第三章-河流地貌1.ppt

第三章河流地貌,地表流水是最主要的地貌外力之一。河流：地表线形凹槽内天然流水的通称。在中国有江、河、川、溪、涧、藏布、曲、郭勒等不同的称呼。河流的水流在流动过程中，进行侵蚀，形成各种沟谷地貌，被侵蚀的物质沿沟谷向下游搬运并堆积，形成河漫滩、冲积扇和三角洲等堆积地貌。凡由河流作用形成的地貌，称河流地貌。,河流水流来自大气降水。雨水降落到地表之后，一部分蒸发返回大气层，一部分被植物吸收，一部分渗透到土壤孔隙中或岩石裂隙中成为地下水，剩下的沿地表流动，通过河流，最后汇入海洋。有时地下水流出地表，补给河流；在高山高纬地区，融雪水也补给河流。河流中的水流是地表水流最主要的形式。,第三章河流地貌,不论是经常性水流的河流，或是暂时性水流的河流，都能进行侵蚀、搬运和堆积，只是它们的作用方式和强度不同而已。因此，河流作用是塑造地貌最普遍通最活跃的外营力之一。,河流作用塑造的地貌极其多样。从河谷横剖面看，可分谷底和谷坡两大部分。谷底包括河床和河漫滩，谷坡是河谷两侧的岸坡，常有阶地发育。谷坡与谷底的交界处，称为谷坡麓，谷坡与原始山坡或地面的交界处，称为谷肩，也称谷缘。,从整个流域看，上游河谷狭窄，多瀑布，中游河谷较宽，发育河漫滩和阶地，下游河床坡度较小，河谷宽浅，多形成曲流和汊河，河口段形成三角洲和三角湾,一、层流与紊流,层流：水质点有一定的轨迹，与邻近的质点作平行运动，彼此互不混乱。紊流的水质点是呈不规则的运动。并且互相干扰。,第一节河流流水作用,一、层流与紊流,第一节河流流水作用,雷诺根据实验结果指出，水流流动型态由下列因素决定：（1）流速。流速小时容易出现层流，流速大时则发生紊流；（2）管道直径。在其他条件不变的情况下，管道直径小易发生层流，直径大易发生紊流；（3）粘滞性。粘滞性大的水体易发生层流，粘滞性小的水体易发生紊流，粘滞性主要与密度和流体性质有关.,但流动形态转变时不变Re为雷诺数，d为管道直径，v为管道中平均流速，r为液体运动粘滞系数管道条件下临界Re=2320，明渠条件下临界Re=500,一、层流与紊流,雷诺系数Reynoldsnumber流态转变时的平均流速称为临界速度。临界速度也随流体密度、粘滞系数和管道直径而变化。,第一节河流流水作用,一、层流与紊流,影响河流流水流态的因素：流速和含沙量层流一般只在水库及高含沙量的浑水底部或坡面薄层缓流中可能存在。沟槽中很少发生。由于层流没有垂直于水流方向的向上分力作用，所以一般不能卷起泥沙。紊流的水质点是呈不规则的运动。并且互相干扰。上下水层相互干扰，并进行动量交换，对泥沙运动有很重要影响,第一节河流流水作用,第一节河流流水作用,二、横向环流和漩涡流1横向环流2漩涡流,横向环流,在弯曲河道中，从凸岸由水面流向凹岸的水流（表流）和从凹岸由河底流向凸岸的水流（底流）构成一个连续的环形水流，称横向环流。横向环流与纵向水流结合一起，成为螺旋流，又称弯道环流（helicoidalflow,helicalflow，corkscrewwatermovement,横向环流造成凹岸（表流）侵蚀和凸岸（底流）堆积,在自然界和试验水槽中，顺直河道很少能够长时间保持。由于河流中完全的层流状态很少持续，小的扰动使水流发生偏转流向河岸，并发生反射而流向对岸，形成一个正反馈系统，导致曲流形成。偏转向河岸的流水引起微小的侵蚀，形成弯曲河道的雏形。当水流经弯曲河道时，惯性使流水继续保持直线运动，冲击道的外侧，引起河岸的进一步的侵蚀和外侧河道的加深。外侧深河道产生更大的流速和更多的侵蚀。,曲流的形成,横向环流,两种力：弯道离心力和地转偏向力曲流形成后，在弯道离心力作用下形成横向环流弯道水流在弯道离心力的作用下，凹岸产生雍水现象，水面抬高，凸岸水面降低，形成水面横比降。位于凹岸底部的流水受到了较大的压力，因而两岸间底部水层水层产生了压力差。使底部流水自凹岸流向凸岸。这是弯道中产生环流的主要原因,横向环流,受地转偏向力的影响，北半球水流偏向右岸，南半球偏向左岸，这对弯道环流起着增强（右岸为凹岸时）和减弱（右岸为凸岸时）作用。,不同形状的河床断面，形成不同的环流系统，可分为以下四种（1）单向横向环流（a）。多在弯曲河段发生，因这里水流受离心力作用较强向一岸偏移形成单向环流。（2）底部汇合(convergent)型横向环流（b）。两岸底层水流流向河床中部，构成表层辐散、底部汇聚型的横向环流。横向环流系统可掏蚀两岸，而在河床中部发生堆积。（3）底部辐散(divergent)型横向环流（c）。两岸表层水流流向河床中部，构成表层汇聚、底部辐散型的横向环流。这种环流能够进一步侵蚀河床中部，而在两岸形成浅滩堆积。（4）复合型（complex）环流（d）。在平原分汊河流或河床底部起伏不平的地方，形成多股主流线，各自构成一横向环流，组合成复合型环流系统。,都江堰，人类利用自然的典范,漩涡流,当水流绕过障碍物，如沙波的脊部、河床基岩岩槛以及各种人工建筑物时，都会产生漩涡流。使河流水流更加复杂凡河中失石，必求之于上游,三、河流作用,河流作用侵蚀(erosion)搬运(transportation)堆积(deposition),E=1/2MV2,河流的侵蚀作用,河流的侵蚀作用有三种方式：冲蚀作用(cavitation,hydraulicking（水力冲蚀)：流水的机械冲刷磨蚀作用(abrasionorcorrasion,evorsion(涡流侵蚀）)：水中泥沙对床面的碰撞磨蚀和掏蚀，泥沙颗粒之间的碰撞磨蚀溶蚀作用（corrosion)：水对易溶矿物的溶解。,河流的侵蚀作用,河流侵蚀按方向可分为:侧蚀(side/lateralerosion)：使河道加宽下蚀（verticalerosion，downcuting)：使河道加深溯源侵蚀(headwater/headwarderosion)：使河道加长,Lateralerosionwidensriverchannel,Verticalerosiondeepensriverchannel,溯源侵蚀(headwater/headwarderosion)：使河道加长，特别是对于山区小河而言更有意义侵蚀方向是不断向源头（即上游方向）进行的。以裂点（瀑布）后退的方式表现出来。有两种方式：一是暴流在沟头侵蚀，加上片流作用，使沟头崩塌。二是河流上游有泉水出露，泉眼以上的岩层或土体因受掏蚀而发生崩塌后退,壶口瀑布由于溯源侵蚀，瀑布已由龙门附近后退至今日的壶口，位置是不断向上游移动的。据史料记载，河流溯源侵蚀的空前高速度曾达2m/a。而在最近的2700年间，这条瀑布已后退3000多米。,河流搬运作用,搬运机制：河流流速大于起动流速，动力大于克服因重力和摩擦力等而产生的阻力起动流速：泥沙处于极限平衡状态时的水流的速度。,动力分析：动力在垂直方向上的分力Fv动力在水平方向上的分力Fh重力G磨擦力f,UpperCourse,LowerCourse,河流搬运作用,河流流搬运的方式推移(bedload)：推移是流水使泥沙或砾石沿底面滚动或滑动。Fvf艾里定律：推移质的重量与水流速度的六次方成正比。,因此：搬运泥沙粒径与流速的平方成正比。山区河流在山洪爆发时可以推动巨大的石块向下移动,跃移(jump,saltate：跃移是床底泥沙呈跳跃式向前搬运。FvG；Fhf悬移(suspendedload)：悬移是较细小颗粒在流水中呈悬浮状态搬运。FvG；Fhf悬移(suspend):河流主要的搬运方式。溶解质搬运：溶解于水中的物质,河流的堆积作用,动力机制：搬运取决于挟沙力和实际挟沙量的对比挟沙力/挟沙量=1，不冲不淤挟沙力/挟沙量1，发生侵蚀堆积的原因：1）挟沙力减弱：流速减小，纵比降降低，入峡谷前雍水段和出峡谷的发散段，支流汇入等，2）泥沙来源增多：气候变干，人为活动,河流的堆积作用,1.颗粒开始搬运（侵蚀）所需要的始动速度要比继续搬运所需的流速大。这是因为始动流速不仅要克服颗粒本身的重力的影响，而且还要克服颗粒彼此间的吸附力的影响才有可能发生搬运。,2.0.052毫米间颗粒所需要的始动流速最小，而且始动流速与沉积临界流速间相关也不大。这就说明了为什么砂粒在流水搬运中最为活跃的原因，它们既易于搬运也很容易沉积。故砂粒常常是呈跳跃式的搬运。,河流的堆积作用,3.对于大于2毫米的颗粒，它的始动速度与沉积临界流速相差也不大，但是这两个流速值本身却很大，并随着颗粒的增大而增大。这也正如在自然界里所看到的那样，砾石很难作长距离搬运而多沿河底呈滚动式的推移前进，颗粒越大越是这样。,4.小于0.05毫米的颗粒，其始动速度与沉积临界流速度值相差很大，所以粉砂尤其是泥质颗粒一经流水搬运，即长期悬浮于水体中，很不容易沉积下来，大多数都是搬运到海洋或湖泊的比较安静的地带才能慢慢的进行沉积。,河流的堆积作用,河流的侵蚀、搬运和堆积三种作用是经常发生变化和更替的。对一条河流来说，在正常情况下，上游多以侵蚀作用为主，下游以堆积作用为主，如果海面下降，下游地段亦可转化为侵蚀作用为主，当河流水量减少，泥沙增多，在河流上游的某一地段也可能出现堆积作用为主。另外，在同一河段，侵蚀、搬运和堆积是同时进行的，例如弯曲河段在凹岸侵蚀，同时在凸岸就发生堆积。,Q=VAQ：流量，V：流速，A：断面面积,第二节河床,河谷中平水期水流所占据的谷底部分称为河床。河床横剖面呈一低洼的槽形。,第二节河床,山区河床较狭窄，纵剖面较陡，浅滩和深槽彼此交替，且多跌水和瀑布，两岸常有许多山咀突出，使河床岸线犬牙交错。,平原地区河床较宽浅，纵剖面坡度较缓，有微微起伏,一、河床纵剖面的形成与发展,河床纵剖面：从源头到河口的河床最低点连线称为河床纵剖面(longitudinalprofile)，它呈一不规则的曲线。影响河床纵剖面塑造的三个因素溯源侵蚀侵蚀基准面河床均（平）衡剖面,侵蚀基准面,侵蚀基准面(Baseleveloferosion):河床纵剖面是河流作用形成的，每条河流下切侵蚀的最大深度并不是无止境的，往往受某一高度基面控制，河流下切到接近这一基面后即失去侵蚀能力，不再向下侵蚀，这个控制河流下切深度的一个面状的界限，称为河流侵蚀基准面，也简称侵蚀基面。在这个界限以下，河流下蚀能力消失，不再加深河床，。,控制局部河段或支流下切深度的基面称地方（局部）侵蚀基面。如河床上的坚硬岩块，支流汇入主流的河口处控制整个河流下切侵蚀的最低基面称为终极侵蚀基准面，一般把海面作为终极侵蚀基面或总侵蚀基面,注意:虽然海面是入海河流的的总侵蚀基准面，但河流在入海之后，其动能一般并不立即消失，有时在海底的一定深度内还会继续塑造出一段槽床；另外，在远离河口的大河河床上，由于强烈的旋涡流的冲蚀，也会出现比海面还低的深槽或壶穴。但这些都是局部的现象，从宏观上看，海面仍然是控制河流下切的总的基面。,侵蚀基准面,侵蚀基准面的变化影响河床纵剖面的发展。当侵蚀基准面下降时，如果出露的地面坡度较大，则流速加大，侵蚀作用加强，河流发生向（溯）源侵蚀。当侵蚀基准面上升时，水流搬运泥沙能力减弱，河流发生堆积。因此，修建水库可以缓解上游的水土流失,河床均衡剖面,均衡剖面指河流处于平衡条件下的纵剖面。河流平衡是指河床侵蚀与堆积之间的平衡。经典的理论认为，处于均衡状态下的河流纵剖面是一条圆滑的凹形曲线。平衡是相对的、有条件的，是在一定时间、空间和物质平衡条件下的平衡，如果随着流域因素的变化（构造、气候、水量、含沙量、侵蚀基准面变化），河床形态必然发生相应调整，取得新的平衡。,三河床上的地形,河床发展过程中，由于不同因素影响侵蚀和堆积作用，在河床中形成各种地貌，如河床中的浅滩与深槽、沙波，山地基岩河床中的壶穴和岩槛等。,1浅滩与深槽(rifflesandpools)：浅滩是河床底部的一些不同规模的冲积物堆积体，它们有的分布在岸边，称边滩，有的分布在河心，称心滩。浅滩与浅滩之间较深的河段，称深槽。,PoolsandRifflesAstreamcanbeachallengefororganismsthatliveinwater.Flowingwatercanmovemud,sand,andgravel.Thefasterthewaterflowsthelargertheparticlesitcanmove.Asthewaterslows,particleswillsettleoutandbedeposited.Highvelocitycanscourareasthatcreatepools,whichsupportplankton(floatingorganisms),andlargeranimalslikefrogsandfish.Riffles,orareasofgravelhelpprovidedissolvedoxygenasthewatermixeswiththeatmosphere.Organismsrequiredissolvedoxygentolive.,浅滩与深槽的成因有以下几种：（1）横向环流在弯曲河道中，由于横向环流作用，凹岸侵蚀形成深槽，凸岸堆积形成浅滩（边滩）。在相邻两个弯道，横向环流方向相反，两弯道之间的河段，环流消失，水流搬运能力相对减弱，泥沙发生堆积也能形成浅滩。此外，如果河床底部呈汇合型横向环流，形成河心浅滩；如果是辐散型横向环流，河床将侵蚀形成深槽。,（2）峡谷水流经峡谷前，产生壅水，流速减小，发生堆积而形成浅滩；流峡谷段，水流加快，产生侵蚀，形成深槽，出峡谷后，水面展宽，流带降低，再次发生堆积，形成浅滩。,（3）主支流互相影响主支流交汇处，有两种情况可形成浅滩：洪水期主河先涨水，使支流河口以上河段产生壅水而堆积，形成浅滩；或者支流带来大量泥沙堆积在主支流汇合处形成浅滩。（4）人工建筑人工建筑物、河床中修建渡桥、挡水坝等，都会使上游河床水位增高，搬运能力减弱而使泥沙堆积，形成浅滩；不适当的截弯取直河道，流速增大，河床强烈冲刷，下泄泥沙过多，也能在取直河道出口的下游形成浅滩。河床中深槽与浅滩的形态和位置，随着河床中洪水期和枯水期水文状况的改变和横向环流的变化将产生变化和迁移。,2沙波(alluvialsandwave,ripples)沙波是河床中的堆积地貌，一般河流中都可见到。,沙纹：平整床面泥沙刚起动时形成，其规模小（长30-50cm,高3-4cm）且与水流尺度无关，横剖面不对称，迎水面较缓，背水面陡，陡坡朝向河流的下游，达30左右，脊线与流向近垂直。迎水面泥沙冲刷在背水面淤积形成斜层理，沙纹因此向下游缓慢移动。,沙垄：随着水流流速增大，沙纹尺度不断加大形成沙垄，有时其迎水坡上可有小纱纹叠置。沙垄几何形态与纱纹相似。水面的起伏与沙垄起伏不同步，波峰处水深小而波谷处水深大。迎水面冲刷而背水面淤积，沙垄可缓慢下移。沙垄尺寸和下移速度因水流尺度而变，随水深的增加，沙垄的长度和高度都会增加，下行速度也随之加快。平整床面：随水流速度继续增大，沙垄增至最大高度后开始消亡。主要原因由于水流增大后，原跃移质变为悬移质而无法有沙垄背水面淤积。床面再趋于平整。,逆行沙波：水流再继续增大，河床底再发生扰动形成沙波，这时的沙波形态迎水面与背水面对称。背水面冲刷，泥沙到下个沙波的迎水面淤积。这时尽管泥沙向游运动，但沙波形态则向上游运动，因此称逆行沙波。,岩槛是基岩河床中较坚硬岩石横亘于河床底部形成的瀑布或跌水，并构成上游河段的地方侵蚀基准面。与构造、岩性有关,黄果树瀑布,尼亚加拉大瀑布,维多利亚/莫西澳图尼亚瀑布,伊瓜苏瀑布,壶穴(potholes)是基岩河床中被水流冲磨的深穴,壶穴多是在瀑布下方，由湍急水流冲击河床基岩而成。,如果河床基岩节理发育，或是构造破碎带，水流则往往沿岩石节理面或破碎带冲击和掏蚀河床形成深穴,广西壮族自治区百色市田东县那拔镇棋盘滩之奇就奇在它排列有序的棋盘上。棋盘长约210米，宽150米，摆在四面为土山所环的河床中。每一块石块的四周都是由深、宽都在30公分，纵横交错，那石子摆成了一个个棋子，一块块整整齐齐的昂首在河面上，河水在石块间隙潺潺流动，当人在石块上走动时，就仿佛是一个在棋盘上移动的棋子。因此，当地人称之为“棋盘滩”。,四、河床平面形态(channelpattern),河流弯曲度（曲折率）：河道沿程长度与直线距离的比值河床纵比降：=,根据河流弯曲度，河床平面形态划分：平直(straight)：顺直微弯，弯曲度1.01.2。弯曲(meandering)：弯曲度1.25.0，弯曲的河床称曲流(meanders)分汊(braided)：分汊的河床称辫流(braidedriver)。,顺直微弯型河床：枯水期，深槽、浅滩交替出现，两侧边滩犬牙交错。洪水期，水流淹没交错分布的边滩，河流顺直奔流，并推动交错的边滩缓慢向下游移动。多分布在狭窄顺直或两岸抗蚀性强的河谷，滩地高而植被好，河床平面摆动受限制。,TheEaalintheNetherlands,弯曲的河床称曲流(meanders)平原区形成自由曲流(freemeanders)山区则形成深切曲流（incisedmeanders),曲流形成后，不断侧蚀，同时还不断向下游迁移，在其迂回范围内，形成曲流带。当河床弯曲愈来愈大时，这条河流的上下河段愈来愈接近，形成狭窄的曲流颈。洪水时，曲流颈可能被冲开，河道取直称为截弯取直(neckcutoff)。截弯取直后，弯曲河道被废弃，形成牛轭湖(oxbowlake)。,荆江河曲,深切曲流被截弯取直后，被废弃的曲流所环绕的孤立小丘，称为离堆山(meandercore,cutoffspur)。如果地壳继续抬升，取直后的河床则继续加深，使被废弃的曲流位置相对抬高，形成高位废弃曲流。,2辫流(braidedstreams):有些河流的河床分成许多汊，宽窄相间，形似发辫，称为辫流。,独立寒秋，湘江北去，橘子洲头，看万山红遍，层林尽染”,第三节河漫滩,河流洪水期淹没河床以外的谷底部分，称为河漫滩（floodplain)。宽度比河床大几倍至几十倍。平原河流河漫滩发育，较宽广，常在河床两侧分布，或只分布在河流的凸岸。山地河谷比较狭窄，洪水期水位高度较大，河漫滩的宽度较小，相对高度却比平原河流的河漫滩要高。,河漫滩的形成过程,由于横向环流作用，河床一岸侵蚀，谷坡不断后退，原先的“V”形河谷则逐渐展宽，被侵蚀的物质有一部分堆积在河床底部，另一部分较细小的颗粒被环流带到另一岸堆积，形成河床浅滩,河漫滩的形成过程,枯水期有一部分河床浅滩露出水面，河床弯曲明显。由于河床不断向凹岸方向移动，凸岸的河床浅滩不断展宽，以至枯水期有大片露出水面，形成雏形河漫滩,河漫滩的形成过程,河谷再继续展宽，洪水期水流淹没雏形河漫滩而开始堆积，这时雏形河漫滩上水较浅，并且水流很慢，流水沿河床底部挟带的粗粒碎屑物质，不可能被带到雏形河漫滩上，只能将细沙或粘土物质搬运到这里堆积，因而在较粗粒雏形河漫滩沉积物之上覆盖了一层薄薄的细粒物质，这时雏形河漫滩就转化为河漫滩。,河漫滩的形成过程,随着河床弯曲度的增大，同一河床上的上下河段就愈接近，形成狭窄的曲流颈，在水流长期作用下，曲流颈的部位形成很多细小的沟，当遇到较大洪水时，曲流颈就可能被水流冲开，河道截弯取直。取直后的新河道比降大，水流流速快，河道受强烈侵蚀。弯曲的老河道则与此相反，比降小，流速小，发生大量堆积，直至完全断流，新河道就发展成为通过全河水量的单独河床，被淤的老河床在洪水期还可能有流水通过枯水期形成湖泊，称为牛轭湖。,由此可见，河漫滩形成需具有河床侧方移动及洪枯水位变化两个条件。河漫滩具有二元结构：洪水期河漫滩上水流流速较小，环流从河床中带到河漫滩上的物质，主要是细砂和粘土，称为河漫滩相冲积物；下层是由河床侧方移动沉积的粗砂和砾石，称为河床相冲积物。这样就组成了河漫滩的二元沉积结构。,河漫滩上的地貌,1滨河床沙坝(pointbar)它分布在河床凸岸边缘，沙坝两坡不对称，朝向河床的一坡是缓坡，向岸的一坡是陡坡，高度可达数米。,Cobble-sandriverchannelcommunityonapointbarintheBakerRiver(photobyBenKimball,Cobble-sandriverchannelcommunityonapointbaralongtheSacoRiverinConway,NH,neartheborderwithMaine(photobyBenKimballfortheNHNaturalHeritageBureau),滨河床沙坝的形成过程是由于洪水期河流横向环流作用加强，从河床流向河漫滩的水流可带动大量砂粒，当水流从河床流向河漫滩时，水流流速急剧降低，砂粒便在河床与河漫滩交界处堆积。洪水退后，这些堆积物便形成一条沿河床凸岸分布的长垅，这就是滨河床沙坝。如果河床向凸岸移动速度较慢，并有多次洪水淹没，滨河床沙坝可增高。形成天然堤（naturallevee),天然堤不断提高，河床