B4 · 出版卷 9

河流、坡面和沉积搬运

Drainage、colluvium、alluvium、sediment pathways

学习目标

完成本课后，学习者应能区分风化供给与沉积搬运；识别坡积、冲积和风积路径证据；计算简化沉积预算；解释坡面通量接近临界坡度时为何呈非线性；追踪源—汇连通性；并预测分选、磨蚀、储存和再搬运如何改变矿物与化学信号。

某支流的细粒沉积物出现金属异常，同一河道的粗砾却没有。上游凸坡只有薄土，坡脚为基质丰富坡积物，谷底则有多套内嵌冲积层。哪种介质最接近目标源，哪种介质又整合了最大汇水区？

答案取决于粒度、搬运能力、元素载体矿物、储存时间和支流混合。悬移或冲泻细料通常比推移质走得更远，致密耐磨颗粒可机械富集，活泼元素可离开颗粒并吸附在铁氧化物上或在氧化还原边界沉淀。因此，异常属于一种介质和路径，不能只解释为源区下游的一个点。

风化生成可搬材料，搬运还需要动力和通道。坡面蠕动、生物扰动、雨滴溅蚀、坡面流、浅层滑塌和碎屑流具有不同速率和阈值。坡积物主要经重力辅助坡面过程搬运，路径通常短且分选差；冲积物由流水沉积，可见河槽几何、叠瓦、层理、分选或洪泛平原组织。这些名称必须由过程证据支撑，不能只按地图位置赋予。

非线性坡面通量模型可写为


q_s=-K_s\frac{\partial z/\partial x}{1-\left(|\partial z/\partial x|/S_c\right)^2},

其中 q_s 为单位等高线宽度的沉积通量，K_s 为搬运系数，S_c 为临界坡度参数。低坡度时近似线性扩散；接近 S_c 时预测通量快速增大。真实坡面可能在数学奇点前破坏，S_c 只是经验参数，不是普适休止角。

沉积连续方程为


\frac{\partial h}{\partial t}=-\frac{1}{1-\phi}\nabla\cdot\mathbf{q}_s+P-W,

其中 h 为沉积厚度，\phi 为孔隙率，P 为进入可移动层的生成量，W 为层内风化或损失。输入大于输出会增加储量。扇体、洪泛平原、水体或沙丘可中断连接，后来又被重新激活。

搬运会改造证据：水力分选受粒度、密度和形状影响；磨蚀改变表面积和矿物暴露；多次储存混合事件；溶解移除不稳定相；细粒和包膜携带高比表面积信号。下游浓度变化因此可能反映载体粒级变化，而非源强变化。

坡面应记录坡度、曲率、土厚、砾石组构、石线、基底剪切面、舌状前缘、分选及与基岩关系；河道应区分河床、沙洲、岸、洪泛平原和废弃河槽储库。河宽与水深要附带流量状态，剖面应联系稳定控制点。来源可利用岩性、矿物组合、颗粒形态、地球化学、同位素或年龄分布，但每种方法都有混合和保存偏差。

采样必须控制粒级和地貌单元。活动细粒复合样不能与单个砾石或漫滩岩芯直接比较。需记录干湿质量、筛分范围、重复设计、采集面积和是否保留包膜。人为扰动要单独填图，道路填料、排水和历史作业可形成高度连通的假路径。

连通性还必须指定事件和粒级。干沟可阻断普通条件下的粗推移质，却在极端暴雨中传输溶解负荷；阶地不受常见洪水影响，却可因岸蚀重新供给沉积物。

考虑一个仅用于教学的 5 ha 合成坡脚储库。坡面与沟谷年输入估计为 1,650 t，河道输出 1,000 t，储量增加 650 t/yr。若体积密度为 1.6 t/m³，年增体积为


650/1.6=406.25\ \text{m}^3/\text{yr}.

均摊到 50,000 m²，平均加积约 0.0081 m/yr，即 8.1 mm/yr。这个合成结果必须触发审核：通量是否具有同一时间窗口，是否忽略压实，测量是否覆盖所有舌体，少数暴雨是否控制所谓年速率？

若源 A 贡献 60% 细料且含量 100 mg/kg，源 B 贡献 40% 且含量 20 mg/kg，保守混合应为 68 mg/kg。实测 45 mg/kg 可能来自不同混合比例、选择性损失、第三源稀释或分析支撑不一致，单一浓度不能识别具体过程。

不能只凭棱角度判断短距离搬运，因为继承节理、矿物耐久性和源岩结构也会控制形态。不能把所有基质丰富沉积都叫碎屑流，也不能把所有分选层都叫河流沉积。后期成壤可抹去原生构造，淘洗又可模拟原始分选。

沉积预算常混合不同时间尺度：一次罕见事件、短期监测和千年平均。密度、孔隙率和未测溶解负荷都会增加误差；端元重叠或风化改变端元时，来源分解不唯一；未检出值属于删失测量，不是零或不存在。

为一个小流域绘制源—汇网络，节点包括残积源、凸坡、洼槽、扇体、活动河道、洪泛平原和出口，边表示具体过程。分别为粗粒、细粒和溶解负荷建立网络，识别普通条件下的断点以及极端事件可能重连的位置。

采集或使用至少三个地貌单元的配对粒级数据。绘制浓度与粒级、载体矿物和距离关系，先检验保守混合再引入反应。建立低、中、高估计的沉积预算，并指出控制闭合程度最大的项。