2018, Vol.38
冲积河流的一个普遍现象是沉积物粒径顺流变小[1~3]。沉积物粒径顺流变小是河道平面形态与河床坡度变化的一个主要原因[4]，连同这些变化，流域植被和生态环境也受到重大影响[5]。此外，盆地沉积地层记录了源区山体的构造活动与气候变化信号[6]，近年来出现了一系列运用沉积地层中的粒径变化来反推盆地周缘山体过去构造与气候变化的研究[7~10]，此类研究为人们了解过去的环境变化提供了新的思路。而这些研究的基础是河流沉积物粒径变化的过程与原因，近30年来，数值模拟与水槽实验大量用于河流沉积物粒径变化特征的研究[5, 11~13]，极大地提高了人们对河流沉积物搬运过程的认识。但水力学参数在古沉积地层中难以获取[8]，目前大多数有关河流沉积物搬运与粒径变化的研究仍以现代河流作为研究对象[3, 14~17]，在这些研究当中，大多都基于水力学数值公式对其进行解释[3, 14, 17]，并取得了一定的进展。本文在综述前人有关河流沉积物分选与粒径变化的理论的基础之上，以祁连山北麓现代梨园河为例，运用这些理论对梨园河的水力学参数与沉积物粒径数据进行分析与讨论，旨在对河流沉积物粒径向下游如何变化及其影响因素能有更深的认识。
1 研究背景关于冲积河流沉积物粒径顺流变小，学术界一直存在两种解释：1)磨损，粗颗粒通过表面摩擦与破裂变成细颗粒[18~20]；2)选择性沉积(或分选)，沉积物在向下游的搬运过程中，粗颗粒优先沉积，细颗粒优先搬运[5, 7, 20]。研究早期，磨损在两种解释中占有更为重要的地位[5]。对于磨损造成的河流沉积物粒径变小，主要证据是密度相似、岩性不同的沉积物颗粒向下游变小的速率不一样[21~22]。虽然在一些地质环境中磨损作用显得很重要[19~20]，但野外观测到的河流沉积物粒径变小速率通常要比轧机实验中单独由磨损造成的相应速率高出几个数量级，且这种差异随着沉积速率的增加而不断扩大[23]。这显示磨损可能不是造成河流沉积物粒径变小的主要原因。此外，Rice[15]在研究沉积物岩性对河流沉积物粒径变小速率的影响时得到，不同河段之间岩性相同的沉积物，其粒径变小速率的差异很大；而同一河段中岩性不同的沉积物，其粒径变小速率的差异却很小。该研究结果也指出磨损(岩性代表着沉积物的抗磨损强度)对河流沉积物粒径变小的作用很小。因此，目前大多数学者认为选择性沉积才是造成河流沉积物粒径向下游变小的主导因素[3, 12~13, 15~16]。
如果忽略磨损作用，则河流沉积物粒径向下游的变化相当于把供给沉积物粒径的总变化转化成各河段沉积物粒径的局部变化以及全河段沉积物粒径向下游的变化[12~13]。这种情形下，河流沉积物粒径向下游变小的速率则完全取决于水力分选作用的强弱。Duller等[7]曾对水力分选作用与河流沉积物粒径向下游变小的关系提出过两种绝对的假设：第一种是假设无水力分选过程(无水力分选作用即无选择性沉积作用)，在此假设条件下，所有河段沉积的物质中各粒径组分的比例都跟供给沉积物中不同粒径组分的比例相同，那么在此情形下，河流沉积物粒径不会出现任何向下游变小的趋向；第二种是假设水力分选作用极其强大(选择性沉积过程显著)，足以使每一河段仅沉积一种粒径的沉积物，那么在这种情况下，河流沉积物粒径向下游会显著地变小。由此可见，河流沉积物粒径向下游变小的速率与水力分选作用呈正相关关系，随水力分选作用的增强而加大。这种关系被Robinson和Slingerland[3]、Duller等[7]的数值模拟所证实。
大量的实验数据与野外观察表明，选择性沉积并非细颗粒比粗颗粒容易搬运这么简单[5, 24~25]。因为现实中多数河流的河床沉积物都不是均一的，而是由不同粒径的沉积物混合组成。在搬运过程中，不同粒径的沉积物之间会发生相互作用：粗颗粒由于在混合沉积物中暴露得更多，所受水流的拖拽力更大，所以其运动性比在均一沉积物中的更强；细颗粒由于在混合沉积物中隐藏得更多，所受水流的拖拽力更小，所以其运动性比在均一沉积物中的更弱[24~25]。这种作用被统称为“隐藏效应”(hiding effects)。在混合沉积物中，“隐藏效应”会减小不同粒径颗粒之间的起动力差异，在一定水力条件下，它能使所有不同粗细的颗粒以相同的起动力起动[26]。Robinson和Slingerland[3]的数值模拟显示，“隐藏效应”还会降低河流沉积物粒径向下游变小的速率。这是因为“隐藏效应”越强，则由不同粒径的颗粒组成的沉积物起动时所需的临界剪切应力的分布范围越窄，导致不同大小的颗粒同时沉积，水力对沉积物的分选作用就会越弱[3]。
室内水槽与野外冲积河流的一个较普遍的现象是河床向下游发生由砾质向砂质的突然过渡[5, 27~31]，这在地貌上最重要的标志是河床砂含量系统地向下游增加与河床比降系统的向下游减小[31]。这一显著的地貌现象虽然得到了一些关注[28~30]，但直到现在，在对该现象的解释上仍旧缺乏完整的理论体系[31]。根据Ferguson[28]与Miller等[31]的假设，河床由砾质河床向砂质河床的过渡在一定程度上受控于砾石与砂在临界起动力上发生的分化(当砂含量增加时)。这种分化可由Wilcock和Kenworthy[17]的二元搬运模型进行论证。在该模型中，砾石与砂起动所需的临界希尔兹剪切应力(τci*)用经验公式(1)求取：
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(1) |
其中，FS表示砂含量，i代表砾石或砂，(τci*)1为τci*当FS=1时的值，(τci*)0为τci*当FS=0时的值。公式(1)表明τci*随FS的增加而递减，但砂起动所需的临界希尔兹剪切应力的减小要比砾石的更快，这就造成砾石与砂在临界起动力上发生分化。
对于冲积河流，Strong等[32]、Paola与Martin[33]以实验数据作为支撑，应用沉积物质量平衡(sediment mass balance)分析法，相继得出河流沉积物体积的空间分配是控制河流沉积体内部结构/架构(fluvial architecture)的主要因素的结论。Strong等[32]还明确指出，构造沉降与初始沉积物供给等因素都是外界因素，主要通过改变河流沉积的具体分布，间接地对沉积结构施加影响。Fedele与Paola[13]则更进一步地指出，在供给沉积物的粒径分布范围一定的情形之下，河流沉积物粒径向下游变小的速率受控于河流沉积速率，沉积速率越大粒径变小速率越高。Robinson和Slingerland[3]、Duller等[7]的数值模拟结果显示，河流沉积物粒径顺流变小的速率随构造沉降速率的增大而增大，而随初始沉积物供给速率的增大而减小。这是因为较快的构造沉降导致沉积物可容纳空间快速增加，会形成较高的沉积速率[7~8, 16]；较大的初始沉积物供给速率，在沉降速率不变的情况下，会使沉积物发生进积[16]。此外，Duller等[7]还认为供给沉积物粒径分布范围的扩大也会导致河流沉积物粒径顺流变小速率的增加。
河道水力学参数也会对河流沉积物粒径的变化造成影响。Robinson和Slingerland[3]的数值实验表明，在水流量不变的情况下，更小的河宽会产生更大的河深与河床剪切应力，造成更小的沉积速率与河床比降减小速率，最终使河流沉积物粒径向下游变小的速率减小。对于一条自然河流，合理获取水力学参数与沉积物粒径数据是研究沉积物粒径向下游变化的前提，如何结合不同的理论对其进行解释则是研究的关键。
2 研究区概况梨园河发源于祁连山北坡中段(图 1)，是黑河的一级支流，全长169 km。在梨园村附近，年径流量约2.37×108 m3[34]，径流主要由冰雪融水与降雨补给。流域最高海拔约4600 m，最低约1390 m。流域最低处位于梨园河与黑河的交汇处野沟湾(图 2)。肃南县城以上为梨园河上游，也称为隆畅河；肃南县城至梨园村为梨园河中游；梨园村以下为下游，也称为大沙河，最后于野沟湾汇入黑河(图 1和2)。梨园河上游发育多条支流，梨园村以上区域的集水面积为2240 km2。流域气候为大陆性干旱气候，多年平均降雨量为161 mm，蒸发量为2338 mm[34]。降雨分布不均匀，雨季集中于6~9月。梨园河上游与中游山区广泛分布着震旦系、白垩系与第三系的地层，下游盆地区则发育第四系的冲洪积倾斜平原。榆木山以南山区，新生代以来的构造活动强烈，山区与山前盆地为大型逆冲断层所分隔[35](图 1)。榆木山以南为梨园河的汇流区，河流主要流经于抬升的基岩山地中，河道为较狭窄的基岩河道，河流堆积较弱，以侵蚀为主，并发育多级河流阶地[36]；榆木山以北，梨园河进入山前沉积盆地，该区没有支流汇入，河流以堆积为主，发育较宽阔的冲积河道。地貌上，河流在山前发育冲积扇，再向下游发育冲积平原。本研究主要集中在榆木山以北的冲积河道区域，该区域可以排除支流对干流的影响，也可以忽略流量变化的因素，使得分析更加集中与简单。
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图 1 研究区地理位置 Fig. 1 Geographic location of the studied region |
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图 2 数据采集点的分布 Fig. 2 The distribution of data sampling sites |
野外工作主要包括对河道的水力学参数(河宽、河深和河床比降)与河床沉积物粒径测量。测量点位于现代活动河床，从梨园村开始，沿梨园河下游河道(图 2)，每隔约2~3 km的距离选择一个测量点，共计20个(表 1)。河宽与河深是指齐岸流时期的河宽与河深。鉴定齐岸流时期河水面高度的方法是寻找两侧河岸上新近洪水沉积物覆盖的最高点[27]，在此高度之下，河岸不生长植物或只生长一年生的植物。对于河宽较小的河段，利用测绳测量其齐岸流河宽，在附近的河道横断面上重复以上的测量3次，取其平均值得到河宽。同时，在河床不同部位测量3个点的河深，取平均值得到齐岸流平均河深。对于河宽较大的河段，我们选择用差分GPS测量河宽与河深，其水平与垂直误差均在10 cm以下，完全满足我们的测量要求。河床纵剖面也利用差分GPS进行测量，即以50 m为水平间隔沿河流上下游连续测量不同河段的河床高程，然后得到整条河段的河床纵剖面。河床比降(S)取测量点上下游2 km之内的平均河床比降为该点的河床比降。
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表 1 梨园河现代河床采样点位置、沉积物类型与水力学参数 Table 1 Location, lithology of modern riverbed samples from the Liyuan River and hydraulic parameter for sample locations |
沉积物粒径测量方法为：在测量点选择一个较为平整的河床表面，用测绳在该表面框出一个1 m2的方格，然后在方格内均匀地挖掘出一定深度的所有沉积物(深度一般选择为最大粒径的半径深度)，利用筛分法[37]测量砾石的粒径。根据粒级大小对沉积物进行粒径组划分，粒径为0~2 mm的记为砂，﹥2 mm的记为砾石，砾石划分为以下粒径组(单位：mm)：2. 0~2.5、2. 5~5. 0、5~10、10~20、20~32、32~64、64~128、128~256、256~512与512~1024。用不同目径的筛子人工地对沉积物进行筛选，然后用电子秤(量程50 kg，精确度为10 g)对各组沉积物分别称重，得到各组沉积物的质量，各组沉积物质量的总和为总的沉积物质量。
3.2 野外数据的处理与结果由于砾石在搬运时表现为推移质(bedload)运动，是梨园河研究河段河床沉积物的主要组成，本文主要用砾石组分来分析梨园河沉积物粒径的变化，砂含量作为砾石搬运分析的一个参考值。根据砾石搬运分析所用到的物理量，本文主要对河床水力学参数与沉积物粒径数据进行整理与计算(表 1与表 2)。由于我们测量得到的是一个粒径组分的质量，为了分析方便，我们利用一个特征粒径ϕ(Di)：ϕ(Di)=[ϕ(Db，i)+ϕ(Db，i+1)]/2，来代表第i组砾石的粒径大小[将mm转化为ϕ值，ϕ(Di)=-log2Di]，ϕ(Db，i)与ϕ(Db，i+1)分别为该组砾石粒径的上下限。
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表 2 梨园河现代河床沉积物粒径数据 Table 2 Data of grain-size of modern riverbed samples from the Liyuan River |
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图 3 (a)、(b)与(c)梨园河河床沉积物粒径的频率分布曲线，(d)梨园河河床沉积物粒径的频率累积曲线(以37 km处粒径数据为例) Fig. 3 The frequency distribution curve(a~c)and the probability accumulate curve (d)(take grain size data at 37 km as an example)of river-bed sediment grain-size of the Liyuan River |
每组砾石的粒径以特征粒径为代表，根据各组砾石所占总的砾石的质量百分比可以得到河床沉积物粒径的频率分布曲线(图 3a、3b和3c)。根据各组砾石质量累积频率绘制出河床沉积物样品的频率累积曲线，并计算5 %、16 %、50 %、84 %、和95 %对应的ϕ值(图 3d)，然后按照Folk和Ward[38]公式计算标准偏差(σ)：
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(2) |
其中，ϕ95=-log2D5，ϕ84=-log2D16，ϕ16=-log2D84，ϕ5=-log2D95。砂含量为砂所占沉积物总质量的百分比。数据整理与计算的结果见表 2和图 3。需要注意的是，由于梨园河下游河段没有支流汇入，因此没有考虑侧源物质的注入对干流沉积物粒径分布的重置作用[15, 39]；此外，实地考察得知，该河段河床受旁侧冲积扇与人为破坏的影响都较小。因而本文所采集的沉积物粒径数据可以反映该河段河床沉积物粒径的变化特征。
4 梨园河河床沉积物粒径的变化特征 4.1 沉积物粒径顺流变小的特征河流沉积物粒径顺流变小是指整体粒径的变小，但分析时可用具有代表性的粒径(比如D84和D50)进行表示[16]。河流沉积物粒径顺流变小趋势通常符合指数模型[15]，指数模型一般由Sternberg[18]给出：
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(3) |
其中，D为向下游距离x处的沉积物粒径，D0为河流源头处的沉积物粒径，α为递减系数(diminution coefficient)，表示沉积物粒径向下游变小的速率(单位：km-1)。以D84、D50与D16为代表，从图 4a中看出，D84与D50都表现出了较明显的向下游变小的趋势。其中D84的变化范围最广，从530 mm以上减小到了26 mm以下，D50从272 mm以上降低到了12 mm以下；与D84和D50相比，D16主要在0~10 mm以内变化，变小幅度小，向下游变小趋势不显著。此外，从不同河段沉积物粒径的变化趋势上看，粒径在0~26 km河段向下游变小得更为显著，D84从530 mm以上减小到了120 mm以下，D50从270 mm以上减小到了30 mm以下；而粒径在26~50 km河段的变小则不太明显，D84与D50分别在0~120 mm与0~30 mm的狭窄范围内向下游变小。另外，图 4a显示，对D84与D50所做的指数拟合的结果非常理想，D84与D50的拟合相关系数分别高达0.94与0.93。最后，根据公式(3)计算出来的D84与D50的递减系数α值分别为0.058 km-1与0.073 km-1。为了说明α值与河流长度之间的关系，我们将其他研究中报道过的α值与本文的α值进行了比较。从表 3中可见，室内水槽实验α值较大，自然河流α值普遍较小，梨园河的α值符合河流沉积物粒径的递减系数α值与河流长度呈反相关关系的现象。
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图 4 梨园河沉积物粒径(a)和标准偏差(σ) (b)向下游的变化 Fig. 4 Downstream variations in sediment grain-size (a) and standard deviation(σ) (b) of the Liyuan River sediment grain-size |
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表 3 不同河流的递减系数α值比较 Table 3 Values of the diminution coefficient α in different rivers |
从梨园河河床沉积物粒径频率分布曲线(图 3a~3c)中可见，往下游方向，粒径频率分布曲线及其峰值发生了往小粒径方向的位移，粗颗粒的比例呈不断减小的趋势，细颗粒的比例不断增大。另外，河床沉积物的粒径分布范围向下游逐渐变窄。图 3a~3c还显示，在0~26 km与26~50 km河段各自的内部，河床沉积物粒径频率分布曲线皆表现出一定程度的相似性；而两河段之间的河床沉积物粒径频率分布曲线又表现出较大的差异，0~26 km河段呈双峰形态，26~50 km河段主要为单峰形态，两段的相似程度较低。
河床沉积物粒径的标准偏差σ反映沉积物的分选程度[43]，标准偏差越大，表示沉积物的分选越差。如图 4b所示，梨园河河床沉积物粒径的标准偏差呈现出较为明显的向下游变小的趋势，这与图 3a~3c中所示的河床沉积物粒径分布范围向下游变窄的趋势表现一致，表示越向下游，梨园河沉积物的分选变得越好。
4.3 河床砂含量向下游的变化与砾质河床向砂质河床的过渡梨园河河床的砂含量也表现出了较为明显的向下游增加的趋势(图 5a)。从图 5a中看出，大约以向下游26 km处为界，该处上游河段的砂含量相对较小，总体上在20 %以内；然后越过该处，砂含量向下游不断增加，至42 km处已增加至60 %。
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图 5 梨园河砂含量向下游的变化(a)和河床纵剖面向下游的变化(b) Fig. 5 Downstream variations in sand content (a) and riverbed longitudinal profile (b) of the Liyuan River |
图 5b显示，梨园河整体河床纵剖面呈现出上凹形态，在0~26 km河段大致呈直坡形状，其河床比降(S)大致为0.011；然后大概以26 km处为转折，河床比降向下游突然减小，在26~50 km河段比降大致为0.003。结合砂含量与河床比降的变化，可将梨园河下游河段大致划分为3段(图 5b)，即砾质河床段(0~26 km)、砾质河床向砂质河床过渡段(26~42 km)与砂质河床段(42~50 km)。
梨园河由砾质河床向砂质河床的过渡除了在砂含量与河床比降上表现出较大的变化以外，还在河宽与河深上表现出较大的差异(表 1)：0~26 km河段，河道宽度大深度小；26~50 km河段，河道宽度小深度大。另外，河型与流域地貌随着砾质河床向砂质河床过渡也发生了较大的变化。根据Leopold与Wolman[44]的河型分类法可知，0~26 km河段(1~12号采集点)主要为辫状河，26~50 km河段(12~20号采集点)以曲流河为主(图 2)。从图 2中看出，大致以26 km处为界，上游区发育梨园河冲积扇，下游区则为梨园河冲积平原。
5 梨园河河床沉积物粒径变化特征的影响因素 5.1 水力分选作用梨园河河床沉积物粒径频率分布曲线(图 3a~3c)显示，沉积物粗颗粒比例向下游不断减小，细颗粒比例不断增加，该趋势直接反映了水力分选作用对沉积物搬运和沉积的作用。此外，通过野外观察，我们发现在研究河段范围内，河床沉积物颗粒的磨圆度没有出现较大的改变，这说明磨损在沉积物粒径向下游变小的过程中所起的作用是次要的。另外，以目前所报道的一些由磨损造成的野外河流沉积物粒径向下游减小的速率(α值约为0.01 km-1或更低)[45~47]来看，磨损似乎很难单独造成本文计算出来的速率(α值为0.058 km-1与0.073 km-1)。基于这些认识，本文认为水力分选作用导致的选择性沉积是造成梨园河河床沉积物粒径向下游变小的主导因素。
由前述已知，梨园河大概在向下游26 km处发生了由砾质河床向砂质河床的过渡。根据Miller等[31]的研究，我们推断梨园河对砾石的水力分选作用在该处也发生了重要的转变。已有实验与野外数据显示，砂含量约等于20 %是砂对砾石层沉积结构造成破坏的一个临界状态[31]。在0~26 km河段，河床砂含量总体上小于20 %，沉积物以推移质搬运形式为主，河段砂含量对砾石选择性沉积、向下游的搬运作用影响甚小。而在26~50 km河段，砂含量大于20 %，并向下游递增。砂含量增加到20 %之后，砾石与砂会在临界起动力上产生强烈的分化[17, 28, 31]，我们认为从26 km处开始，梨园河河床砾石向下游的水力分选作用逐渐受到了砂含量增加的改变，悬移质(suspended load)搬运作用向下游逐渐增强，并最终占据主导地位。同时，也正是由于砾石与砂在起动力上产生的分化与水力分选作用的转变，河床由砾质河床逐渐过渡到了砂质河床。
由于河流沉积物粒径顺流变小的速率与水力分选作用呈正相关关系，我们认为梨园河两河段沉积物粒径向下游变小的趋势跟两河段的水力分选作用相关，且这种相关性在0~26 km河段尤为显著。在0~26 km河段，因为水力对砾石的分选作用较强，所以此段河流沉积物粒径向下游变小的速率较高；但在26~50 km河段，由于沉积速率较低以及供给沉积物的粒径分布范围较窄(图 3c)，所以该河段较弱的水力分选作用对沉积物粒径变小趋势的影响相对有限。
5.2 “隐藏效应”对水力分选作用的影响梨园河水力分选作用在砾质河床向砂质河床过渡过程中所出现的重大转变可能主要是受到“隐藏效应”的作用。这里我们选用Andrews[48]的经验公式对其进行验证。Andrews[48]通过对野外3条砾质河流大量推移质搬运的测量，认为河床砾石粒径的分布对单颗粒砾石的临界起动力存在重大影响。在实测数据的支撑下，该研究得到当Di/D50介于0.3至4.2时，砾石起动所需的临界希尔兹剪切应力(τci*)与Di/D50存在着下列经验关系：
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(4) |
其中，Di为河床表面第i粒径组的砾石粒径，D50为河床表层以下砾石的中值粒径。公式(4)显示，τci*与Di几乎呈反比例关系。因为砾石起动所需的临界剪切应力(τci)由公式(5)求得：
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(5) |
其中，s为砾石与流水的密度之比，ρ为流水的密度，g为重力加速度。这就意味着对于河床表面给定的一堆砾石，当它们的粒径与D50的比值介于0.3与4.2之间时，这些砾石将以近乎相同的临界剪切应力起动[48]。
为了说明“隐藏效应”对梨园河砾石分选作用的影响，我们对所有采集点砾石的Di/D50进行了计算：选出比值介于0.3与4.2之间的砾石组分分别计算Di/D50，然后将这些砾石组分的质量比相加。Di/D50比值介于0.3到4.2的砾石的质量比越高，即表示河床所有砾石中以近似相等的临界剪切应力起动的砾石所占的比例越高。此时，各级粒径的砾石起动所需的临界剪切应力的分布范围也就越窄[3]，砾石搬运中的“隐藏效应”越强，“隐藏效应”对砾石分选作用的削弱越大。从统计结果(图 6a)可以看出，该质量比呈现出向下游增加的趋势。0~26 km河段的质量比在总体上要比26~50 km河段的更低，然后大概从26 km处开始，质量比较为明显地向下游增加。这种趋势表明0~26 km河段的河床砾石搬运受“隐藏效应”的限制较小，砾石的水力分选作用较显著；而后大致从26 km处开始，“隐藏效应”对河床砾石搬运的影响向下游逐渐增强，导致26~50 km河段砾石的水力分选作用受限。结合以上所述，我们认为两河段“隐藏效应”的差异是由砂含量向下游的增加造成的。
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图 6 (a) 梨园河0.3≤Di/D50≥ 4.2的砾石所占质量比向下游的变化，(b)梨园河D50、河床比降与沉积速率向下游的变化以及(c)梨园河宽深比向下游的变化 Fig. 6 (a)Downstream variation in gravel mass ratio of 0.3≤Di/D50≥ 4.2 of the Liyuan River, (b)downstream variation in D50, channel gradient and deposition rate of the Liyuan River, and (c)downstream variation in the ratio of channel width to depth of the Liyuan River |
对于冲积扇，一个很普遍的现象是其纵剖面呈上凹形态[49]。Drew[50]第一个对此现象进行了解释，他认为河床比降受沉积速率的控制。沉积使沉积物供给向下游不断减少，因而用来搬运供给沉积物的河床比降也随之减小，从而导致冲积扇纵剖面呈上凹形态。后来，Stock等[27]通过计算4个野外冲积扇沉积物通量向下游的变化，验证了冲积扇河床比降受控于沉积速率的观点。根据Drew[50]和Stock等[27]的观点，梨园河不同河段的沉积速率可通过河床比降反映出来。如图 6b，在0~26 km河段，梨园河的河床比降值较高(0.0156~0.0067)，这说明该河段具有较高的沉积速率；而在26~50 km河段，梨园河的河床比降值较低(0.004~0.001)，这反映了该河段的沉积速率较低。
此外，两河段沉积速率的差异也可通过两河段河型与流域地貌的差别(图 2)直观地表现出来。图 2中，0~26 km河段以辫状河为主，砾石在河床加积得十分明显，与此对应的流域地貌为冲积扇，大片砾石滩地发育，反映出该河段具有很强的堆积作用；而在26~50 km河段，河型主要为曲流河，河流以河漫滩堆积为主，其中砂所占比例较大，发育冲积平原，植被覆盖程度高。
5.4 沉积速率对河道水力学参数与沉积物粒径向下游变小趋势的影响通过前面的判断，我们已经知道梨园河在0~26 km河段具有较高的沉积速率，而在26~50 km河段的沉积速率较低。梨园河大概于1号采集点(0 km)处由上游山区的基岩河道转变为下游盆地的冲积河道(图 2)，而0~26 km河段恰好为梨园河自出山口之后的上半段河流。在基岩河道向冲积河道的转变时，发生了较大幅度的河道宽度的增加与河床比降的降低(图 6c)。由于梨园河上游流域面积较大(2240 km2)，地形崎岖，构造活动较强烈，这种流域条件每年为梨园河带来了大量的沉积物。这些沉积物平时停留于上游山区的基岩河道中，由于上游河道宽度小比降大，一旦到了洪水期，这些沉积物便会以较快的速率向下游搬运。但是梨园河自出山口之后，地形却不断变得开阔与平坦起来，根据Robinson和Slingerland[3]的研究，这种变化将会导致梨园河沉积物被大量地堆积于河流出山口之后的上游河段(0~26 km)。这是因为该河段的沉积物搬运速率远不及来自上游河段的沉积物供给速率，亦或由于该河段的河床剪切应力没有沉积物起动所需的临界剪切应力大。同时，由于梨园河自出山口后地形变开阔，流水以地下水形式不断渗漏，缺少植被，粗颗粒堆积，细粒物质被带走，河岸粘结力很低，河道不受约束，大量沉积物发生侧向堆积，从而导致0~26 km河段的河道宽度加大，深度变小(如图 6c，表现为较大的宽深比)。此外，根据质量守恒法则[7]，在不考虑构造下沉的前提之下，0~26 km河段河床加积与沉积物供给速率的关系可以表示为：
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(6) |
其中，h为河床海拔(m)，t为时间，qs为每单位河床宽度的沉积物供给速率(m2/s)，λ为沉积物之间的空隙度，x为河流向下游的距离(m)。因为0~26 km河段的qs大，而水力搬运能力却有限，所以由公式(6)可知，大量沉积物被堆积于此，从而导致该河段的河床被加积得较高且陡。
由于大量沉积物在0~26 km河段沉积了下来，进入26~50 km河段的沉积物供给大大减少，尤其是砾石部分，这就使得26~50 km河段细粒物质增加。同时地下水出露，植被增加，河岸粘结力、稳定性增加，这种情形下冲积河流容易形成狭窄而深的河道[51~52]。所以在26~50 km河段，河流的沉积速率变得较低，河道宽度小深度大，宽深比较小(图 6c)。此外，较小的河流沉积物负载导致该河段的河床比降也变得较小。
根据Fedele与Paola[13]的研究，由于河流沉积物粒径向下游变小的速率随沉积速率的增加而增加。因此，我们认为0~26 km河段较为显著的沉积物粒径顺流变小趋势受控于该河段较高的沉积速率；而26~50 km河段不明显的沉积物粒径顺流变小趋势则与该河段较低的沉积速率有关(图 6b)。
6 结论本文通过详细的野外考察与数据采集和分析，在对前人的理论研究做出阐述的基础上，从河流沉积物向下游的分选与粒径变小的趋势两个方面对梨园河下游现代河床沉积物的粒径变化特征及其影响因素进行了分析和讨论，并对其有了初步的认识与理解：1)由于选择性沉积的主导作用，梨园河河床沉积物粒径向下游不断变小；2)由于砂含量向下游不断增加，砾石的分选作用在砾质河床向砂质河床过渡的过程中发生了重要的转变；3)0~ 26 km河段河床砾石的分选作用比26~50 km河段的更强，这与“隐藏效应”向下游的增强相关；4)根据河床比降向下游逐渐减小的特征，推断0~26 km河段的沉积速率比26~50 km河段的更高；5)两河段河床沉积物粒径向下游变小趋势的差异受控于两河段沉积速率的不同，0~26 km河段的沉积速率比26~50 km河段的更高，造成0~26 km河段沉积物粒径向下游变小的趋势比26~50 km河段的更为显著；6)水力分选作用的差异也是形成0~26 km与26~50 km两河段河床沉积物粒径变小趋势的差异的影响因素。同时，由于资料所限，本研究还存在两个方面的不足：1)对于水力学参数如何影响沉积物分选机制的这个问题，还需更多的资料进行分析；2)由于沉积搬运测量的困难性，缺乏梨园河下游河段的沉积物通量的实测值，因而不能更精确地预测河流沉积的具体分布。这些不足之处同时也是冲积河流沉积物搬运今后的研究方向。
致谢: 曹泊、温振玲和曹喜林积极参与了本文数据的野外采集，在此特别感谢他们在野外工作中付出的辛苦劳动；感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师建设性的修改意见。
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Abstract
The phenomenon of downstream fining of river sediment grain-size has been analyzed by a large number of studies. Predominant explanations of the phenomenon have changed from abrasion to selective deposition. Studies found that mixtures of sediment can lead to "Hiding effects" in the process of sediment transport, and that hydraulic sorting effects on sediment will decrease along with increasing "Hiding effects". Rivers often exhibit the phenomenon of gravel-sand transition, which is relevant to the segregation in the threshold entrainment stress between gravel and sand. The analysis of fluvial sediment mass balance shows that fluvial sediment architecture is governed by the spatial distribution of sediment volume. Allogenic factors, such as sediment supply and tectonic subsidence, mainly exert influence on the spatial distribution of deposition, and then indirectly influence the fluvial sediment architecture. This paper takes the Liyuan River, which developed in the north foot of the Qilian Shan, as an example, to examine the river hydraulic parameters and sediment grain-size, and then to analyze the characteristics of downstream variation of sediment grain-size and the influence factors. The analysis results suggest:selective deposition is the dominating driver of downstream fining of sediment grain-size in the Liyuan River; the downstream increase in sand content lead to the transformation of gravel sorting in the gravel-sand transition; hydraulic sorting effects in 0~26 km reach is stronger than that in 26~50 km reach, which is relevant to the "Hiding effects" that increasing downstream; the deposition rate in 0~26 km reach is higher than that in 26~50 km reach, that is the reason why the downstream fining tendency of river sediment grain-size in 0~26 km reach is more clear than that in 26~50 km reach, besides, the hydraulic sorting is also responsible for the differences in downstream fining tendency of river sediment grain-size between the two reaches.