河流系统与环境变化
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河流泥沙变化规律及其对环境的影响河流是地球上最宝贵的自然资产之一,对于物种生态系统和人类社会有着重要影响。
河流是淡水资源的重要来源,并为农业、工业、交通、观光和娱乐等产业提供了重要的支持。
然而,河流沉积物变化的规律对环境稳定性的影响却是不可忽视的问题。
本文旨在分析河流沉积物变化的规律及其对环境的影响。
一、河流沉积物的来源和组成河流沉积物主要源于两个方面:一是岸边和河道中的岩石、石头、草木和泥土等天然物质;二是溪流中冲刷下来的泥沙和土壤以及附近地区的农业、工业和城市废水。
河流沉积物主要由砾石、沙粒、泥板、黏土和有机物质等组成。
这些沉积物可以通过人工和自然力量的运动转移到不同的地貌区域和不同的水域环境中。
沙和泥沈积是代表性的河流沉积物,在纵向分布上互相依存,沙粒沉积在上游区域,而细小的泥沙则主要在下游区域沉积。
二、河流沉积物变化的规律河流沉积物的变化与多种因素有关,包括流量、降雨、输入量、流速、沉积作用、生态因素等。
以下内容将着重探讨这些因素的影响。
1. 流量河流的流量是影响沉积物变化的重要因素。
径流量的变化不仅仅改变了输移能力、搬运才华和侵蚀能力,同时也影响了河床的粒子分选和沉积速率等物理过程。
2. 降雨降雨量会对河流搬运力造成影响,同时也会增加河流的风险。
如果降雨量小于径流量,部分水分会通过地下水层附近的地面径流来到河流中,并且水质不会因为降雨而发生明显的变化。
3. 输入量输入量包括从河床、岸边和上游输入的沉积物和生物质量等。
沉积物的输送由利用流量、悬浮物、水速、水体深度、枯水期等条件的径流来驱动。
如果输入量变化很大,则会影响底部通量的吸附和吸附过程,使它们在环境中的固定性和可行性产生变化。
4. 流速河流的流速会影响沉积物的运动和传输。
一般来说,流速越快,泥沙的径流距离越远。
在慢流的条件下,稳定地假设岸边和底端质点的间隔相等以及它们耗费同等的时间通过实际沉积物碰撞和沉积进程,也就是说在同等温度、官能群和环境下,不同的大气沉积速率下,不同的碰撞速度和沉积速度等条件下,密度初始值相同的沉积物粒径在沉积区的垂直径向分布是相同的。
环境变化对水生态系统的影响在当今社会,人类活动对环境和生态系统造成的影响越来越明显。
其中,水生态系统是最容易受到环境变化影响的一个重要环节。
本文将就环境变化对水生态系统的影响进行探讨,重点关注气候变化和人为因素对水生态系统的影响。
一、气候变化对水生态系统的影响1. 温度上升导致生态系统变化随着全球气候变暖,水体温度也会上升。
这一变化对水生态系统产生了深远的影响。
一方面,高温使得水中生物的代谢速率加快,使其生命周期缩短,影响繁殖能力和生态平衡。
另一方面,高温还会造成生物多样性的丧失,一些对低温敏感的物种将逐渐消失,而耐高温的物种将逐渐占主导地位。
2. 气候变化引发的水文循环改变气候变化对水文循环也产生了巨大影响。
随着降水格局的改变,水生态系统中的水资源供应遭到了破坏。
少雨和长时间干旱会导致水体蒸发过快,造成水源减少,湖泊和河流水位下降,进而影响水生物的生存环境和繁殖条件。
3. 海平面上升对水生态系统的威胁气候变化还促使了海平面的上升,这对近海和沿海地区的水生态系统构成了巨大威胁。
海平面上升会导致河口区域的海水入侵,失去原来的淡水河水,造成生物多样性的流失,甚至导致生态系统的崩溃。
此外,海平面上升还会加剧沿海地区的风暴潮和海浪侵蚀,危及沿海生物的栖息地。
二、人为因素对水生态系统的影响1. 水资源过度利用人类活动的快速发展导致了对水资源的过度利用,这对水生态系统造成了严重的破坏。
大规模的取水活动导致河流湖泊的水位下降,湿地的退化,破坏了水生物的繁殖环境和栖息地。
此外,过度的排放废水和浓度较高的污染物会进一步破坏水生物种群的结构和数量。
2. 水生态系统的退化由于城市化的发展和土地利用的改变,许多原本为水生态系统提供重要服务的湿地和河流被填埋、开垦或破坏。
这样的改变造成了生物多样性的丧失以及水生态系统结构和功能的退化。
湿地的消失导致了很多迁徙鸟类失去了栖息地,鱼类和其他生物也无法正常繁衍生息。
3. 水污染对水生态系统的危害人类活动排放的各类污染物对水生态系统造成了严重威胁。
冬季河流水环境变化对生态系统结构和功能的影响机理分析引言河流是地球上最重要和最丰富的水资源之一,对维持生态系统的结构和功能起着至关重要的作用。
然而,在冬季,河流的水环境会发生明显的变化,这对河流生态系统产生着深远的影响。
本文将探讨冬季河流水环境变化对生态系统结构和功能的影响机理,从物理因素、化学因素和生物因素三个方面进行分析。
物理因素的影响机理冬季河流水环境的变化主要由气温的下降和冰冻过程所引起。
首先,气温的下降导致了水温的降低,这对于许多水生生物而言是致命的。
冷水可以降低水中氧气的溶解能力,限制了水生生物的呼吸和代谢活动,进而影响其生长和繁殖。
另外,寒冷的水温还可能导致许多水生动植物的冻伤或死亡。
其次,冰冻过程对河流生态系统也带来了巨大的影响。
当河水开始结冰时,冰层的形成会影响水体的流动和气体交换。
冰层的存在给水生生物提供了一个稳定的生存环境,但同时也限制了底栖生物的活动能力。
此外,冰层还可以隔绝河水与大气的接触,导致水中溶解氧的减少,给水生生物的生存带来了一定的困难。
化学因素的影响机理冬季河流水环境的变化也对水质产生了显著的影响,进而影响了河流生态系统的结构和功能。
首先,冰冻过程会导致水体中的溶解物质浓度的变化。
由于水体结冰时,冰晶中的溶质往往被排除在外,因此,河水中的溶解物质浓度会增加。
这对水生生物的生存和繁殖产生了不利的影响。
其次,冬季降雪和融雪过程也对水体的质量产生了显著的影响。
降雪过程中,大气中的气溶胶和颗粒物会吸附并转运到河流中,从而改变了水体的透明度和营养盐含量。
而在融雪过程中,雪融水会带来大量的溶解物质和微生物,进一步改变了水体的物理和化学特性。
这些变化不仅会影响水生植物的光合作用和呼吸作用,还会改变水生动物的摄食和生态位。
生物因素的影响机理河流的生态系统是一个复杂的生物链系统,冬季水环境的变化对生物物种的分布和生态位分工产生了明显的影响。
首先,冬季河流水环境的变化会导致某些水生生物的迁徙或休眠。
我国湖泊状态的变化趋势
我国湖泊的状态变化趋势与不同湖泊的地理位置、人类活动以及自然环境等因素有关。
总体来说,以下是我国湖泊状态的一些变化趋势:
1. 水质改善:随着我国环境保护意识的提高和环境监测技术的改善,一些湖泊水质得到了改善。
政府加强了对湖泊水环境的保护和治理力度,减少了污染物的排放,保护水源地,从而改善了湖泊的水质。
2. 湖泊面积减小:受到人类开发、气候变化等因素的影响,一些湖泊的面积在逐渐减小。
湖泊的面积减小主要是由于城市扩张、农田开垦、河流堤坝等人类活动导致的,也有部分湖泊受到气候变化的影响,水量减少导致湖泊萎缩。
3. 水位波动:由于气候变化、人类活动以及水资源利用等因素的影响,湖泊的水位会发生波动。
一些湖泊的水位会上升或下降,影响湖泊的生态系统和人类利用。
4. 生态系统变化:湖泊的生态系统是一个复杂的系统,受到水质、水温、水位等因素的影响。
一些湖泊的生态系统可能会受到污染、生物多样性减少等问题的困扰,但同时也有湖泊的生态环境得到保护和修复的情况。
需要注意的是,我国湖泊的状态变化在不同地区差异较大。
有些湖泊因为地理位置、气候条件等原因,更容易受到人类活动和环境变化的影响,而另一些湖泊则
拥有较好的水环境和生态系统。
因此,在湖泊管理和保护方面还需要综合考虑地方特点和环境条件,采取相应的措施。
全球气候变化对河流与湖泊生态的影响随着全球气候变化的加剧,河流与湖泊生态系统也遭受到了严重的影响。
这些生态系统的生物多样性、水资源可持续性以及人类社会的依赖都受到了极大的威胁。
本文将从四个方面探讨全球气候变化对河流与湖泊生态的影响。
1. 水温升高随着气候变暖,河流与湖泊的水温也呈现出逐渐上升的趋势。
这对于许多水生生物来说是一项巨大的挑战。
许多物种对温度的变化非常敏感,高温可能导致它们的死亡或迁移,从而破坏生态系统的平衡。
此外,水温升高还可能导致水中氧气溶解度降低,进一步影响水生生物的生存状况。
2. 水位下降全球气候变暖导致冰川融化加剧和降雨量不稳定,这对河流与湖泊的水位产生了负面影响。
水位下降可能导致湖泊干涸或河流水量不足,给水生生物造成严重的生存问题。
很多物种依赖水体作为栖息地和繁殖场所,水位下降将导致它们的栖息地丧失,最终可能导致物种灭绝。
3. 水质恶化全球气候变暖也对水质产生了严重的威胁。
高温和极端天气事件会导致河流与湖泊的水体富营养化等问题加剧,水质恶化。
富营养化会导致藻类过度繁殖,水面出现大面积的赤潮,这会消耗大量溶解氧,使水体缺氧,危害水生生物的生存。
此外,来自工业排放、农业化肥和生活废水的污染物也会对河流与湖泊的水质产生负面影响,威胁到生态系统的稳定性。
4. 水生生物迁徙与灭绝由于全球气候变化对河流与湖泊生态系统的影响,很多水生生物不得不迁徙以适应环境变化,这对其繁殖和生存状况造成了很大的困扰。
然而,很多物种很难适应迅速变化的环境,导致数量减少甚至灭绝。
这对于河流与湖泊生态系统的平衡以及人类社会的渔业、旅游等产业都带来了巨大的经济和社会影响。
综上所述,全球气候变化对河流与湖泊生态系统造成了巨大的影响。
为了保护这些宝贵的生态资源,我们必须采取行动来减缓气候变化的速度,并加强保护和恢复河流与湖泊的生态环境。
只有这样,我们才能确保未来的水资源可持续利用,并保护世界上众多珍稀物种的生存。
河流是否会因气候变化而改变?一、全球气候变暖对河流的影响1. 黄河水量减少近年来,随着全球气温的上升,黄河源头降雨量减少,冰川融水减少,导致黄河流量减少。
气候变暖还导致冰川消融加速,降雨集中在夏季,进一步导致黄河水量的季节性波动。
高级词汇:气温上升,降雨量减少,冰川消融加速,季节性波动。
详细内容:- 气候变暖导致黄河源头降雨量减少,减少了河流的补给水源,从而使得河水流量变少。
- 冰川融水是黄河的重要水源之一,然而气候变暖导致冰川消融速度加快,使得冰川融水减少,进一步降低了河水量。
- 受气候变暖影响,黄河的降雨过程也出现了明显的季节性波动,通常降雨量集中在夏季,而其他季节的降雨量较少。
2. 长江洪水频发长江流域受全球气候变暖的影响,近年来洪水频发。
气候变暖导致了雨水增多和暴雨过程的增强,加上水体蒸发速度的加快,导致洪水泛滥、形成暴雨洪水。
高级词汇:洪水频发,暴雨过程增强,水体蒸发速度加快,洪水泛滥。
详细内容:- 全球气候变暖导致了长江流域降雨量的增加,将增加了洪水的概率和频率。
- 气候变暖还导致了暴雨过程的增强,暴雨会导致河流水位迅速上涨,使得洪水更容易形成。
- 随着气候变暖,水体蒸发速度加快,水汽含量增加,降雨时降水量会增大,导致洪水泛滥的可能性增加。
二、气候变化对河流生物多样性的影响1. 水温上升导致鱼类数量减少全球气候变暖导致河流水温上升,影响了河流中的鱼类生存环境。
较高的水温会导致鱼类的代谢速率加快,需氧量增加,从而使其生存环境变得恶劣,鱼类数量减少。
高级词汇:水温上升,生存环境恶劣。
详细内容:- 气候变化导致河流水温升高,高温环境对于鱼类而言是个极大的挑战,鱼类的生存能力受到严重影响。
- 高温环境下,鱼类的新陈代谢速率加快,需氧量增加,但氧气溶解在水中的能力有限,这使得鱼类难以获得足够的氧气供应,导致其数量减少。
- 高温环境下,鱼类的繁殖能力也受到抑制,这进一步导致了鱼类数量的减少。
2. 河流水质恶化威胁生物多样性气候变化导致河流水温上升,降雨减少,导致水流变缓,这些因素都会导致河流水质恶化,威胁河流生物多样性。
黄河流域环境演变与水沙运行规律黄河是中国历史最悠久、最为众所周知的河流,也是中国经典的淤泥河流。
它从东接南北河,向西流行,穿过黄河流域,最终流入渤海,全长5464公里。
由于其历史悠久,在河流演变过程中,中国黄河流域环境演变及水沙运行规律变化也受到了密切关注。
一、黄河流域环境演变黄河流域环境演变受到黄河水位、水沙流量及污染物等多种因素的共同影响。
近年来,随着黄河水位下降和河道变化,黄河流域环境演变受到了影响。
首先,水位下降,黄河河谷可能会受到污染,威胁水生态系统的完整性,威胁陆地生态环境的安全。
其次,由于水位下降,河床带来的污染物超标浓度会升高,加剧环境污染,不利于黄河上游生态系统的保护。
再次,水沙可以被调整,河道可以被重塑,湖泊可以被淹没,大片农田可以被淹没,这将会影响农业的开垦,影响水土资源的可持续开发利用。
此外,黄河流域的洪水及水质状况也会受到河流演变的影响。
二、黄河流域水沙运行规律黄河流域的水沙运行规律是由时间段、水沙流量、水位、流域内外气温等多种因素共同影响的。
黄河主要流经三大河流域:黄河中游河流域、黄河上游河流域和黄河下游河流域。
按照季节变化,黄河水沙运行一般经历九个阶段:汛期、消胀期、小水期、大水期、涨水期、涨落期、涨水谷底期、涨水峰值期和洪峰台头期。
其中,汛期(5月中旬至7月底)是洪水最大的时期,其水位基本上在50米以上,水量最大,河道和湖泊充满水,江河湖泊泛滥。
消胀期(8月初至9月中旬)和小水期(9月中旬至11月初)的水位都不高,大约在50米以下,水沙流量变小,冬季洪水特别小,有较多湖泊陷入干涸。
大水期(11月初至1月初)、涨水期(1月初至2月初)和涨落期(2月初至4月中旬)的水位变化不大,但水沙流量大小波动较大。
涨水谷底期(4月中旬至5月初)的水位最低,除此之外,涨水峰值期(5月初至5月中旬)和洪峰台头期(5月中旬至5月底)的水沙运行开始发生变化,水位上升,水沙流量增加。
三、黄河流域环境演变与水沙运行规律之间的关系黄河流域环境演变与水沙运行规律之间存在着密切的联系。
河流水文变化及其对生态环境的影响研究河流是自然界中非常重要的水资源。
河水在农业、工业、生活中发挥着不可替代的作用。
同时,河流也是生态系统的核心组成部分,为生命的存在提供了必要的生态环境。
然而,河流水文变化对河流生态环境的影响也十分显著。
首先,河流水文变化对生态环境的影响主要表现在水质的变化。
水文变化会引起河水的水位、气温、水流速度等方面的变化。
因此,河流的水质也难以避免地会发生变化。
例如,水位变化可能导致水流的湍急程度增加,从而增加河床的泥沙悬浮量。
同时,降水量减少可能导致水位降低,水流减缓,这样河水就可能被认为是“污染”或者“肮脏”。
水质的降低可能会对生态环境造成严重的影响。
例如,水污染可能会导致水生生物的死亡,同时也会让沿岸居民失去生活水源和生产水源。
因此,需要更好地研究河流水文变化的规律,并且采取合适的措施保护水源、预防污染。
其次,河流水文变化还会对沿岸土壤和植被产生影响。
河流的水位变化直接影响到沿岸土壤的湿润程度和植被茁壮程度。
如果水位过低,会导致土壤极度干燥,植物无法正常生长。
如果水位过高,则会使土壤泡水,导致植被死亡。
因此,水文变化对沿岸生态环境的稳定性有着直接的影响。
一些研究表明,这些影响与气候变化有一定的相关性。
由于气候变化与人类活动有着密切的联系,因此需要采取措施,如改善农业种植技术、加大对大气污染的治理力度来防止气候变化加剧。
最后,河流水文变化还会对河床地形和水力特性产生影响。
随着水文变化,河道可能会变得扭曲曲折,或者会变得太平滑而失去历史河床的曲折纹理。
这些变化会直接影响到水流的稳定性和河床地形对草地和其他生态系统的作用。
例如,拐弯抹角的河道有助于形成河道生态系统和不同大小的生态域,这样能够生产出更多的生物物种。
反之亦然。
因此,需要采取一些措施来维护河道的稳定性并防止不必要的人类活动造成生态环境的攻击。
总之,河流水文的变化对生态环境的影响是非常广泛的。
通过了解这种变化的规律,并采取合适的措施,我们可以保护河流生态环境,同时为人类活动提供更健康的生态支持。
河流径流对地理环境的影响河流是地球上最重要的自然水系统之一,其径流对地理环境产生着广泛的影响。
从湿地生态系统到土地农业,从水文循环到地貌形成,河流径流起着中枢性的作用。
本文将探讨河流径流对地理环境的影响,涵盖水资源管理、人类活动、生物多样性和地岩石圈的角度。
首先,河流径流对水资源管理具有重要影响。
河流作为地球上淡水资源的主要来源之一,是城市和农村的生活用水、工业用水和农业用水的重要供给渠道。
河流的径流量决定了水资源的可利用性。
因此,及时、有效地监测和管理河流径流是确保水资源可持续利用的关键。
通过使用水文学技术、监测仪器和数学模型,科学家和水利部门能够根据径流量来预测水资源的可利用性,并制定相应的水资源管理策略。
其次,人类活动对河流径流产生直接的影响。
随着工业化和城市化的进程,人类对河流的开发和利用日益增加。
修建水坝和水利工程可以调节河流的径流,提供洪灾控制、灌溉和发电等服务。
然而,水坝修建和水利工程的过度利用也会干扰河流的自然水文循环,造成生态系统退化和物种灭绝。
因此,平衡人类对河流的需求与生态系统的恢复与保护是保持地理环境可持续发展的重要考量。
此外,河流径流对维持生物多样性也至关重要。
河流环境是一个复杂的生态系统,为许多物种提供了生存和繁衍的栖息地。
径流的变化会直接影响河流内的生物多样性。
河流水位的上涨和下降可能改变河流的深度、流速和水质,从而影响其中的鱼类、两栖动物和昆虫等生物种群数量和结构。
维护河流水体的质量和连通性,以及保护河岸带的植被和湿地,对保持河流生态系统的稳定和生物多样性的丰富至关重要。
最后,河流的径流对地岩石圈也有着显著的影响。
长期以来,河流的侵蚀作用是地貌演化的重要因素之一。
携带着溶解物质和沉积物的河流在流经地表时,会剥蚀周围的土壤和岩石,导致地表地貌的改变。
河流还可以通过切割山脉和淤积平原的方式,形成壮丽的河谷和河口地形。
径流的变化和季节性由此影响河流对地形的侵蚀和沉积过程。
河流系统与环境变化
河流的发生和演变受制于本身所处的环境,又反过来对环境演变施加重大的影响,河流与人类的生存和活动有着密切的关系。
河流研究是自然地理学和地貌学中的基本问题。
近年来,河流研究取得了长足的进展,表现在:①引入了系统论的概念,以系统论的观点和方法来研究河流的形成和演变;②与环境演变问题密切结合。
本章即以此为重点,结合中国的实践加以阐述。
40年代奥地利生物学家贝塔朗菲(Bertalanffy,1901~1972)提出了《一般系统论》,以后逐渐发展成为一门独立的学科,并广泛地应用于社会、经济、管理、生物系统以及决策和预测研究中。
从60年代开始,人们已逐渐引用系统论的概念来研究河流(Chorley,1962),L·B·Leopold和W·B·Langbein等采用熵值的概念来研究曲流的形成和发展(Leopold,1962)。
但明确而又比较系统地提出河流概念系统的是舒姆(Schumm,1977),他把整个河流看成是一个完整的系统,然后从上至下依次划分3个子系统:集水盆地子系统、河道子系统和河口三角洲子系统。
第一个子系统以侵蚀作用为主,是物质和能量的集结区。
第二个子系统以搬运作用为主,是物质和能量的传输区。
第三个子系统则是以堆积作用为主,是物质的输出区。
1977年他出版了《河流系统》(Fluvial System)一书,全面阐述了河流系统内的物质、能量传输与河流发育、演变过程的关系。
舒姆的理论逐渐为后来者接收,并得到了发展。
现状普遍认为,河流系统是一个复杂的开放系统,它以分水岭、
河底和可口处的海平面或受水盆地为边界,河流系统与其周围环境之间有着能量和物质的频繁传输和交换,通常是通过河流系统内的各种要素和要素间的相互作用来进行。
河流系统中拥有许多复杂的要素,在集水盆地子系统中主要有坡度、地形、物质组成、植被、降水、温度、重力、地下水等;在河道子系统中有流量、流速、水流结构、河道物质组成、泥沙量及其组成、河道形态、河型、水化学性质等;河口三角洲子系统中有潮流、波浪、海面波动等。
除上述子系统中的许多组成要素外,地壳构造运动、气候变迁以及海平面波动等是影响整个河流系统的更高层次的要素。
图6.1表示河流系统的基本结构和各种要素之间的相互联系、相互制约关系。
从系统论的角度进行河流系统的研究,可以对整个河流系统进行动态分析,给出各种条件下河流的发育过程及演化趋势的定量预测。
河流系统的发育、演变受制于系统周围的环境,同时又对环境以反馈。
当前河流研究重视系统研究、重视与环境问题的密切结合。
近年来国内外召开的地貌学术会议均以地貌、环境、发展问题为主题,河流系统在古代、现代各种环境要素制约下的发展过程和演变趋势,以及河流系统变化所引发的环境后效均是其中的重要内容。
与环境问题的密切结合也是经济开发和区域治理的客观需要。
河流是自然地理环境中一个十分活跃的因素,与人类经济活动有着极为密切的关系,它的发育演变常带来正负两方面的影响。
本章第二节对此作较详细的讨论。
近年来普遍采用以数学模型进行模拟和地理信息系统方法和技
术,这有助于河流系统内各要素之间、各要素与环境之间关系的深入分析、了解,也有助于提高预估河流系统本身及环境变化趋势的精度。
第一节河流系统的几个基本问题
一、平衡倾向性
所有河流都具有自动调整的能力,在冲积河流上表现尤其明显。
自动调整的最终结果在于力求使来自上游的水量都能通过河段下泄,河流保持一定的相对平衡。
这一特点成为河流的平衡倾向性。
1984年马金(Mackin 1984)就对这一问题给予了直到今天看来仍是最具有代表性的定义。
他写道:“一条平衡河流是在经过一定的年月以后,坡降经过精致的调整,在特定的流量和断面特征条件下,正好具有使来自流域的泥沙能够输移下泄的流速。
平衡河流是一个处于平衡状态的系统,它的主要特点是控制因素中任何一个因素的改变都会带来平衡的位移,其移动方向能够吸收改变所造成的影响。
”
河流系统是一个开放系统,系统与系统以外的环境不断有物质和能量的交换,一方面河流沿程从流域面上不断接受水和由侵蚀带来的泥沙,另一方面又通过自身源源不断地把水和泥沙送向大海。
由于流域因素的多样性和复杂性,来自上游的水流所挟带的泥沙,不可能总是正好和河道挟沙能力相等,河槽免不了会有冲淤变化,因此,河流的变化是绝对的、长期存在的。
但是,另一方面,河流的演变过程,特别是冲积河流上表现明显的自动调整作用又是朝着使变形停止或消失的方向发展的。
这样,在一个较长的时期内,作为平均情况来看,河流可以趋向一定的相对平衡,或曰“准平衡”(钱宁等,1987)。
马金的概念只是从定性上对河流的平衡倾向性作了阐述。
60年代以后,逐渐有人从理论上对平衡倾向性的机理作进一步的阐明。
其中最具代表性的有如下两种:
1.热力学中熵概念的移植
热力学有三条基本规律,其中第一条定律是能量不灭定律,第二条定律则有各种不同的表达方法,简单地说,就是任何不可逆的自然过程中,熵总是在增加。
熵是体系中不能用作机械功的那一部分能量的度量。
熵的增加意味着体系中可以转化为机械功能的能量的减少。
体系中的熵是可供作机械功的能量在体系中如何分配的函数,而不是体系内总能量的函数。
研究熵的变化规律,也就是研究体系内能量如何分配的规律(钱宁等,1987)。
在另一方面,熵和或然率实际上只是一个同义语。
能量分配问题可以作为或然率问题来考虑。
某一种能量分配,对应于所有可能出现的分配来说,具有一定的或然率。
Leopold和Langbein曾利用这些有关熵的规律,来研究河流中能量分配问题(Leopold,1987)。
试设想河流的总能量为E,沿河各段的能量分别为E1,E2,E3…
E n。
类比理想气体的情况,河段i能量为Ei的或然率为
整个河流的熵为
当熵达到最大时,客流内沿程能量的分配达到最大可能性,这时要求:
亦即
也就是说,冲积河流调整的结果,将使能量沿程分配保持均匀一致,Langbein和Leopold曾用这一概念来研究河流的纵剖面(Langbein,1964)。
同样,基于这一原理,冲积河流通过自动调整,使河宽、水深、坡度之间达到一定的组合,以与流域条件相适应,使河流趋向平衡。
2.最小功原理
在物理学和力学中,有许多问题需借助于“最小功原理”的设想才能求解。
例如,在结构力学的超静定结构中,利用“最小功原理”来补充静力平衡不定的条件。
根据这个原理,各个杆件中的应力分布是要使杆件中的总应变能维持组最小。
不少研究者企图把这一概念移植到河流研究中,杨志达从深槽—浅滩地貌、河流几何形态、泥沙运动和冲积河流水力学等多方面论证,河流水力要素中起主导作用的是单位重量的水的能耗率。
冲积河流将调整它的坡度和几何形态,在维持输沙平衡的前提下,力求使能耗率趋向于当地具体条件所许可的最小值(Yang,1979)。
这里所说的具体条件是指河岸与河床的相对可冲刷性、基岩裸露的情况以及人工建筑等。
写成数学方程,得
UJ=最小
U为断面平均流速;J为河流平均坡降。
式(6.2)也可以从熵的概念推导得出,已知河流保持平衡时,熵达到最大,这时熵的产生率应维持最小,从前述熵和河流能量的关系,可知
如能量取水流的势能(或高程)H,则
熵的产生率维持最小,亦即意味着可出的UJ应维持最小。
张海洋在考虑最小功原理时,不是采用单位重量的水的能耗率,而是采用单位长度的水的能耗率(Chang,1979)。
这样,最小功原理可写成
河流的平衡倾向性对于河道治理来说具有很好的实际意义,人们可以设法在流域面上和河道内部采取相应的措施,使河流系统与其周围环境之间尽可能地逐步相互适应,从而使河道在一段时间内保持相对稳定。
二、阈值理论
河流系统与其外部环境之间不断地进行物质和能量的交换,只要来自环境的输入不发生超过一定限度的突变,则河流系统有能力通过自身的调整来对外界变化取得适应,即上面所述的平衡倾向性。
但当外部环境变化过大,或系统内某一要素值自身的变化达到一定限度时,则整个系统就发生突变,导致发生突变的那一点即是阈值,或临界值。
舒姆首先将阈值规律引入河流地貌系统的研究中(Schumm,1973),他提出了两种地貌阈值:即内因的地貌阈值和外因的地貌阈值。
前者指外在因素保持大致定常的前提下,由于系统内部自身变化的不断积累,达到某一阈值而触发的变化。
例如,在河曲发育过程中,开始是比较顺直微弯的河道,由于洪枯水季节冲淤部位的不同,以及凹岸冲刷和凸岸淤积的规律,致使河道向两侧、向下游蠕移。
随着弯曲程度不断扩大,终至于达到阈值,发生裁弯取直。
后者指触发河流系统变化自量变到质变的因素来自外部环境,例如人类在河流上修建蓄水水库,原有的来水来沙条件发生很大的变化,由此导致水库上下游河道特性的改变。
图6.2和6.3被S·A·Schumm用来说明河流系统存在变化的经典例子。
它们表明,无论是在天然的情况下,还是在实验室内,随着河谷坡降的变化,河型亦发生改变,并存在发生这种突变的阈值。