河流的物質運輸

 

岩石在自然剝蝕的作用下分解，包括水的運輸、凍融、滑坡和更微妙的重力作用。這產生的物質可以通過溶液中的水作為溶解的負載；作為懸浮的顆粒，或懸浮的移動；或沿著河床沉積、跳躍和滑動而移動的小顆粒砂石。在潮濕、溫暖的氣候中，溶解負荷通常較大，而在乾旱地區，河流的絕大多數負載是懸浮顆粒物。在世界範圍內，懸移質負荷遠遠超過溶解性負荷。推移質通常比懸移質小得多，且難以測量，需要與河床齊平的特殊存水彎或沉底管子來取樣。

由於許多原因，水利工程師對這種物質的運輸很感興趣。物質運輸對地貌的形成和許多元素的全球循環都很重要。從我們對河流的觀點來看，物質運輸強烈地影響著河道動力學。

隨著流量的變化，河流在侵蝕、運輸和沉積之間，在沖刷和淤積之間交替。分析逐漸增大的洪泛事件的頻率，在這種侵蝕沉積過程中最有效，並可能重塑河道。在河道形成和維護過程中，中頻率和量級的洪泛流量是最受到關注的，最能夠塑造河道地貌。雖然大洪水攜帶的泥砂更多，但並不經常發生，因此在給定的大洪水時間段內不能完成那麼多的工作。圖1.4示意性地描繪了河道中的水量和每個階段發生的頻率。

當洪水位上升時，侵蝕能力是最大的，稱為歷線上升階段。一旦洪水開始退去，由於流速降低，物質從懸浮物中沉澱下來，並發生沉積。根據洪水的大小和沉積物的組成，河床可能會被侵蝕到令人驚訝的深度，但在沖刷和淤積循環之後，會恢復到非常接近其先前的平衡狀態。河道通常呈彎曲狀，通常在彎道外側發生侵蝕，在對岸發生沉積。許多垂釣者在凸岸沉積形成的突出的砂壩，在溪流彎曲的凹岸的深水和底切岸上投下一條線。當然，最大的沉積發生在水流最慢的河道區域。偶爾的洪水，現在必須由水壩人工放流引起，沖刷主河道的沉積物，隨著洪水的退去，這些沉積物被重新沉積在河流邊緣較慢的部分，如礫石和砂洲，為生物創造了關鍵的棲息地，。

沿著河道涉水，我們立刻被各種各樣的條件所打動；大多數小溪的棲息地幾乎都在不斷變化。在更大的河流中，棲息地似乎以更大的包裹形式出現。然而，走在一條不自然的、均質河寬與護岸的河道上，棲息地的一致性導致生物多樣性的降低。

棲息地的多樣性是河流物理形態的結果。河道呈彎曲狀，橫剖面多變化，在淺灘(湍瀨)、深潭和其他河道類別之間交替，水流流速在水準和垂直方向上有很大的變化，並且含有各種各樣的河床基質，這些基質往往根據河道和流速在不同的位置變化。難怪生物學家將棲息地的變異性作為河流健康的一種衡量標準來評估。

河流的一個更顯著的特點是它有彎曲的趨勢，沿著彎曲的河道前進。彎曲度可以通過測量兩點之間的距離來量化，沿著最深且通常最快的河道斷面或主深槽線，主深槽線本身將隨著河流的彎曲從一個河岸移動到另一個河岸。主深槽線長度與兩點直線距離之比就是河流彎曲度(蜿蜒度)的指標。當遇到更大的阻力時，河流當然會彎曲，比如更堅硬的岩層，但是河流似乎表現出自然彎曲的趨勢。也有人提出河流自然彎曲是自行消耗水量、水流的高低位能，位能大則彎曲頻率多、曲率大。曲流只是指明顯的彎曲，它發生在所有的尺度上，從一條流過高山陡坡到一條表面平靜的緩流小溪，到河口的灣流。圖1.5顯示了不同大小河流在繪製相同比例尺時所表現出的顯著的曲率規律。

湍瀨、淺水區、急流區和深水區，幾乎是所有河流的特徵。河床曲率和河道曲率在湍瀨和深潭的交替中起作用。在相對筆直的礫石層河流中，河灘序列(湍瀨出現景觀)往往以大約5-7個河道寬度的間隔重複。曲流河道顯示出類似的規律性，儘管這裡的深潭往往與凹岸相聯繫。在非常陡峭、充滿巨石的河道中，階梯式深潭被峽谷、瀑布或跌水梯瀑隔開。在含有各種尺寸基底的河流中，通常在水潭中發現更細的基質(河床砂石)，因為水潭中流速較慢有利於懸浮物質的沉積。較粗的河床基質通常具有峽谷的特徵，在V形河谷中，更陡的坡降和更快的水流侵蝕和傳輸更細的顆粒，留下較大的鵝卵石和大塊石。以台灣溪流來觀察，二級序溪流常見到超大岩塊、直徑一公尺以上的大塊石，大雨山洪出現只能搬運走較小的岩塊；三級序溪流的河床，塊石大多已互相撞擊碎裂，磨成平滑的大卵石；四至五級序溪流常見小卵石、礫石、粗砂，而且水位面大多淹漫河床；五級序以上溪流河床大多為細砂與沉積淤泥。

河道內倒下的樹木嚴重影響河岸植的河道特徵，特別是上游陡坡河段，高大樹幹橫臥在河道上，很容易地將水流從河岸的一側轉移到另一側。倒流木阻滯水流淘刷的深潭，流速平緩，也為許多魚類提供了庇護棲息地。倒流木形成的深潭緩流也是多種魚類洄游產卵地，因為掉落的有機物可提供食物來源。深潭和階梯式水潭為底棲生物提供了寶貴的孕育環境。這些同樣的水流阻滯導致礫石沉積，並產生快速水流區域，對某些無脊椎動物來說是理想的，因此它們對棲息地複雜性的貢獻是深遠的。河流調查通常需要對深潭和湍瀨進行分類

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所有這些河道形式的複雜性導致了河道內水流的巨大變化。當然，獨木舟玩家和垂釣者都知道這一點。經驗豐富的釣魚者會知道如何拋甩他們的釣魚線，以補償不同的河段移動速度的變化。諸如倒伏樹木和巨石之類的障礙物會造成水流的差異，但即使是在平順的河道中，摩擦也會導致水流在河岸和河底附近以較低的流速流動。河床越粗糙，摩擦力就越大。結果表明，水流速度從水面到河底逐漸減小，在河床附近下降幅度最大。如果人們想測量平均流速以估算流量，例如，在不同深度進行測量並計算平均流速是很常見的。在淺流中，在40%深度處進行一次測量(從河床向表面看)通常就足夠了。在粗糙的天然河道中，接近河床水流的定量是非常困難的，因為水流是如此複雜，而且變化發生在公分尺度上，這比大多數流量計的尺度要小。

河道底質是由地質條件決定的，但通過分選和輸送水流對確定局部底質組成起著重要作用。一般來說，顆粒越大，侵蝕和運輸該顆粒所需的流速就越高。隨著流速的降低，比如洪峰過後，大顆粒會先於小顆粒沉降。如果檢查礫石河床中的基底尺寸，比較湍瀨和深潭，或穿過河流彎道凸面到凹面的橫斷面，則水流對顆粒分選的影響是明顯的。更細的粒子可以被更大的粒子“保護”。在地下水中富含碳酸鈣的河流中，單個顆粒聚集在一起，被泥灰岩沉積物(碳酸鈣沉澱)結合在一起。最細的顆粒，尤其是粘土，粘附在一起，因此即使在可能移動粗砂和細礫石的速度下，它們也能抵抗侵蝕，從而產生非常光滑和堅硬的基底(河床物質)。