河流生态系统的平面形态特征

河流生态系统的平面形态特征

河流的平面形态多种多样，从顺直微弯到蜿蜒曲折，每种形态都有其独特的形成机制和生态意义。本文将为您详细介绍不同类型的河道形态及其特征，带您领略大自然中河流的神奇魅力。

河道平面形态

河道的平面形态可以分为三种类型：蜿蜒型（sinuosity/meandering）、微弯顺直型(straight- low sinuosity)和分汊型（multichannels）。其中分汊型又可分为辫状型(braided)、网状型(anastomosing/anabranching)和游荡型(wandering)。（Schumm1977,Church1992,Brierley2004）

河段的顺直或弯曲可用弯曲率判断，弯曲率是指沿河流中心线两点之间的长度与这两点间直线距离的比值。如果弯曲率值在1.0～1.05范围内,则属于直线型河道，1.05～1.3属于微弯型河道，1.3～3.0属于蜿蜒型河道（图1-1-5(b)）。微弯型河道多出现在河流的上中游，而在宽阔、平坦的下游地区多为蜿蜒型河道。

顺直微弯型河道

当弯曲率为1.0～1.3时，称为顺直微弯河道。顺直微弯河道包括直线型和微弯型河道。在自然界，整条河流呈顺直状是十分罕见的，仅在河流的局部河段呈顺直形态。顺直河道常处于变化之中，这是由于主泓线往往偏离河道轴线，折向一侧岸坡。导致偏离的原因有多种，包括两岸岸坡的土质、岩性构造以及植被等约束条件的差异；地球偏转力也具有一定影响。一旦主泓偏离，就会对一侧岸坡产生侵蚀作用，水流的侵蚀作用反复扩大，导致一侧岸线迅速后退，顺直型河道逐渐向弯曲型河道过渡。

蜿蜒型河道

弯曲率在1.3～3.0范围的河道属于蜿蜒型河道。蜿蜒型河道是世界上分布最广的河道形态。蜿蜒型河道类型有弯曲型、不规则蜿蜒型、规则蜿蜒型和曲折蜿蜒型等（图1-1-5(b)）。

我国长江的上荆江河段弯曲率达到1.7,下荆江河段达到2.84,都属于典型的蜿蜒型河道（图1-1-6）。

图1-1-6 下荆江河道历史变迁图（据陈钦銮）

蜿蜒性的河流都有深潭－浅滩交错连续分布的规律性特点，这种空间形态称为深潭－浅滩序列（pool-riffle sequence）。深潭位于蜿蜒性河流弯曲的顶点，并在河道深泓线弯曲凸部的外侧（或称凹岸侧）。浅滩是两个河湾间的浅河道，位于河流深泓线相邻两个波峰之间，它的起点位于蜿蜒河流的弯段末端，其长度取决于纵坡降，纵坡降越大，浅滩段越短。深潭的横剖面为窄深式，一般为几何非对称型；而浅滩的横剖面属宽浅式，大体呈对称形态（图1-1-7）。

图1-1-7 深潭－浅滩的构成及横断面形状（据Brookes，2001）

蜿蜒性是河流动态演变过程中的一种自然倾向。形成蜿蜒型河道的原因有多种，其中主要原因是水流经过微弯河段凸岸时，在离心力的作用下水流射向凹岸，凹岸一侧的水位提高，形成单向环流。环流与顺河向的水流结合起来形成一种螺旋型环流。单向环流的表流射向凹岸，然后下降，这股水流流速大，侵蚀力强，导致凹岸岸坡后退，在河床底部形成深槽。环流从深槽流向凸岸形成上升流，流速慢，造成凸岸一侧淤积，形成边滩。当凹岸不断后退，凸岸不断淤积前移的情况下，微弯型河道就演变成蜿蜒型河道。蜿蜒型河道进一步发展，弯曲率不断增大，就会演变成曲流河道，又称蛇曲，河道弧线的平面形状近于环形。当上下游的河道弧线逐渐靠近，形成狭窄的曲流颈。洪水发生时，曲流颈被切割，开辟出新的顺直型河道，这就是自然裁弯取直过程。此后，水流流经新河道，而旧河道则形成静水湖泊，称为牛轭湖。图1-1-8 是一个在蜿蜒河流中深潭与急流交错格局发展示意图。

深潭－浅滩序列隨水文周期变化也处于周期性变化中。深潭周期性被泥沙充填，特别是当上游河岸因侵蚀崩塌形成的大量泥沙输移到下游时，泥沙会把深潭填满。但是当下一场洪水到来时，泥沙又会被急流输送到下游的深潭中，深潭得以恢复。浅滩段河床在洪水过程后期，被上游冲刷下来的泥沙所充满。这些多余的泥沙将由下一场洪水输移到下游的深潭中。在枯水季节，深潭河床显露出卵石浅滩及沙洲，而浅滩水流则表现出紊流特征。

河床材料构成对形成浅滩－深潭序列具有重要作用。卵石和砾石河床具有匀称的深潭－浅滩序列，这种结构在水流能量较高的条件下有利于维持河道的稳定性。在这类深潭－浅滩序列中，粗颗粒泥沙分布在浅滩内，而细颗粒泥沙分布在深潭中。许多河流浅滩的河床是由粗糙、密实的卵石构成的，而深潭河床则由松散的砂砾石构成。有学者统计，深潭－深潭或浅滩－浅滩的间距大约是发生漫滩流量时河面宽度的5～7倍（Leopold,1964）。具有沙质河床的河道有深潭依次分布，但是并没有形成真正意义上的浅滩。在浅滩范围的泥沙粒径与深潭内的泥沙粒径相差不大。具有较高纵坡降的河流也有深潭依次分布，但是没有浅滩分布，水体从一个深潭到下一个深潭之间靠跌水衔接，即深潭－跌水－深潭系列。

由于蜿蜒型河道的侧向移动演变，构成了河流复杂的地貌形态。这种复杂的地貌形态导致水流和泥沙条件的变化，形成了具有地貌多样化特征的河道－河漫滩系统，为动植物群落提供了多样的微栖息地，支持生物群落多样性。

图1-1-9 蜿蜒型河道的侧向运动形成河漫滩地貌的多样性

蜿蜒型河道－河漫滩系统包含有多种地貌单元(图1-1-9) ，它们是：粘土塞（clay plug）指在主河道与牛轭湖之间的淤积体；牛轭湖（oxbow lake），指粘土塞完全形成后，牛轭状河道从主河道中分离出来形成的水体；蜿蜒河湾（meander scroll），指已经淤积的旧河道；自然堤防（nature levee），指由于局部河段流速降低，导致粗沙沿河岸所形成的淤积体；河漫滩沼泽（backswamps），指由于自然堤防的围隔作用形成的沼泽。

图1-1-10 俄国鄂毕河 （高波 摄）

图1-1-10是航拍的俄国鄂毕河鸟瞰图。蜿蜒的鄂毕河流淌在广袤的西伯利亚平原上，在水流－泥沙－河道－陆地的交互作用下，靠洪水自由漫溢和水流对河床的长年塑造，数十万年来，鄂毕河经历了复杂的演变过程，各个河段也都处于动态演变中。各个河段的演变由微弯到振幅增大扩展；波形向下游平移；波峰向下游旋转；瓶颈或急流部位发生裁弯取直使河道回到微弯形态，波峰河道脱离主河道形成牛轭湖（对照图1-1-5）。由于淤积体的形成，部分阻塞了主河道，又形成了蜿蜒河湾、河漫滩沼泽等多样地貌景观（对照图1-1-9）。我们从照片中可以清晰地看到鄂毕河主流，以及因没有人类活动干扰保留完好的多组叠套状牛轭湖、分离出的古河道和河漫滩湖泊湿地。在西伯利亚荒原上如长绸舞动的大河图画来自于大自然神奇之笔，令人叹为观止。