張藝秋，胡修棉

南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

0 引言

河流系統(tǒng)作為搬運(yùn)載體，連通著沉積物質(zhì)從山區(qū)的“源”到海洋的“匯”。廣泛分布的礫石質(zhì)河流中，河床從地勢(shì)較陡的山區(qū)向廣闊的平原搬運(yùn)沉積物時(shí)，物質(zhì)粒徑會(huì)沿下游逐步細(xì)化。粒徑下降至10～20 mm 時(shí)，沉積物會(huì)在相對(duì)較短的距離內(nèi)（同一物源所控制河段長(zhǎng)度的約1%～10%）完成中粗卵礫到極粗砂級(jí)別[1-2]的突然減小，被稱為礫—砂過渡（gravelsand transition，即GST）[3-4]。上述粒度轉(zhuǎn)變往往伴隨著河流的相應(yīng)坡折（表1），河床也從礫石質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樯百|(zhì)。礫—砂過渡現(xiàn)象最早由Yatsu[3]對(duì)日本河流的縱向剖面研究發(fā)現(xiàn)，被認(rèn)為在空間和時(shí)間尺度上均具有普遍性[4]。

若采用φ值作為粒級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，GST的細(xì)化能力是正常情況下的數(shù)倍[4]。然而，這個(gè)在世界范圍河流中普遍出現(xiàn)的粒度突變現(xiàn)象，至今仍沒有廣泛認(rèn)可的成因解釋。表面上，礫—砂過渡是礫石質(zhì)河道向砂質(zhì)河道的轉(zhuǎn)變，但它不僅是礫石質(zhì)河流中沉積物粒度逐步細(xì)化的某種延續(xù)，還是不同河道類型的臨界閾值，標(biāo)志著兩種河流類型之間不同的沉積物搬運(yùn)機(jī)制、河道比降以及河道形態(tài)[6]。由于古今沉積相似性，它還從根本上表征著沉積盆地沉積體系的邊界[7]。因此，本文結(jié)合已有文獻(xiàn)對(duì)該重要沉積現(xiàn)象進(jìn)行梳理和回顧，旨在發(fā)揮其對(duì)于理解河流演化與物源分析的啟示和研究?jī)r(jià)值。

1 礫—砂過渡的基本特征

礫石質(zhì)河流沉積物的逐步細(xì)化通常被認(rèn)為是磨損和分選（顆粒在夾帶、運(yùn)輸、沉積過程中的尺寸性選擇）共同作用的結(jié)果[8]。無支流或河谷側(cè)的物質(zhì)橫向輸入時(shí)，沉積物粒徑根據(jù)Sternberg 定律呈指數(shù)式下降，即D=D0e-αL（轉(zhuǎn)引自Knighton[9]）。α 為粒度下降的速率系數(shù)，D為特征粒徑（如中值粒徑D50），D0為該特征粒徑初始值，L為下游距離。礫—砂過渡正是在一般細(xì)化規(guī)律控制下，沉積物下游粒度發(fā)生突兀轉(zhuǎn)變的特別現(xiàn)象。

Smithet al.[4]對(duì)一些小型復(fù)雜的河流研究表明，其GST 往往發(fā)生在相對(duì)較短的距離內(nèi)，由礫—砂雙峰沉積物組成，伴隨著相關(guān)的坡折變化。之后觀察到的大多數(shù)礫—砂過渡現(xiàn)象均與此吻合。隨著對(duì)其認(rèn)識(shí)的不斷修正和擴(kuò)充，目前GST 大致可以分為三種類型：無顯著橫向物質(zhì)輸入的小型河流礫—砂過渡、無顯著橫向物質(zhì)輸入的大型河流礫—砂過渡、橫向物質(zhì)干擾下的河流礫—砂過渡。下面分別對(duì)典型案例進(jìn)行介紹，以了解河流礫—砂過渡的基本特征。

表1 河流礫—砂過渡（GST）主要特征（修改自文獻(xiàn)[4-5]）Table 1 Main characteristics of gravel-sand transitions (modified from references [4-5])

1.1 無顯著橫向物質(zhì)輸入的小型河流礫—砂過渡

Allt Dubhaig是一條位于蘇格蘭中部高地的小型曲流河[4]。從冰磧地區(qū)流出后經(jīng)過幾個(gè)小巖基，該處可被視為源頭并開始計(jì)算下游距離（圖1）。河道寬度大約10 m，滿岸流量為6～10 m3/s，一年可達(dá)數(shù)次。河谷坐落在一個(gè)古老的冰水沉積平原上，全新世至今河道比降基本未變。河床物質(zhì)主要來源于局部的麻粒巖和云母片巖以及部分花崗巖漂礫。下游較低的河谷邊坡被丘狀冰磧物覆蓋，極少有橫向物質(zhì)輸入；下游流量變化也不大，僅有一條小支流從左側(cè)進(jìn)入?？傮w來說，該河流具有較小的復(fù)雜性，下游沉積物通量和流量幾乎保持恒定，適合對(duì)其礫—砂過渡展開研究。

圖1 Allt Dubhaig 的GST 示意圖（修改自Smith et al.[4]）Fig.1 Sketch map of Allt Dubhaig (Scotland) gravel-sand transition (modified from Smith et al.[4])

對(duì)河岸活動(dòng)的觀察表明，Allt Dubhaig 下游段總體處于低能量狀態(tài)[4]。沉積物呈一定距離的指數(shù)式細(xì)化后，在源處下游2.7 km 處發(fā)生礫—砂過渡（圖1）。過渡河段寬約7～8 m。在250 m 左右的距離內(nèi)，河床表面中值粒徑D50從15 mm 的礫石下降為不足0.5 mm的砂粒（圖2）。下游0～2.5 km的距離內(nèi)，河道比降從～2%（表示100 m 河道長(zhǎng)度上，河床高程降低2 m）下降至＜0.3%[7]；GST發(fā)生的區(qū)間，在～200 m距離內(nèi)水面比降從0.22%（類似于河道比降）下降至0.02%，減小大約一個(gè)數(shù)量級(jí)（表2）。對(duì)于如此比降變化，Smithet al.[4]認(rèn)為沖積扇下游河谷末端（約3.9 km 處）修建的水電導(dǎo)流閘（圖1），作為局部基準(zhǔn)面將水位向上游抬高了1 m。

圖2 Allt Dubhaig 河床表面粒徑及河道比降的變化（修改自Smith et al.[4]）Fig.2 Variation of surface grain size and channel slope inAllt Dubhaig (Scotland) (modified from Smith et al.[4])

對(duì)于復(fù)雜性較小的河流，其GST 河床變化也有較詳細(xì)的觀察資料。Smithet al.[4]發(fā)現(xiàn)，Allt Dubhaig礫—砂過渡發(fā)生時(shí)，河床由雙峰沉積物組成。圖3可以看到，GST區(qū)域的河床覆蓋著相鄰的礫、砂舌狀體。向下游經(jīng)過最后一個(gè)小礫石壩后（此時(shí)砂只是少量存在于壩尾），河床粒徑組成的雙峰性逐漸增強(qiáng)：從開始的單峰礫石，到雙峰礫、砂，再到單峰砂。曲流河彎道處常見的深潭—淺灘結(jié)構(gòu)（pool-riffle structure）也有所反映。整體來看，礫石主要分布在深潭，砂主要分布在淺灘。但砂層粗糙度減小，礫石會(huì)因在其表面流動(dòng)性增強(qiáng)而過界（overpassing），分布在逐漸形成的砂條紋或更下游的砂層上。

表2 Allt Dubhaig與下Fraser河GST前后的水力特征（據(jù)Smith et al.[4], Ferguson et al.[8], Venditti et al.[10]）Table 2 Hydraulic characteristics before and after GST in Allt Dubhaig and down stream Fraser(after Smith et al.[4], Ferguson et al.[8], Venditti et al.[10])

1.2 無顯著橫向物質(zhì)輸入的大型河流礫—砂過渡

類似于Allt Dubhaig，無顯著橫向物質(zhì)輸入時(shí)復(fù)雜性較小的小型河流GST 均相對(duì)“突?！?，且往往伴隨一個(gè)“受阻”的礫石前緣[10]（arrested gravel front，礫—砂過渡時(shí)無法被繼續(xù)搬運(yùn)的礫石堆積形成的楔形體，其下游如無特殊情況會(huì)快速轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆纳皩樱４藭r(shí)，河床物質(zhì)沿下游指數(shù)下降至中粗卵礫級(jí)別時(shí)，會(huì)自然發(fā)生礫—砂過渡，短距離內(nèi)完成向極粗砂的轉(zhuǎn)變。然而，無顯著橫向物質(zhì)輸入時(shí)，大型河流GST的發(fā)生則往往存在一定的延后，研究也陸續(xù)觀察到不那么“突?！钡牡[—砂過渡。加拿大不列顛哥倫比亞省的Fraser河在很大程度上未受人類活動(dòng)影響，且鮮有證據(jù)表明下游遠(yuǎn)端的礫石積累過程受到明顯干擾[10]，正是研究這一類型礫—砂過渡的典型案例。

加拿大Fraser 河流域面積22.8×104km2[10]，是一條規(guī)模遠(yuǎn)大于Allt Dubhaig 的大型河流（其下游段見圖4）。從靠近不列顛哥倫比亞—阿爾伯塔省邊界的Robson 山脈起源，向下游經(jīng)1 375 km 流至Sand Heads 河口（圖5）。在距離河口486 km 處，F(xiàn)raser 河與Chilcotin 河交匯，其后流經(jīng)一系列基巖峽谷。這部分來自不列顛哥倫比亞內(nèi)部高原、山脈的基巖物質(zhì)作為下Fraser 河的物源，被運(yùn)往遠(yuǎn)端河段，下游段從峽谷的出口（距河口～185 km 處的Hope）開始（圖5）。Fraser 河的水流供給主要來自每年五六月的春季冰雪融水，礫—砂過渡附近的年平均流量為～3 400 m3/s，洪 水 時(shí) 期 可 以 達(dá) 到～10 000 m3/s。Vendittiet al.[10]根據(jù)既有的分析和計(jì)算，將下Fraser河的礫石通量估計(jì)在10×104m3/a左右。

Vendittiet al.[10]將Fraser 河的礫—砂過渡終點(diǎn)確定在RK100.5 處（表示距河口Sand Heads 上游100.5 km）。這里與小型河流類似，出現(xiàn)一個(gè)終止的礫石前緣：不到2 km 的距離內(nèi)，河床中值粒徑從10 mm 左右的礫石減小為不足1 mm 的砂（圖5）。RK100.5下游的大部分樣品粒徑在砂尺寸，僅有不到10%的粉砂或礫石存在。與小型河流不同的是，F(xiàn)raser 河在“突?！钡腉ST（RK102～100.5）下游，還分布著長(zhǎng)約52 km 的“擴(kuò)散延伸段”（diffuse extension,RK100.5～48.5，結(jié)束于Pitt 河匯流處，其下游開始三角洲分叉，圖4），其中四分之一的樣品仍存在少量礫石，由于在粗糙度較低的砂層上流動(dòng)性增強(qiáng)，它們以斑塊（patch）的形式出現(xiàn)在這部分砂層上。此外，GST 中觀察到河床表面的沉積物結(jié)構(gòu)從碎屑支撐轉(zhuǎn)向基質(zhì)支撐（RK101.5），砂本存在于礫石框架孔隙中，含量增多后轉(zhuǎn)為河床沉積的一部分。

圖3 Allt Dubhaig 礫—砂過渡中的河床變化（修改自Smith et al.[4]）Fig.3 Bed variation in gravel-sand transition, Allt Dubhaig(Scotland) (modified from Smith et al.[4])

圖4 Fraser 下游段流域圖（修改自Venditti et al.[10]）Fig.4 Watershed in lower Fraser (British Columbia) (modified from Venditti et al.[10])

圖5 Fraser 及下游示意圖（a，b）與其粒度、比降變化（c，d）（修改自Venditti et al.[10]）Fig.5 (a,b) Sketch of Fraser (British Columbia) and lower region; (c,d) Downstream variation of grain size and slope(modified from Venditti et al.[10])

除粒徑突變外，F(xiàn)raser河GST同樣伴隨著比降的顯著變化（圖5）。水面比降在RK102處驟降，基本意味著礫—砂過渡的開始。礫—砂過渡完成后，河床比降才從礫石質(zhì)河床中的0.043%下降為砂質(zhì)河床中的0.010%（RK90處）。

1.3 橫向物質(zhì)干擾下的河流礫—砂過渡

與Allt Dubhaig、Fraser 河不同，還存在一種被大量橫向物質(zhì)干擾的河流GST。河流搬運(yùn)沉積物的過程由水流與沉積供應(yīng)共同決定，影響著河道形態(tài)發(fā)育。當(dāng)流量條件未發(fā)生明顯變化時(shí)，沉積物荷載的過量輸入可能導(dǎo)致河道不穩(wěn)定并發(fā)生轉(zhuǎn)變[11]。值得注意的是，河道縱剖面（沿河長(zhǎng)方向，指示地形變化轉(zhuǎn)折）幾乎無法被改變，這需要極大量物質(zhì)進(jìn)行重新分布。因此，這種類型所關(guān)注的礫—砂過渡只在極少數(shù)條件下才會(huì)發(fā)生。此時(shí)，Sternberg 沿程細(xì)化定律在粒徑還未減小至中粗卵礫時(shí)便被“提前打斷”。

澳大利亞塔斯馬尼亞島東北部的Ringarooma 河正是一個(gè)典型的例子，它在接收了超過4×107m3（相當(dāng)于下Fraser 河礫石通量的400 倍）采礦廢料后，出現(xiàn)礫—砂過渡。Ringarooma 盆地作為砂錫礦的主要來源，在過去一百年中被持續(xù)開采[9]。采礦輸入的廢料大多為1～2 mm，比自然河床物質(zhì)（平均粒徑為30～35 mm）小得多。如此龐大的物質(zhì)量輸入后，Ringarooma河先是向下游加積（河流在物質(zhì)搬運(yùn)過程中的沉積），采礦停止后又以相同的模式逐漸向下游退化（河床表面的粗化）。

Ringarooma河的情況較特殊，且其礫—砂過渡附近正在自然退化，相對(duì)缺乏GST特征的描述。GST大約在5 km 范圍內(nèi)：Herrick-Pioneer 之間（源頭下游65 km 處）發(fā)生35～2 mm 的中值粒徑突變（圖6）。從源頭下游距離來看，65 km 上游段為礫石主導(dǎo)的河床[9]：更上游部分的30 km未被采礦干擾，保留原始河床；30～65 km段的礫石，可能來自充分退化后重新暴露的原始河床或者較粗組分物質(zhì)的滯后沉積。65 km下游段則表現(xiàn)為砂質(zhì)河床，在較大程度上仍受采礦廢料的影響。65 km 下游是否會(huì)在自然條件下表現(xiàn)為礫石質(zhì)河床仍然未知，但上游沉積物粒徑曲線的外推符合典型的指數(shù)型變化（圖6）；擬合方程顯示，粒徑在GST 前后的細(xì)化系數(shù)接近（分別為0.010和0.009），這與水力條件未變的事實(shí)相符：下游的確還應(yīng)該自然存在一定距離的礫石質(zhì)河床。至于河道比降變化，Herrick 之前單位河道長(zhǎng)度的高程變化較大，進(jìn)入Pioneer 下游后，河道高程變化減緩，但其與粒徑突變的關(guān)系暫時(shí)還不清楚。

圖6 Ringarooma 河床中值粒徑的下游變化（修改自Knighton[11]）擬合方程相關(guān)系數(shù)可信度為95%Fig.6 Downstream variation of bed median particle size in Ringarooma (Tasmania, Australia) (modified from Knighton[11])

2 礫—砂過渡的機(jī)理分析

調(diào)查不同類型河流GST 的基本特征后，研究者進(jìn)而關(guān)注這種粒徑突變的機(jī)理。礫—砂過渡意味著沉積物在某一粒徑區(qū)間的缺乏，該粒徑空缺（grain size gap）是本身就存在，還是部分水力條件或沉積供應(yīng)改變的結(jié)果？直觀上，礫—砂過渡的出現(xiàn)與外力作用存在一定關(guān)聯(lián)，如坡折和過量的沉積輸入；與此同時(shí)，世界范圍內(nèi)河流穩(wěn)定發(fā)生2～10 mm 這一粒徑范圍的河床物質(zhì)缺乏（圖7），暗示著GST與河流系統(tǒng)搬運(yùn)沉積物時(shí)的某些固有規(guī)律不無關(guān)系。在上述可能因素的控制下，河流通過若干過程進(jìn)一步改變河床表面的礫砂流動(dòng)性，完成礫—砂過渡。

2.1 為什么會(huì)發(fā)生礫—砂過渡的粒徑突變？

2.1.1 磨損假說

如前所述，河流物質(zhì)在下游搬運(yùn)中會(huì)由于磨損和分選的共同作用而逐漸變細(xì)。磨損在粒徑突變中的作用最先引起研究者注意，GST成因的磨損假說由此產(chǎn)生。Smithet al.[4]指出，一些流量較大（達(dá)3 000～5 000 m3/s）的大型河流中，某些性質(zhì)的基巖物質(zhì)易破碎，且在2～4 mm 左右有優(yōu)先分解的趨勢(shì)，產(chǎn)生大量砂級(jí)的磨損產(chǎn)物；隨著高能的大尺度河流向下游進(jìn)入低能環(huán)境，懸浮攜帶的砂會(huì)在某個(gè)時(shí)刻無法繼續(xù)被搬運(yùn)，大量沉積并完成礫—砂過渡，這也往往導(dǎo)致河道比降的進(jìn)一步降低（圖7）。

盡管磨損假說很好地解釋了河流下游搬運(yùn)過程中的粒徑突變，進(jìn)一步回答了粒徑空缺存在于2～10 mm 的原因，也取得了一些理論、實(shí)驗(yàn)工作支持；隨著后續(xù)工作的展開，這一機(jī)制實(shí)際上的作用強(qiáng)度[8]及普適性[7]遭到質(zhì)疑。目前，主流觀點(diǎn)認(rèn)為磨損在GST 中不占主導(dǎo)地位，但對(duì)前者及河流沉積物的沿程細(xì)化還是起一定作用。

2.1.2 外力導(dǎo)致的坡折

若磨損假說的重點(diǎn)在于粒徑空缺物質(zhì)原本就不存在或搬運(yùn)中不存在，另一種思路則關(guān)注河流搬運(yùn)沉積物能力的突然轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變可能源于河流搬運(yùn)能力（competency）或搬運(yùn)量（capacity）的下降。前者取決于流速，指河流能夠搬運(yùn)的最粗顆粒；后者取決于流速和流量（后者比重更大），指河流搬運(yùn)物質(zhì)的最大量。上述思路給出了礫—砂過渡成因的另一種解釋：坡折導(dǎo)致河流搬運(yùn)能力下降。

Allt Dubhaig 的河流礫—砂過渡中，水電導(dǎo)流閘的建立將水面抬高1 m。與之類似，由外力回水（backwater）[12]或構(gòu)造作用[6,13-14]誘發(fā)的坡折，會(huì)導(dǎo)致局部基準(zhǔn)面改變。此時(shí)水面比降降低，河流搬運(yùn)能力下降，碎屑物質(zhì)沉積；河流不得不減少搬運(yùn)荷載來降低河道比降，同時(shí)選擇性沉積來減小粒度，以適應(yīng)水面比降的突然減?。▓D7）。隨后的河流反饋機(jī)制會(huì)大大降低礫石流動(dòng)性，只有砂可移動(dòng)。其結(jié)果是大量砂被運(yùn)往下游，河流在短距離內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆纳皩?，粒度發(fā)生突變[4]。

圖7 世界范圍內(nèi)單線河流普遍存在的粒徑空缺（a，修改自Lamb et al.[7]）及粒徑突變的三種成因解釋（b，據(jù)Smith et al.[4]）Fig.7 (a) Widespread grain-size gap in single-thread rivers worldwide (modfied from Lamb et al.[7]);(b) Three possible causes of the abrupt size change (after Smith et al.[4])

坡折與GST 的相關(guān)性已有大量理論[4]、實(shí)驗(yàn)[15]和野外證據(jù)支持[4,6]。Vendittiet al.[10]進(jìn)一步指出，隨著礫—砂過渡發(fā)育成熟，礫石段中礫石的堆積總會(huì)誘使河道比降增加，在礫石質(zhì)河床與砂質(zhì)河床之間形成強(qiáng)烈的河道比降對(duì)比。因此，盡管存在部分不含坡折的異常GST，坡折基本可被視為河流礫—砂過渡發(fā)生的必然條件。

2.1.3 橫向物質(zhì)輸入的干擾

除搬運(yùn)能力的變化外，當(dāng)橫向大量輸入沉積物時(shí)，河流搬運(yùn)量到達(dá)極限，也會(huì)發(fā)生礫—砂過渡。Ringarooma河作為典型案例，在接收大量遠(yuǎn)遠(yuǎn)細(xì)于自然河床物質(zhì)的采礦廢料后，發(fā)生礫—砂過渡。這一作用機(jī)制較為簡(jiǎn)單，異常多的砂被供應(yīng)到河流中時(shí)，會(huì)阻塞并掩埋剩余的礫石，造成礫石流動(dòng)性的明顯降低。由于砂的數(shù)量過多，很難被搬運(yùn)，也會(huì)在短距離內(nèi)沉積，直到河床快速轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆纳皩覽4]（圖7）。

由此，對(duì)于部分沒有坡折的異常GST，研究者認(rèn)為這是河流對(duì)額外荷載與其整體較低的粒度進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。值得注意的是，橫向物質(zhì)干擾下的GST需要一定量的額外砂輸入才能實(shí)現(xiàn)，而大量橫向物質(zhì)輸入不僅僅來源于人類活動(dòng)的干擾（如長(zhǎng)江的三峽工程，其下游河段因修建大壩后侵蝕加強(qiáng)而觀察到突然的GST[16]，還可能在自然條件下發(fā)生（如河道兩岸在冰消期釋放大量末次間冰期的冰磧物[17]）。

2.2 粒徑突變?yōu)槭裁窗l(fā)生在2～10 mm左右？

以上三種分析，均可以解釋河流礫—砂過渡的發(fā)生。但是，這些控制因素與粒度突變的關(guān)系往往依托于已有詳細(xì)研究的典型GST，并對(duì)其中某些特征現(xiàn)象展開討論，在解釋成因時(shí)都有一定局限性，對(duì)于可能出現(xiàn)的其他類型GST沒有太多指導(dǎo)性。而除磨損假說稍有涉及外，上述因素均沒有對(duì)粒度突變?yōu)槭裁捶€(wěn)固地發(fā)生在2～10 mm范圍這一問題給出合理的解釋。

與此同時(shí)，河流礫—砂過渡的核心在于礫砂流動(dòng)性的顯著差異，即砂相對(duì)流動(dòng)性的增大。河流受顆粒粒徑等因素影響，本就以不同的荷載形式搬運(yùn)沉積物，造成礫砂流動(dòng)性的不同，分選等過程更是在GST中不斷加劇其顯著性。因此，除前述的外顯控制因素外，有研究嘗試從河流內(nèi)部固有的搬運(yùn)規(guī)律出發(fā)，對(duì)GST 發(fā)生機(jī)理進(jìn)行探討，主要圍繞推移質(zhì)、懸浮質(zhì)與河床剪切應(yīng)力之間的非線性運(yùn)輸關(guān)系。

2.2.1 礫砂流動(dòng)性與分選等過程

在磨損解釋受到諸多質(zhì)疑后，F(xiàn)erguson[18]轉(zhuǎn)而考慮分選在礫—砂過渡中的重要性。首先，不同顆粒存在各自的臨界剪切應(yīng)力，當(dāng)河床的實(shí)際剪切應(yīng)力大于顆粒的臨界剪切應(yīng)力（critical shear stress）時(shí)，顆粒就能夠作為推移質(zhì)被搬運(yùn)，反之則無法移動(dòng)。而礫石的臨界剪切應(yīng)力比砂大，這意味著相同條件下礫石的流動(dòng)性小于砂。分選作用正可以通過尺寸性選擇，加大礫砂流動(dòng)性的差別，從而實(shí)現(xiàn)GST。

小型河流中，簡(jiǎn)單的一維分選就能較大程度地影響礫砂流動(dòng)性[8]。大型河流中，更大尺度的彎道分選對(duì)礫砂流動(dòng)性具有較大影響[6]：外彎中的礫石只能停滯在原地，內(nèi)彎中的砂被大量?jī)?yōu)先地運(yùn)往下游。GST 中還觀察到一種小尺度分選方式——斑塊效應(yīng)（patchiness effect）[4,19]。除Fraser 河“擴(kuò)散延伸段”上出現(xiàn)的礫石斑塊外，Allt Dubhaig的GST中，河床表面分布的礫、砂舌狀體也是斑塊效應(yīng)的野外實(shí)例，此時(shí)水流會(huì)通過河床剪切應(yīng)力的類似減小來適應(yīng)粗糙度的減小，也就意味著水面比降的降低，其后機(jī)理與坡折作用時(shí)類似。

不同于分選過程，礫砂流動(dòng)性產(chǎn)生顯著差異后，GST 中會(huì)普遍發(fā)生河床結(jié)構(gòu)的改變。Fraser 河GST存在相關(guān)報(bào)道[10]：當(dāng)河床含砂量大到礫石顆粒之間的孔隙無法再容納砂時(shí)，河床結(jié)構(gòu)會(huì)從顆粒支撐轉(zhuǎn)向基質(zhì)支撐。此時(shí)砂不再困在礫石孔隙中，礫石也不再形成聯(lián)鎖框架，兩者的臨界剪切應(yīng)力均降低。但砂的臨界剪應(yīng)力下降幅度更大，相對(duì)流動(dòng)性更強(qiáng)[6]。

2.2.2 推移質(zhì)的非線性運(yùn)輸

基于礫砂流動(dòng)性以及相關(guān)過程的認(rèn)識(shí)，研究者從河流內(nèi)部搬運(yùn)規(guī)律探尋礫—砂過渡的發(fā)生機(jī)理。由于礫砂在河流中通常被推移搬運(yùn)，F(xiàn)erguson[18]通過數(shù)值模擬，認(rèn)為正因?yàn)楹恿魍埔瀑|(zhì)尺寸與其臨界剪切應(yīng)力之間存在非線性關(guān)系，且在不同臨界情況下存在閾值（如中粗卵礫與極粗砂），才使得尺寸性分選在河床實(shí)際剪切應(yīng)力降低時(shí)被不斷加強(qiáng)。由此，礫砂流動(dòng)性的差別愈發(fā)加大，GST 發(fā)生：礫石相對(duì)流動(dòng)性減弱，更細(xì)的砂被選擇性地運(yùn)往下游，河床表面砂組分增加；河床結(jié)構(gòu)支撐模式轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步增強(qiáng)礫砂流動(dòng)性的差異，中粗卵礫幾乎無法向下游運(yùn)輸，大量砂被繼續(xù)搬運(yùn)。

2.2.3 懸浮質(zhì)的非線性運(yùn)輸

對(duì)推移質(zhì)搬運(yùn)過程影響分選作用的討論，一直主導(dǎo)著河流GST 成因中固有規(guī)律部分的研究。對(duì)Fraser河礫—砂過渡及其長(zhǎng)達(dá)52 km的擴(kuò)散延伸段進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)特征研究后[7,10,20]，把研究視線從推移質(zhì)轉(zhuǎn)往懸浮質(zhì)，提出了“沖刷荷載假說”（wash load hypothesis）。沖刷質(zhì)（wash load）指在河床上代表性極少的懸浮物質(zhì)，與懸浮質(zhì)的含義有部分重疊；而河床表面再懸浮物質(zhì)與推移質(zhì)被合稱為底負(fù)載（bed material load）。

沖刷假說認(rèn)為，滿岸流量下，在河床剪切速度約為0.1 m/s 時(shí)，河流以沖刷質(zhì)方式搬運(yùn)砂的能力會(huì)突然下降（圖8，其中D10近似指示砂組分）。這意味著當(dāng)剪切速度大于0.1 m/s 時(shí)，河流完全有能力以沖刷方式搬運(yùn)砂，河床物質(zhì)得以維持在礫石范圍內(nèi)；而一旦剪切速度小于0.1 m/s，河流以沖刷質(zhì)搬運(yùn)砂的能力急劇減小，砂從沖刷質(zhì)轉(zhuǎn)為底荷載，大量沉積在河床上。這一模型較好地與Fraser 河等其他野外實(shí)例吻合[7]。簡(jiǎn)而言之，該假說認(rèn)為GST是河床剪切速度下降到約0.1 m/s時(shí)的自然結(jié)果，無需坡折等外力作用。

世界范圍內(nèi)河床物質(zhì)在2～10 mm左右的普遍缺乏（圖8 顯示出D50大約在此范圍內(nèi)突變），是因?yàn)檫@部分物質(zhì)只存在于極其有限的水力條件。大型河流往往能在很長(zhǎng)的距離內(nèi)（如Fraser 河的RK102-RK48.5）維持合適的水力條件，因此其礫—砂過渡不那么突兀，且具有特殊的擴(kuò)散延伸段；小型河流和水槽實(shí)驗(yàn)中這一距離（Allt Dubhaig 中不到250 m）則相對(duì)較短，因而過渡顯得“突?！?。沖刷荷載假說很好地兼顧了對(duì)粒度突變和粒徑空缺的解釋。然而，盡管沖刷荷載假說兼容或平行于其他解釋（如坡折解釋和推移質(zhì)的非線性運(yùn)輸），還有待進(jìn)一步完善和檢驗(yàn)。

3 礫—砂過渡的其他特征

3.1 礫—砂過渡的空間普適性

GST具有空間普適性這一共識(shí)，從GST的一般性研究[4]正式開始后延續(xù)至今。幾乎所有的礫石質(zhì)河流都具有GST，它能在各種河型和環(huán)境中出現(xiàn)，包括小型穩(wěn)定曲流河與大型活躍辮狀河。目前，河流礫—砂過渡已陸續(xù)在世界各地（歐洲，蘇格蘭[4]、英格蘭[4]、意大利[14,21]、荷蘭[22]、德國(guó)[6]、羅馬尼亞[4]；亞洲，中國(guó)[16]、日本[3]、喜馬拉雅地區(qū)[23]；美洲，美國(guó)[12,19,24]、加拿大[5,10,25]、智利[26]；大洋洲，澳大利亞[9,27]、新西蘭[28]、巴布亞新幾內(nèi)亞[4]）河流中有報(bào)道，存在于廣泛的氣候與地質(zhì)條件中[25]。

盡管GST 在空間上具有普遍性，針對(duì)小型河流GST的報(bào)道更為集中，研究也更為成熟。這是因?yàn)榇笮秃恿魍哂袕?fù)雜的支流、泥沙輸入情況，難以在野外對(duì)其粒度及河床變化進(jìn)行追蹤。大型河流也往往受到人類活動(dòng)、大壩工程的強(qiáng)烈影響，其GST研究往往為了調(diào)研泥沙運(yùn)移、生態(tài)影響及河流管理工程[16,19,29]。

圖8 沖刷荷載假說示意圖（修改自Lamb et al.[7]）Fig.8 Illustration of wash-load hypothesis(modified from Lamb et al.[7])

3.2 礫—砂過渡前后的河流變化

作為礫石質(zhì)河流與砂質(zhì)河流間的閾值狀態(tài)，GST前后還往往伴隨著從辮狀河轉(zhuǎn)為曲流河的河型變化[13,28]，如Fraser 河（Sumas 山 脈 處，圖4）。Allt Dubhaig 在GST 前，河型也隨著比降的變化發(fā)生類似轉(zhuǎn)變[30]：上游區(qū)域主要是低彎曲度并有適度分叉的河道；中間區(qū)域是寬闊的曲流河道，伴隨穿過邊灘的活躍陡槽；再下游的河道較直，兩岸堤壩較少，伴隨沒入水中的邊灘和交替砂壩。

同時(shí)，GST 前后可以觀察到水力特征的明顯轉(zhuǎn)變。伴隨著Allt Dubhaig 的河型變化，其岸坡深度僅略微增加，平均的河床剪切應(yīng)力沿礫石河段從～100 Pa 下降到＜30 Pa，再下降到＜2 Pa（表2）[8]。下Fraser河水力特征的階段性變化在表2中也有詳細(xì)展示。

3.3 礫—砂過渡的位置穩(wěn)定性

綜上所述，研究者通過理論公式、現(xiàn)代河流觀測(cè)、水槽研究、數(shù)值模型等手段[31]，聚焦GST的基本特征、發(fā)生機(jī)理，并取得較大進(jìn)展時(shí)，也在重點(diǎn)關(guān)注河流中GST 的出現(xiàn)位置及其穩(wěn)定性[32-33]。自然條件下GST往往發(fā)生在外部施加回水效應(yīng)的上游（如構(gòu)造影響的地質(zhì)邊界[6,13]）、礫石供應(yīng)耗盡或兩者共同作用的地方[34]，這也與GST成因的研究結(jié)果不謀而合。

與此同時(shí)，河流中GST 的位置并非一成不變?，F(xiàn)代河流所觀察到的GST，只是人類歷史敘事尺度內(nèi)，河流系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。正如GST 可能在人類影響下發(fā)生一樣，短暫的構(gòu)造或氣候事件（如洪水、地震）[28,35]會(huì)顯著打破原先的平衡，通過水泥輸入的劇烈改變導(dǎo)致GST 的前進(jìn)（此時(shí)礫石前緣能被搬運(yùn)至更下游）。長(zhǎng)期的構(gòu)造、氣候變化（如海平面變化、構(gòu)造沉降、三角洲進(jìn)積等）[7,36-37]也會(huì)導(dǎo)致GST的遷移，使整個(gè)系統(tǒng)不斷趨于平衡。GST遷移相關(guān)的數(shù)值模型[38]能在一定程度上幫助預(yù)測(cè)河流對(duì)全球變暖后海平面上升的響應(yīng)[39]。

4 礫—砂過渡的研究意義與展望

礫—砂過渡是河流演化中的特殊沉積現(xiàn)象，備受河流研究學(xué)者的關(guān)注，在河流動(dòng)力學(xué)、地貌學(xué)、沉積學(xué)上都非常重要。GST 研究對(duì)人類生存和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也有重大意義，它作為河流的閾值狀態(tài)，能調(diào)整泥沙運(yùn)移情況，影響上下游的河道穩(wěn)定性和河漫灘再循環(huán)速率[40]。首先，對(duì)于地震、風(fēng)暴等極端事件帶來的大量泥沙輸入，河流系統(tǒng)的反饋會(huì)直接影響人口稠密的大型河流平原地區(qū)[41]，而GST往往作為河流的沖裂節(jié)點(diǎn)[35]，在短時(shí)間尺度上具有極大的洪水風(fēng)險(xiǎn)[42]，還會(huì)隨著不同事件發(fā)生遷移。因此，有必要深入理解GST 行為及其前后的河道活躍程度變化[36]。此外，對(duì)于受人類工程影響較大的河流，不管是出于評(píng)估泥沙淤積風(fēng)險(xiǎn)的目的對(duì)下游沉積物通量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，還是為滿足航運(yùn)需求進(jìn)行河流管理，都必須借助GST進(jìn)一步理解沉積物的數(shù)量、類型、來源、運(yùn)輸方式和命運(yùn)[16,43]。

GST 對(duì)沉積環(huán)境解譯和物源研究也具有指示意義。首先，類似于現(xiàn)代河流GST研究，沉積記錄中巖相邊界的遷移與沉積環(huán)境緊密相關(guān)[37]，前陸盆地沉積巨旋回兩個(gè)主要單元間的粒度快速變化也常用鄰近山脈的構(gòu)造活動(dòng)或氣候變化解釋[44]。而地層記錄中的粒度變化是最容易識(shí)別的物理巖性特征之一。因此，現(xiàn)代GST研究獲得的基本認(rèn)識(shí)，能反過來幫助解譯古沉積地層中的環(huán)境變化。此外，GST作為礫砂質(zhì)河流、不同沉積體系的閾值狀態(tài)，在其前后均觀察到河型、水力特征、河道穩(wěn)定性[45]的顯著變化。因此，對(duì)于具有一定粒徑特征的古代沉積相，可利用GST的近源性[35,41]約束其物源遠(yuǎn)近。我們注意到，南京地區(qū)新生代雨花臺(tái)組礫石層，因出產(chǎn)漂亮的雨花石礫石而聞名，前人曾通過詳細(xì)的沉積學(xué)研究將其定為礫質(zhì)辮狀河相[46]，由此得出近源解釋。根據(jù)雨花臺(tái)組礫石的初步統(tǒng)計(jì)，其整體中值粒徑達(dá)20 mm，顯然屬于河流GST之前的河流沉積，也符合近源沉積的解釋。結(jié)合現(xiàn)代長(zhǎng)江中下游地區(qū)的流域、構(gòu)造格局[47]，雨花臺(tái)組礫石層并非遠(yuǎn)距離搬運(yùn)而來的物質(zhì)，應(yīng)源自南京附近地區(qū)的近源辮狀河沉積。這些都需要更詳細(xì)的研究。

迄今為止，隨著研究的日趨成熟，現(xiàn)代河流觀測(cè)方面，GST 研究區(qū)域從小型高地溪流（河道的泥沙供給與山坡的泥沙輸送緊密相關(guān)）移向研究難度更大的大型沖積河道[48]。GST發(fā)生機(jī)理上，也從直觀上更一目了然的外因解釋[49]，轉(zhuǎn)向從河流內(nèi)部搬運(yùn)規(guī)律出發(fā)的GST 自生性研究[50-51]。除水槽實(shí)驗(yàn)、野外觀測(cè)、數(shù)值模擬、理論公式等傳統(tǒng)GST研究手段外，衛(wèi)星圖像分析[36,40]以及新型床面結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)[52-53]分別在GST位置穩(wěn)定性和野外GST動(dòng)力學(xué)研究中受到青睞。此外，GST在低沉積供應(yīng)環(huán)境中的缺失[54-55]，以及近期在安第斯流域內(nèi)觀測(cè)到的，基巖—礫—砂、基巖—砂過渡盆地互相穿插的特別現(xiàn)象[40]，意味著其研究還有亟待探明的前進(jìn)方向。

致謝 感謝賴文博士在論文準(zhǔn)備、撰寫、修改期間的有益討論。