我们还需要进一步深入研究辫状河的演变规律，以更好地应对各种实际问题。希望通过本文的介绍，能让更多人了解辫状河的奥秘，共同关注和保护这一独特的自然景观。