河流动力地貌学：探索水能塑造地球的奥秘

流水地貌过程是最为活跃的地表过程之一,它深刻地影响着人类赖以生存的地理环境和人类活动方式。泥沙运动力学和河流地貌学交叉所生成的边缘学科——河流动力地貌学,就着重研究全流域面及其水系的组成物质和形态在流水动力作用下的演变和分布规律。它将流域中自然地理环境中的各要素都以力的表达形式描述,从而使得解决地表物质的侵蚀、搬运和沉积的机制问题成为可能(倪晋仁,1998)。

在河流动力地貌学中,主要应用三种研究方法,即野外路线调查及定位时序观测、物理模型试验和数学模型试验研究、遥感遥测信息模型研究。近年来,我国在河流动力地貌学的研究中取得了长足进展,在黄河水沙变化及其地貌响应、三峡大坝泥沙问题、高含沙水流、河型成因及转化、古河道研究等方面都取得了较大突破。在未来的研究中,除了需要将宏观与微观研究、静态与动态研究、河流地貌理论与工程实践研究进一步结合以外,应用3S技术,实现GIS、数学模型、可视化技术与虚拟现实技术的一体化,进而建立数字地貌学也将是重要方向。如最近提出的地理图像信息模型,就是在地形模型、物理模型、数学模型的基础上提出的一种新型模型,有助于对河流地貌过程的定量研究和描述。

河流三角洲沉积平原在自然过程中可能是泥沙沉积历时数万年至百万年形成的。泥沙专家一般只关注现代沉积过程,从工程需要角度,偏重于研究河道几年、最多至几百年的演变过程,涉及到三角洲沉积,局限于研究近代河流过程的影响。对古代三角洲的沉积过程研究很少,只是关心沉积地貌对河流变迁的影响。以黄河为例,从河道治理与水利工程建设需要,泥沙研究者应用物理模型试验与数学模型计算,模拟水库的泥沙沉积过程和河道的泥沙冲淤过程,这样的模拟最长不超过100年。关于黄河大三角洲的形成与发展,泥沙研究者也极为关心,从宏观上研究三角洲的发展,这种研究定性多于定量。定量研究较好的成果,如许炯心关于13000年来黄河下游平原沉积速率的成果,说明了沉积速率不断加快的事实;其他如下游河道纵剖面变化的成果等等。从动力沉积过程对三角洲平原形成过程的模拟还没有很好研究过。(www.xing528.com)

地学家们更关心大区域长时间的沉积问题,不仅关心沉积区的地貌特征,更重要的是想知道地下沉积结构,以便寻找石油与其他矿产资源。过去通常采用物探方法探明地层结构。现在一些地学家尝试用数值模拟方法,研究大区域地质剖面,即模拟泥沙的沉积过程,确定沉积区的地质特性。该方面的代表人物是斯坦福大学的Tetzlaff&Harbaugh(1989)。他们是地学家,应用泥沙运动力学的基本理论建立起泥沙沉积计算的应用程序,并成功地模拟大区域盆地及三角洲在地质年代的形成过程,给出上百万年代的地层剖面,是沉积学与泥沙学科交叉的成功范例。用泥沙动力学方法模拟古代地质过程将面临几个关键技术问题:①古水文条件,决定数值模拟的来水来沙条件;②时间比尺问题,确定计算时间与实际时间的关系;③沉积的密实过程;④计算结果的地质解释,或与实际地质结构的比较。

盆地沉积模拟或三角洲沉积模拟是很有前途的发展方向。在石油部门,初始阶段就直接用井探的方法了解地质结构,花费极大,而且费时效率不高。最好能根据盆地的形成条件,采用数值计算方法模拟沉积过程,初步确定地质结构,再进行深入细致的物探工作。在国外,这样的研究已经用于生产实际中。该项工作需要泥沙专家与地学家联合进行,发挥泥沙专家沉积动力学基础好和地质学家熟知地层特性的优势。在目前,该领域有两个选题值得进行:①1万年来黄河大三角洲形成过程的动力学数值模拟;②辽河盆地形成过程的动力学数值模拟与潜在油气构造分析。