第一章 河流系统与人类活动.docx

第一章 河流系统与人类活动 其次章 河流系统与人类活动把自然河流貌似困难的运动过程进展具体的分解，就可以发觉其运动过程是由水流、泥沙以及可动边界的各种运动和改变叠加而成的对于河流在短时段内的演化过程，仍旧可以采纳经典的力学原理进展确定性的分析，将它的各种表象与其背后的动力缘由建立明确的因果关系，从而对泥沙运动和河道演化进展正确的预料，以保证河流工程的平安性，维持正常的河流功能和生态体系在地球动态系统中，河流的动力过程对地外表貌的形成和演化起着重要作用同时，在地球的生态圈中，河流又是维护良好生态系统的一个关键环节2．1 河流、流域与地球的各种动态系统2．1．1 动态系统与平衡的概念(Hamblin ﹠ Christiansen 2004)在太阳系和银河系确定的范围内，只有地球外表上存在丰富的固态、液态和气态水，并受太阳能的驱动进展持续的水文循环这主要是由于地球自身的体积、质量和与太阳的距离都很适宜，从而能够保持相宜的外表温度和稳定的大气层-水圈大量液态水的存在是地球有别于太阳系其他行星的主要特征在地球上，地表大气层-水圈的动力过程与困难的地质构造运动相叠加，产生了岩石风化、输运和沉积变质等过程，以及与这些过程相关的丰富多变的地质地貌现象。

生物圈那么是寄生于大气层和水圈的地球特有现象全部这些现象，尚未在其他行星上发觉从地质时间上来说，地球外表的面貌总是处于“年轻”状态，这是由于地球外表上水分和大气的运动不断侵蚀地球外表，歼灭原有地貌、不断造就新的风化或沉积地貌而在太阳系中其他具有固体岩石外表的行星(水星、金星、火星和月球)上，由于没有这种侵蚀作用，其外表上几乎完好地保存了地质历史上各种“古老’’的遗迹，如火山锥(火星和金星)、陨石坑(水星和月球)即使在地球上，大洋深处的地表形态由于幸免了风化和流水侵蚀作用，与暴露于大气层中的地表相比也显示出不同的特征 地表上各种各样的物质运动可以区分成不同的自然系统来分别进展探究，称为 “地质系统”比方一条由火山熔岩流淌形成的岩浆流、一条自然河流都可以看作一个自然系统(natural system)假如在某个自然系统中存在能量和物质的运动、转换，那么称之为动态系统(dynamic system)在探究自然系统时，既可以用其自然边界 (流域的分水岭、河流的河床、水面等)作为系统边界，也可依据探究目的而人为地划分边界边界一旦划定，那么边界之外的全部内容(物质、能量)都是外部环境 (surroundings,environment)，不是系统的组成局部。

在地质学中，如下两类系统是最重要的：(1)封闭系统(closed system)，它与外部环境只有热量的交换；(2)开放系统(open system)，它与外部环境既交换热量，又交换物质日常地质现象中，处于冷却过程中的岩浆流就是一个封闭系统，因为其中的热量虽然在不断地流失，但它的物质并没有增加或削减不过，大局部地质系统都属于开放系统，系统中的物质和能量通过边界与外部环境不断地进展交换 地球本身是一个具有显明边界(大气层)的封闭系统，因为自从40亿年前的超大规模陨石轰击现象完毕后，地球与外太空之间的物质交换是微乎其微的但由于太阳能不断输入，地球表层的能量和物质总在不断地运动地球内部的热能那么引发地质构造运动(板块漂移，地壳的沉陷、隆起和褶皱)，造成地震、火山喷发等现象 由干流、支流组成的河流水系是一种最常见的开放系统，河床、水面等组成了它的边界降水或地下水的补给为系统供应物质，河水流向海洋或内陆湖泊那么是系统向外部环境输出物质只要有降水存在，系统就源源不断地得到物质、重力势能和动能的补充作为整个水文循环系统的一局部，河流系统的能量归根结底来自太阳能 在全部动态系统中，都存在着建立和维持平衡的趋势。

所谓平衡状态(equilibrium)是指一种能量最低(Lowest possible energy)的状态自然界和工程中常见的一些地质现象，如滑坡、地震、火山喷发、洪水泛滥，都是相应的动态系统寻求平衡状态的一种表现因此，这些现象都可以依据必须的动力学原理进展分析和预料 平衡状态的一种判别方法是：对动态系统的微小扰动，不能使系统偏离稳定状态事实上，即使作用在系统上外力的合力为零，系统的各种特征能够维持稳定不变，系统也不必须是稳定的，例如图1—1(a)所示的悬崖边上的一块巨石而对于图1—1(b)所示山崖上一个浅凹坑里的巨石来说，虽然微小扰动不能使它偏离稳定，但是稍大一些的扰动就可使其失稳，这就是所谓的亚稳定(metastable)状态失稳或对现有状态的偏离都须要消耗能量，因此上述状态都意味着所探究的系统中尚有能量可以消耗，或者说它仍有实力变更其现有的状态 假如外力的各种扰动均不能引起系统失稳，例如图l—1(c)所示沟底上的巨石，那么说明此时系统已处于能量最低的状态，不能供应任何能量来变更系统现有状态，称系统处于平衡状态依据这必须义，可知系统到达平衡的过程，就是不断消牦能量，直至能量降至最低点的过程。

系统的改变趋势或改变方向是指系统将通过何种途径来变更自己的状态，以最终趋于平衡一般来说系统的改变总是使其能量不断传递给外部环境而削减，直至系统的总能量降至最低例如，原那么上说一个水系将不断侵蚀流域、变更其河谷比降，直至最终使流域内的全部地势夷平、高差消逝、重力势能降至最低点，即到达了其平衡状态当然肯定水平的地形一般是不会出现的 又如，河流淌力学中多年的探究说明，平原河流比拟稳定的平面形态是弯曲河道，因为此时由于河道的弯曲，使得流路较长，在整条河流两端高差不变的条件下水力坡降最小(也就是单位河长上水流所供应的功率最小)关于这一点，在第7．2节中还会具体探讨 2．1．2 水文系统中的主要子系统水文系统是地球上最大、最困难的动态系统之一，其中包含了同样困难的多个子系统，如图1-2其中的主要子系统包括以下几种 (1) 大气层-海洋系统(atmosphere-ocean system) 海洋是液态水的巨大仓库，它与大气层中的气态水和空气运动一起形成气候系统(climate system)能量和物质的运动表达为大气层中的对流、风暴、水的蒸发蒸腾、降水、洋流，太阳能对地表加热的不匀称性是这些运动的起因。

地球上不同地点水文系统的特性，很大程度上取决于气候系统 (2)坡面系统(slope systems) 地球外表大局部都不是水平的以中国大陆为例，全部陆地面积中高原和丘陵地区占60％， 盆地占19％，平原却仅占12％地表上全部的坡面中局部是地质构造运动(抬升、沉降、断裂)所形成，也有少量因波浪侵蚀、熔岩出露、冰川运动和陨石撞击而形成的，除此之外其余的大局部坡面都是因水流侵蚀而形成的，与河谷的边壁连为一体坡面系统中最常见的现象是坡面上的物质在重力作用下沿坡面对下运动，如山体倒塌、滑坡、水力侵蚀等，成为流域侵蚀的一个重要来源 (3)河流系统(river systems) 落在地表上的降水，大局部通过河流系统干脆回到了海洋在任一时刻，全部河流中的水体总体积仅占地球地表上全部水量的百万分之一(或，在除海洋以外的全部水量中占百万分之五)尽管在随意一个瞬间，河流中容纳的水体体积很小，但由于河水流淌很快(平均流速为3m／s)，每年从河流中流过的水量(年径流量)是特别巨大的正是由于这个缘由，地球外表上的景观都是以流水侵蚀所造成的特征为主的在全部的大陆陆地上，大局部的面积都通过某种方式与河流的坡面和河谷连为一体，形成一种汇流体系把径流最终排入大海。

此外，河系供应了液态载体来把大量的泥沙输运到海洋之中，从而造就了巨大的河口三角洲体系 (4)海岸线系统(shoreline systems) 在大陆、岛屿和内陆湖的滨岸沿线，波浪、潮汐或洋流具有剧烈的侵蚀作用并能够挟带和输运大量泥沙滨岸地带的地貌动力过程是多种多样的，从而形成了各种景观，如波浪侵蚀成的峭壁(wave-cut cliffs)、滨岸的阶地(shoreline terraces)、河口三角洲(delta)、海滩(beaches)、沙洲(bars)和泻湖(lagoons，沙洲形成的半封闭水域)等 · (5)冰川系统(glacial systems) 在寒冷的气候带，降水(都以雪的形式出现)一般在原地保持冻结状态，而不会马上产生径流或回来海洋假如每年的降雪量超过了夏季的溶化量，该地区就会渐渐积聚成巨大的冰雪体，形成冰川(glaciers)高山降雪形成的冰川缓慢地“流”过河谷，犹如一条冰雪的河流冰川的存在显著地变更了当地的水文系统，因为水文循环在冰川中产生了局部的“停顿”，降水量不能马上回到海洋中直到冰雪运动到冰川的末端溶化后，水流才得以接着流向海洋、渗入地下或蒸发。

以冰的形式存在的水分，在除海洋以外的全部水量中占80％，在全球的全部水量中占2％冰川中的水分平均要滞留一万年左右 (6)地下水系统(groundwater systems) 在水文系统中有局部水分渗入地下，在土壤和岩石的孔隙中缓慢运动，形成地下水系统以地下水的形式运动的水量，在除海洋以外的全部水量中占20％与河流中以地表径流运动的水量相比，其数量是巨大的在其运动过程中，地下水使可溶的岩石(如石灰岩)发生溶解，形成空 腔或大型溶洞溶洞的进一步开展有时会导致倒塌，引起地面沉陷，形成灰岩坑或落水洞(sinkholes)这类灰岩坑形成的地貌与月球上的陨石坑有些相像，假如坑中有水那么会形成一系列的圆形湖 (7)风成沉积系统(eolian systems) 在地球上并不存在肯定干枯的地点，在最干旱的地区也有降水发生，而且气候类型也有年际的改变在干旱少雨地区，水文系统仍能够运行，因此在很多沙漠上，河谷仍旧是主要的地貌景观但是在这些地区，河谷形态会因为风沙运动而湮没，形成沙漠上的另一种主要景观：沙丘运动和风沙风成沉积系统是由于大气层中气流的循环运动而形成的凭借风力可以输运大量的沙尘，并在沉积层中形成显明的痕迹。

风力输运从广义上说也是水文系统的一个组成局部 2．2 流域侵蚀与泥沙的输运 泥沙问题作为一种自然现象，在不同学科的探究中都有涉及，只是所采纳的空间尺度和时间尺度可能有所不同在地质学中所探究的地质旋回，是指由于侵蚀作用和输运作用物质连绵不断地从地壳正在上升的局部转移至正在下陷的局部，泥沙(或称沉积物碎屑，sediment)在此积累并埋藏下来，在某些状况下，可到达地壳中很大的深度在此以后，泥沙由于成岩作用、变质作用、融熔作用而变成岩石，并再度上升，受到新一轮侵蚀，从而为另一些沉积区供应物质地质旋回过程所对应的空间尺度为大陆板块或大地构造单元(如平原、高原等)，时间尺度以百万年计，称为地质学时间尺度或地质学时标 在现代河流地貌学中探究问题时所采纳的时间尺度为数千年至数十万年在这种地貌学时间尺度上探究侵蚀旋回时，侵蚀、输运、沉积的主要影响因素为气候改变(如周期性的冰期活动)及相应的地貌环境改变(如地质构造的抬升或下沉、海平面的大幅上升与下降等)而这一过程所对应的空间尺度是完整的流域、水系、冲积平原等，探究对象包括河流、河口三角洲、海岸的大规模演化在实际工程中考虑问题所用的工程学时间尺度为数天至数百年，在此尺度上认为地质构造、地貌、气候是不变的，由这一条件启程求解降雨和水流与流域坡地、河道边界或人工建筑的相互作用及相应的演化过程。

长期以来，地学家和工程师分别从不同的角度探究流域和河流水系，分别建立了各自的理论体系了解了上述三种尺度的不同，有助于理解。