基于地貌形態學交融的現代曲流河道遷移構型表征

林志鵬，單敬福，陳樂，孫千軍，王義武，汪菲

1.長江大學油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，武漢 430100

2.長江大學地球科學學院，武漢 430100

3.中國地質大學能源學院，北京 100083

4.北京大學地球與空間科學學院，北京 100871

5.大慶油田采氣分公司，黑龍江大慶 163000

0 引言

推演重建曲流河道構型及其沉積演化過程需重點把握地貌形態遷移結構和演化規律，現階段這項基礎性理論研究相對不足。對現代曲流河地貌遷移規律的認知是深入解剖地下河流儲層構型的鑰匙，也是恢復古河道歷史演化過程的一種重要科學方法[1-5]，且河流相砂體內部結構十分復雜，傳統方法難以精確揭示儲層內部結構單元分布和預測油氣的運移模式[6-10]。通過曲流河道地貌遷移規律的構型表征，有助于指導古河道砂體地下空間構型的分布特征[11-14]。結合地貌形態學的理論和方法則是其中至關重要的研究手段之一。盡管對古代和現代河流沉積體系已存大量研究，但曲流河動態地貌的過程演化分析依然是極具挑戰的任務[13,15]。國內外許多經典文章從河道的規模估算到水動力學及數值模擬等方面嘗試對河流三維動態遷移結構進行深層次解析，如Leopoldetal.[16]對河道水動力學特征、曲流結構、模式[17]以及河流地貌學特征[18]等做過詳細研究，并取得一定的成果；Wolmanetal.[19]通過對地貌過程分析認為河流周期性的流量變化是控制河流形態的重要因素，并結合實例追蹤研究河流演化過程；Williams[20]通過對水流通量的研究提出滿岸流量的定義和算法；Brice[21]提出曲流環的4種遷移模式，包括對稱、不對稱、復合對稱和復合不對稱模式；Hooker[22-24]對曲流河道地貌形態學做了大量研究，總結并提出了河彎變形的7種基本類型和3種復合類型；Miall[25-28]對河流體系的研究得出最好的線索還是結合野外露頭的結論，從構型要素到沉積演化的不斷深入重建歷史過程。Willisetal.[13]通過三維模擬河道遷移模式，進一步提出曲流環的平移、旋轉、擴張和復雜模式。Ielpietal.[15], Ghinassietal.[29]和Wuetal.[30]近年來則開始嘗試通過結合地貌形態學的方法來恢復古河道特征，實現動態地貌過程演化分析。相比國外，國內則更多是關注地下儲層結構，對曲流河形態的研究主要集中在側積體的概念性劃分。裘懌楠[31]對河流形態對河型的控制做了詳細說明；薛培華[14]將曲流點壩沉積建造單元分為側積面、側積層、側積體，結合拒馬河現代沉積剖面對側積體發育與演化過程進行解剖；尹燕義等[32]通過對現代飲馬河點壩的三維解剖，對其內部側積體沉積特征進行了詳細研究；岳大力等[33]提出地下點壩識別及內部結構精細解剖的方法，并將其應用于識別古代點壩沉積；周銀邦等[34]通過現代露頭與構型研究分析了點壩側積體結構形成的控制因素；單敬福等[35]結合對點壩內部側積體“成因”的研究，探討了曲流河道現代沉積的規律對再現古代沉積演化過程的意義；林志鵬等[3,36]通過結合曲流河地貌動力學理論，對曲流河道遷移構型結構提出了新的量化表征思路。綜合看來，對于曲流河遷移構型的研究，國外起步雖早，但總體較為分散，國內則稍顯欠缺，大部分研究尚未有效結合地貌形態學理論，在沒有弄清河道遷移演化規律的基礎上進行的儲層表征思路，需要得到糾正。

對現代曲流河道遷移結構的精細表征是解剖河流沉積過程和恢復古河道的重要方法和參考依據。曲流河道地貌遷移演化規律的不同，會影響儲層單元的巖性和儲集物性，河道平移、旋轉、擴張等變化都會引起河道形態的改變，進而影響儲層構型[23,37-38]。近年來諸多學者著手河流地貌形態學理論，取得了顯著的成果，如Ielpietal.[15]通過對英國約克郡斯卡伯勒北部曲流河構型和動態地貌學的分析，結合現代露頭的平面和剖面特征，提出了適用于該流域的一套綜合河道遷移結構模型；Wuetal.[30,39]通過對復合點壩露頭地貌遷移形態的重建分析了河流沉積演化過程，并建立了一種半定量的河道遷移模式；Ghinassietal.[29,40]通過研究曲流河道的遷移模式，探討了重建古河流系統和開發河流相油氣藏的重要方法；吳勝和等[41]提出“層次約束、模式擬合和多維互動”的構型分析與建模思路，論述地下古河道儲層結構的演化方法；單敬福等[42]通過探討“初末流線包絡線法”還原古河流遷移形態，重建河道演化過程。近年來也有大量成果通過數值模擬技術加以研究，如Asahietal.[43]通過數值模擬計算曲流河繁復的演化過程，并探討河道演化過程的可預測性。Schuurman[44]結合河流動力學數值模擬技術解釋河流地貌演化過程；Rousseauetal.[45]通過給定曲流河初始的水流參數和地形條件，同時改變相關河流參數進行數值模擬，從而得到多種演化模型以指導和預測同等地質條件下的河道形態演化。Schuurmanetal.[5]通過建立地形數值模型實驗來觀測曲流河點壩的形態變化和遷移狀況。由此進一步證明，揭示河道過程演化離不開河流地貌形態學與沉積學科的交融。

鑒于此，本文通過Google Earth和 ACME Mapper(基于Google Earth的高精度通用繪圖應用程序)獲取高分辨率歷史衛星圖像，結合兩條天然曲流河道的遷移結構，采用新的精細構型表征參數法，實現河道地貌遷移構型表征，得出其遷移規律與模式。擬主要解決以下四個問題：1)提出一套完善的曲流河地貌遷移形態構型表征方案；2)結合不同曲流河道遷移特征進行歷史演化過程形態學分析，并對其結構加以詳細刻畫；3)針對不同遷移結構，應用表征參數歸納一套完整的曲流河道遷移模型；4)探討遷移結構對地下儲層構型的重要指導意義。

1 地質背景

天然河道的選擇需要著重考慮人類活動因素，且不同地區不同曲流河具有的特征差異性也需要加以研究，為更好展示不同地域河流的特征，本文選取2條來自不同國家、人口分布分散、自然環境和河道結構保存較為完整、易于觀察的典型曲流河作為研究對象，每條河流各選取50條河曲進行統計分析，并選取其中12段河曲進行精細表征。這2條河流分別為額爾齊斯河和諾威特納河。

額爾齊斯河(Irtysh River)是鄂畢河(Ob River)最大的支流之一，全長約4 248 km，源起中國新疆維吾爾自治區阿爾泰山南坡，自東南向西北流出中國，經哈薩克斯坦向北流入俄羅斯，在漢特—曼西斯克匯入鄂畢河。研究河段南起托博爾斯克北部，坐標為60°56′N，69°19′E，如圖1中IR：I-II，河段長44.51 km，直線距離為22.99 km。該河段曲流河結構保存較好，易于觀察。

諾威特納河(Nowitna River)位于美國阿拉斯加州國家野生動物保護區，為育空河(Yukon River)一支流，屬于典型的曲流河，自北部卡斯科奎姆山流經諾威特納國家野生動物保護區一直流向塔納諾西南地區匯入育空河。全長約455.45 km，流域面積達到576.27 km2，擁有眾多的湖泊和沼澤，周圍地形平坦，或有連綿起伏的山川丘陵，河岸植被茂盛；其中362 km被指定為野生河流，也因此現階段很少受到人為因素的干擾，河流結構保存十分完好。研究河段北起諾威特納河與育空河分流河口處，坐標為64°53N，205°45′E，南抵坐標為64°36′N，205°33′E的位置，如圖1中NR：I-II，河段長97.89 km，直線距離為35.53 km。該河段河道遷移現象顯著，特征明顯，有利于對原生態曲流河的遷移結構特征等進行深入研究。

圖1 額爾齊斯河與諾威特納河研究區位置圖Fig.1 Location map of the Irtysh River and Nowitna River

2 遷移構型表征

盡管現代沖積平原上大量曲流河的形態特征已被識別，但在沉積學領域對河道的刻畫依然停留在沉積微相的解釋中[46-48]，結合地貌形態學加以精細表征的體現較少，故此結合地貌形態學與河流沉積學理論，系統完善曲流河道平面結構的構型表征。綜合前人的分析[11,13,21,49]，將曲流河道遷移構型要素具體分為靜態要素、動態要素和表征參數三大類。

2.1 靜態要素

靜態要素指對曲流河形態結構進行定性描述的地貌沉積單元和抽象概念流線，主要包括河道內要素：河道、深洼、淺灘、深泓線、中心線、曲流環轉折端和曲率頂點；河道外要素：曲流帶、點壩(上游壩、中游壩、下游壩)、串溝河道、外岸(凹岸)、內岸(凸岸)、曲流環(河彎)、廢棄河道、河漫灘、曲率圓和曲流環頂點等。其中對遷移結構起到重要表征作用的主要是曲流環(河彎)、中心線、曲流環轉折端、曲率頂點、曲率圓、點壩(上游壩、中游壩、下游壩)和深泓線。

曲流環(Meander loop)，又稱河彎，是河道蜿蜒過程中的某段環狀彎曲，如圖2中(4)和(5)所限定的范圍就是一個單一曲流環，是曲流河道的基本構成單元。一條曲流河本質上總是可以分為數段連續的曲流環。中心線(Centerline)是河道所有橫截面外岸與內岸邊緣中點的連線，是抽象概念線條，其長度表示為LC(圖2)；線上每點都能代表河道某個橫截面的平面幾何中心，在對河道進行線性研究和形態學研究時，可近似將中心線作為河道本身，此概念的使用使得對河道流線的研究和遷移軌跡有了更加便捷和明確的表示，不用考慮外岸與內岸距離的差異。曲流環轉折端(Bend inflection)是兩相鄰曲流環的過渡位置，形態學上即是曲流帶軸向線與中心線的交點(圖2)；轉折端的出現表明河道的遷移方向發生改變，是識別不同曲流環的重要標志。曲率頂點(Curvature apex)是曲流環外岸頂點與內岸頂點連線的中點，也是曲流環軸向線與中心線的交點(圖2)；其遷移方向也可指示曲流環的遷移方向。曲率圓(Curvature circle)是表示單一曲流環彎曲程度的幾何圓(圖2)，為相鄰兩個曲流環轉折端連線的中點，以連接該中點和曲率頂點之間的線段作為直徑所的圓就是曲率圓，其圓心一般落在點壩中游壩附近，圓周越大，表示曲流環彎曲程度越大；圓周越小，表示曲流環彎曲程度越小。點壩(Point bar)又稱心灘，是河道遷移擺動和沉積物堆積的重要沉積單元，發育于河道內岸，是曲流環的主體(圖2)，據其形態位置又可定性分為上游壩(Upstream bar)、中游壩(Central bar)和下游壩(Downstream bar)，其水流強度和沉積物顆粒大小與種類各有差異。深泓線(Thalweg)，也稱最深谷底線，是河道內海拔最低點的連線(圖2)；是抽象概念線條，所代表的流域流速相對較高，谷底遭受沖蝕程度最大，總是偏向外岸一側。

圖2 曲流河道遷移結構精細表征Fig.2 Planform elements of migration architecture of the meandering river

2.2 動態要素

動態要素指從靜態要素中提取出來的動態參數，是河道結構的量化反映，其數值變化一定程度上可指示河道演化過程。包括標量要素：曲流帶寬、曲流帶長、單一曲流帶寬、單一曲流帶長、單一曲流環寬、單一曲流環長、中心線長和曲率半徑；矢量要素：曲流帶軸向、曲流環軸向、上游偏轉角和下游偏轉角(表1、圖2)。

曲流帶寬(WM)指完整多期復合河道的遷移擺動寬度，如圖2中(1)寬度所示，包含整個復合河道最寬距離；其值隨河流規模不同而不同，范圍從幾百米到上萬米，本研究區WM為8 700～22 000 m。曲流帶長(LM)指完整多期復合河道的跨域長度，即一條河流從開始到結束曲流帶軸向線的長度，圖3中只能表示所研究的某單一曲流帶長，所以沒有標注LM；用軸向線代替直線長度融入了河道地貌形態的考慮，其變化范圍區間很大，可從數千米到上萬米，本研究區兩條河流LM分別為302 741 m和55 458 m。單一曲流帶寬(WSM)指單一河道的遷移擺動寬度，如圖2中(2)寬度所示，一般大于兩倍單一曲流環寬度，其值一般為數百米到上萬米，本研究區WSM為1 800～12 000 m。單一曲流帶長(LSM)指單一河道的跨域長度，即單一河道軸向線的長度，如圖2中(3)長度所示。其值變化靈活，根據所研究對象規模不同而改變，本研究區LSM為3 300～23 000 m。單一曲流環寬(WML)指曲流環頂點到曲流帶軸向的垂直距離，如圖2中(4)寬度所示。其值一般為數百米到上千米，本研究區WML為700～3 800 m。單一曲流環長(LML)指相鄰兩曲流環轉折端之間的直線距離，如圖2中(5)長度所示。其值一般為數十米到上千米，本研究區LML為400～7 600 m。中心線長(LC)即是河道中心線的長度，其值可反映研究河段的實際長度，根據河流規模其值變化范圍較大，本研究區LC為1 600～11 000 m。曲率半徑(R)即曲率圓的半徑，其值為曲率頂點到相鄰曲流環轉折端中點距離的一半，如圖3中(6)長度所示。其值一般為數十米到上百米，本研究區R為300～2 000 m。曲流帶軸向(AXMB)指曲流帶蜿蜒擺動的中心軸，是各曲流環轉折端的連線，其方向指向河流流動方向，當研究某單一曲流環時，其長度近似等于LML長度。本研究區AXMB長度為400～7 600 m，方向為50°～340°。曲流環軸向(AXML)指曲流環流動的中心軸，是曲流環頂點與對應兩轉折端中點的連線，其方向指向外岸擴張方向，本研究區AXML方向為44°～310°。上游偏轉角(θU)指曲率頂點和對應上游曲流轉折端連線與曲流環軸向的夾角，如圖2中(9)角度所示；下游偏轉角(θD)指曲率頂點和對應下游曲流轉折端連線與曲流環軸向的夾角，如圖2中(10)角度所示，根據曲流環形態的不同，夾角范圍介于0°～90°之間，且上游偏轉角和下游偏轉角的差值是判斷遷移結構的重要依據。本研究區θU為9°～50°，θD為12°～55°。

表1 研究區12段河曲結構表征要素統計表Table 1 The planform architecture elements and parameters of the 12 key studying meanders in the sturdy reaches

圖3 對稱擴張結構遷移構型表征Fig.3 Planform migration architecture of the symmetrical expansion structure

2.3 構型表征參數

靜態要素和動態要素可刻畫河道形態結構，但地貌遷移特征的量化表征與規律性模式，還需要對結構參數做特征分析，得到河道結構動態演化的變量，即表征參數。依據結構要素，提煉出5個曲流河道遷移構型表征參數：彎度指數、曲率、順流偏轉角差、逆流偏轉角差和擴張系數，其中順流偏轉角差、逆流偏轉角差和擴張系數為本文首次提出的表征參數；同時彎度指數與曲率的定義也更為精確。

彎度指數(S)是指研究河道范圍內，中心線長度與曲流帶軸向線長的比值。前人對彎度指數的定義是河道長度與河谷長度的比值，但這一定義存在的問題是，河道與河谷長度區分不清晰，是外岸線、內岸線、深泓線、中心線長度，還是河道起點和終點的直線段長度，容易引起混淆。采用中心線長度代表河道長度可統一內、外岸線的問題，曲流帶軸向線長度代表河谷長度，其一不會引起概念模糊；其二，軸向線長度比河道起點和終點的直線段長度能更真實地反映地貌遷移情況，因為它考慮了河道隨地形蜿蜒變化的因素，而非單一簡化地當做一條直線處理。用公式表示為：

S=LC/AXMB

(1)

曲率(C)指曲率半徑的倒數，表示河彎的彎曲程度，曲率越小，表示河彎程度越大；反之則越小。已有通過點壩弧長直接除點壩直徑計算曲率的方法[50]，因為點壩形態不規則，提取的直徑和弧長很不明確，誤差較大。選擇曲率半徑，通過轉折端來確定河曲開始遷移的起點，再結合曲率頂點，控制整個曲流環形態，最終以曲率頂點和對應兩轉折端3點確定的曲率圓則能更有效反映曲率的真實情況。用公式表示為：

C=1/R

(2)

順流偏轉角差(Δθ)指上游偏轉角與下游偏轉角的差值，用以反映河彎對稱性。差值越接近于0，表明曲流環對稱性越高，差值為正且越大，表明曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢；差值為負且越小，表明曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢。用公式表示為：

Δθ=θU-θD

(3)

逆流偏轉角差(Δθ′)，與順流偏轉角差對應相反，指下游偏轉角與上游偏轉角的差值，差值越接近于0，表明曲流環對稱性越高，差值為正且越大，表明曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢；差值為負且越小，表明曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢。用公式表示為：

Δθ′=θD-θC

(4)

擴張系數(KM)指單一曲流環長與曲率直徑(2R)的比值，因為它們都由轉折端和曲率頂點控制，所以基本能控制曲流環形態，曲流環若不斷往外擴張，受轉折端控制，曲率直徑會逐漸變大，而曲流環長則改變幅度較小；當曲流環擴大到一定程度開始收斂，走向截彎趨勢時，受轉折端控制，曲率直徑一般會大于曲流環長。因此，他們可以對河道的擴張收斂情況提供基本的量化反映。比值大于1，則說明處于擴張期，比值越大，擴張程度越小；比值小于1，則說明處于收斂期，比值越小，收斂程度越大。用公式表示為：

KM=LML/2R

(5)

研究河段的基本結構表征要素和參數數據可見表1。

3 地貌形態遷移構型特征

對點壩側積形態和河道演化的定性描述缺乏量化表征，本文結合形態結構表征參數，對研究區曲流河道遷移演化規律進行定量研究。因為河流對堤岸的作用總是侵蝕凹岸，堆積凸岸，當點壩側向堆積至一定程度時易發生截彎取直，隨之重復新一輪側積侵蝕過程，所以曲流河道整體遷移構型宏觀上總呈現出重復性不斷向外擴展的趨勢。具體根據遷移前后河道地貌形態演化特征，并結合表征參數的定量刻畫，可將曲流河道遷移構型具體分為擴張結構和收斂結構兩大類。

3.1 擴張結構

曲流河擴張結構(Expansion Structure，ES)指河道向外不斷側積侵蝕遷移，KM通常大于1。根據曲流環和點壩向上游和下游擺動的幅度與Δθ值的差異，可細分為對稱擴張結構、上游旋轉(逆流旋轉)擴張結構和下游旋轉(順流旋轉)擴張結構。

3.1.1 對稱擴張結構

曲流環不斷向外岸側積侵蝕，對稱性好，KM大于1，Δθ靠近0°，此為曲流河對稱擴張結構(Symmetrical Expansion Structure，SES)。如圖3中IR1表明從1984年到2014年，額爾齊斯河研究區內河曲11遷移不明顯，通過IR2遷移結構表征和IR3表征參數的計算分析，可見該曲流環S為1.3，C為0.001 4，反映彎曲程度較低；Δθ為-5°，表明曲流環對稱性較好，呈弱順流旋轉趨勢；KM為2.43，表明河彎處于擴張期，且擴張程度較小。綜合表明河曲11為SES。NR1中諾威特納河2011年到2012年的衛星圖像顯示河曲18幾乎沒有發生遷移，通過NR2遷移結構表征和NR3表征參數的計算分析，可見該曲流環S為2.21，C為0.003 3，反映彎曲程度較大；Δθ為-2°，表明曲流環對稱性較好，呈弱順流旋轉趨勢；KM為1.21，表明河彎處于擴張期，且擴張程度較大。綜合表明河曲18為SES。

3.1.2 上游旋轉(逆流旋轉)擴張結構

曲流環不斷向外岸側積侵蝕，且曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢，KM大于1，Δθ大于0°，此為曲流河上游旋轉(逆流旋轉)擴張結構(Upstream Rotation Expansion Structure，URES)。如圖4中IR4表明從1984年到2014年，額爾齊斯河研究區內河曲38遷移不明顯，通過IR5遷移結構表征和IR6表征參數的計算分析，可見該曲流環S為2.01，C為0.000 8，反映彎曲程度較大；Δθ為19°，表明曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢；KM為1.20，表明河彎處h于擴張期，且擴張程度較大。綜合表明河曲38為URES。NR4中諾威特納河2011年到2013年的衛星圖像顯示河曲41遷移不明顯，通過NR5遷移結構表征和NR6表征參數的計算分析，可見該曲流環S為1.88，C為0.002 8，反映彎曲程度較大；Δθ為21°，表明曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢；KM為1.34，表明河彎處于擴張期，且擴張程度較大。綜合表明河曲41為URES。

圖 4 上游旋轉(逆流旋轉)擴張結構遷移構型表征Fig.4 Planform migration architecture of the upstream rotation expansion structure

3.1.3 下游旋轉(順流旋轉)擴張結構

曲流環不斷向外岸側積侵蝕，且曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢，KM大于1，Δθ小于0°，此為曲流河下游旋轉(順流旋轉)擴張結構(Downstream Rotation Expansion Structure，DRES)。如圖5中IR7表明從1984年到2013年，額爾齊斯河研究區內河曲18遷移緩慢，通過IR8遷移結構表征和IR9表征參數的計算分析，可見該曲流環S為1.57，C為0.000 5，反映彎曲程度較大；Δθ為-37°，表明曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢；KM為1.78，表明河彎處于擴張期，且擴張程度較大。綜合表明河曲18為DRES。NR7中諾威特納河2011年到2012年的衛星圖像顯示河曲29河道遷移緩慢，通過NR8遷移結構表征和NR9表征參數的計算分析，可見該曲流環S為2.31，C為0.002 1，反映彎曲程度較大；Δθ為-25°，表明曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢；KM為1.16，表明河彎處于擴張期，且擴張程度較大。綜合表明河曲29為DRES。

圖5 下游旋轉(順流旋轉)擴張結構遷移構型表征Fig.5 Planform migration architecture of the downstream rotation expansion structure

3.2 收斂結構

曲流河收斂結構(Constriction Structure，CS)指河道在向外擴張過程到達一定階段，開始發生向曲流帶軸向截彎侵蝕的過程，表現為河道擴張趨勢明顯減緩，并在轉折端附近侵蝕程度加深，最終截彎廢棄。這種結構截彎KM通常小于1。根據曲流環和點壩向上游和下游擺動幅度與Δθ值的差異，可細分為對稱收斂結構、上游旋轉(逆流旋轉)收斂結構和下游旋轉(順流旋轉)收斂結構。

3.2.1 對稱收斂結構

曲流環向外擴張過程減緩，在轉折端附近開始侵蝕截彎，KM小于1，Δθ靠近0°且形態對稱，此為曲流河對稱收斂結構(Symmetrical Constriction Structure，SCS)。如圖6中IR10表明從1984年到2015年，額爾齊斯河研究區內河曲31河道遷移較緩，通過IR11遷移結構表征和IR12表征參數的計算分析，可見該曲流環S為3.07，C為0.000 8，反映彎曲程度較大；Δθ為2°，形態近似對稱，表明曲流環對稱性較好，呈微弱逆流旋轉趨勢；KM為0.87，表明河彎處于收斂期，且收斂程度較小。綜合表明河曲31為SCS。NR10中諾威特納河2011年到2013年的衛星圖像顯示河曲36河道遷移不顯著，通過NR11遷移結構表征和NR12表征參數的計算分析，可見該曲流環S為2.75，C為0.002 8，反映彎曲程度較大；Δθ為-4°，形態近似對稱，表明曲流環對稱性較好，呈微弱順流旋轉趨勢；KM為0.96，表明河彎處于收斂期，且收斂程度較小。綜合表明河曲36為SCS。

圖6 對稱收斂結構遷移構型表征Fig.6 Planform migration architecture of the symmetrical constriction structure

3.2.2 上游旋轉(逆流旋轉)收斂結構

曲流環向外擴張過程減緩，在轉折端附近開始侵蝕截彎，且曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢，KM小于1，Δθ大于0°，此為曲流河上游旋轉(逆流旋轉)收斂結構(Upstream Rotation Constriction Structure，URCS)。如圖7中IR13表明從1984年到2016年，額爾齊斯河研究區內河曲2河道遷移較緩，通過IR14遷移結構表征和IR15表征參數的計算分析，可見該曲流環S為2.95，C為0.000 7，反映彎曲程度較大；Δθ為7°，曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢；KM為0.89，表明河彎處于收斂期，且收斂程度較大。綜合表明河曲2為URCS。NR13中諾威特納河2011年到2013年的衛星圖像顯示河曲30河道遷移不明顯，通過NR14遷移結構表征和NR15表征參數的計算分析，可見該曲流環S為3.86，C為0.001 2，反映彎曲程度較大；Δθ為12°，曲率頂點更靠近上游轉折端，呈逆流旋轉趨勢；KM為0.68，表明河彎處于收斂期，且收斂程度較大。綜合表明河曲30為URCS。

3.2.3 下游旋轉(順流旋轉)收斂結構

曲流環向外擴張過程減緩，在轉折端附近開始侵蝕截彎，且曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢，KM大于1， Δθ小于0°，此為曲流河下游旋轉(順流旋轉)收斂結構(Downstream Rotation Constriction Structure，DRCS)。如圖8中IR16表明從1984年到2016年，額爾齊斯河研究區內河曲1河道遷移過程較緩，通過IR17遷移結構表征和IR18表征參數的計算分析，可見該曲流環S為11.05，C為0.000 5，反映彎曲程度很大；Δθ為-3°，曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢；KM為0.22，表明河彎處于收斂期，且收斂程度較大。綜合表明河曲1為DRCS。NR16中諾威特納河2010年到2013年的衛星圖像顯示河曲50河道遷移較緩，通過NR17遷移結構表征和NR18表征參數的計算分析，可見該曲流環S為3.64，C為0.003 4，反映彎曲程度較大；Δθ為-4°，曲率頂點更靠近下游轉折端，呈順流旋轉趨勢；KM為0.72，表明河彎處于收斂期，且收斂程度較大。綜合表明河曲50為DRCS。

圖7 上游旋轉(逆流旋轉)收斂結構遷移構型表征Fig.7 Planform migration architecture of the upstream rotation constriction structure

4 曲流河道地貌遷移構型模式

通過對遷移構型表征的刻畫與分析，可以對曲流河道遷移模式的普適性規律進行探討。由于河道中心線可近似代替主河道，故本文采用中心線代表河道結構以簡化表示曲流河遷移過程和建立遷移構型模式的目的；結合上述構型表征的特征，建立如下曲流河道理想化條件下遷移構型模式的6種常規模式和3種基本復合模式(圖9)。

圖8 下游旋轉(順流旋轉)收斂結構遷移構型表征Fig.8 Planform migration architecture of the downstream rotation constriction structure

4.1 擴張遷移模式

4.1.1 對稱擴張遷移模式

曲流河道不斷側向遷移，曲率頂點近似呈直線遷移，LC逐漸增大，|AXMB|保持相對穩定，緩慢減小，S逐漸增大；R逐漸增加，C逐漸減??；θU和θD基本保持穩定不變，Δθ和Δθ′基本維持在0°左右；LML保持相對穩定，緩慢減小，KM始終大于1；如圖9中SEM，此為曲流河對稱擴張遷移模式(Symmetrical Expansion Migration，SEM)，見圖3中IR1和NR1。

4.1.2 上游旋轉(逆流旋轉)擴張遷移模式

曲流河道不斷側向遷移，曲率頂點向上游方向呈曲線遷移，LC逐漸增大，|AXMB|保持相對穩定，緩慢減小，S逐漸增大；R逐漸增加，C逐漸減小；θU逐漸增大，θD逐漸減小，Δθ大于0°且逐漸增大，Δθ′小于0°且逐漸減?。籐ML保持相對穩定，緩慢減小，KM始終大于1；如圖9中UREM，為曲流河上游旋轉(逆流旋轉)擴張遷移模式(Upstream Rotation Expansion Migration，UREM)，見圖4中IR4和NR4。

4.1.3 下游旋轉(順流旋轉)擴張遷移模式

曲流河道不斷側向遷移，曲率頂點向下游方向呈曲線遷移，LC逐漸增大，|AXMB|保持相對穩定，緩慢減小，S逐漸增大；R逐漸增加，C逐漸減?。沪萓逐漸減小，θD逐漸增大，Δθ小于0°且逐漸減小，Δθ′大于0°且逐漸增大；LML保持相對穩定，緩慢減小，KM始終大于1；如圖9 DREM，此為曲流河下游旋轉(順流旋轉)擴張遷移模式(Downstream Rotation Expansion Migration，DREM)，見圖5中IR7和NR7。

圖9 理想條件下曲流河道地貌遷移模式Fig.9 Planform migration model of the meandering channel under the ideal condition

4.2 收斂遷移模式

4.2.1 對稱收斂遷移模式

曲流河道向外擴張過程減緩，在轉折端附近開始侵蝕截彎，曲率頂點近似呈直線遷移，LC逐漸增大， |AXMB|逐漸減小，S逐漸增大；R逐漸增加，C逐漸減小；θU和θD基本保持穩定不變，Δθ和Δθ′基本維持在0°左右；LML逐漸減小，KM始終小于1；如圖9中SCM，此為曲流河對稱收斂遷移模式(Symmetrical Constriction Migration，SCM)，見圖6中IR10和NR10。

4.2.2 上游旋轉(逆流旋轉)收斂遷移模式

曲流河道向外擴張過程減緩，在轉折端附近開始侵蝕截彎，曲率頂點向上游方向呈曲線遷移，LC逐漸增大，|AXMΒ|逐漸減小，S逐漸增大；R逐漸增加，C逐漸減??；θU先增大后減小，θD先減小后增大再減小，Δθ大于且靠近0°，Δθ′小于且靠近0°；LML逐漸減小，KM始終小于1；如圖9中URCM，此為曲流河上游旋轉(逆流旋轉)收斂遷移模式(Upstream Rotation Constriction Migration，URCM)，見圖7中IR13和NR13。

4.2.3 下游旋轉(順流旋轉)收斂遷移模式

曲流河道向外擴張過程減緩，在轉折端附近開始侵蝕截彎，曲率頂點向下游方向呈曲線遷移，LC逐漸增大，|AXMΒ|逐漸減小，S逐漸增大；R逐漸增加，C逐漸減小；θU先減小后增大再減小，θD先增大后減小，Δθ小于且靠近0°，Δθ′大于且靠近0°；LML逐漸減小，KM始終小于1；如圖9 DRCM，此為曲流河下游旋轉(順流旋轉)收斂遷移模式(Downstream Rotation Constriction Migration，DRCM)，見圖8中IR16和NR16。

4.3 復合遷移模式

河道的遷移演化伴隨著地貌、水動力、沉積環境等改變而不斷變化，在實際遷移過程中更多是上述6種模式的復合，其中基本的復合模式主要可分為對稱擴張—收斂遷移模式(Symmetrical Expansion-Constriction Migration, SE-CM)、上游旋轉擴張—收斂遷移模式(Upstream Rotation Expansion-Constriction Migration，URE-CM)、下游旋轉擴張—收斂遷移模式(Downstream Rotation Expansion-Constriction Migration， DRE-CM)。理論上其他更為復雜的遷移構型都可厘定為這些模式。

5 討論

以地貌形態學基礎，揭示地質要素歷史演化規律，進而指導認識古代沉積的過程演繹法正成為國內外地球科學研究發展的新趨勢，并逐漸滲透到各地質學科。本文研究旨在融入地貌形態學的理論，深入分析和探討曲流河道遷移演化規律，針對結構要素提出一種新的具體可行的表征參數來定量表征曲流河道遷移構型。這種基于地貌形態學與河流沉積學交融的遷移構型表征法對現代和古代河流沉積的預測與重建意義最主要體現在兩方面：

5.1 現代河流遷移構型表征與預測

河道的遷移演化過程受多因素控制，包括流量、堤岸抗蝕性強度、水流強度、坡度和氣候等，在此多變量影響下，河流宏觀遷移規律在陸相環境中的呈現方式就尤為重要；什么環境下發育哪種遷移模式，什么因素決定了某種遷移過程，遷移結構對沉積環境具有什么指示作用？而且這種因素對于曲流河和辮狀河是具有普適性的，是否能對曲辮轉換和共存研究提供新思路？從曲流河遷移構型衍生運用到整個河流沉積遷移體系中去。

以上這些思考都有助于深入解剖現代沉積過程。進一步考慮不同沉積體系下河道遷移構型模式的差異(圖10)，這種差異性能否反饋沉積環境的特殊性？在整個分流體系(DFS)中[51-52]，近物源區河道遷移改道十分迅速，且受阻于局限環境，是否遷移結構較為單一，以SE-CM為主；平原區河岸抗侵蝕性相對較差，是否遷移結構多樣化，以URE-CM和DRE-CM復合為主；入?？诘貐^，受控于三角洲河流與潮汐相互作用，遷移結構是否具有特殊性；深海河流體系中，如墨西哥海底的水下河流(圖10G)，受海底地貌和洋流作用，河道演化是否遵循陸相河流遷移構型模式，亟待深究。

圖10 不同沉積體系下河流遷移構型模式分布圖Fig.10 Distribution patterns of river migration under different depositional systems

5.2 河道遷移模式對地下古河道內部構型演化過程重建的意義

地下古河道儲層構型研究雖已蔚然成風，但正如前文所言，由于對地貌遷移規律認知不清，在進行河道內部砂體解剖時，容易采用錯誤的理論模型，形而上學。此處僅以一例加以說明，如圖11中，A為2013年發表的地下點壩內部結構解剖與河道演化特征分析成果，可參見原文獻圖7[53]。圖A為原文整篇文章的成果圖，然而，通過對其河流歷史演化的過程還原，如圖B；可明顯看出矛盾所在，第0期河道期次對應缺失，在第1期河道到第11期河道的演化過程中，河流結構明顯與天然河流的演化結構相違背，自然條件下，河流不可能出現像第1期河道這樣的遷移結構。由此可見，此處對點壩構型表征的結果整個不符合自然規律，而這還是在基于該區較密的井網條件下得出的結果。無疑將引起質疑，是否整套研究方法與思路都存在問題？如果結合本文的研究思路與方法，結合地貌形態學理論，考慮河道的遷移構型模式，理論上應該得出圖C和D結果，如果文章還對古流向或者表征參數有測量，那么還可以對古河道的演化進行量化表征與精確重建。這也同時反映了基于地貌形態學交融的曲流河道遷移構型表征方法對河流儲層構型的重要指導、重建與預測意義。

圖11 基于曲流河道地貌遷移構型模式的儲層表征Fig.11 Reservoir characterization based on the pattern of meandering channel migration

基礎理論架構的不足很可能導致方法甚至最終結果的錯誤，并進一步誤導深入研究，2017年最新發表的成果中還依然存在該案列呈現的問題，所以本文的研究十分必要。張昌民等[54]通過回顧20年來河流沉積學的研究也指出國內河流相研究重視應用而輕視基礎理論研究的問題。今后的研究也應當積極重視基礎研究，貫徹從實踐到理論，理論到實踐的思想路線，將河流沉積學與地貌學聯系起來，相互印證指導，以期進一步推進河流研究領域各學科間的交融與共同發展。

然而，本文也具有一定局限性，雖然針對兩個國家典型天然河流地貌構型進行識別與研究，但對之世界繁不甚數的河流而言，只是冰山一角，且遷移構型模式的表征方法過于理想化，在實際運用中必須加以考慮具體因素具體分析。并且，由此衍生出的以下四點問題將在今后工作中加以深入研究：1)不同遷移模式之間的內在聯系，2)遷移構型與垂向沉積結構之間的對應關系，3)河道遷移模式形成的主控因素，4)曲流河遷移結構中平移結構存在的爭議。因此，本研究所得出的構型表征法與遷移模式對于河流的普遍應用，仍需在今后更多實踐工作基礎上加以深入佐證。

6 結論

通過對額爾齊斯河和諾威特納河典型河曲采用Google Earth和ACME Mapper現代衛星圖像分析，結合地貌形態學與河流沉積學，對曲流河道遷移構型表征結構主要得出如下幾點認識：

(1) 刻畫河道遷移結構是分析其演化規律的前提。曲流河地貌形態結構表征可分細為17個靜態要素、11個動態要素，深入定義了彎度指數與曲率，提出并運用了3種新構型表征參數：順流偏轉角、逆流偏轉角和擴張系數。

(2) 5個表征參數S、C、Δθ、Δθ′和KM可對曲流河遷移結構做定量表征，并據此綜合提煉出6種遷移結構，分別是對稱擴張結構(SES)、上游旋轉(逆流旋轉)擴張結構(URES)、下游旋轉(順流旋轉)擴張結構(DRES)、對稱收斂結構(SCS)、上游旋轉(逆流旋轉)收斂結構(URCS)和下游旋轉(順流旋轉)收斂結構(DRCS)。

(3) 通過對研究區12段河曲的精細結構表征，提出曲流河道理想化條件下遷移構型的6種常規模式和3種基本復合模式，分別是對稱擴張遷移模式(SEM)、上游旋轉(逆流旋轉)擴張遷移模式(UREM)、下游旋轉(順流旋轉)擴張遷移模式(DREM)、對稱收斂遷移模式(SCM)、上游旋轉(逆流旋轉)收斂遷移模式(URCM)、下游旋轉(順流旋轉)收斂遷移模式(DRCM)、對稱擴張—收斂遷移模式(SE-CM)、上游旋轉擴張—收斂遷移模式(URE-CM)和下游旋轉擴張—收斂遷移模式(DRE-CM)。

(4) 河流沉積學與地下儲層構型的研究方興未艾，而跨學科結合地貌形態學理論綜合表征河流演化結構的發展勢在必行，在現代河流遷移構型表征預測和地下古河道過程重建的討論中，進一步明確將來發展要結合地貌形態學規律，綜合多因素動態分析河流演化過程，以辯證思想真正實現將今論古、以古鑒今的科學研究。

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