第十二章 河流與河流的地質作用

12-10 河流的地質作用

河流的地質作用與河水的運動有密切的關係。而河水的運動又與下列各項有關。

1.河谷要素
河水在陸地表面低窪的溝谷中長期不停地流動。這個低窪的溝谷地帶稱河谷(valley)。河谷底部較平坦的部分稱谷底。河水平水期在谷底所占據的部分稱河床，谷底兩側直達分水嶺的斜坡稱谷坡（圖12-23）。谷坡可以是平滑的，也可以是階梯狀的。谷底、河床和谷坡是河谷橫剖面的形態要素。

圖12-23 河谷及其橫剖面形態要素。

河谷的形成是要經過下列的三種作用，此即河谷的加深，河谷的加寬與河谷的加長。

（一）河谷的加深�o河谷可經由下列的作用而加深，此即水力的作用(Hydraulic Action)，河流挾帶物質對谷底的磨蝕作用，沿著谷底或在瀑布下方進行的潭穴侵蝕作用，腐蝕作用與河床的風化作用加上後來水力作用將岩屑的搬走等等。最後的一項是指間歇性河流而言。
（二）河谷的加寬�o河谷的寬度是指河谷兩邊間的直線距離，不過這種距離有時不易決定，所以我們是以河谷的橫剖面來表示。它可以經由河流的側方侵蝕、雨水對河谷邊緣的沖刷、細谷的侵蝕(Gullying)、風化、重力下坡與支流加入等作用而加寬。
（三）河谷的加長�o河流可由小支流的向源侵蝕(Headward Erosin)、河道的蜿曲、海岸線的上升和河口三角洲的沉積等作用而加長。

所以對於一條河流來說，它的高程總是沿其向下游延伸長度的增加而逐漸降低的。我們把河流高程降低的比率稱為河流的縱比降，即是指河流的垂質落差與水平距離的百分比。河流縱比降越大，河水在河床上所獲得的重力勢越大，流速就越大。

2.流水中質點運動的方式
①環流：水質點作螺旋形的運動，在流水橫切面上的投影為環狀，是紊流中的一種水質點運動形式。環流有以下兩種類型：

單向環流。水質點的運動軌跡在流水橫斷面上的投影為單環(圖12-24)。單向環流普遍存在於自然界河流的轉彎處。當流水循彎道轉彎時，產生向凹岸的慣性離心力F=MV2。從公式中可看出，慣性離心力與質量(M)
R
，流速(V)的平方成正比，與彎道的曲率半徑(R)成反比。水質點在慣性離心力的作用下，朝彎道的凹岸偏離，水質點由彎道的凸岸流向凹岸，結果，造成凹岸處壅水，水面升高(圖12-25)。水流速度越大，水面抬升越高。在凸岸，水面相對較低，從而使凹凸岸之間產生水位差。水質點在壅水產生的超壓力作用和離心力作用下，表面水流在凹岸下沉，又以底流的形式流向凸岸，並以螺旋運動軌跡流向下游，於是出現了單向環流。據測量，單向環流的側向流速可達水流縱向流速的10-30%。在自然界的平直河段，由於科里奧利力（地球自轉所產生的一種慣性力）和地球旋轉離心力的作用，水流也會向某一河岸偏離，同樣也可形成單向環流。

單向環流是使河流凹岸遭受侵蝕，並把侵蝕下來的物質與底流一起帶到凸岸沉積的功力。

圖12-24 單向環流。
圖12-25 彎道水流在慣性離心力作用下，水面部份的水向凹岸流去，河底的水向凸岸流去。

雙向環流。水質點的運動軌跡在河流橫斷面上的投影為兩個環。它們是旋轉方向相反的兩股螺旋流(圖12-26)。雙向環流的產生完全是由於平直河段因水位漲落或過水橫斷面當面積改變而引起。由於河床泥沙，礫石對河水產生阻滯，河岸與河心流速的差異及上游水量的突變等因素，導致河水出現暫時壅塞或暫時宣洩的現象。一般河心水面比河岸水面變化快，面水位上漲時，河心首先出現壅水現象，河心水面高出兩側水面，水質點在重力作用下由河心以表面流的形式向兩岸運動，並以底流的形式由兩岸再向河心運動，形成雙向環流。當水位下落時，河心首先出現消水現象，河心水面低於兩側水面，水質點在重力作用下由兩岸以表面流的形式流向河心，在超壓力的作用下下沉，又以底流的形式流向兩岸，也形成取向環流。由於河水向下游流動，這種環流表現為兩股螺旋流。雙向環流是河床發生沖刷或泥沙沉積的水動力之一。

圖12-26 直河段的雙向環流。
左圖為水位上漲時，右圖為水位下落時。

渦流：是紊流中的另一種水流形式，渦流是河流中水質點繞軸旋轉的現象。旋轉軸有垂直的和水平的兩種。河流中出現渦流的原因是河灣中的水、河流中障礙物下游的水或河床凸起下方的水，由於受到阻力，流速減小，水體黏滯使緊靠水流快的一側在水流牽引作用下而加快流速，導致水壓變小，而障礙物之下流速相對較小，壓力變大，在這壓力差的作用下，水質點由流速慢的一側流向流速快的一側，形成繞軸旋轉的渦流(圖12-27)。河流中產生渦流的地方很多，如河床不平會產生軸近於水平的渦流，河道急轉彎、支流沒入主流口及橋墩、沉船的阻擋，均可產生軸近於垂直的渦流。渦流一旦形成，會順流向繼續存在一段距離，然後變小而消失。渦流會改變河流內泥沙的運動，造成局部泥沙沉積，也引起河床局部侵蝕。

圖12-27 渦流。左圖，軸近水平；右圖，軸近豎直。

3.流水的功能
流水在流動過程中，不斷將勢能轉變為功能，可以用功能公式表示：E=?MV2
式中，E為河流某斷面單位時間的功能，M為河流某橫斷面單位時間內所通過水的質量，V為平均流速。

從式中可看出，功能大小主要取決於河水的流速。對一條河流來說，通常上游縱比降較大，河水流動速度較快，故動能相對較大，下游縱比降相對較小，河水流動速度慢，功能也相對較小。

水體一旦獲得功能，河水就開始產生侵蝕作用和搬運作用，同時在侵蝕和搬運過程中又不斷消耗功能。河水功能的變化必然導致河流地質作用方式(侵蝕、搬運、沉積)或強度的改變。

一.河流的侵蝕作用
河水從高處向低處流動過程中，以其自身的機械動力和化學動力，並以攜帶的泥沙、礫石作工具，不斷對河床產生破壞，這個過程稱侵蝕作用(erosion)。侵蝕作用可按其作用性質和方式分為：以水的衝擊力直接破壞河床的沖蝕作用，以水流攜帶的泥沙、礫石做為工具對河床產生磨損的磨蝕作用和以溶解方式破壞河床的溶蝕作用。沖蝕作用和磨蝕作用的強度與河水的流速、攜帶物質的多少和組成河床物質的抗蝕能力大小有密切關係。侵蝕的方法有下列幾種：

1.片流侵蝕 (Sheet Erosion)
河流的侵蝕作用先要從片流的侵蝕方法說起。我們已經說過在緩和的斜坡上，表流多少是用片狀的方式向下運動，形成片流(Sheet Flow)。它們對地表的侵蝕稱片流侵蝕。在不同性質的地區片流的侵蝕方式極不相同。在岩層膠結不良的斜坡地區片流侵蝕相當重要。片流可攜帶未膠結的粉沙及黏土加強水流的侵蝕能量。另一類是一般地表的片流侵蝕。這種侵蝕作用在植被不好的地區看來似不甚顯著，因它們並不形成任何山谷，可是從實際研究知道，地表上層的土壤物質，尤其是在耕作地上層的較細的土壤，大部份都可以由片流移去而沖到河裡，剩下較粗的粒子則形成貧瘠的土壤，而造成極大的損害。在一些地區防止片流侵蝕的方法是大量的加強植被。圖12-28是在美國Missouri州 Bethany 地方經過四年時間的研究所得到的結果。表示某幾種植物對片流侵蝕防止的效果，

圖12-28 植物對片流侵蝕防止的效果。

2.細谷侵蝕 (Gullying)
在凹凸不平的斜坡上，表流沿著原先地表低窪不平之處集中，慢慢可將水流道侵蝕擴大，形成細谷(Gullies)。有些地方，即使開始的時候，地表的斜坡並無太大的不平，表流是作片流的方式流動，不過由於地下岩石軟硬的不同，表流侵蝕力量的不等，最後表流仍然可以在軟質的岩石上面集中侵蝕，形成細谷。於是片流侵蝕便變為細谷侵蝕。

3.水力的挖蝕 (Hydraulic Plucking)
指一種由水流的漩渦將河底節理的石塊或較疏鬆的土石捲起和移走的作用。並不牽涉有其他侵蝕工具在內，一般岩石性質較軟的河床常常單獨受到這種作用的侵切。

4.磨蝕(Abrasion)
在清澈的水中，磨蝕的作用是非常輕微的。我們可舉Niagara河為例，這河流因多數的挾帶物質都已沉積到Erie湖中，所以非常清澈，它在Niagara瀑布的邊緣雖成為急流，但仍無法將岩石上寄生著的柔弱的綠色海藻沖走。但當流水中挾帶有大量的沙石粒子的時候，它便可以利用這些沙石作為工具而在河底磨擦撞擊，產生磨蝕的作用，成為一具有極大侵蝕力的營力。我們從它之能在岩石中挖掘出很深的河谷或峽谷這點來看，即可以概見其力量之巨大，磨蝕的工具在進行磨擦的時候，木身亦受到損失，使體積逐漸減少，這種作用叫自損作用(Attrition)。

河流磨蝕的力量，與流速、所挾帶的物質的性質與數量、被磨蝕的岩石的性質和構造有關。通常流速愈高，挾帶的物質愈多，則磨蝕的力量愈大。

5.溶蝕
在自然狀況之下，流水很少不具有化學性質。因為流水有溶解性，可將別的物質溶解，而使本身呈現化學作用的能力。例如很多河流的水份曾經流過沼澤地區，於是便可以溶解有從腐爛的植物所分解出來的碳酸，利用這種酸類的幫助，再加上從大氣中取得的CO2，流水便可與所接觸到的岩石發生作用而使之溶解。溶解的速度一般非常緩慢，且不易察覺，但效果是值得注意的。據估計，在陸地上每年約有五十萬萬噸的固體岩石物質為水所溶解，不過其中大部份都是由於地下水的作用。

溶蝕作用與岩石的性質大有關係，酸性的流水若流經石灰岩和白雲岩的地區，則溶蝕作用相當厲害，並可產生許多奇怪的溶岩地形，叫喀斯特地形。

如按照河流侵蝕作用的方向，則可分為下蝕作用和側蝕作用。

1.下蝕作用
河水侵蝕河床底部岩石，使河床降低的作用稱河流的下蝕作用(vertical esosion)。在河流的下蝕作用過程中，河谷不斷加深。一般說來，在河流上游地段，河床縱比降大，河水流速快，功能大，下蝕作用表現十分明顯，常形成谷底狹窄，谷坡陡峻的〝V〞型峽谷。如雲南境內金沙江的虎跳峽，江面寬僅30-60m，谷深卻達3000m，最陡的谷坡在70�a以上。

河流下蝕作用過程中，由於不同河段的河床岩性不同，較軟的岩石很快被侵蝕，而較堅硬的岩石被侵蝕的速度很慢，產生差異侵蝕。結果，常在不同岩石組成的河段形成急流和瀑布。如尼亞加拉瀑布位於堅硬石灰岩與軟弱頁岩交界處，由於地表出露了巨厚石灰岩層，其下部的軟弱頁岩被快速侵蝕而形成瀑布，落差49m(圖12-29)。除此之外，熔岩流，山崩、滑坡物質堵塞河床，橫過河谷的斷層崖等部位，由於出現陡坎，都有可能形成瀑布。
瀑布的功能較大，下蝕作用十分明顯。通過瀑布跌水的俯沖，瀑布底下的河床被淘深，翻起的水流一部分流向下游，另一部分沖向瀑布陡崖的基部，對基部岩石產生侵蝕挖空，導致上部岩石失去支撐，產生崩落，於是瀑布向上游方向退移(圖12-30)。尼亞加拉瀑布平均每年後退1.3m。我國第二大瀑布黃河壺口大瀑布，河寬30-50m，瀑布高度在枯水期為15-20m，洪水期為45m，由堅硬的水平厚層砂岩構成頂部，底部為質軟的頁岩，平圴每年向上游後退5cm。瀑布不斷向上游後退，河床坡度逐漸變緩，最終導致瀑布消失。

圖12-29 A.北美尼亞加拉瀑布(平面圖) (據G.K. Gilbert和El. Raisz)。

 

圖12-29 B.北美尼亞加拉瀑布。
(縱面圖) (據G.K. Gilbert和El. Raisz)。

 

圖12-30 加拿大尼亞加拉瀑布的後退。
(據W.H. Emmons等Geology》, 1955 ) 。