關(guān)鍵詞曲流河發(fā)育過程;水槽模擬實(shí)驗(yàn);河流形態(tài);沉積特征;河岸剝蝕現(xiàn)象第一作者簡(jiǎn)介 ，男，2000年出生，碩士研究生，儲(chǔ)層沉積學(xué)，E-mail：z22010006@s.upc.edu.cn通信作者 ，男，副教授，儲(chǔ)層沉積學(xué)，E-mail：tangmingming@upc.edu.cn

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI：10.14027/j.issn.1000-0550.2024.078 CSTR： 32268.14/j.cjxb.62-1038.2024.078

0 引言

曲流河是自然界中廣泛分布的一種河流類型，發(fā)育過程以側(cè)向加積和側(cè)向侵蝕為主，具有“蝕凹增凸\"的特點(diǎn)，曲流河發(fā)育過程中水流不斷侵蝕大陸地殼，在塑造地貌過程中起著關(guān)鍵作用3，其中河流流量與河道形態(tài)的變化影響著流域內(nèi)大陸風(fēng)化強(qiáng)度。曲流河沉積物中保存的物理、化學(xué)特性以及化石記錄均可以作為反映古氣候演化的重要指標(biāo)5，河道的變遷與沉積物中植物化石反映古植被類型與分布情況[7-8]，不同成熟度的植被也影響著曲流河形態(tài)發(fā)育。沉積物的粒度分布和物質(zhì)成分可以反映古流水強(qiáng)度、降水模式和溫度變化狀況，曲流河沉積序列和河道遷移現(xiàn)象可以揭示古洪水發(fā)生的頻率和強(qiáng)度，這些變化與古氣候密切相關(guān)。同時(shí)曲流河砂體儲(chǔ)層在我國(guó)陸相含油氣盆地中也占據(jù)了較大比例，曲流河沉積過程中發(fā)育的點(diǎn)壩砂體儲(chǔ)層是油氣勘探開發(fā)研究的重點(diǎn)之一。例如，勝利油田孤島油區(qū)館陶組上段[12-13]、南蘇丹Melut盆地Ruman地區(qū)Jimidi組4、美國(guó)科羅拉多州Piceance盆地Rulison油田WilliamsFork組[15]等。由于側(cè)積體的頻繁發(fā)育，使得儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)，采收率較低。因此，研究影響曲流河形態(tài)變化的關(guān)鍵因素，對(duì)于理解地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候變化、估算大陸地表風(fēng)化程度以及指導(dǎo)油氣資源儲(chǔ)層的勘探與開發(fā)工作[16-19]，均具有重要指導(dǎo)意義。

研究曲流河沉積常用的方法包括對(duì)現(xiàn)代曲流河沉積的實(shí)例解剖和水槽沉積模擬。實(shí)地考察是直接獲取地質(zhì)資料的有效方式之一，早在1963年，Schumm2通過實(shí)地考察和航空照片分析了大平原上發(fā)育的河流形態(tài)與泥沙特征，認(rèn)為曲流河的形成是多種因素下疊加影響的，其特點(diǎn)在于河道寬深比低，河岸組分中粉質(zhì)黏土比例較高；Huetal.以美國(guó)Uinta盆地現(xiàn)代河流沉積為例進(jìn)行實(shí)地考察，細(xì)致分析了洪水流量對(duì)于河道彎曲度和形態(tài)的影響；李勝利等22通過解剖河流相野外露頭，分析彎曲度與廢棄河道沉積特征的相互關(guān)系，認(rèn)為沉積供源的差異導(dǎo)致了河流形態(tài)的變化。GIS技術(shù)能將不同來源的地質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字形式，有效提升對(duì)沉積環(huán)境的空間分析。Aswathyetal.[3]利用GIS技術(shù)對(duì)印度喀拉拉邦中部Pannagon河流形態(tài)進(jìn)行分析，認(rèn)為構(gòu)造是影響河道形態(tài)的主要因素，地表的隆起抬升迫使河道蜿蜒發(fā)育；易志鳳等利用ArcGIS軟件對(duì)黃河源區(qū)白河現(xiàn)代沉積中典型點(diǎn)壩砂體進(jìn)行矢量化，分析了點(diǎn)壩砂體規(guī)模與河道寬度之間的定量關(guān)系，進(jìn)一步提升了曲流河儲(chǔ)層定量表征技術(shù)。

前人大多是通過觀察現(xiàn)代河流沉積進(jìn)行分析，在自然環(huán)境中河流的發(fā)育往往需要很長(zhǎng)的周期，同時(shí)觀察過程也會(huì)受到許多干擾[2425]。相比之下室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)周期短，可以更直接地觀察砂體運(yùn)移過程，通過3D掃描儀記錄沉積界面可以對(duì)河道演化過程進(jìn)行定量表征2。然而，如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備發(fā)育穩(wěn)定的高彎曲度河流，一直河流模擬實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。自20世紀(jì)開始，眾多學(xué)者嘗試了不同方法，并通過實(shí)驗(yàn)了解河流發(fā)育過程中河道蜿蜒的機(jī)理。20世紀(jì)40年代初，水槽實(shí)驗(yàn)主要采用無黏性砂體搭建，F(xiàn)riedkin2認(rèn)為河流的彎曲最主要受到流量和坡度控制，河岸砂體抗侵蝕能力越弱則形成的曲流河彎曲度越大，但形成的主要是彎曲的河流谷底線，河谷整體的遷移現(xiàn)象并不明顯;20世紀(jì)60年代起，尹學(xué)良[27]和洪笑天等28參照了Friedkin的實(shí)驗(yàn)方法復(fù)驗(yàn)曲流河模擬，進(jìn)一步概括總結(jié)了河流彎曲的初始條件；20世紀(jì)90年代起，劉忠保等2利用水槽模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同粒徑條件下曲流河邊灘發(fā)育位置進(jìn)行了深入分析，發(fā)現(xiàn)邊灘外緣水下傾角與粒徑關(guān)系密切，河流曲率影響邊灘表面沉積的砂體粒度；進(jìn)入21世紀(jì)，Taletal [30并未使用黏性材料和底坡度來實(shí)現(xiàn)曲流河模擬，而是聚焦植被對(duì)河道形態(tài)的影響；VanDijketal.31]通過水槽實(shí)驗(yàn)測(cè)試河流上游擾動(dòng)和串溝取直在曲流河發(fā)育中的作用。同時(shí)研究人員也在改良水槽實(shí)驗(yàn)中的河床組成，通過添加黏土礦物從而實(shí)現(xiàn)自然高彎曲度河流。Kyukaetal.測(cè)試了不同成熟度植被對(duì)河流形態(tài)的影響，結(jié)果表明覆蓋高強(qiáng)度成熟植被可以限制河道擴(kuò)寬速度和來自河岸的泥沙供給量，導(dǎo)致曲流河橫向遷移速率減慢。合適的底形材料配比是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備高彎曲度曲流河的關(guān)鍵， Schummet al.[2測(cè)試了不同黏結(jié)性材料，成功地在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建了自然彎曲河流。高黏結(jié)性的材料會(huì)形成窄而深的河道，而黏結(jié)性弱的材料形成寬而淺的河道，其認(rèn)為黏聚力大小是形成曲流河的關(guān)鍵，同時(shí)注意到了地形坡度變化對(duì)于曲—辮轉(zhuǎn)化的影響。Dulaletal.[33]在實(shí)驗(yàn)底形材料中加入不同比例的高嶺石，發(fā)現(xiàn)采用20% 含量的高嶺石可以產(chǎn)生穩(wěn)定的高彎曲度河流。Yoshidaetal.34在小型水槽中復(fù)現(xiàn)高彎曲度河流，采用塑料沙與黏土混合制作河床，發(fā)現(xiàn)河岸砂體中黏土含量越高則河道彎曲維持的時(shí)間越長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中砂體飽和度越高則河流彎曲度越小。綜上，河床組成中黏土礦物的含量是維持彎曲的關(guān)鍵之一，前人的模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)河岸組分中黏土礦物的影響開展了極多研究，但粒度與河流彎曲度之間的關(guān)系大多是定性的描述。

為了明確不同因素對(duì)于曲流河形態(tài)的影響，本文從供源沙粒度、流量、高嶺土含量三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過高精度三維激光掃描對(duì)沉積過程進(jìn)行記錄，構(gòu)建數(shù)字高程模型，從而定量化表征河道遷移的過程，在此基礎(chǔ)上分析其砂體空間分布、河岸的侵蝕以及沉積物搬運(yùn)過程。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測(cè)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與底形構(gòu)建

本實(shí)驗(yàn)在深層油氣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中國(guó)石油大學(xué)（華東）唐島灣校區(qū)智能水槽實(shí)驗(yàn)分室完成。根據(jù)自然條件下河流體系的沉積環(huán)境，設(shè)置了一套沉積模擬與監(jiān)測(cè)記錄裝置，包括碎屑物補(bǔ)給系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、智能機(jī)器人、圖像記錄設(shè)備以及高精度3D掃描設(shè)備等（圖1a）。

實(shí)驗(yàn)所用玻璃水槽長(zhǎng)和寬為 80cm ，高 10cm 。其中流量控制設(shè)備可以調(diào)節(jié)沉積模擬實(shí)驗(yàn)中的流量，保持實(shí)驗(yàn)中的流量固定；碎屑物配比為150/100/70目粗細(xì)的綠沙：4000目粗細(xì)的煅燒高嶺土（8：2），攪拌均勻后導(dǎo)入加沙器中，底部螺旋桿轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)碎屑物，使得以 5g/min 的加沙速率向河流中補(bǔ)充碎屑物；沉積模擬實(shí)驗(yàn)的底形材料分為兩層鋪設(shè)，下層統(tǒng)一鋪設(shè)100目粗細(xì)的黃沙，厚度約為 1.5cm ，待砂體固結(jié)后利用機(jī)器人進(jìn)行平整，隨后在黃沙上部鋪設(shè)第二層（圖1b）。上層材料配比與碎屑物相同，與水混合并攪拌均勻，將砂混合物倒入玻璃水槽中等待自然固結(jié)，自然固結(jié)時(shí)間為 48h 。其中初始河道寬度為 4cm ，深度為 3cm ，初始河道的切入角度為 30^° ，斜向河道長(zhǎng)為 11.55cm ，直流河道長(zhǎng)為 70cm ，通過在水槽下方放置三角形木板固定水槽的坡度，坡度設(shè)置為 1.875^° ；在玻璃水槽中心點(diǎn)正上方架設(shè)3D掃描儀，間隔 30min 記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

基于之前相關(guān)學(xué)者的模擬結(jié)果，共設(shè)置六組水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究（表1），定量化分析河道彎曲度發(fā)育情況、沉積物搬運(yùn)特征、河道遷移現(xiàn)象。供源沙粒度實(shí)驗(yàn)組（實(shí)驗(yàn)A、B和C），保持流量恒定在1000mL/min ，通過設(shè)置不同粒度配比的供源砂體（70目綠沙、100目綠沙、150目綠沙），來模擬曲流河發(fā)育過程中不同抗侵蝕強(qiáng)度的河岸對(duì)于壩體發(fā)育情況與河道變遷的影響；河流流量實(shí)驗(yàn)組（實(shí)驗(yàn)D、E和B）選取中等粗細(xì)（100目綠沙）同高嶺土混合用于鋪設(shè)河岸，模擬恒定流量 （250mL/min?625mL/min? 1000mL/min 變化條件下的砂體搬運(yùn)與沉積過程，對(duì)比不同流量下河道形態(tài)發(fā)育程度和沉積物空間分布特征；高嶺土配比組（實(shí)驗(yàn)B和F以粒度實(shí)驗(yàn)組和流量實(shí)驗(yàn)組為基礎(chǔ)，選取恒定流量 1000mL/min ，供源砂體采用100目綠沙，測(cè)量供源砂體中有高嶺土和無高嶺土對(duì)于曲流河保持穩(wěn)定發(fā)育帶來的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)與記錄

水槽模擬過程中為了測(cè)量砂體的變化，在玻璃水槽中心正上方設(shè)有錄像機(jī)進(jìn)行 24h 全程監(jiān)控，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中每間隔 30min 進(jìn)行一次相機(jī)拍攝和Artec3D掃描儀掃測(cè)，3D掃描儀在河道有水的時(shí)候往往難以探明水下沉積物頂面深度，每次采集數(shù)據(jù)之前都會(huì)將水抽干再掃描。利用Artec3D掃描儀所得到的點(diǎn)數(shù)據(jù)集將地貌數(shù)字化，其中包含每個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo)XYZ信息（以掃描儀激光發(fā)射處為Z軸0點(diǎn)），以及記錄關(guān)于顏色的RGB信息。通過軟件編輯后得到精細(xì)化的地貌形態(tài)、高程以及圖像信息等，為曲流河形成過程中單因素變化定量分析提供數(shù)據(jù)支撐。

表1水槽實(shí)驗(yàn)水動(dòng)力條件參數(shù)

2 沉積模擬實(shí)驗(yàn)河道發(fā)育情況

2.1實(shí)驗(yàn)A河道形態(tài)演化過程

在實(shí)驗(yàn)A（圖2）中，待水流均勻鋪滿整個(gè)河道后，沿凹岸溯源侵蝕。采用70目綠沙與高嶺土混合所配制的河岸抗侵蝕能力較差，河岸坍塌下來的泥沙淤積在河床上，上游河段因?yàn)榻邮軄碜猿鏊诘乃樾嘉锖蛢砂端莸哪嗌承纬闪硕虝憾氯▓D2b），期間碎屑物緩慢向下部移動(dòng)。由于上游的河床抬升，導(dǎo)致河道中下游的坡度增大，整體以垂向發(fā)育為主，上游堆積處主流線頻繁變動(dòng)（圖3），河道難以維持彎曲形態(tài)并出現(xiàn)心灘（圖2c），心灘厚度為 6mm （圖3c）。河流從河道中部開始形成分流。上游堆積的沉積物保護(hù)了河岸，壩體主要發(fā)育在河道中間（圖2f），下游河岸被剝蝕的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上游，下游出現(xiàn)網(wǎng)狀河道。下部產(chǎn)生的分流河道中砂體出現(xiàn)不均勻堆積，順河流方向右側(cè)河岸被侵蝕速度加快并出現(xiàn)短暫的低彎曲河道，彎曲度保持在1.03至 1.05 。河道逐步擴(kuò)寬從而水位下降，河岸受水流侵蝕面積減小，砂體塌落速度減緩（圖2f）。

在剖面a-a'可以清楚發(fā)現(xiàn)河流上游河岸在模擬初期被快速剝蝕，出現(xiàn)短暫的河道遷移現(xiàn)象（圖3b），隨著上游河床的抬升，河岸侵蝕速度急劇減緩，彎曲度逐漸穩(wěn)定在 1.05 。兩側(cè)河岸侵蝕速率幾乎一致，使得河道遷移停滯，整體向順直河形態(tài)發(fā)育；隨著沉積物在凸岸堆積，河流主流線向凹岸方向移動(dòng)，在河流下游發(fā)育 360min 的單側(cè)河岸遷移現(xiàn)象（圖3c），河流整體位置變動(dòng)不大，河道加寬至 30cm 。實(shí)驗(yàn)期間未發(fā)育曲流河點(diǎn)壩，河岸抗侵蝕能力較弱，主要以辮狀河砂項(xiàng)發(fā)育為主，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到 600min 時(shí)形成大量細(xì)小分汊河道（圖2e），向辮狀河道形態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.2實(shí)驗(yàn)B河道形態(tài)演化過程

實(shí)驗(yàn)B（圖 2g～1 所采用河岸的抗侵蝕強(qiáng)度相較于實(shí)驗(yàn)A增強(qiáng)，沒有出現(xiàn)泥沙堵塞的現(xiàn)象，但是上游河床沉積物厚度明顯高于下游，導(dǎo)致整個(gè)河段坡度增大。在初始河道彎折處出現(xiàn)沿河道方向平行的橫向螺旋渦流，在河流上游和下游凸岸處均發(fā)育點(diǎn)壩。壩體發(fā)育速度較實(shí)驗(yàn)A有很大提升，河道兩側(cè)凸岸同時(shí)發(fā)育，點(diǎn)壩逐漸向河道內(nèi)部延伸，壩體移動(dòng)呈現(xiàn)平移型，下游點(diǎn)壩沿河流方向移動(dòng) 17cm （圖2g，1）。實(shí)驗(yàn)周期在 240min 至 480min 之間河道岸線出現(xiàn)緩慢侵蝕，在此期間河流主流線頻繁發(fā)生遷移，點(diǎn)壩發(fā)育明顯的長(zhǎng)條狀流槽3（圖2h，i）。在實(shí)驗(yàn)周期進(jìn)行到 480min 至 600min 時(shí)期壩體增厚（圖2k），河道彎折處受到水流集中侵蝕，河岸出現(xiàn)大塊砂體塌落，侵蝕速度急劇增加。這一快速發(fā)育時(shí)期在 720min 時(shí)，隨著河岸內(nèi)聚力的減小，坍塌砂體規(guī)模也減?。▓D21），凹岸侵蝕速率保持穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)B有明顯的河道遷移現(xiàn)象（圖3f），由于河道彎折處水下部分出現(xiàn)的細(xì)小漩渦，使得河岸在水面以下受到的侵蝕速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水面以上，河岸下部被剝蝕，上部形成向河道內(nèi)部延伸的懸臂狀凸起，其塌落的同時(shí)會(huì)攜帶周圍河岸的砂體。塌落的砂體會(huì)堵塞河道部分區(qū)域，河流在運(yùn)移塌落砂體向下游移動(dòng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量渦流向河床下部侵蝕，同時(shí)河道塌落砂體后側(cè)區(qū)域由于碎屑物補(bǔ)充量減少，導(dǎo)致該區(qū)域形成凹陷。

通過實(shí)驗(yàn)B中剖面a-a'可以觀察到模擬期間發(fā)育四層側(cè)向加積砂體，河道遷移速度均勻，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到 600min 以后河道彎曲度逐漸穩(wěn)定在1.16（圖2k）。遷移過程中凹岸處河床受到螺旋渦流的向下侵蝕不斷加深（圖2i），由于曲流河發(fā)育過程中河道不斷變寬，水位下降，導(dǎo)致渦流侵蝕作用從 480min 開始下降（圖2j），自出水口攜帶的碎屑物在河岸邊緣凹陷處沉積。剖面b-b'處河道遷移表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，由于上游主流線發(fā)生變動(dòng)，導(dǎo)致水流切割實(shí)驗(yàn)初期形成的壩體，阻礙水流進(jìn)一步侵蝕下游處的凹岸，遷移速度在實(shí)驗(yàn)周期 360min 至 600min 期間明顯減緩（圖3d）。

（a）實(shí)驗(yàn)A模擬 120min ；（b）實(shí)驗(yàn)A模擬 240min ；（c）實(shí)驗(yàn)A模擬 360min; （d）實(shí)驗(yàn)A模擬480 min （e）實(shí)驗(yàn)A模擬 600min ；（f）實(shí)驗(yàn)A模擬 720min Π（Π_g） 實(shí)驗(yàn)B模 擬 120min ；（h）實(shí)驗(yàn)B模擬 240min ；（i）實(shí)驗(yàn)B模擬 360min （j）實(shí)驗(yàn)B模擬 480min （k）實(shí)驗(yàn)B模擬 600min ；（1）實(shí)驗(yàn)B模擬 720min （m） 實(shí)驗(yàn)C模擬 120min Π（Π_n） 實(shí)驗(yàn)C模擬 240min ；（o）實(shí)驗(yàn)C模擬 360min Π（Π_p） 實(shí)驗(yàn)C模擬480 min;（q）實(shí)驗(yàn)C模擬 600min Π（Π_r） 實(shí)驗(yàn)C模擬 720min

（a）實(shí)驗(yàn)A岸線變化過程圖；（b）實(shí)驗(yàn)A河道剖面a-a'變化示意圖；（c）實(shí)驗(yàn)A河道剖面b-b'變化示意圖；（d）實(shí)驗(yàn)B岸線變化過程圖；（e）實(shí)驗(yàn)B河道剖面a-a'變化示意圖；（f）實(shí)驗(yàn)B河道剖面b-b'變化示意圖; 實(shí)驗(yàn)C岸線變化過程圖；（h）實(shí)驗(yàn)C河道剖面 a-a 變化示意圖；（i）實(shí)驗(yàn)C河道剖面b-b'變化示意圖

2.3實(shí)驗(yàn)C河道形態(tài)演化過程

實(shí)驗(yàn)C（圖 2m～r 中初始河道向曲流河變化過程較實(shí)驗(yàn)A、B穩(wěn)定，河道在上游與下游處，凹岸形成了點(diǎn)壩（圖2o），隨著河岸抗侵蝕強(qiáng)度的提升，河道彎曲段折點(diǎn)后移的速度變慢，彎曲段夾角未出現(xiàn)明顯銳化，從而導(dǎo)致河流主流線發(fā)生彎曲的速度降低，進(jìn)而使得第二段彎曲部分形成的速度明顯放緩。河岸塌落產(chǎn)生的碎屑物補(bǔ)充減少，上游未出現(xiàn)沉積物的堆積，點(diǎn)壩側(cè)向加積速率提升（圖3g），以擴(kuò)張型點(diǎn)壩為主。

河道彎曲處水流受到慣性作用在凹岸處聚集，產(chǎn)生較強(qiáng)的剪切力，使得凹岸不斷侵蝕后退，并導(dǎo)致彎曲度隨著河岸塌落逐漸變大，彎曲度從1.210增長(zhǎng)至1.380。與此同時(shí)，河流中游處主流線不斷發(fā)生變化，水流會(huì)掠過凸岸處形成的點(diǎn)壩，進(jìn)而形成流槽并下切侵蝕。當(dāng)河流侵蝕力和河岸抗侵蝕力平衡時(shí)，在彎曲段凹岸會(huì)形成一個(gè)向下的翻滾的漩渦流，將較粗的綠沙向凹岸和河道深處搬運(yùn)，聚集在回水渦流侵蝕形成的凹陷處，較細(xì)的高嶺土則被搬運(yùn)在凸岸處流槽35兩側(cè)。實(shí)驗(yàn)過程中，隨著河流曲率增大，壩體在垂直河岸方向上增長(zhǎng)了 20cm （圖3i），期間項(xiàng)體沿河流方向長(zhǎng)度逐漸減小，發(fā)育過程中壩體厚度變小，形態(tài)由長(zhǎng)條形變?yōu)榉菍?duì)稱弧形[29]。

2.4實(shí)驗(yàn)D河道形態(tài)演化過程

實(shí)驗(yàn)D（圖4）發(fā)育初期，碎屑物并未完全覆蓋河道，在上游河口處出現(xiàn)了大量的碎屑物堆積，河床被快速抬升，河道坡度增大。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到 240min 出現(xiàn)沉積物溢出河道的現(xiàn)象（圖4b），整體發(fā)育順直型河流，下部河道坡度增大，以辮狀河發(fā)育為主，360min 左右逐漸在堆積砂體上形成細(xì)長(zhǎng)順直的河道（圖4c）。河道在實(shí)驗(yàn)期間未發(fā)育彎曲（圖5），僅向北側(cè)單方向侵蝕堆積（圖5c）。在河道下游部分出現(xiàn)細(xì)小決口，導(dǎo)致河道分流，并切割實(shí)驗(yàn)初期發(fā)育的部分心灘。

2.5 實(shí)驗(yàn)E河道形態(tài)演化過程

實(shí)驗(yàn)E（圖 4g～1） 相較于實(shí)驗(yàn)D在模擬初期快速形成低彎曲度河道，搬運(yùn)砂體能力相比較于實(shí)驗(yàn)D有了很大提升。上游形成的彎曲河段在 120min 至360min 時(shí)期逐步向下游移動(dòng)（圖4i。隨著砂體在河道兩岸的堆積，在原有的河床上發(fā)育新的主流線，并持續(xù)侵蝕河床。在凹岸處水動(dòng)力較強(qiáng)，攜帶粗粒綠沙聚集于此，而邊灘附近的水動(dòng)力弱，主要以淤積為主，覆蓋白色高嶺土。在實(shí)驗(yàn)周期 600min 至720min 期間，河岸因受侵蝕而后退現(xiàn)象幾乎停止（圖5f，水流帶來的剪切力和河岸抗剪力逐漸平衡。

2.6實(shí)驗(yàn)F河道形態(tài)演化過程

實(shí)驗(yàn)F（圖 4m～r 采用100自純綠沙進(jìn)行底形配制，模擬初期出現(xiàn)短暫的曲流河特征。由于沒有添加高嶺土，河岸崩塌速度急劇增大，實(shí)驗(yàn)初期水流沖刷 30min 左右，河道擴(kuò)寬近一倍。隨后在碎屑物供給上部出現(xiàn)泥沙堵塞，隨后河床水位迅速抬升溢出泥沙堵塞段，原曲流河河道被廢棄（圖 4n ），在原有河床上發(fā)育斜向順直型河流。坡度的抬升使得順直河道向下侵蝕作用明顯（圖5i），河道主要以單側(cè)河岸受侵蝕發(fā)育為主。

3 分析與討論

3.1供源沙粒徑對(duì)于曲流河形態(tài)變化的影響

曲流河發(fā)育過程中出現(xiàn)了不同程度的河岸砂體坍塌現(xiàn)象，Dulaletal.3認(rèn)為在水面以下的非黏性砂體被水流不斷沖刷，并攜帶至下游，而河岸上部砂體因?yàn)楦缓邘X土，形態(tài)保持不變，導(dǎo)致河岸整體呈現(xiàn)懸臂狀結(jié)構(gòu)，最后在重力作用下坍塌并覆蓋在河道兩側(cè)。實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)了相似的現(xiàn)象，但是坍塌砂體形態(tài)在不同供源沙粒徑條件下存在明顯變化。

實(shí)驗(yàn)A（供源沙粒度70目）中細(xì)粒沉積相相對(duì)較少，河岸滲透性較好，在水流沖刷的剪切力下容易侵蝕凹岸坡腳處，導(dǎo)致河岸坍塌速度加快。坍塌砂體呈粉末狀堆積在初始河道轉(zhuǎn)角處，實(shí)驗(yàn)A砂體中直徑為70目的供源沙相對(duì)較粗，實(shí)驗(yàn)在恒定流量的條件下模擬，上游河道寬度基本相近，因此河流流速也較為接近，導(dǎo)致較粗粒徑的綠沙難以繼續(xù)向下游搬運(yùn)。大量70目粗細(xì)的綠沙堆積在坍塌處，從而在一定程度上阻止了凹岸繼續(xù)坍塌，保護(hù)了凹岸，使其不易繼續(xù)向彎曲的方向發(fā)展，河道寬度從上游向下逐漸變寬。實(shí)驗(yàn)A和實(shí)驗(yàn)B在恒定流量條件下，河道由窄變寬，流速下降，從上游搬運(yùn)的大量碎屑物在河道中部卸載，從而發(fā)育心灘（圖2b），卸載后的水流沒有攜帶大量沉積物，同時(shí)流速減慢，難以改變下游河道形態(tài)2，整體向辮狀河發(fā)育。實(shí)驗(yàn)B（供源沙粒度100目）中河岸坍塌砂體出現(xiàn)明顯顆粒狀，坍塌砂體較實(shí)驗(yàn)A變細(xì)，在流速接近的條件下河流搬運(yùn)砂體速率增大，凹岸處堆積砂體減少，使得河道向彎曲方向發(fā)展。實(shí)驗(yàn)C中坍塌砂體呈長(zhǎng)條形塊狀（圖6），供源沙整體粒徑減小，砂體黏聚力增強(qiáng)，坍塌砂體長(zhǎng)度為1～4cm 。大塊坍塌砂體堆積在河道邊緣，使得河道變窄，因此更多的水流沖向?qū)Π?，使得流速加快，作用于凹岸的沖擊力也增強(qiáng)，同時(shí)供源沙粒徑較細(xì)導(dǎo)致沉積物易被搬運(yùn)，在凸岸處不斷堆積，曲流河以擴(kuò)張發(fā)育為主（圖2r）。河岸塌落的砂體覆蓋在點(diǎn)壩底部，阻礙水流對(duì)壩體沖刷，同時(shí)凹岸回水渦流將河岸底部碎屑物攜帶至河床中間，隨主流線方向往下游運(yùn)移，而河岸塌落砂體背后的區(qū)域由于缺少碎屑物的補(bǔ)給和水流沖刷作用的減小，壩體一側(cè)形成階梯狀陡坎，另一側(cè)受水流切割形成長(zhǎng)條狀流槽]（圖6）。

彎曲度是指河道長(zhǎng)度與河谷長(zhǎng)度之比[38]，本次實(shí)驗(yàn)采用彎曲度來表征曲流河平面形態(tài)演化過程（圖7）。對(duì)比供源沙粒度組（實(shí)驗(yàn)A、B、C）彎曲度變化發(fā)現(xiàn)，在高嶺土含量以及流量相同的條件下，供源沙粒度越小，坍塌砂體越容易被河流搬運(yùn)，河岸抗侵蝕能力越弱，形成的曲流河彎曲度越大。具體而言，最大彎曲度從實(shí)驗(yàn)A中1.049提升至實(shí)驗(yàn)B中的1.380（圖7a）。曲流河發(fā)育過程中，河岸坍塌的砂體覆蓋在河道兩側(cè)并形成斜坡，減小了河道受到的剪切力，從而減緩了凹岸受侵蝕的速度3。實(shí)驗(yàn)B、C中河道發(fā)育240min 后彎曲度增加且速度明顯減緩（圖 7a ），實(shí)驗(yàn)A中兩側(cè)河岸抗侵蝕能力較差，河岸難以限制主流線方向，導(dǎo)致在凹岸處未形成渦流，使得初始彎曲河道快速向順直型河道轉(zhuǎn)變（圖2b）。

3.2河流流量對(duì)于曲流河形態(tài)變化的影響

曲流河發(fā)育過程中需要合適的河床坡度和流量4]。在小河流流量條件下 250mL/min ，較小的河流流速對(duì)凹岸的沖擊力較弱，河岸沒有出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。同時(shí)，河床底部以及河岸幾乎沒有被侵蝕，河流難以搬運(yùn)碎屑物至下游（圖4a），碎屑物在河道上游大量堆積，發(fā)育垂向上的沉積4。河道出水口處不斷沉積碎屑物抬升河床，且碎屑物運(yùn)移速度較慢，導(dǎo)致河道整體坡度增大。Schumm38認(rèn)為河床坡度增大后水流沖蝕速度加快，難以形成彎曲河流發(fā)育，并轉(zhuǎn)向辮狀河發(fā)育，實(shí)驗(yàn)D（圖4f）和實(shí)驗(yàn)A（圖2f）模擬后期出現(xiàn)類似現(xiàn)象。在中等河流流量條件下（ 625ml min），實(shí)驗(yàn)E同樣觀察到了上游泥沙淤積現(xiàn)象。然而，與實(shí)驗(yàn)D相比，其流速有了顯著提升，水流足以沖開淤積區(qū)域砂體（圖4h），導(dǎo)致了串溝取直的現(xiàn)象。發(fā)育過程中，凹岸受水流沖擊出現(xiàn)坍塌，砂體被河流搬運(yùn)至凸岸處堆積，形成了點(diǎn)壩。實(shí)驗(yàn)E在模擬后期（圖4j）水流剪切力與淤積砂體的抗剪力維持動(dòng)態(tài)平衡，碎屑物填滿原有的河床并發(fā)育單股無汊河道（圖41）。河流峰值流量與平均流量比值較低時(shí)河流呈現(xiàn)較高彎曲度[42]，發(fā)育曲流河需要保持穩(wěn)定的水流條件和較高流速，河岸受到的侵蝕作用越明顯，坍塌砂體越多，碎屑物也能源源不斷被搬運(yùn)至點(diǎn)壩外圍27。在大流量條件下 （1000mL/min） ，實(shí)驗(yàn)B中河流流速明顯加快，河岸受到的沖擊力較大，凹岸附近出現(xiàn)大量坍塌砂體，碎屑物的補(bǔ)給與運(yùn)移速率保持平衡，粒徑較粗的綠沙在河床底部翻滾推移，而細(xì)粒的高嶺土被懸移搬運(yùn)至點(diǎn)壩表面（圖8）。在初始河道寬度保持一致的條件下，流量影響河流發(fā)育過程中的河流流速以及泥沙輸移平衡。河岸寬度恒定時(shí)流量越大則河流流速越大，對(duì)凹岸的沖擊力越強(qiáng)，導(dǎo)致河岸容易坍塌并且水流容易搬運(yùn)坍塌的沉積物，因此河道向彎曲形態(tài)發(fā)育。曲流河發(fā)育過程中，當(dāng)泥沙輸入速率大于運(yùn)移速率時(shí)河流易向辮狀河和順直河形態(tài)發(fā)育，泥沙輸人速率與運(yùn)移速率保持動(dòng)態(tài)平衡時(shí)河流易向曲流河形態(tài)發(fā)育。

3.3高嶺土對(duì)于曲流河形態(tài)變化的影響

高嶺土能夠有效減少沉積物移動(dòng)過程中的規(guī)模效應(yīng)，在使用非黏結(jié)性細(xì)粒砂體代替黏土礦物模擬時(shí)會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)狀形態(tài)[43]。前人通過添加黏土礦物來增強(qiáng)河岸抗侵蝕力[44]，從而使得河流發(fā)育時(shí)主流線能保持彎曲形態(tài)。由高嶺土含量實(shí)驗(yàn)組（實(shí)驗(yàn)B和實(shí)驗(yàn)F）結(jié)果對(duì)比可知，高嶺土粒徑較小，能夠填充河岸沙粒間孔隙從而減小砂體孔隙度并增強(qiáng)河岸抗?jié)B透性。此外，隨著高嶺土含量的增加，河道寬深比隨之減小[34。實(shí)驗(yàn)F中由于缺少高嶺土的河岸孔隙滲透性好，在流水沖刷的剪切力作用下，兩側(cè)河岸容易發(fā)生坍塌，河道進(jìn)而不斷擴(kuò)寬，河岸被侵蝕速率加快，坍塌的沙粒大多堆積在坍塌處附近或者就近分布，阻止河道變彎曲。同時(shí)在河底堆積泥沙導(dǎo)致河道變淺，因此實(shí)驗(yàn)F河道的彎曲度小，寬度大，寬深比大（圖7d）。在相同粒徑條件下添加高嶺土的實(shí)驗(yàn)B中，整體供源粒度變細(xì)，河岸滲透性較差，但坍塌的沉積物含有高嶺土，能被水流帶走，導(dǎo)致坍塌沉積物和河岸的滲透性逐漸變好，坍塌處會(huì)繼續(xù)坍塌，凹岸處被不斷侵蝕。河流將沉積物搬運(yùn)至下一個(gè)彎道處的凸岸沉積，減小河道寬度的同時(shí)使得河道變得更加彎曲，即保持了較小的寬深比，因此形成的河道彎曲度大，河道窄，寬深比小（圖7d）。實(shí)驗(yàn)A相較于實(shí)驗(yàn)B整體供源粒度增大，滲透性稍好，坍塌砂體呈顆粒狀，恒定流量條件下河道由窄變寬導(dǎo)致流速減緩，沉積物搬運(yùn)速度減慢，大部分砂體在河道中游處沉積，河道底部抬升，河道寬深比增大（圖7d）。實(shí)驗(yàn)C相較于實(shí)驗(yàn)B整體供源粒度減小，沉積物更容易被搬運(yùn)，坍塌砂體呈塊狀，滲透性稍差，在凹岸處形成回水渦流，不斷向下侵蝕河床（圖8），彎曲段呈擴(kuò)張型發(fā)育，河道寬深比減?。▓D7d）。高嶺土含量的增加導(dǎo)致供源粒度整體減小，進(jìn)而增強(qiáng)初始河岸的抗?jié)B透性，河流彎曲度隨之增大，河道寬深比減小。

4結(jié)論

（1）曲流河發(fā)育過程中供源沙粒度的變化對(duì)河岸結(jié)構(gòu)和河岸演化具有重要影響。在高嶺土配比和恒定流量大小保持不變的條件下，供源沙粒度越小，坍塌砂體體積越大，凹岸抗侵蝕性越差，坍塌砂粒越容易被搬運(yùn)，從而無法阻止凹岸被進(jìn)一步侵蝕，曲流河彎曲度越大。

（2）在供源沙組分配比和碎屑物補(bǔ)給速率保持不變的條件下，流量的變化會(huì)對(duì)河流流速以及泥沙輸移平衡產(chǎn)生影響，河流流速與作用于河岸的沖擊力關(guān)系密切。泥沙輸入速率大于搬運(yùn)速率，河流易向辮狀河或網(wǎng)狀河形態(tài)發(fā)育，泥沙輸移保持平衡時(shí)或泥沙輸入速率小于搬運(yùn)速率，河流向曲流河形態(tài)轉(zhuǎn)變。在初始河道寬度一致的條件下，流量越大則河流流速越快，作用在河岸上的沖擊力越強(qiáng)，導(dǎo)致凹岸砂體越容易坍塌，沉積物越容易被搬運(yùn)至凸岸處點(diǎn)壩附近，進(jìn)而河流彎曲度越大。

（3）高嶺土能夠加強(qiáng)河岸黏聚力，從而提升了抗?jié)B透強(qiáng)度，保持了主流線的彎曲形態(tài)，利于曲流河發(fā)育。在恒定流量與供源沙粒度保持不變的條件下，供源組分中添加高嶺土能夠增加初始河岸的抗?jié)B透性，但是砂體中的高嶺土粒徑較小易被水流帶走，導(dǎo)致河岸滲透性會(huì)越來越好，凹岸處不斷坍塌，同時(shí)沉積物易被搬運(yùn)至凸岸處堆積，從而使河道彎曲度越來越大，河道寬深比越小。

致謝感謝唐明明老師在本文撰寫過程中提供的指導(dǎo)和幫助，同時(shí)也衷心感謝五位審稿專家和編輯部老師對(duì)本文提出的寶貴意見。

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Abstract：[Objective] River sediments are widely developed innatural strata，and meandering river sediments are an important part.The frequentchannel migration that occurs during the development of meandering rivers results in alarge numberof lateral sedimentarydeposits，complicating the superposition relationshipof sand bodies at any particular deposit site.Theanalysis of factors influencing meandering river morphology is a highly significant aspectof the studyof paleoclimateevolutionand continental weathering intensity，and therefore important in the exploration anddevelopmentofoiland gas reservoirs.In previous research，theinitial conditions necessaryforgenerating ameandering river have been proposed folowing observation of modern river sediments and assessment of the efects of clay mineralcontent，vegetation coverand initial saturationoftheriverbed.However，because in nature thedevelopment of riversediments takes place over very long periods of time，the dynamic sedimentation processcannot bedefinitely determined by field investigation or bytheexamination of outcrop sections.The historyof ameandering river is susceptible to the influence of arange of environmental factors，and supporting quantitative data is usuall lacking. [Methods]In this experimental study，the efects of single factor conditionson channel migration anddam body formation were investigated by flume sedimentation simulation.Thre sets of experiments incorporating diferent particle size，water flowand clay mineralcontent were conducted，using high-precision 3Dlaser scanning to convert the data into aseries of elevation models，enabling quantitative examination of the profile，structure and bed sediment changes.[Results]（1）The particle sizeof the source sand directly affectedthe curvature of the river meanders.For constant claycontent and constant discharge，smalerparticlesizeresulted in the meanders of the riverhaving broader curvature.Also，obvious differences in the structureof the bank collapse were observed fordiferent particle sizes. （2）When the sediment input rateand transport rate were in dynamic equilibrium，the discharge rate affcted he sediment transport balanceand the forceof flow impact on the riverbank caused the riverbank tocontinuously erode and expand outwards，and the channeldeveloped a meandering river form.（3）Theaddition of clay minerals to the river bank materials improved the resistance of the river bank by lowering its permeability.When the source sand grain sizeand flow rate remained unchanged，greater clay mineral content lowered the width-to-depth ratio of the river channel.[Conclusions] This study clarifies the influence of sand grain size，water discharge and clay mineral contenton the morphological properties of ameandering river，and provides quantitative basic data forthe studyof meander evolution.

Key words：meander development process； flume simulation experiment；river morphology；sedimentary characteristics；river bank denudation