流水动能的大小,直接决定于流速和流量,可以用下列简单的物理公式表示:E=MV2/2式中:E是水流的动能,M为流量,V为流速。式中表明流水动能的大小与流量的一次方和流速的二次方成正比。
在同一河段上,流量愈大的时候,流水动能愈大;在不同的河段上,流速愈快的地方,流水的动能愈大。流速取决于坡降,坡度愈大的地方,流速愈快,动能亦愈大。
流水的动能主要消耗于克服与床面、水分子之间的摩擦,以及搬运流水所挟带的泥沙。如果流水的动能克服摩擦、搬运泥沙而有余力,则产生流水的侵蚀作用;如果流水的动能只能消耗于克服摩擦,并保持前进而无余力搬运泥沙时,则产生流水的沉积作用。因此,流水运动过程中进行着侵蚀、搬运和沉积作用,这些统称为流水作用。 2、流态
水流流态有两种,即层流和紊流。
层流是水的质点彼此互相平行流动,互不干扰和混掺,成为有规则的分层流动。紊流是水质点的不规则运动,当水流流速或水深增加时,层流就失去稳定性而产生漩涡运动,它使水质点互相混杂以及不同水层间的质点不断交换,使运动方向也经常变化。 二、流水的侵蚀作用
流水破坏地表和攫取地表物质的作用,叫流水的侵蚀作用。流水能直接攫取松散泥沙颗粒的主要原因,是流水作用于泥沙时,产生的推移力(拖曳力)和上举力,如果这些力的强度大于泥沙本身的重力(阻力),就会使泥沙起动脱离地表发生位移,便产生侵蚀。 流水的侵蚀作用,按其作用方式可分为机械的冲刷作用和化学的溶蚀作用。流水侵蚀作用按地表水的运动形式,可分为: (1)、坡面侵蚀(片蚀):是片流在流动过程中比较均匀地冲刷整个坡面松散物质,使坡面降低,斜坡后退。因此,坡面侵蚀也称作片状侵蚀。由于片流是暂时性的,所以片状侵蚀也是暂时性的,但它分布非常广泛。
(2)、槽床侵蚀:水流汇集于线状延伸的沟槽或河槽中流动而进行的侵蚀作用,又称线状侵蚀。它包括沟谷流水侵蚀(暂时性的)和河谷流水侵蚀(经常性的)
槽床侵蚀(gullyerosion)按侵蚀的方向,可分为三种: (1)、垂直侵蚀(下切、下蚀)
它是水流垂直地面向下的侵蚀,其结果是加深沟床或河床。 (2)、溯源侵蚀(向源侵蚀)
侵蚀方向是不断向源头(即上游方向)进行。侵蚀结果是使沟谷或河谷长度增加。在溯源侵蚀过程中,常常以裂点(瀑布)后退的方式表现出来。我国黄河的龙门瀑布,落差为17米,在流水的侵蚀作用下,瀑布(fall)每年后退约5厘米,目前已退到了壶口。
溯源侵蚀有两种方式: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。 溯源侵蚀不仅出现在河流的的上游,有时也发生在老河谷的中下游,例如当地壳上升而侵蚀基准面下降时,河流纵剖面的坡度就会增加,从而引起河流的下切重新加强,它由坡度变大的地点开始,重新发生溯源侵蚀。世界上许多大河中的裂点(瀑布),如贵州黄果树瀑布、美国尼亚加拉瀑布等,都是再溯源侵蚀过程中的产物。 (3)、侧向侵蚀
指流水对沟谷和河谷两岸进行冲刷的作用。任何一条自然河流,由于地表形态的起伏和岩性差异,河床的发育总是有弯曲的。弯曲处,流水由于惯性离心力的作用,向圆周运动的弧外方向偏离(即偏向弯道的凹岸),促使水流冲击侵蚀凹岸。即使比较平直的河道,水流在地球自转偏向力(即科里奥利力)的影响下,也可发生侧向侵蚀,北半球河流偏向右岸侵蚀,南半
球河流向左岸侵蚀。侧向侵蚀的结果使谷坡后退,沟谷或河谷展宽。 三、流水的搬运作用
水流在其运动过程中可以把地表风化物质和侵蚀下来的物质带走,这种挟带可以是某些物质被溶解在水中而带走,而大量的却是以机械的方式被流水挟带走。这种在水流作用下搬运地表物质的过程,称作为流水的搬运作用。 搬运的方式有:推移、悬移和化学溶解搬运 1、推移
通常是粒径粗的泥沙,在粒度上相当于沙一级或砾石级。它们在流水的迎面压力及上升力的作用下,沿河床底部滑动、滚动或跳跃。有的把跳跃式运动的,谓之跃移。推移质(包括跃移质)的运动速度比其所在河流中的流水速度要缓慢。 2、悬移
指较细小的泥沙,通常是细粉砂及粘土,当河流中紊流的上升流速大于它的沉速时,可以上升到距底床较高的位置而随水流以相同的速度向下游搬运。 3、溶移
溶解搬运是可溶性物质被水溶解,在河流中呈均匀的溶液状态被搬运带走。它是一种重要搬运作用,但对河流的地貌特点没有显著的直接影响。溶解搬运的物质在河谷中沉积的数量是极其微少的,几乎全部被河水带到海洋中沉淀。
四、流水的堆积作用 流水挟带的泥沙,在条件改变时,如坡度减少、流速减缓、水量减少和泥沙量增多等情况下,都会引起搬运能力减弱,遂发生泥沙的沉降堆积,称为流水的堆积作用。 当泥沙的来量大于水流的挟沙力时,多余的泥沙就要沉积下来。图中表明泥沙发生沉积的条件。泥沙沉积是在摩阻流速小于沉速时才会发生。
图中侵蚀速度是指使床面上松散的一定大小的泥沙颗粒进入运动的最低速度,即起动流速。侵蚀流速曲线实际上是一条宽的带。下沉速度曲线代表给定大小的泥沙颗粒脱离悬浮发生沉积的速度
根据两条曲线的相对位置,可以分出三个不同的区域。
在侵蚀流速线(带)以上为侵蚀区,那里流水可以带走各种粒径的泥沙(包括上游来沙); 在下沉速度线右方范围,那里水流速度既不足带走床面泥沙,又不足以支持上游来沙使之继续在水中悬移,因此来沙迅速沉积,成为沉积区;
在下沉速度和侵蚀速度带之间范围,是个搬运区,流速不能侵蚀河底泥沙,但上游来沙却不致沉积下来,故成为过境泥沙搬运带。
从图中还可以看出,直径0.06-2.0毫米的相当于沙一级的泥沙颗粒最易受侵蚀,它的起动速度最小,当流速为12~15厘米/秒时即可带走;小于0.01毫米粒径泥沙(粉沙、粘土)是呈悬移状态,不易沉积的物质。
流水的侵蚀、搬运和堆积作用总是同时进行的,是一个统一的过程。只是在不同地点、不同时间和不同条件下,它们的作用性质和强度不同而已。所以,不能把侵蚀、搬运和堆积作用孤立起来,进行机械的划分。
第二节暂时性流水地貌
暂时性流水包括片流和沟谷流水(暴流) 一、暂时性流水作用 (一)、片流作用
大气降雨或冰雪融化后,在倾斜地面上,所形成的薄层的面状流水称片流。片流在大多数情况下是由无数细小的股流组成,它们无固定流路,时分时合,沿坡面呈网状流动,故又称散流。
片流是暂时性水流。在它的流动过程中有一定的能量,所以同样产生侵蚀能力。片蚀作用发生在广阔的地区,故侵蚀总量是很大的,尤其在由松散细粒沉积构成的斜坡上,常常造成严重的水土流失,如我国北方的黄土地区和南方的红土地区,这一点常常不被人们所注意。同时,它对地貌特别是微地貌的生成也起着巨大作用。 1、影响片蚀作用的因素
素主要有气候、地形、岩性、植被以及人为的影响。 (1)、降雨量与降雨强度片流的侵蚀强度主要决定于降雨量和降雨强度,其中尤以降雨强度为重要。单位时间内降雨量愈大,片流流量愈在,对斜坡冲刷破坏愈强烈。 (2)、地形
一般来说,坡度增大使水流速度加快,冲刷加强。但实际研究,当斜坡坡度为40°~50°时,冲刷作用最强,超过这一坡度,由于受水面积变小而影响流量,反使冲刷作用减弱。坡长和坡形对片流侵蚀作用也有影响。坡长一般与冲刷作用成正比关系,而坡地的形态则支配着坡地水流的集散 (3)、岩性坡面组成物质的性质和结构不同,抗蚀能力也不一样。
由弱岩组成的山坡,岩层容易风化与侵蚀。粗碎屑构成的风化壳比细碎屑风化壳抗蚀力强。结构疏松但具有团粒结构风化壳和土层,粘结能力好,透水性强,从而减少了地表径流和冲刷。结构疏松且由细颗粒组成的风化壳或土层,抗蚀力很差而易被侵蚀,如黄土层。 (4)、植被
①、树木的树冠、草类和凋落物可拦截雨滴对坡面的直接打击。
②、凋落物层既能储存水分,增加地表水的下透率,又能阻滞地表径流,减少泥沙流失。 ③、植物的根茎能固结土层,拦阻径流,使土层得到保护。 (5)、人为影响
①、管理失误,植被破坏,生态环境的严重失调。 ②、人口增长,大量毁林开荒,植被受到毁灭性破坏。 ③、落后的耕作方式。
④、在开发矿山、修筑道路、刨土取石和进行工程建筑时,乱挖滥炸和废石沙土乱弃,造成现代突发性的人为破坏。 (一)、片流作用 片流作用分带 (1)、弱冲刷带。位于分水岭地段,地形和缓,集水量较小,片流冲刷能力很弱。 (2)、冲刷带。位于坡面中部,坡度较陡,片流水量因沿程补给(雨水)而增大,冲刷强烈。 (3)、淤积带。位于坡麓,由于坡度转缓和流速降低而发生淤积。 (二)、暴流作用
暴流又称为沟谷水流,它是暂时性的线状流水,有固定的流路,但它与另一种线状流水即河流又有很大不同。它的水文特点是:
①流量变化大,暴涨暴落,有时完全干涸; ②水流湍急;
③含沙量多,颗粒大小混杂,分选性和磨圆度均差。因此,暂时性的暴流也叫洪流。
暴流大多由坡地片流汇集而成。因为坡地上地表不是平整的,因而存在局部低平的凹地。在凹地中,它的两侧和上游片流水质点向中间最低处汇集,形成流心线,在此水层增厚,流速加大,冲刷能力增强的情况下,逐渐把凹地冲刷加深形成了沟谷和沟谷流水。
暂时性流水侵蚀地貌有侵蚀沟,堆积地貌以坡积裙、洪积扇等。 1、侵蚀沟
按沟谷的大小和发育形态,可分为四种主要类型:即细沟、切沟、冲沟、坳沟(干谷)。 2、坡积裙
片流沿斜坡下部和坡麓地带堆积的松散沉积物称坡积物。坡积物围绕坡麓披盖,形似衣裾。坡积裾的剖面形态呈微凹的缓倾斜曲线,裾上部坡度一般为5°~6°,下部更缓。厚度由上向下逐渐加厚,一般由2~3米不等。
岩性成分决定于坡地上部的母岩成分。机械组成为沙、亚沙土、亚粘土和中小砾石。由于搬运距离不远,碎屑物的磨圆度很差,分选也不好,略具层理,倾向下游,反映了片流间歇性堆积的特点。 3、洪积扇
沟谷出口处堆积了由暴流侵蚀的物质,平面形状如扇形,故名。由于沟谷暴流出山后,坡度骤减,流速降低,加上暴流出山后水流分散成放射状,单宽流量减小,促使暴流搬运能力大大削弱,因而在沟口处堆积大量泥沙和砾石,形似扇状的地貌。 扇形地在山地的沟谷出口多能见到,规模大小与搬运的物质数量成正比。面积较小的扇形地只有数百平方米,表面坡度较大,中下部为5°~10°,顶部可达15°~20°,形态似半锥体,所以这
种扇形地又称冲出锥。
在干旱与半干旱地区,山区大量冰雪融水或暴雨,形成的暴流流量很大,加上干旱气候条件下山地物理风化作用强烈,地表植被稀少,暴流的输沙量大为增加;因此,出口处形成的扇形地规模很大,表面坡度较小,上部一般为6°-8°,至边缘部分只有1°-2°,形态比较扁平,称洪积扇。其面积数十平方公里至数百平方公里不等,扇顶与边缘高差可达数百米。 扇形地的组成物质分布很有规律,自扇顶到边缘可分三个岩相带: ①、扇顶相,又称内部相、粗粒相,是粗略平行的透镜状层理的巨砾、砾石层,空隙中有砂、粘土混杂充填,分选差,砾石磨圆度也不好。
②、扇形相,位于中部,是夹砾石、砂透镜体的亚砂土、亚粘土层。砾石呈倾向上游的迭瓦状构造,磨圆度较扇顶相稍好。
③、滞水相,或称边缘相,位于洪积扇的边缘部分,沉积物以亚砂土、亚粘土和粘土为主,偶夹砂及细砾石透镜体,具有近平行的斜层理。这里是地下水溢出带,形成地表滞水,在干旱区常为人口密集的绿洲所在。
洪积扇在新构造运动影响下,会发生明显的变形。形成垒叠式洪积扇、洪积阶地、串珠状洪积扇以及不对称侧叠式洪积扇等,可以了解新构造运动的性质和强度。
在山前地区几个相邻的洪积扇连接后,可能联成整片的扇形地平原,即山前(足)平原。因其有较大倾斜度,故又称山前倾斜平原。 4、泥石流
在斜坡或沟谷中的碎屑物质被水浸润后,形成饱含泥沙的固相、液相的快速流体,称为泥石流。 (1)、泥石流的地貌分区 ?侵蚀区?流通区?堆积区 (2)、泥石流形成条件
?松散碎屑物质?水源条件?陡峻的地形?人为活动 一、河谷地貌
河谷是由河流长期侵蚀而成的线状延伸的凹地,它的底部有着经常性的水流,至于其他成因如构造运动所成的谷地如果没有河流出现,都不能称为河谷。
河谷的长短不一,大的河谷长达数千公里,如亚马逊河为6516千米,尼罗河为6484千米,长江为6380千米。 1、河谷要素
河谷由谷坡和谷底两大部分组成,谷底由河床及河漫滩组成。河床是河谷中最低部分,它有经常性的水流,在它两侧为高起的河漫滩,它只是在洪水泛滥时才被淹没,故又称为洪水河床。 2、河谷
类型河谷的发育过程大致有三个阶段,并且相应地产生三种谷形 (1)、峡谷
又称“V”形河谷,在由基岩组成的山区河谷中表现最为明显。河谷横剖面呈“V”形,两壁较陡,谷底狭窄;谷底即为河床,没有河漫滩,河床纵剖面坡降很大,河床底部起伏不平,水流湍急,沿河多急流、瀑布;河谷平面形态较平直。 2、河漫滩河谷
“V”形河谷进一步发展,下切作用减弱,侧向侵蚀加强,谷底拓宽,并有河漫滩发育,就转变为箱形的河漫滩河谷。河漫滩河谷谷底的扩宽是有限度的,它的宽度大小与河流流量、河岸抗冲强度和河床纵比降三者有关。 3、成形河谷
当河漫滩河谷因侵蚀基准面下降而河流重新下切时,原河漫滩就转化为阶地,尔后河流又在新的基准面上开辟新的谷地。这种具有阶地的河谷称为成形河谷。它表明经历了较长时间的发展过程
按河谷发育的一般规律是上游多成深窄的峡谷,中下游多是宽敞的河漫滩河谷和成形河谷,下游以河漫滩河谷为主。 二、河床地貌 (一)河床纵剖面
河床纵剖面是指由河源至河口的河床底部最深点的连线。
从宏观看,纵剖面是一条上凹形的曲线,它的上游坡度大而下游坡度小。但微观看,曲线上每一段都并非平整,而是呈阶梯状高低起伏的。这是因为河流对河床的作用是在许多因素参与下进行的。影响纵剖面形态的因素主要有四个方面:地质构造和地壳运动的影响、岩性影响、地形影响以及支流的影响。 1、地质构造和地壳运动的影响
河床纵剖面的巨大起伏首先与地质构造有关,在大地构造上升区和下降区,地形高差甚大,往往造成纵剖面上大规模的阶梯,如长江由发源地至金沙江段为新构造强烈上升区,河流运行于青藏高原和丛山峻岭之中,造成深切的峡谷,河床纵剖面急陡。当流入相对下降的四川盆地后,纵比降明显减小,发育了典型的河曲。随之又横贯过著名的三峡,这又是新构造运动显著的穹窿抬升区,河床纵比降亦明显增加。流出三峡后,进入了近代下沉的江汉平原,河床蜿蜒曲折,纵比降又显著减小。 2、岩性的影响
它是影响河床纵比降的重要因素之一,坚硬的岩石抵抗流水侵蚀力大,河床不易下切,深度较浅,但容易展宽,形成以侧蚀为主的侧向侵蚀区。相反,岩性软弱的河床,下切明显,形成以垂直侵蚀为主的深向侵蚀区。不同岩性交替出现的河床,必然导致不同比降的交替出现。 3、地形的影响
河床沿程地形的宽窄,直接影响到水流对河床的冲淤变化和纵比降的大小。如在高水位期河道束窄段或河底凸起段,水面落差比河道扩张段或河床凹陷段的大。故前者在高水位期冲刷,河床加深,成为深向侵蚀区;后者河床淤积,河床展宽,成为侧向侵蚀区。若两者交替出现,