沖積河流為什麼會變得彎曲？

地礦科普第71期

沖積河流為什麼會變得彎曲？

Why Alluvial Rivers Become Meandering?

撰文丨許炯心

單位：中國科學院地理科學與資源研究所,

無論是在寬廣的河谷中還是在廣闊的沖積平原上，都會看到蜿蜒曲折的河流，能在很長距離上保持順直的河道極為少見。即使是分叉河流，就單個河道而言，也常常是彎曲的。這表明，沖積河流總是傾向於向彎曲發展。彎曲係數(河道長度與河谷長度之比)大於某一數值(如1.5)的河道在地貌上稱為曲流，或具有彎曲河型的河道。沖積河流為什麼會變得彎曲？這一問題看似十分簡單，深究起來，卻包含著深奧的道理。對彎曲河型的形成原因，地貌學家已經進行了100餘年的研究，雖然提出的假說達數十種，但至今未能得到滿意的解釋[1]。隱藏在曲流成因背後的奧秘，是地貌學中懸而未決的難題之一。

在曲流形成的理論中，很多是基於「河流系統能耗率達到最小」這一假說而提出來的。河流是一個處於動態平衡狀態下的開放系統，這種平衡表現為力的平衡和輸沙平衡。如果河流所消耗的能量，恰好等於克服水流阻力和搬運泥沙，則其能耗率將達到最小，此時河流處於輸沙平衡狀態，河床既不發生侵蝕，也不發生堆積。著名自然地理學家李希霍芬早在1886 年就提出，河流為了減少侵蝕做功，就「力圖改變自己的比降，因而形成曲流」[1]。近代的研究認為，由於沖積河流具有自動調整的功能，當來自流域的泥沙量超過河流的挾沙能力時，為了達到平衡，河流傾向於通過增加河長來減小比降，從而降低挾沙能力，因而變得彎曲[2, 3]。這一假說流傳甚廣。

然而，一些新的發現對於上述解釋提出了挑戰。學者發現，廣義的「曲流」可以不依賴於河流泥沙的存在。在冰川表面上，由於陽光照射，冰川消融，常常會發育彎曲的小河，以排泄冰川融水。值得注意的是，很多這樣的小河是彎曲的，具有和發育在沖積物中的曲流相似的幾何形態。同時，人們觀察到，大洋中的洋流通常不是沿直線前進的，而是形成近似於正弦曲線的平面形態，這與典型的沖積性曲流河床的彎曲形態極為相似。研究者發現，曲流河床的河灣跨度與兩個河灣之間的過渡段的河寬之間有很好的線性關係，即前者為後者的12倍。建立這一關係時涉及了很大的樣本，既包括攜帶泥沙的天然沖積性曲流和室內模型小河，也包括不攜帶泥沙的大洋洋流和冰川表面的小河，儘管所涉及河流、洋流的尺度相差達6個數量級之多，均服從這一關係[3]。人們甚至發現，下暴雨時沿著乾淨玻璃窗流下的水流，也常常不會沿直線流動，而會採取類似於正弦曲線的彎曲流路。上述發現說明，曲流的形成與水流流動的某種內在本質有關。還可以指出，在天然河流的順直段，或是在順直的渠道中，當流量較小時，水流的運動也是彎曲的，並出現犬牙交錯的邊灘堆積。這也說明，水流的運動具有趨於彎曲的內在要求。

無論是在河道還是在人工渠道中，水流一旦彎曲，就會形成橫向環流，或螺旋流。由於橫向環流的存在，會出現橫比降，使得水流凹進的一側即凹岸發生侵蝕後退，侵蝕產生的泥沙被橫向環流搬運到下遊方水流凸出的一側即凸岸，在那裡發生堆積，使凸岸邊灘不斷淤積生長。這就導致水流進一步彎曲，河道的彎曲程度不斷提高[2, 4]。顯然，只要存在一種初始的水流彎曲，在上述正反饋的作用下，水流彎曲程度會不斷提高。如果曲流河床發育的其他條件具備，河道就會向彎曲河型發展。遵循這一思路，美國學者J. P. Friedkin 最早在室內進行了彎曲河道的實驗研究。他在模型小河的進口處使河道偏轉一定的角度，導致水流的初始彎曲。在模型小河演變的過程中，這種初始彎曲不斷加大，而且向下游傳播，最終導致了彎曲河床的形成[4]。

為了最終解決「沖積河流為什麼會變得彎曲」這一難題，今後的研究應該沿著兩個方向進行，即回答「水流的運動為什麼具有趨於彎曲的內在要求」以及「哪些外在條件有利於彎曲河道的形成」這兩個問題。

中國古代學者很早就有「水性喜曲」的認識，但如何運用現代流體力學的理論來揭示「水性喜曲」的物理機理，至今仍然是一個困難的問題。水流的運動之所以有趨於彎曲的內在要求，可能與水質點群體運動的某種不穩定性和複雜性有關。通過對水流紊動理論、水流運動的力學穩定性分析和對水流運動的非線性特性和複雜行為的深入研究，可能會找到回答這一問題的途徑。

為了回答「哪些外在條件有利於彎曲河道的形成」這一問題，前人已進行了大量工作。與包括彎曲河型在內的各種河型的成因有關的因素，可以概括為來水、來沙和河床邊界條件等三個方面。什麼樣的來水、來沙和河床邊界條件對於彎曲河道的發育最有利，已分別進行過大量研究。較低的含沙量對於彎曲河型的形成有利，當含沙量增大時，河流有彎曲變為遊盪性分汊；當含沙量進一步增大而進入高含沙水流範圍以後，彎曲河型又會再度出現[5]。河床邊界物質組成與河流的彎曲程度有密切關係。當河床邊界物質抗沖性很低時，不能有效地約束河床水流，凸岸邊灘會受到切割而向遊盪分汊河道發展，不會發育成彎曲河道。當河岸物質抗沖性很強時，凹岸不易受侵蝕，也不利於彎曲河型的發育[4]。因此，某種適中的河床抗沖性有利於彎曲河道的形成。今後，應深入研究來水、來沙和河床邊界條件影響彎曲河型形成的物理機理，在此基礎上，致力於建立基於物理機理分析、包括來水、來沙和河床邊界條件各因子的彎曲河型與非彎曲河型的綜合判別關係，以全面揭示彎曲河型的形成機理。

（選自10000 個科學難題·地球科學卷）

參 考 文 獻

[1] 沈玉昌, 龔國元. 河流地貌概論. 北京: 科學出版社, 1986: 157?169.

[2] 錢寧, 張仁, 周志德. 河床演變學. 北京：科學出版社, 1987.

[3] Leopold L B, Wolman M G. River meanders. Geological Society of America Bulletin, 1960, 71:769?794.

[4] Schumm S A. The Fluvial System. New York: John Wiley and Sons, 1977, 1?338.

[5] 許炯心. 河型對含沙量空間變異的響應及其臨界現象. 中國科學(D 輯), 1997, 27(6): 548?553.

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