河流系统与环境变化.doc

河流系统与环境变化河流的发生和演变受制于本身所处的环境，又反过来对环境演变施加重大的影响，河流与人类的生存和活动有着密切的关系。河流研究是自然地理学和地貌学中的基本问题。近年来，河流研究取得了长足的进展，表现在：引入了系统论的概念，以系统论的观点和方法来研究河流的形成和演变；与环境演变问题密切结合。本章即以此为重点，结合中国的实践加以阐述。40年代奥地利生物学家贝塔朗菲（Bertalanffy，19011972）提出了一般系统论，以后逐渐发展成为一门独立的学科，并广泛地应用于社会、经济、管理、生物系统以及决策和预测研究中。从60年代开始，人们已逐渐引用系统论的概念来研究河流（Chorley,1962）,LBLeopold和WBLangbein等采用熵值的概念来研究曲流的形成和发展（Leopold，1962）。但明确而又比较系统地提出河流概念系统的是舒姆（Schumm，1977），他把整个河流看成是一个完整的系统，然后从上至下依次划分3个子系统：集水盆地子系统、河道子系统和河口三角洲子系统。第一个子系统以侵蚀作用为主，是物质和能量的集结区。第二个子系统以搬运作用为主，是物质和能量的传输区。第三个子系统则是以堆积作用为主，是物质的输出区。1977年他出版了河流系统（Fluvial System）一书，全面阐述了河流系统内的物质、能量传输与河流发育、演变过程的关系。舒姆的理论逐渐为后来者接收，并得到了发展。现状普遍认为，河流系统是一个复杂的开放系统，它以分水岭、河底和可口处的海平面或受水盆地为边界，河流系统与其周围环境之间有着能量和物质的频繁传输和交换，通常是通过河流系统内的各种要素和要素间的相互作用来进行。河流系统中拥有许多复杂的要素，在集水盆地子系统中主要有坡度、地形、物质组成、植被、降水、温度、重力、地下水等；在河道子系统中有流量、流速、水流结构、河道物质组成、泥沙量及其组成、河道形态、河型、水化学性质等；河口三角洲子系统中有潮流、波浪、海面波动等。除上述子系统中的许多组成要素外，地壳构造运动、气候变迁以及海平面波动等是影响整个河流系统的更高层次的要素。图6.1表示河流系统的基本结构和各种要素之间的相互联系、相互制约关系。从系统论的角度进行河流系统的研究，可以对整个河流系统进行动态分析，给出各种条件下河流的发育过程及演化趋势的定量预测。河流系统的发育、演变受制于系统周围的环境，同时又对环境以反馈。当前河流研究重视系统研究、重视与环境问题的密切结合。近年来国内外召开的地貌学术会议均以地貌、环境、发展问题为主题，河流系统在古代、现代各种环境要素制约下的发展过程和演变趋势，以及河流系统变化所引发的环境后效均是其中的重要内容。与环境问题的密切结合也是经济开发和区域治理的客观需要。河流是自然地理环境中一个十分活跃的因素，与人类经济活动有着极为密切的关系，它的发育演变常带来正负两方面的影响。本章第二节对此作较详细的讨论。近年来普遍采用以数学模型进行模拟和地理信息系统方法和技术，这有助于河流系统内各要素之间、各要素与环境之间关系的深入分析、了解，也有助于提高预估河流系统本身及环境变化趋势的精度。第一节 河流系统的几个基本问题一、 平衡倾向性所有河流都具有自动调整的能力，在冲积河流上表现尤其明显。自动调整的最终结果在于力求使来自上游的水量都能通过河段下泄，河流保持一定的相对平衡。这一特点成为河流的平衡倾向性。1984年马金（Mackin 1984）就对这一问题给予了直到今天看来仍是最具有代表性的定义。他写道：“一条平衡河流是在经过一定的年月以后，坡降经过精致的调整，在特定的流量和断面特征条件下，正好具有使来自流域的泥沙能够输移下泄的流速。平衡河流是一个处于平衡状态的系统，它的主要特点是控制因素中任何一个因素的改变都会带来平衡的位移，其移动方向能够吸收改变所造成的影响。”河流系统是一个开放系统，系统与系统以外的环境不断有物质和能量的交换，一方面河流沿程从流域面上不断接受水和由侵蚀带来的泥沙，另一方面又通过自身源源不断地把水和泥沙送向大海。由于流域因素的多样性和复杂性，来自上游的水流所挟带的泥沙，不可能总是正好和河道挟沙能力相等，河槽免不了会有冲淤变化，因此，河流的变化是绝对的、长期存在的。但是，另一方面，河流的演变过程，特别是冲积河流上表现明显的自动调整作用又是朝着使变形停止或消失的方向发展的。这样，在一个较长的时期内，作为平均情况来看，河流可以趋向一定的相对平衡，或曰“准平衡”（钱宁等，1987）。马金的概念只是从定性上对河流的平衡倾向性作了阐述。60年代以后，逐渐有人从理论上对平衡倾向性的机理作进一步的阐明。其中最具代表性的有如下两种：1.热力学中熵概念的移植热力学有三条基本规律，其中第一条定律是能量不灭定律，第二条定律则有各种不同的表达方法，简单地说，就是任何不可逆的自然过程中，熵总是在增加。熵是体系中不能用作机械功的那一部分能量的度量。熵的增加意味着体系中可以转化为机械功能的能量的减少。体系中的熵是可供作机械功的能量在体系中如何分配的函数，而不是体系内总能量的函数。研究熵的变化规律，也就是研究体系内能量如何分配的规律（钱宁等，1987）。在另一方面，熵和或然率实际上只是一个同义语。能量分配问题可以作为或然率问题来考虑。某一种能量分配，对应于所有可能出现的分配来说，具有一定的或然率。Leopold和Langbein曾利用这些有关熵的规律，来研究河流中能量分配问题（Leopold，1987）。试设想河流的总能量为E，沿河各段的能量分别为E1，E2，E3En。类比理想气体的情况，河段i能量为Ei的或然率为整个河流的熵为当熵达到最大时，客流内沿程能量的分配达到最大可能性，这时要求：亦即也就是说，冲积河流调整的结果，将使能量沿程分配保持均匀一致，Langbein和Leopold曾用这一概念来研究河流的纵剖面（Langbein,1964）。同样，基于这一原理，冲积河流通过自动调整，使河宽、水深、坡度之间达到一定的组合，以与流域条件相适应，使河流趋向平衡。2.最小功原理在物理学和力学中，有许多问题需借助于“最小功原理”的设想才能求解。例如，在结构力学的超静定结构中，利用“最小功原理”来补充静力平衡不定的条件。根据这个原理，各个杆件中的应力分布是要使杆件中的总应变能维持组最小。不少研究者企图把这一概念移植到河流研究中，杨志达从深槽浅滩地貌、河流几何形态、泥沙运动和冲积河流水力学等多方面论证，河流水力要素中起主导作用的是单位重量的水的能耗率。冲积河流将调整它的坡度和几何形态，在维持输沙平衡的前提下，力求使能耗率趋向于当地具体条件所许可的最小值（Yang,1979）。这里所说的具体条件是指河岸与河床的相对可冲刷性、基岩裸露的情况以及人工建筑等。写成数学方程，得UJ=最小U为断面平均流速；J为河流平均坡降。式（6.2）也可以从熵的概念推导得出，已知河流保持平衡时，熵达到最大，这时熵的产生率应维持最小，从前述熵和河流能量的关系，可知如能量取水流的势能（或高程）H，则熵的产生率维持最小，亦即意味着可出的UJ应维持最小。张海洋在考虑最小功原理时，不是采用单位重量的水的能耗率，而是采用单位长度的水的能耗率（Chang,1979）。这样，最小功原理可写成河流的平衡倾向性对于河道治理来说具有很好的实际意义，人们可以设法在流域面上和河道内部采取相应的措施，使河流系统与其周围环境之间尽可能地逐步相互适应，从而使河道在一段时间内保持相对稳定。二、 阈值理论河流系统与其外部环境之间不断地进行物质和能量的交换，只要来自环境的输入不发生超过一定限度的突变，则河流系统有能力通过自身的调整来对外界变化取得适应，即上面所述的平衡倾向性。但当外部环境变化过大，或系统内某一要素值自身的变化达到一定限度时，则整个系统就发生突变，导致发生突变的那一点即是阈值，或临界值。舒姆首先将阈值规律引入河流地貌系统的研究中（Schumm，1973），他提出了两种地貌阈值：即内因的地貌阈值和外因的地貌阈值。前者指外在因素保持大致定常的前提下，由于系统内部自身变化的不断积累，达到某一阈值而触发的变化。例如，在河曲发育过程中，开始是比较顺直微弯的河道，由于洪枯水季节冲淤部位的不同，以及凹岸冲刷和凸岸淤积的规律，致使河道向两侧、向下游蠕移。随着弯曲程度不断扩大，