河流礫—砂過渡（GST）研究進展

張藝秋，胡修棉

南京大學地球科學與工程學院，南京 210023

0 引言

河流系統作為搬運載體，連通著沉積物質從山區的“源”到海洋的“匯”。廣泛分布的礫石質河流中，河床從地勢較陡的山區向廣闊的平原搬運沉積物時，物質粒徑會沿下游逐步細化。粒徑下降至10～20 mm 時，沉積物會在相對較短的距離內（同一物源所控制河段長度的約1%～10%）完成中粗卵礫到極粗砂級別[1-2]的突然減小，被稱為礫—砂過渡（gravelsand transition，即GST）[3-4]。上述粒度轉變往往伴隨著河流的相應坡折（表1），河床也從礫石質轉變為砂質。礫—砂過渡現象最早由Yatsu[3]對日本河流的縱向剖面研究發現，被認為在空間和時間尺度上均具有普遍性[4]。

若采用φ值作為粒級劃分標準，GST的細化能力是正常情況下的數倍[4]。然而，這個在世界范圍河流中普遍出現的粒度突變現象，至今仍沒有廣泛認可的成因解釋。表面上，礫—砂過渡是礫石質河道向砂質河道的轉變，但它不僅是礫石質河流中沉積物粒度逐步細化的某種延續，還是不同河道類型的臨界閾值，標志著兩種河流類型之間不同的沉積物搬運機制、河道比降以及河道形態[6]。由于古今沉積相似性，它還從根本上表征著沉積盆地沉積體系的邊界[7]。因此，本文結合已有文獻對該重要沉積現象進行梳理和回顧，旨在發揮其對于理解河流演化與物源分析的啟示和研究價值。

1 礫—砂過渡的基本特征

礫石質河流沉積物的逐步細化通常被認為是磨損和分選（顆粒在夾帶、運輸、沉積過程中的尺寸性選擇）共同作用的結果[8]。無支流或河谷側的物質橫向輸入時，沉積物粒徑根據Sternberg 定律呈指數式下降，即D=D0e-αL（轉引自Knighton[9]）。α 為粒度下降的速率系數，D為特征粒徑（如中值粒徑D50），D0為該特征粒徑初始值，L為下游距離。礫—砂過渡正是在一般細化規律控制下，沉積物下游粒度發生突兀轉變的特別現象。

Smithet al.[4]對一些小型復雜的河流研究表明，其GST 往往發生在相對較短的距離內，由礫—砂雙峰沉積物組成，伴隨著相關的坡折變化。之后觀察到的大多數礫—砂過渡現象均與此吻合。隨著對其認識的不斷修正和擴充，目前GST 大致可以分為三種類型：無顯著橫向物質輸入的小型河流礫—砂過渡、無顯著橫向物質輸入的大型河流礫—砂過渡、橫向物質干擾下的河流礫—砂過渡。下面分別對典型案例進行介紹，以了解河流礫—砂過渡的基本特征。

表1 河流礫—砂過渡（GST）主要特征（修改自文獻[4-5]）Table 1 Main characteristics of gravel-sand transitions (modified from references [4-5])

1.1 無顯著橫向物質輸入的小型河流礫—砂過渡

Allt Dubhaig是一條位于蘇格蘭中部高地的小型曲流河[4]。從冰磧地區流出后經過幾個小巖基，該處可被視為源頭并開始計算下游距離（圖1）。河道寬度大約10 m，滿岸流量為6～10 m3/s，一年可達數次。河谷坐落在一個古老的冰水沉積平原上，全新世至今河道比降基本未變。河床物質主要來源于局部的麻粒巖和云母片巖以及部分花崗巖漂礫。下游較低的河谷邊坡被丘狀冰磧物覆蓋，極少有橫向物質輸入；下游流量變化也不大，僅有一條小支流從左側進入?？傮w來說，該河流具有較小的復雜性，下游沉積物通量和流量幾乎保持恒定，適合對其礫—砂過渡展開研究。

圖1 Allt Dubhaig 的GST 示意圖（修改自Smith et al.[4]）Fig.1 Sketch map of Allt Dubhaig (Scotland) gravel-sand transition (modified from Smith et al.[4])

對河岸活動的觀察表明，Allt Dubhaig 下游段總體處于低能量狀態[4]。沉積物呈一定距離的指數式細化后，在源處下游2.7 km 處發生礫—砂過渡（圖1）。過渡河段寬約7～8 m。在250 m 左右的距離內，河床表面中值粒徑D50從15 mm 的礫石下降為不足0.5 mm的砂粒（圖2）。下游0～2.5 km的距離內，河道比降從～2%（表示100 m 河道長度上，河床高程降低2 m）下降至＜0.3%[7]；GST發生的區間，在～200 m距離內水面比降從0.22%（類似于河道比降）下降至0.02%，減小大約一個數量級（表2）。對于如此比降變化，Smithet al.[4]認為沖積扇下游河谷末端（約3.9 km 處）修建的水電導流閘（圖1），作為局部基準面將水位向上游抬高了1 m。

圖2 Allt Dubhaig 河床表面粒徑及河道比降的變化（修改自Smith et al.[4]）Fig.2 Variation of surface grain size and channel slope inAllt Dubhaig (Scotland) (modified from Smith et al.[4])

對于復雜性較小的河流，其GST 河床變化也有較詳細的觀察資料。Smithet al.[4]發現，Allt Dubhaig礫—砂過渡發生時，河床由雙峰沉積物組成。圖3可以看到，GST區域的河床覆蓋著相鄰的礫、砂舌狀體。向下游經過最后一個小礫石壩后（此時砂只是少量存在于壩尾），河床粒徑組成的雙峰性逐漸增強：從開始的單峰礫石，到雙峰礫、砂，再到單峰砂。曲流河彎道處常見的深潭—淺灘結構（pool-riffle structure）也有所反映。整體來看，礫石主要分布在深潭，砂主要分布在淺灘。但砂層粗糙度減小，礫石會因在其表面流動性增強而過界（overpassing），分布在逐漸形成的砂條紋或更下游的砂層上。

表2 Allt Dubhaig與下Fraser河GST前后的水力特征（據Smith et al.[4], Ferguson et al.[8], Venditti et al.[10]）Table 2 Hydraulic characteristics before and after GST in Allt Dubhaig and down stream Fraser(after Smith et al.[4], Ferguson et al.[8], Venditti et al.[10])

1.2 無顯著橫向物質輸入的大型河流礫—砂過渡

類似于Allt Dubhaig，無顯著橫向物質輸入時復雜性較小的小型河流GST 均相對“突?！?，且往往伴隨一個“受阻”的礫石前緣[10]（arrested gravel front，礫—砂過渡時無法被繼續搬運的礫石堆積形成的楔形體，其下游如無特殊情況會快速轉變為完全的砂層）。此時，河床物質沿下游指數下降至中粗卵礫級別時，會自然發生礫—砂過渡，短距離內完成向極粗砂的轉變。然而，無顯著橫向物質輸入時，大型河流GST的發生則往往存在一定的延后，研究也陸續觀察到不那么“突?！钡牡[—砂過渡。加拿大不列顛哥倫比亞省的Fraser河在很大程度上未受人類活動影響，且鮮有證據表明下游遠端的礫石積累過程受到明顯干擾[10]，正是研究這一類型礫—砂過渡的典型案例。

加拿大Fraser 河流域面積22.8×104km2[10]，是一條規模遠大于Allt Dubhaig 的大型河流（其下游段見圖4）。從靠近不列顛哥倫比亞—阿爾伯塔省邊界的Robson 山脈起源，向下游經1 375 km 流至Sand Heads 河口（圖5）。在距離河口486 km 處，Fraser 河與Chilcotin 河交匯，其后流經一系列基巖峽谷。這部分來自不列顛哥倫比亞內部高原、山脈的基巖物質作為下Fraser 河的物源，被運往遠端河段，下游段從峽谷的出口（距河口～185 km 處的Hope）開始（圖5）。Fraser 河的水流供給主要來自每年五六月的春季冰雪融水，礫—砂過渡附近的年平均流量為～3 400 m3/s，洪 水 時 期 可 以 達 到～10 000 m3/s。Vendittiet al.[10]根據既有的分析和計算，將下Fraser河的礫石通量估計在10×104m3/a左右。

Vendittiet al.[10]將Fraser 河的礫—砂過渡終點確定在RK100.5 處（表示距河口Sand Heads 上游100.5 km）。這里與小型河流類似，出現一個終止的礫石前緣：不到2 km 的距離內，河床中值粒徑從10 mm 左右的礫石減小為不足1 mm 的砂（圖5）。RK100.5下游的大部分樣品粒徑在砂尺寸，僅有不到10%的粉砂或礫石存在。與小型河流不同的是，Fraser 河在“突?！钡腉ST（RK102～100.5）下游，還分布著長約52 km 的“擴散延伸段”（diffuse extension,RK100.5～48.5，結束于Pitt 河匯流處，其下游開始三角洲分叉，圖4），其中四分之一的樣品仍存在少量礫石，由于在粗糙度較低的砂層上流動性增強，它們以斑塊（patch）的形式出現在這部分砂層上。此外，GST 中觀察到河床表面的沉積物結構從碎屑支撐轉向基質支撐（RK101.5），砂本存在于礫石框架孔隙中，含量增多后轉為河床沉積的一部分。

圖3 Allt Dubhaig 礫—砂過渡中的河床變化（修改自Smith et al.[4]）Fig.3 Bed variation in gravel-sand transition, Allt Dubhaig(Scotland) (modified from Smith et al.[4])

圖4 Fraser 下游段流域圖（修改自Venditti et al.[10]）Fig.4 Watershed in lower Fraser (British Columbia) (modified from Venditti et al.[10])

圖5 Fraser 及下游示意圖（a，b）與其粒度、比降變化（c，d）（修改自Venditti et al.[10]）Fig.5 (a,b) Sketch of Fraser (British Columbia) and lower region; (c,d) Downstream variation of grain size and slope(modified from Venditti et al.[10])

除粒徑突變外，Fraser河GST同樣伴隨著比降的顯著變化（圖5）。水面比降在RK102處驟降，基本意味著礫—砂過渡的開始。礫—砂過渡完成后，河床比降才從礫石質河床中的0.043%下降為砂質河床中的0.010%（RK90處）。

1.3 橫向物質干擾下的河流礫—砂過渡

與Allt Dubhaig、Fraser 河不同，還存在一種被大量橫向物質干擾的河流GST。河流搬運沉積物的過程由水流與沉積供應共同決定，影響著河道形態發育。當流量條件未發生明顯變化時，沉積物荷載的過量輸入可能導致河道不穩定并發生轉變[11]。值得注意的是，河道縱剖面（沿河長方向，指示地形變化轉折）幾乎無法被改變，這需要極大量物質進行重新分布。因此，這種類型所關注的礫—砂過渡只在極少數條件下才會發生。此時，Sternberg 沿程細化定律在粒徑還未減小至中粗卵礫時便被“提前打斷”。

澳大利亞塔斯馬尼亞島東北部的Ringarooma 河正是一個典型的例子，它在接收了超過4×107m3（相當于下Fraser 河礫石通量的400 倍）采礦廢料后，出現礫—砂過渡。Ringarooma 盆地作為砂錫礦的主要來源，在過去一百年中被持續開采[9]。采礦輸入的廢料大多為1～2 mm，比自然河床物質（平均粒徑為30～35 mm）小得多。如此龐大的物質量輸入后，Ringarooma河先是向下游加積（河流在物質搬運過程中的沉積），采礦停止后又以相同的模式逐漸向下游退化（河床表面的粗化）。

Ringarooma河的情況較特殊，且其礫—砂過渡附近正在自然退化，相對缺乏GST特征的描述。GST大約在5 km 范圍內：Herrick-Pioneer 之間（源頭下游65 km 處）發生35～2 mm 的中值粒徑突變（圖6）。從源頭下游距離來看，65 km 上游段為礫石主導的河床[9]：更上游部分的30 km未被采礦干擾，保留原始河床；30～65 km段的礫石，可能來自充分退化后重新暴露的原始河床或者較粗組分物質的滯后沉積。65 km下游段則表現為砂質河床，在較大程度上仍受采礦廢料的影響。65 km 下游是否會在自然條件下表現為礫石質河床仍然未知，但上游沉積物粒徑曲線的外推符合典型的指數型變化（圖6）；擬合方程顯示，粒徑在GST 前后的細化系數接近（分別為0.010和0.009），這與水力條件未變的事實相符：下游的確還應該自然存在一定距離的礫石質河床。至于河道比降變化，Herrick 之前單位河道長度的高程變化較大，進入Pioneer 下游后，河道高程變化減緩，但其與粒徑突變的關系暫時還不清楚。

圖6 Ringarooma 河床中值粒徑的下游變化（修改自Knighton[11]）擬合方程相關系數可信度為95%Fig.6 Downstream variation of bed median particle size in Ringarooma (Tasmania, Australia) (modified from Knighton[11])

2 礫—砂過渡的機理分析

調查不同類型河流GST 的基本特征后，研究者進而關注這種粒徑突變的機理。礫—砂過渡意味著沉積物在某一粒徑區間的缺乏，該粒徑空缺（grain size gap）是本身就存在，還是部分水力條件或沉積供應改變的結果？直觀上，礫—砂過渡的出現與外力作用存在一定關聯，如坡折和過量的沉積輸入；與此同時，世界范圍內河流穩定發生2～10 mm 這一粒徑范圍的河床物質缺乏（圖7），暗示著GST與河流系統搬運沉積物時的某些固有規律不無關系。在上述可能因素的控制下，河流通過若干過程進一步改變河床表面的礫砂流動性，完成礫—砂過渡。

2.1 為什么會發生礫—砂過渡的粒徑突變？

2.1.1 磨損假說

如前所述，河流物質在下游搬運中會由于磨損和分選的共同作用而逐漸變細。磨損在粒徑突變中的作用最先引起研究者注意，GST成因的磨損假說由此產生。Smithet al.[4]指出，一些流量較大（達3 000～5 000 m3/s）的大型河流中，某些性質的基巖物質易破碎，且在2～4 mm 左右有優先分解的趨勢，產生大量砂級的磨損產物；隨著高能的大尺度河流向下游進入低能環境，懸浮攜帶的砂會在某個時刻無法繼續被搬運，大量沉積并完成礫—砂過渡，這也往往導致河道比降的進一步降低（圖7）。

盡管磨損假說很好地解釋了河流下游搬運過程中的粒徑突變，進一步回答了粒徑空缺存在于2～10 mm 的原因，也取得了一些理論、實驗工作支持；隨著后續工作的展開，這一機制實際上的作用強度[8]及普適性[7]遭到質疑。目前，主流觀點認為磨損在GST 中不占主導地位，但對前者及河流沉積物的沿程細化還是起一定作用。

2.1.2 外力導致的坡折

若磨損假說的重點在于粒徑空缺物質原本就不存在或搬運中不存在，另一種思路則關注河流搬運沉積物能力的突然轉變。這種轉變可能源于河流搬運能力（competency）或搬運量（capacity）的下降。前者取決于流速，指河流能夠搬運的最粗顆粒；后者取決于流速和流量（后者比重更大），指河流搬運物質的最大量。上述思路給出了礫—砂過渡成因的另一種解釋：坡折導致河流搬運能力下降。

Allt Dubhaig 的河流礫—砂過渡中，水電導流閘的建立將水面抬高1 m。與之類似，由外力回水（backwater）[12]或構造作用[6,13-14]誘發的坡折，會導致局部基準面改變。此時水面比降降低，河流搬運能力下降，碎屑物質沉積；河流不得不減少搬運荷載來降低河道比降，同時選擇性沉積來減小粒度，以適應水面比降的突然減?。▓D7）。隨后的河流反饋機制會大大降低礫石流動性，只有砂可移動。其結果是大量砂被運往下游，河流在短距離內轉變為完全的砂層，粒度發生突變[4]。

圖7 世界范圍內單線河流普遍存在的粒徑空缺（a，修改自Lamb et al.[7]）及粒徑突變的三種成因解釋（b，據Smith et al.[4]）Fig.7 (a) Widespread grain-size gap in single-thread rivers worldwide (modfied from Lamb et al.[7]);(b) Three possible causes of the abrupt size change (after Smith et al.[4])

坡折與GST 的相關性已有大量理論[4]、實驗[15]和野外證據支持[4,6]。Vendittiet al.[10]進一步指出，隨著礫—砂過渡發育成熟，礫石段中礫石的堆積總會誘使河道比降增加，在礫石質河床與砂質河床之間形成強烈的河道比降對比。因此，盡管存在部分不含坡折的異常GST，坡折基本可被視為河流礫—砂過渡發生的必然條件。

2.1.3 橫向物質輸入的干擾

除搬運能力的變化外，當橫向大量輸入沉積物時，河流搬運量到達極限，也會發生礫—砂過渡。Ringarooma河作為典型案例，在接收大量遠遠細于自然河床物質的采礦廢料后，發生礫—砂過渡。這一作用機制較為簡單，異常多的砂被供應到河流中時，會阻塞并掩埋剩余的礫石，造成礫石流動性的明顯降低。由于砂的數量過多，很難被搬運，也會在短距離內沉積，直到河床快速轉變為完全的砂層[4]（圖7）。

由此，對于部分沒有坡折的異常GST，研究者認為這是河流對額外荷載與其整體較低的粒度進行權衡的結果。值得注意的是，橫向物質干擾下的GST需要一定量的額外砂輸入才能實現，而大量橫向物質輸入不僅僅來源于人類活動的干擾（如長江的三峽工程，其下游河段因修建大壩后侵蝕加強而觀察到突然的GST[16]，還可能在自然條件下發生（如河道兩岸在冰消期釋放大量末次間冰期的冰磧物[17]）。

2.2 粒徑突變為什么發生在2～10 mm左右？

以上三種分析，均可以解釋河流礫—砂過渡的發生。但是，這些控制因素與粒度突變的關系往往依托于已有詳細研究的典型GST，并對其中某些特征現象展開討論，在解釋成因時都有一定局限性，對于可能出現的其他類型GST沒有太多指導性。而除磨損假說稍有涉及外，上述因素均沒有對粒度突變為什么穩固地發生在2～10 mm范圍這一問題給出合理的解釋。

與此同時，河流礫—砂過渡的核心在于礫砂流動性的顯著差異，即砂相對流動性的增大。河流受顆粒粒徑等因素影響，本就以不同的荷載形式搬運沉積物，造成礫砂流動性的不同，分選等過程更是在GST中不斷加劇其顯著性。因此，除前述的外顯控制因素外，有研究嘗試從河流內部固有的搬運規律出發，對GST 發生機理進行探討，主要圍繞推移質、懸浮質與河床剪切應力之間的非線性運輸關系。

2.2.1 礫砂流動性與分選等過程

在磨損解釋受到諸多質疑后，Ferguson[18]轉而考慮分選在礫—砂過渡中的重要性。首先，不同顆粒存在各自的臨界剪切應力，當河床的實際剪切應力大于顆粒的臨界剪切應力（critical shear stress）時，顆粒就能夠作為推移質被搬運，反之則無法移動。而礫石的臨界剪切應力比砂大，這意味著相同條件下礫石的流動性小于砂。分選作用正可以通過尺寸性選擇，加大礫砂流動性的差別，從而實現GST。

小型河流中，簡單的一維分選就能較大程度地影響礫砂流動性[8]。大型河流中，更大尺度的彎道分選對礫砂流動性具有較大影響[6]：外彎中的礫石只能停滯在原地，內彎中的砂被大量優先地運往下游。GST 中還觀察到一種小尺度分選方式——斑塊效應（patchiness effect）[4,19]。除Fraser 河“擴散延伸段”上出現的礫石斑塊外，Allt Dubhaig的GST中，河床表面分布的礫、砂舌狀體也是斑塊效應的野外實例，此時水流會通過河床剪切應力的類似減小來適應粗糙度的減小，也就意味著水面比降的降低，其后機理與坡折作用時類似。

不同于分選過程，礫砂流動性產生顯著差異后，GST 中會普遍發生河床結構的改變。Fraser 河GST存在相關報道[10]：當河床含砂量大到礫石顆粒之間的孔隙無法再容納砂時，河床結構會從顆粒支撐轉向基質支撐。此時砂不再困在礫石孔隙中，礫石也不再形成聯鎖框架，兩者的臨界剪切應力均降低。但砂的臨界剪應力下降幅度更大，相對流動性更強[6]。

2.2.2 推移質的非線性運輸

基于礫砂流動性以及相關過程的認識，研究者從河流內部搬運規律探尋礫—砂過渡的發生機理。由于礫砂在河流中通常被推移搬運，Ferguson[18]通過數值模擬，認為正因為河流推移質尺寸與其臨界剪切應力之間存在非線性關系，且在不同臨界情況下存在閾值（如中粗卵礫與極粗砂），才使得尺寸性分選在河床實際剪切應力降低時被不斷加強。由此，礫砂流動性的差別愈發加大，GST 發生：礫石相對流動性減弱，更細的砂被選擇性地運往下游，河床表面砂組分增加；河床結構支撐模式轉變，進一步增強礫砂流動性的差異，中粗卵礫幾乎無法向下游運輸，大量砂被繼續搬運。

2.2.3 懸浮質的非線性運輸

對推移質搬運過程影響分選作用的討論，一直主導著河流GST 成因中固有規律部分的研究。對Fraser河礫—砂過渡及其長達52 km的擴散延伸段進行詳細的動力學特征研究后[7,10,20]，把研究視線從推移質轉往懸浮質，提出了“沖刷荷載假說”（wash load hypothesis）。沖刷質（wash load）指在河床上代表性極少的懸浮物質，與懸浮質的含義有部分重疊；而河床表面再懸浮物質與推移質被合稱為底負載（bed material load）。

沖刷假說認為，滿岸流量下，在河床剪切速度約為0.1 m/s 時，河流以沖刷質方式搬運砂的能力會突然下降（圖8，其中D10近似指示砂組分）。這意味著當剪切速度大于0.1 m/s 時，河流完全有能力以沖刷方式搬運砂，河床物質得以維持在礫石范圍內；而一旦剪切速度小于0.1 m/s，河流以沖刷質搬運砂的能力急劇減小，砂從沖刷質轉為底荷載，大量沉積在河床上。這一模型較好地與Fraser 河等其他野外實例吻合[7]。簡而言之，該假說認為GST是河床剪切速度下降到約0.1 m/s時的自然結果，無需坡折等外力作用。

世界范圍內河床物質在2～10 mm左右的普遍缺乏（圖8 顯示出D50大約在此范圍內突變），是因為這部分物質只存在于極其有限的水力條件。大型河流往往能在很長的距離內（如Fraser 河的RK102-RK48.5）維持合適的水力條件，因此其礫—砂過渡不那么突兀，且具有特殊的擴散延伸段；小型河流和水槽實驗中這一距離（Allt Dubhaig 中不到250 m）則相對較短，因而過渡顯得“突?！?。沖刷荷載假說很好地兼顧了對粒度突變和粒徑空缺的解釋。然而，盡管沖刷荷載假說兼容或平行于其他解釋（如坡折解釋和推移質的非線性運輸），還有待進一步完善和檢驗。

3 礫—砂過渡的其他特征

3.1 礫—砂過渡的空間普適性

GST具有空間普適性這一共識，從GST的一般性研究[4]正式開始后延續至今。幾乎所有的礫石質河流都具有GST，它能在各種河型和環境中出現，包括小型穩定曲流河與大型活躍辮狀河。目前，河流礫—砂過渡已陸續在世界各地（歐洲，蘇格蘭[4]、英格蘭[4]、意大利[14,21]、荷蘭[22]、德國[6]、羅馬尼亞[4]；亞洲，中國[16]、日本[3]、喜馬拉雅地區[23]；美洲，美國[12,19,24]、加拿大[5,10,25]、智利[26]；大洋洲，澳大利亞[9,27]、新西蘭[28]、巴布亞新幾內亞[4]）河流中有報道，存在于廣泛的氣候與地質條件中[25]。

盡管GST 在空間上具有普遍性，針對小型河流GST的報道更為集中，研究也更為成熟。這是因為大型河流往往具有復雜的支流、泥沙輸入情況，難以在野外對其粒度及河床變化進行追蹤。大型河流也往往受到人類活動、大壩工程的強烈影響，其GST研究往往為了調研泥沙運移、生態影響及河流管理工程[16,19,29]。

圖8 沖刷荷載假說示意圖（修改自Lamb et al.[7]）Fig.8 Illustration of wash-load hypothesis(modified from Lamb et al.[7])

3.2 礫—砂過渡前后的河流變化

作為礫石質河流與砂質河流間的閾值狀態，GST前后還往往伴隨著從辮狀河轉為曲流河的河型變化[13,28]，如Fraser 河（Sumas 山 脈 處，圖4）。Allt Dubhaig 在GST 前，河型也隨著比降的變化發生類似轉變[30]：上游區域主要是低彎曲度并有適度分叉的河道；中間區域是寬闊的曲流河道，伴隨穿過邊灘的活躍陡槽；再下游的河道較直，兩岸堤壩較少，伴隨沒入水中的邊灘和交替砂壩。

同時，GST 前后可以觀察到水力特征的明顯轉變。伴隨著Allt Dubhaig 的河型變化，其岸坡深度僅略微增加，平均的河床剪切應力沿礫石河段從～100 Pa 下降到＜30 Pa，再下降到＜2 Pa（表2）[8]。下Fraser河水力特征的階段性變化在表2中也有詳細展示。

3.3 礫—砂過渡的位置穩定性

綜上所述，研究者通過理論公式、現代河流觀測、水槽研究、數值模型等手段[31]，聚焦GST的基本特征、發生機理，并取得較大進展時，也在重點關注河流中GST 的出現位置及其穩定性[32-33]。自然條件下GST往往發生在外部施加回水效應的上游（如構造影響的地質邊界[6,13]）、礫石供應耗盡或兩者共同作用的地方[34]，這也與GST成因的研究結果不謀而合。

與此同時，河流中GST 的位置并非一成不變。現代河流所觀察到的GST，只是人類歷史敘事尺度內，河流系統實現的相對穩定狀態。正如GST 可能在人類影響下發生一樣，短暫的構造或氣候事件（如洪水、地震）[28,35]會顯著打破原先的平衡，通過水泥輸入的劇烈改變導致GST 的前進（此時礫石前緣能被搬運至更下游）。長期的構造、氣候變化（如海平面變化、構造沉降、三角洲進積等）[7,36-37]也會導致GST的遷移，使整個系統不斷趨于平衡。GST遷移相關的數值模型[38]能在一定程度上幫助預測河流對全球變暖后海平面上升的響應[39]。

4 礫—砂過渡的研究意義與展望

礫—砂過渡是河流演化中的特殊沉積現象，備受河流研究學者的關注，在河流動力學、地貌學、沉積學上都非常重要。GST 研究對人類生存和社會經濟活動也有重大意義，它作為河流的閾值狀態，能調整泥沙運移情況，影響上下游的河道穩定性和河漫灘再循環速率[40]。首先，對于地震、風暴等極端事件帶來的大量泥沙輸入，河流系統的反饋會直接影響人口稠密的大型河流平原地區[41]，而GST往往作為河流的沖裂節點[35]，在短時間尺度上具有極大的洪水風險[42]，還會隨著不同事件發生遷移。因此，有必要深入理解GST 行為及其前后的河道活躍程度變化[36]。此外，對于受人類工程影響較大的河流，不管是出于評估泥沙淤積風險的目的對下游沉積物通量進行監測，還是為滿足航運需求進行河流管理，都必須借助GST進一步理解沉積物的數量、類型、來源、運輸方式和命運[16,43]。

GST 對沉積環境解譯和物源研究也具有指示意義。首先，類似于現代河流GST研究，沉積記錄中巖相邊界的遷移與沉積環境緊密相關[37]，前陸盆地沉積巨旋回兩個主要單元間的粒度快速變化也常用鄰近山脈的構造活動或氣候變化解釋[44]。而地層記錄中的粒度變化是最容易識別的物理巖性特征之一。因此，現代GST研究獲得的基本認識，能反過來幫助解譯古沉積地層中的環境變化。此外，GST作為礫砂質河流、不同沉積體系的閾值狀態，在其前后均觀察到河型、水力特征、河道穩定性[45]的顯著變化。因此，對于具有一定粒徑特征的古代沉積相，可利用GST的近源性[35,41]約束其物源遠近。我們注意到，南京地區新生代雨花臺組礫石層，因出產漂亮的雨花石礫石而聞名，前人曾通過詳細的沉積學研究將其定為礫質辮狀河相[46]，由此得出近源解釋。根據雨花臺組礫石的初步統計，其整體中值粒徑達20 mm，顯然屬于河流GST之前的河流沉積，也符合近源沉積的解釋。結合現代長江中下游地區的流域、構造格局[47]，雨花臺組礫石層并非遠距離搬運而來的物質，應源自南京附近地區的近源辮狀河沉積。這些都需要更詳細的研究。

迄今為止，隨著研究的日趨成熟，現代河流觀測方面，GST 研究區域從小型高地溪流（河道的泥沙供給與山坡的泥沙輸送緊密相關）移向研究難度更大的大型沖積河道[48]。GST發生機理上，也從直觀上更一目了然的外因解釋[49]，轉向從河流內部搬運規律出發的GST 自生性研究[50-51]。除水槽實驗、野外觀測、數值模擬、理論公式等傳統GST研究手段外，衛星圖像分析[36,40]以及新型床面結構測量技術[52-53]分別在GST位置穩定性和野外GST動力學研究中受到青睞。此外，GST在低沉積供應環境中的缺失[54-55]，以及近期在安第斯流域內觀測到的，基巖—礫—砂、基巖—砂過渡盆地互相穿插的特別現象[40]，意味著其研究還有亟待探明的前進方向。

致謝 感謝賴文博士在論文準備、撰寫、修改期間的有益討論。