砾石河床河流中沉积物垂向分选机制及其对河道稳定性的影响——基于东溪长期观测的深入分析

《Water Resources Research》：Vertical Sorting of Bed Material in Gravel-Bed Streams-- Insights From Long-Term Observations in East Creek, British Columbia

本文通过长达15年对不列颠哥伦比亚省东溪近1500颗磁性示踪剂的观测，系统揭示了砾石河床中沉积物垂向分选规律。研究发现颗粒埋藏深度与粒径大小和洪水强度呈正相关，并首次量化了埋深与颗粒迁移性、滞留时间及运移距离的关联性。特别指出2007年特大洪水事件造成的垂向分选格局具有长期持续性，即便后续发生多次泥沙起动事件仍保持稳定。这些发现为改进基于示踪剂的泥沙输移率（sediment transport rates）和河道稳定性预测模型提供了关键参数，对河流地貌演化研究具有重要理论价值。

　　

研究背景与意义

河流沉积物的垂向分选作用是控制河道稳定性和泥沙输移速率的关键因素。传统示踪剂研究虽能获取泥沙运移特征参数（如路径长度、临界剪切应力、分散性等），但对垂向混合过程的认知仍存在空白。局部冲刷和填充会动态改变示踪剂在河床中的埋藏深度，这种垂向混合效应会导致估算的泥沙虚拟速度逐渐减慢，进而影响下游通量的准确预测。

研究区域与方法

本研究选取加拿大不列颠哥伦比亚省东溪流域作为研究区，该流域为典型的小型砾石河床山区河流，集水面积1.4 km²，年均降水量达2100 mm。研究河段包含上游84米急流段（坡度0.027）和下游121米浅滩-深潭段（坡度0.018），床面中值粒径分别为55 mm和49 mm，河床呈现明显的装甲化特征（装甲比1.8-2.3）。

研究团队在2003年布设了1465颗磁性示踪剂（粒径范围8-128 mm），并于2004-2018年间进行年度追踪调查。通过总站仪测量颗粒位置和埋深，结合数字高程模型（DEM）分析地形变化，采用超额水流功率（Ω_ex = ρgS∫_t(Q>Qc)(Q-Qc)dt）量化水文驱动条件。埋深定义为颗粒底部至当地床面的垂直距离，部分覆盖颗粒按b轴尺寸的50%估算。

关键发现

1. 1.
   粒径对埋深的分选效应
   数据显示颗粒埋深与粒径呈负相关关系（图5）。大于64 mm的粗颗粒多分布于床面或活动层上部，而小于16 mm的细颗粒倾向于深埋（平均埋深0.02-0.1 m）。这种分选格局与河床装甲化特征高度吻合，示踪剂在活动层顶部的粒径中值从初始14 mm逐渐调整至44 mm（急流段）和32 mm（浅滩-深潭段），表明垂向分选过程强化了床面装甲结构。
2. 2.
   洪水事件的主导作用
   2007年特大洪水（峰值流量4.55 m³/s，重现期125年）显著改变了埋深分布格局（图6）。事件后所有粒径组的平均埋深均达到峰值，且此分选特征在后续11年间保持稳定。埋深分布符合指数衰减规律，混合参数k与季节超额水流功率呈负相关（k=0.3-0.5 m^-1），表明高能量洪水促进更深层混合。经验关系式埋深_平均 = 0.02Ω_ex^0.16（R²=0.31）虽相关性较弱，但为预测事件尺度埋深提供了依据。
3. 3.
   局部地形变化的控制机制
   除流量因素外，埋深与局部冲淤强度密切相关（图9-10）。典型年份（如2013年）数据显示，净淤积区域（填高>0）的颗粒埋深显著大于冲刷区，埋深随淤积厚度增加而增大。但2007年极端事件中此规律被打破，表明特大洪水可通过全面床面重构削弱局部地形控制效应。值得注意的是，埋深分布与河道地貌单元（浅滩、深潭等）无显著关联，说明垂向混合主要受米级尺度冲淤过程驱动。
4. 4.
   埋深对运移行为的调控
   埋深显著影响颗粒动力学特征（图12-15）。整体移动概率随埋深增加从表层50%降至30 cm深处的10%；平均运移距离与埋深呈负相关，深层颗粒的运移距离不足表层的1/3。滞留时间分析显示，表层颗粒中位滞留时间约150小时，而30 cm埋深颗粒可达400小时以上。特别值得注意的是，被埋藏颗粒表现出持续埋藏倾向（图14），同一颗粒在连续年份保持埋藏状态的比例高达60%-80%，这种"埋藏惯性"效应是导致泥沙运移迟滞现象的重要原因。

讨论与创新价值

本研究首次通过长期观测证实了极端洪水事件对垂向分选格局的长期塑造作用。东溪低泥沙供给、稳定河型的特征，使其垂向混合强度（k值0.2-0.5 m^-1）低于高动态河流（如圣胡安河k值达0.5-1.0 m^-1）。埋深与运移参数的量化关系为随机游走模型提供了关键参数，尤其是埋藏惯性效应的发现，对解释泥沙运移的幂律分布现象具有重要理论意义。

研究结论

砾石河床中沉积物垂向分选受粒径分异和洪水能量的双重控制，且极端事件可产生持续数十年的分选格局。埋深通过降低移动概率、缩短运移距离和延长滞留时间三维度影响泥沙运移，其中埋藏惯性效应是调控长期运移行为的关键机制。这些发现为改进基于示踪剂的泥沙通量估算方法和河道稳定性评估提供了理论支撑，对河流地貌过程的预测建模具有重要应用价值。