高原上的舞者—弯曲型河流的行成
2019/4/25 20:00:00朱乐奎 中国科学院北京分院

     夏秋之交，我们驾车沿着高原的高速公路飞驰，映入眼帘的是一片金黄和碧绿交织的草甸。在阳光的照射下，闪烁着炫彩的光芒；在云朵的遮盖下，又蕴藏着盎然生机，宛若一副至美画卷。放眼望去，广淼旷野的草甸和昆仑山的支脉阿尼玛卿雪山在远方交接。这一刻，我们欣赏大自然美的贪婪本性充分释放，恨不得将这一切尽收眼底!

     而在这幅充满美景的画卷上，一种美丽形态的河流在这里静静流淌着，它形如蛇走，态多妩媚，延绵不断，注入画的尽头。它，就是我们今天要讲述的主角：高原上的舞者—弯曲型河流。

    

    图1 发育在高原草甸上的弯曲型河流(李欧, 拍于2017年)

     弯曲性河流是河流形态中较为普遍的一种，此外还有辫状河、顺直型河流等(钱宁，1985)。但辫状河的“宽、浅、乱”及顺直河道的“中规中矩”与弯曲型河流相比，缺少了唯美与诗意。

    

     图2 辫状河(左)和顺直河道(右)

     带着好奇与思考，我们不禁要问，如此美丽的弯曲型河流是如何形成的呢？

     在了解弯曲型河流的形成过程之前，我们有必要知道河流的形成过程。就如同鲁迅先生所说：“世上本没有路，人走的多了就成了路”，河流也是一样的道理，地球上的河流形成是水流“走”成的路，所谓是“水过之道”，即河流。

    

     图3 水流带走泥沙形成河道

     水流具有挟带泥沙的特性，并且挟沙的能力跟水流速度相关，即水流速度的大小不同，挟带泥沙量也不同：水流速度快的时候，挟带泥沙量大；水流速度小的时候，挟带泥沙量小。我们也可以这样理解，水流速度增大的时候，水流开始挟带更多的泥沙，这时候就出现了冲刷；水流速度减小的时候，水流开始“扔下”多余的泥沙，这时候就出现了淤积。河流的形成就是这两个过程，冲刷和淤积。

     试想这样一幅画面，在一片没有河流流经的广袤平原上，水流在经过地面时，它会挟带着土地上的土壤和泥沙，随着时间的推移，原来平整的土地也被水流“走”出了痕迹，水流留下的痕迹越来越宽、越来越深，河道就越来越明显(图2)。而受水流的冲刷和淤积作用影响，又会形成不同类型的河流。

     自然界不是均质的，山地、丘陵等有着较大起伏的地形结构，河流就会沿着构造结构发育。这个时候，影响着河流发育的最大因素就是地形结构，此时形成的河流形态和峡谷走向、坡度等高度相关。如果河谷走向是呈弯曲的，这时就形成了弯曲的峡谷河流；河谷走向顺直，就形成了交错边岸的顺直河道(图4)。

    

    

     图4 峡谷河流(来自网络)

     而发育在高原草甸或者平原地带的河流，地形起伏不大，这个时候河流的边岸结构(简单来讲就是河岸植被)对河流发育起到重要作用。下面我们通过实验的方式来给大家讲述一下河岸植被覆盖是如何影响河流发育的。

    

     图5 无植被边岸的河型变化—辫状河(李向阳, 2018)

     首先我们在水力水槽上铺上均匀的沙子，挖出一条笔直的河道(具有一定的坡度让水流自流)(图5 a)，河道两旁无植被覆盖。随着时间推移，受水流的淤积作用影响，河道越来越宽，笔直的河型慢慢向辫状河型转化。首先，河道越来越宽使得水面加宽，水深变浅，水流速度越来越慢，导致上游泥沙在下游淤积，上游冲刷减慢。产生河道内的沙岛现象(图5 d所示)。正是因为河道两岸都是纯沙质的结构，对水流阻挡作用不大，或者说抗冲刷性较差，水流存在的情况下，河流会持续变宽，产生辫状河流，因此无植被覆盖的河道不会形成弯曲型河流。我国大部分冲积河流都呈现出辫状河的特点，尤其在黄河下游，辫状河广泛发育，一般河段边岸植被较少，遍地黄沙!

     为了进一步证明河岸植被的作用，我们在原来河岸两边分别种植稀疏型草本(图6a)和密集型草本(图6b)，观察河流发育情况。

    

     图6 顺直河型与弯曲型河流

     通过图6a可以看出，稀疏草本大大改变了原来河流形态，由本来“宽、浅、乱”的辫状河道发育成了基本顺直的单汊河道，且形态相对稳定，水流被限制在河道中，不产生其他的支流，即便增加实验时长，仍不会形成弯曲型河流。而密集型草木的种植，在较长实验后，产生了弯曲型河流(图6b)。

     通过实验我们发现，边岸植被对河流形状有重要影响。那我们不禁又要发问，植被为什么会使河流变得如此弯曲？带着这个疑问，我们重新回到美丽的高原草甸去寻找答案。

    

     图7 弯曲型河流的两岸

     如图7是弯曲型河流的一个弯头，我们可以明显看出，凸岸和凹岸植被覆盖情况有着天壤之别。凸岸很少有植被生长，而凹岸则植物茂密、根系发达，这正是由于两岸水流速度差异导致的。

     首先，按照上面我们说到水的流速大则挟带泥沙量大，弯道凹岸处处于水流弯曲的远端(图8)，进入弯道的流速增加，出现冲刷，产生凹岸后退的现象；同时，弯道凸岸处处于水流弯曲的近端，进入弯道的流速减小，出现淤积，产生凸岸前进的现象。另外，由于河流从一个弯道的凸岸进入另一个弯道的凹岸的时候，会产生一种叫做螺旋流的二次流，导致凹岸的泥沙横向输送到凸岸，也会产生凸岸泥沙淤积，但这种作用较弱，只能提供10%的泥沙淤积量。

     对于弯曲型河流的弯道而言，凸岸和凹岸就如同以为一位绅士的男士和一位美丽的女士在高原上跳的一曲“华尔兹”。男士的脚步永远引领着女士，而女士的脚也不会“踩”到男士!

    

     图8 弯道流速示意图

     说到这里，我们知道了河流边岸的凸岸前进，凹岸后退的移动问题。而且由于弯道顶点的冲刷较其他位置更大，所以图9中原始河道就变“高”了，从高空俯瞰，河道变得更弯了。

    

     图9 弯道横向发育

     说到这里，我们基本弄清了弯曲河流形成的原因，但是我们依然存在一个疑问：随着凹岸的后退和凸岸的前进，河流的弯曲有没有尽头呢？答案是肯定得!

    

     图10 弯道的尽头—裁弯

     图10中红色箭头代表两个弯道发展的方向，右图是弯道发展的结果。两个弯道“碰头”后，边岸被两个方向的水流同时冲刷，终有被水流击穿的那一天。自此，水流主要从裁弯的“近道”通过，而原来河曲变成了废弃的“牛轭湖”。河流从弯曲到裁弯的过程在野外要经历短则几年长则几十年的时间。这是因为弯曲河流拉长了水流流路距离，流速变得较低了，因此冲刷能力很弱了，这也是为什么弯曲型河流相对稳定的重要原因。

     其实，导致和影响弯曲型河流形成的因素很多，比如河岸有更为坚固的泥质结构、上游来水的稳定性，以及合适的河谷坡度等等。总之，河流弯曲是自然规律，说到根本就是边岸和水流的一个相互制衡的过程，边岸通过形态特征和岸壁的稳定性来抗衡、制约水流能量，水流则通过沿程流淌、挟带泥沙和冲刷边岸来消耗自身能量，当两者相互均衡的情况下，河流就变得稳定了。

     从物理实验和野外考察中我们可以发现，植被的类型和生长情况对于整个弯曲型河流的发育和形成以及维持起着重要的作用。可是近几十年来，在气候变化和人类活动的综合影响下，有些河流系统的植被因为上游来水的减少，有些是因为人类对河岸植被的破坏导致很多河流无法维持较大的曲率，甚至变成了辫状河，这对我们的生态环境已经滨河经济有着严重的影响。保护滨河植被就是保护河流生态系统，这也高度体现着习总书记关于建设社会主义生态文明思想中蕴含的深刻科学机理。

     看完了这篇文章，你觉得还有那些因素能够形成弯曲型河流？另外，关于建设身边生态环境和弯曲型河流有什么想法？

     作者：朱乐奎博士

     (中国科学院地理科学与资源研究所)

     参考文献：

     [1]钱宁. 关于河流分类及成因问题的讨论[J]. 地理学报, 1985(1):1-10.

     [2]李向阳, 朱乐奎，陈东等. 藕节辫状河发育和演变过程的试验研究[J].水科学进展,2018，29(6):121-129.

    

    

    

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