一条河流是怎么产生的
河流,严格来讲,并不能按一条条来算。河流是一个汇水系统,在形成一个河流系统时,会伴随着一个区域地形地貌的变化。比如长江流域(如下图),并不只是孤立的长江干流,而是通过其支流岷江、赤水、沱江、嘉陵江,乌江、汉江、雅砻江、湘江、沅江、赣江等汇聚整个区域的地表流水,并同时搬运碎屑沉积物至入海口。
图片来源:By Cncs - drawn by Cncs·Cncs绘制, CC BY-SA 3.0, File:Map of the Yangtze River.gif
但素......
以上这些都是笔者的题外话,下面所有的内容其实都是在说干流(也就是径流量最大的分支)的演化过程,跟流域其实没啥太大关系。
从现在开始,笔者要装正经了,戴上眼镜~
在河流出现之前,地形是什么样的?
答:什么都有。
会有各种各样的地形,包括地质构造运动隆起的山脉,岩浆喷发形成的锥状火山,以及之前河流形成的平原,或者抬升的沉积盆地(大型湖泊,陆缘海)等。这些会影响初始的斜面坡流及冲沟的样式,但是河流演化的基本趋势并没有什么不同。(冲沟,溪流的样式见下图)
图片来源:Connecticut Geological Pictionary
为了便于简单理解,我们就只从平原地形来讲述演化过程。因为其他地形,都可以近似地视为河流演化过程中的某一阶段。如下图
图片来源:https://www.geocaching.com/geocache/GC2EBMM_bridgewater-town-river-meander
上图中,由上至下分别显示了河流的上游,中游和下游。河流在演化过程中,本质上就是一个由上游慢慢变成下游的过程。也就是说,只要时间足够,地质构造稳定,水量补给充分,那么所有的上游都会变成下游。(之前说美国中部大平原是河流夷平可能有误,正在查阅资料中)
在这三个部分(或者叫做演化阶段)中,河流的主要剥蚀的方式并不相同,所以显示出来的形貌特点也不同。河流在演化的过程中改变地形最主要的三种作用方式分别为,下蚀作用(向下侵蚀),溯源侵蚀作用(向源头侵蚀)和侧蚀作用(向侧面侵蚀)。
上游主要为下蚀作用和溯源侵蚀作用,中游主要为下蚀作用和侧蚀作用,而下游主要为侧蚀作用。那又是什么决定了河流以何种侵蚀作用来继续演化呢?很简单,坡度。这里答主决定整一个比较专业的名词,纵坡降(或者纵比降)。河水在向下游流动时,河床纵坡降的大小决定了侵蚀作用的主要方式。典型的河流纵剖面如下图(请忽略图中英文,听我细说):
图片来源:USGS SIR 2007-5209
上图为美国威斯康辛州的halfway creek河床纵剖面,纵轴为河床的海拔,横轴为离河口的距离。显然,越靠近河流的源头,河床的纵坡降就越大。发育成熟的河流,最终流入湖或者海的时候,其坡度已经相当的小了。此处说湖或者海,是因为它们都可以决定河流的侵蚀基准面,从而影响纵剖面的形态,比如下图:
图片来源:⚡Presentation "Classroom presentations to accompany Understanding Earth, 3rd edition prepared by Peter Copeland and William Dupré University of Houston Chapter 13 Streams:"
上图中河流被中间的湖泊分为两段,每一段的纵剖面都是一个弧形。而如果没有中间的湖泊,整个纵剖面应该在红色虚线的位置。假想一下在一条类似于红色剖面线的河流上拦腰建一个水电站,会怎么样?上游河道的侵蚀基准面改变,河流会由红色虚线向两段式演化,原有的平衡遭到破坏。这就是为什么修建水电站的影响远远超出蓄水库区,而影响整个上下游的原因。
是不是觉得有点意思了呢?
纵剖面看完,还有更重要的横截面。答主学高中地理的时候,地理老师可是只字没提河流横截面形态,以至于答主对于河床和河谷一直傻傻分不清楚。。。。感谢地质大学老师们的悉心指导,俺终于知道了什么是河床和河谷。
来,看图
图片来源: http://202.106.125.14:1168/indexengine/entry_browse.cbs?valueid=%BA%D3%B9%C8&dataname=dbk2%40D%3A%5Cdabaike%5Cdbkdms%5Cdata%5Cbook2%5Cdbk2.tbf&indexvalue=%C0%CF%C4%EA%C6%DA
典型的河谷要素包括:谷底和谷坡。
谷底包括河床和河漫滩。河床是长期有河水流过的渠道。河漫滩(flood plain,也叫做泛滥平原或者洪泛平原)是发洪水时会被淹没的部分。河漫滩并不等同于除了河床以外的谷底,它只代表由河水(以及洪水)沉积成因的部分。后面还会细讲。谷坡是河谷两侧倾斜的部分,经常发育台阶状的河流阶地。从空中俯瞰时,如下图,会发现河漫滩是在河床两侧断续分布,并且,不一定连续发育。
图片来源:Chapter 3: Physical Properties of Rivers
以上我都是在讲河流的形态,并没有讲河流的演化,是不是觉得我跑题了?
慢着,我可是负责任的。既然要讲河流演化,就难免要涉及很多形态描述上的词汇。我固然也可以堆砌一堆专业词汇,让大家看得一头雾水。但是那不是我的风格,我不希望有人因为我没有讲明白而看不懂。
回到正题,那么,河流是怎么起源的呢???
见下图:
图片来源:http://www.skotcher.com/ocean_landscape_waterfall_coast_cliff-wallpaper-28816.html
最简单的初始状态,就是一块高于海平面(侵蚀基准面)的大平地,汇集了区域内的小溪水,然后流到了海里。因为溪水的海拔高于海平面,所以入海口很可能是一个瀑布。然后,这个瀑布会怎么发展呢?见下图:
图片来源:https://www.geocaching.com/geocache/GC2EFCE_kjosfossen-waterfall
这个瀑布会侵蚀缺口处的岩石,并向上游的方向后退,这就叫做溯源侵蚀。这样,河床的深度虽然不一定变深,但是河谷的深度肯定会变深。
对于大平地上的小溪来说,时间越长,溪水(或者洪水)带走的砂石越多,河床就会越深。这就是下蚀作用。最初的河谷会因为水流的迅速下切而呈V字型,比如黄河上游某段的河谷:
图片来源:http://210.34.136.253:8488/Geoscience/Chapter04.htm
随着时间的推移,初始的小溪会慢慢的加深,加宽,并加长。也就是下蚀,侧蚀和溯源侵蚀同时发生。如下图:
图片来源:河流地形_互动百科
同时也不断地扩大其分水岭的范围,也就是其流域的范围(想象一片叶子慢慢长大的过程)。如图:
图片来源:流域分水岭地理教学用图
甚至袭夺其他的河流:
图片来源:http://lovegeo.blogspot.hk/2015/10/l10.html
好,然后我们的小溪就慢慢地发展壮长大了,成为有模有样的河流了。
图片来源:⚡Presentation "Aquatic Biodiversity Chapter 8. Core Case Study: Why Should We Care about Coral Reefs? (1) Biodiversity Formation Important ecological and economic services."
粗粗翻译一下(右下角的stepped art,不知道跟图作者有何关系,所以并没有翻译):
在前面一大堆铺垫的基础上,看明白这个图就很容易了。
1. 由上游至下游,河床坡度(专业名词叫纵坡降)越来越小,水流速度也越来越小,但是因为汇集了更多的地表流水,水流量反而变大了。
2. 由上游至下游,河谷形态由V字型慢慢变成谷底宽阔的箱型,河床也渐渐变浅变宽。如下图:
图片来源: ⚡Presentation "The Middle and Lower Course of a River Starter: 1.Draw a simple diagram of the river cross section at the following areas: Upper course Middle course 2.Now."
图中英文:
上游:谷坡陡峭,河床狭窄。中游:谷底开始发育,河床渐宽。下游:宽阔的河漫滩,深而宽的河床,两侧发育天然堤。
现实中的河流千姿百态,受降水,植被,地质构造和岩性等等因素综合影响,讲起来就太复杂了(主要是答主自己也不懂,不能装这个B)。删繁就简,我们讲讲最简单的模式就好了哈~
具体到一条河流的上游来说。
1.其源头有可能是这样的,来自冰川融水:
图片来源:Baranof River
2.也可能是这样,来自一汪泉水:
图片来源:River source
3.也可能是这样,啥也没有(估计是雨水)
图片来源:http://www.amusingplanet.com/2015/04/the-humble-sources-of-10-major-rivers.html
这是尼罗河的源头之一(有争议)。(要我说,这里就一小汪死水啊...)
当河流经过初始的迅猛增长,就进入了成年期,最开始时的海边小瀑布就慢慢变成了中下游。典型的中下游是这个样子的:
图片来源:Mountain River Valley >> HD Wallpaper, get it now!
还有这个样子的:
图片来源:Investment in Bridge River Valley
再下游一点是这个样子的,两边的谷坡还很近,河谷并没有特别宽阔:
图片来源:RadnorImages
看完上面的河谷地貌,问题来了,河流是怎么蜿蜒而行,拓宽河谷的呢?
很简单:侧蚀作用。侧蚀作用的同时,河床发育河曲(meander)并在河谷中来回摆动,使河谷变得更为宽阔。
当河床坡度(纵坡降)逐渐减小的时候,河水流速减缓,河床上沉积的砂石慢慢增多,下蚀作用变弱。河道受地形影响或者生物活动会形成初始的轻微弯曲。水流在经过这种弯曲的时候,会形成螺旋状的环流,如下图所示(这张经典的图我在为什么河流都是弯弯曲曲的? - Close Tony 的回答中也使用了):
图片来源:网络,具体来源未知。
看右侧的河床平面图,河水受两岸摩擦力影响,正中的水流流速最快。当河流具有初始弧度时,最强的水动力会冲击正前方的河岸,并在凹岸形成局部高压,水会被向下挤压,形成左边截面图A所示的螺旋状环流。这种环流会逐渐剥蚀凹岸,而把剥蚀的沙石搬运到凸岸堆积起来。这种环流被称作横向环流。
注意,截面A的环流是顺时针,而截面C的环流是逆时针。它们两者剥蚀的河岸也不同,一个是左岸,一个是右岸。横向环流的形成与地转偏向力没有关系。另外,地转偏向力是对所有水分子同时作用,并不会对河床的弯曲造成很大影响。其影响仅对水流有扰动作用,主要体现在河流入海口三角洲的形态上。
如果在上图中还没有看明白横向环流,可以接着看下面这张(不知到注释是哪国文字)
图片来源:http://fadi11fdf.blogspot.hk/
当河曲抵住河谷两侧的时候,就会剥蚀谷坡,使河谷变宽。这时候河岸边的建筑和田地都会比较危险:
图片来源:⚡"AKARSU TOPOÄžRAFYASI Mehmet Korhan Erturaç Güz-2015." sunumu
河曲不单单会变得更弯,还会向下游移动(这张图也是之前用过的):
图片来源:⚡Presentation "3. River Profiles and Processes WALT To understand the 3 main courses of a river and their characteristics. Understand the main processes which happen."
因为河水冲击的不是凹岸正中间的位置,而是偏下游处,所以,河曲会慢慢地向下游挪动。图中虚线就是未来河曲将要移动的位置。
其实涅,河曲在平原上可以随意摆动,其任性程度简直令人发指:
图片来源:www.neatorama.com
这就是密西西比河的河床睡过的床单。。。。
我就不说啥了。。。
推荐美国MinuteEarth 小组做的科普视频,人家两分半钟顶我半小时(已从youtube搬运至优酷):Why Do Rivers Curve?
经云舞女神 @云舞空城 指正,河流下游的平原并不一定是由河流剥蚀形成的,也有可能是河流沉积物充填形成的。比如黄河下游的华北平原,作为古近纪-新近纪断陷盆地,广泛发育大湖。末期沉降速率减缓,被各个河流携带的沉积物以及湖泊沉积物所填满,发生三角洲-准平原化,逐渐成为现今的样子。在地质上华北平原也称为华北盆地。
采编自 知乎 Close Tony 返回搜狐,查看更多
责任编辑: