18、辫状河与河道汇流处的水动力及沉积过程解析

辫状河与河道汇流处的水动力及沉积过程解析

1. 辫状河形成机制

辫状河的形成和维持涉及多种机制，这些机制可能共同作用以增加辫状化强度。沉积物的可动性和河道的不稳定性决定了哪种辫状模式占主导。

• 流动与底负载运输的不稳定性 ：除了中心沙坝机制外，水流和底负载运输的不稳定性在辫状河的形成和维持中起着重要作用。具有足够能力的水流会对初始沉积物进行改造，从而启动和传播辫状化过程。
• “ chute and lobe ”机制 ：这是由 Southard 等人在 1984 年提出的术语。在小型冰川外冲溪流的研究中发现，chute 和 lobe 是辫状化过程的重要元素。它们通常出现在相对陡峭和浅的河道中，在中等和高流量时活跃。一般由相对笔直狭窄的河道和下游端的 lobe 状沉积物组成，规模较小，形成迅速且活跃时间较短。例如，Ferguson 等人在加拿大落基山脉的 Sunwapta 河实地观察到，lobe 在水流和沉积物运输发散的区域形成。一旦形成，lobe 经常开始被切割，部分暴露，进一步的切割可能侵蚀 lobe 的大部分，留下一些小辫状沙坝。
• 河道改道机制 ：改道可定义为河流河道相对突然地从一个河道切换到另一个河道。这里讨论的改道过程是指比之前描述的 chute 截断情况更大空间尺度的过程。在辫状河中会发生主流的大规模切换，例如 Carson 和 Ferguson 强调的一个例子是，弯曲河道中的广泛河岸侵蚀会导致河流改道进入相邻的非活跃河道。

2. 辫状河的水流与沉积物运输

对辫状河的河道形态、水流和沉积物运输过程的广泛实地研究相对较少，这至少部分是由于在高能环境中进行采样和测量存在实际困难，这些环境的水流、沉积物运输和河道形态条件变化迅速。不过，冰川融水溪流是很好的天然实验室，因为它们规模相对较小，且水位涨落和相关的底负载运输事件具有周期性和高度可预测性。

• 水流与沉积物运输模式 ：Bridge 和 Gabel 对美国内布拉斯加州 Calamus 河的一个中游沙坝进行了实地调查，发现弯曲河道中水流和沉积物运输模式与单个弯曲河道类似。在中游沙坝周围的左右外侧河岸会出现超高程，控制着岛屿周围的二次环流模式。二次环流使表层水向外流向河岸并下沉，而近底慢速水流向内流向中游沙坝附近的沉积区域。
• 底负载运输机制 ：Ashmore 和 Goff 等人强调了底负载脉冲对河道形态的影响。突然增加的底负载输入会直接导致单位沙坝的形成、辫状化强度的增加、支流改道以及更复杂沙坝形式的形成。辫状河形态随时间的变化是对底负载输入增加的直接响应。
• 沉积物分选 ：辫状河中存在颗粒尺寸纵向和横向减小的普遍趋势。这可能是由于多种因素导致的，如横向坡度的影响，粗颗粒在重力作用下沿坡度向下迁移；二次环流也有助于在沙坝尺度上进行横向分选，细颗粒被扫向河岸，而粗颗粒则向沙坝头部移动并积累。此外，Bluck 强调了沉积过程中的沉积物分选以及湍流控制的反馈机制的潜在作用，不同大小的碎屑产生不同的湍流强度和尺度，从而控制特定位置的碎屑尺寸范围。

3. 河道汇流处的研究概述

对河道汇流处的水流和沉积过程的研究相对较新。通过实验室工作取得了显著进展，在实验室中可以轻松控制变量，并重点研究不同配置和入流条件下汇流处的水流和沉积物动力学。汇流处不仅在排水网络中普遍存在，在辫状河中也占据主导地位，是河流系统中湍流最强烈的位置之一，许多汇流处的过程对污染物扩散、航行和河流系统的整体管理等问题具有重要意义。

4. 河道汇流处的水流加速

在河道汇流处，平均流速通常会增加，这是由于河道交汇处的几何形状变化导致的。在两条河流 A 和 B 的汇流处，A 和 B 的横截面积之和通常大于接收河流 C 的横截面积。根据连续性原理，接收河流的平均流速必然比两条入流河道的平均流速大一些。例如，Roy 等人观察到，在满岸水位时，汇流处的平均流速几乎是任何一条支流的 1.5 倍，如果使用最大流速，差异更明显，汇流处的最大流速在满岸条件下几乎是支流的两倍。此外，汇流处下游是否存在水流分离区是由平面几何形状和河岸排列决定的，水流分离区的存在会减少入流支流可用的河道横截面积，这也可能是汇流处常见加速的原因。当水流离开汇流区并汇入单一接收河流时，通常会观察到水流减速。

5. 河道汇流处的河床形态

河道汇流处通常有一个冲刷区，一个深的冲刷区域常常占据汇流处的中间部分。例如，McLelland 等人报道了加拿大艾伯塔省 Sunwapta 河实地站点的冲刷洞大约比支流深度深四倍。控制冲刷区大小和位置的两个主要因素是交汇角和流量比。交汇角是指入流支流之间的角度，冲刷深度随着两条支流的流量比和交汇角的增加而增加。

影响因素	对冲刷区的影响
交汇角	冲刷深度随交汇角增大而逐渐增加
流量比	对于给定的交汇角，流量比越大，冲刷深度越大

在自然汇流处，冲刷深度在一定程度上也是交汇角的函数，但由于影响实地观测和测量的变量众多，存在相当大的变异性。此外，每个河道口的雪崩面在较高的交汇角时更明显，其高度是冲刷区大小或深度的直接函数，雪崩面的位置也是流量比的函数。

graph LR
    A[河道汇流处] --> B[水流加速]
    A --> C[河床形态变化]
    B --> B1[横截面积变化]
    B --> B2[水流分离区影响]
    C --> C1[冲刷区]
    C1 --> C11[交汇角影响]
    C1 --> C12[流量比影响]
    C --> C2[雪崩面]
    C2 --> C21[高度受冲刷区影响]
    C2 --> C22[位置受流量比影响]

通过对辫状河和河道汇流处的研究，我们可以更深入地了解河流系统的水动力和沉积过程，这对于河流生态保护、水资源管理和工程建设等方面都具有重要的意义。未来，需要更多的合作和深入研究来进一步揭示这些复杂过程的奥秘。

辫状河与河道汇流处的水动力及沉积过程解析

6. 河道汇流处的其他特征

在河道汇流处，除了水流加速和河床形态变化外，还有一些其他重要的特征值得关注。

• 水流分离区 ：在河流交汇处的下游角落，可能会出现水流分离区。其存在与否取决于平面几何形状和河岸排列。水流分离区的出现会使入流支流可用的河道横截面积减小，进而影响水流和沉积物的运输。例如，Best 和 Reid 指出，水流分离区的存在可能是汇流处常见加速现象的原因之一。
• 螺旋流单元 ：在汇流处常常可以观察到螺旋流单元。这些螺旋流单元对沉积物的运输和沉积模式有着重要影响。它们可以将沉积物从一个区域搬运到另一个区域，从而影响河床的形态和沉积物的分布。如 Mosley、Ashmore 和 Best 等学者的研究都提及了螺旋流单元在汇流处的作用。
• 剪切层 ：剪切层也是汇流处的一个显著特征。它通常出现在不同水流之间的界面上，会影响水流的混合和沉积物的扩散。剪切层的强度和位置会随着水流条件和河道几何形状的变化而改变。

7. 辫状河与河道汇流处研究的实际意义

对辫状河和河道汇流处的研究具有多方面的实际意义，涵盖了生态、工程和水资源管理等多个领域。

领域	实际意义
生态保护	了解辫状河和汇流处的水流和沉积过程有助于保护河流生态系统。例如，认识到水流加速和沉积物分选对水生生物栖息地的影响，可以制定相应的保护措施，维护生物多样性。
工程建设	在桥梁、堤坝等水利工程建设中，需要考虑辫状河和汇流处的特殊水流和河床形态。准确预测水流和沉积物的运动可以提高工程的稳定性和安全性，减少工程对河流环境的影响。
水资源管理	掌握辫状河和汇流处的水动力和沉积过程对于水资源的合理分配和管理至关重要。可以更好地预测洪水、干旱等水文事件，优化水资源的利用效率。

8. 研究现状与未来展望

目前，虽然在辫状河和河道汇流处的研究方面已经取得了一定的进展，但仍存在许多需要进一步探索的领域。

• 研究现状 ：目前的研究主要集中在实验室模拟和部分实地观测。实验室研究可以控制变量，深入了解水流和沉积物的基本原理，但与实际河流情况存在一定差异。实地观测虽然能反映真实情况，但受到环境条件和测量技术的限制，数据的准确性和完整性有待提高。
• 未来展望 ：未来的研究需要加强实验室研究与实地观测的结合，提高数据的质量和可靠性。同时，应进一步探索复杂环境下辫状河和汇流处的水动力和沉积过程，如气候变化对河流系统的影响。此外，还需要开展多学科的合作研究，综合运用水文学、地质学、生态学等多个学科的知识，全面深入地理解辫状河和河道汇流处的奥秘。

graph LR
    A[研究现状] --> B[实验室模拟局限]
    A --> C[实地观测不足]
    B --> D[与实际情况有差异]
    C --> E[数据质量待提高]
    F[未来展望] --> G[加强结合]
    F --> H[探索复杂环境]
    F --> I[开展多学科合作]
    G --> J[提高数据可靠性]
    H --> K[研究气候变化影响]
    I --> L[全面理解河流动态]

综上所述，辫状河和河道汇流处的水动力及沉积过程是一个复杂而重要的研究领域。通过不断深入的研究，我们可以更好地认识河流系统的运行规律，为河流的保护、开发和管理提供科学依据。