内容简介
急流-深潭-河滩系统是天然河流的基本形态结构单元，是退化河流生态修复的模板。在天然河流的上游到下游，该系统不断重复出现，在水平和垂直空间结构上形成比较固定的模式，其河道形态结构参数在上下游间具有某种相关性。然而，国内外对天然河流急流-深潭-河滩系统的形态结构发育特征和生态功能缺乏研究。作者在对我国西部泾河、灞河等9条天然较高的河流野外勘察、实验室分析和数学推导研究的基础上，对这一科学问题进行分析总结。具体内容包括：天然河流急流-深潭-河滩系统形态结构发育特征、发育过程，天然河流急流-深潭-河滩系统水力几何关系，天然河流急流-深潭-河滩系统水质净化功能、底质污染物特征、底质微生物和酶活性，天然河流急流-深潭-河滩系统河岸带类型和氮流失。具体揭示了天然河流急流-深潭-河滩系统是如何在水流的作用下演变形成的，天然河流急流-深潭-河滩系统水力几何关系是什么，在天然河流急流-深潭-河滩系统中主要水质指标、底质污染物、微生物和酶活性如何相应性变化，天然河流急流-深潭-河滩系统与河岸带的关系等。
精彩书摘
第1章天然河流急流-深潭-河滩
系统形态结构发育特征急流-深潭-河滩系统（riffle-pool-benchland system）是天然河流的基本形态结构单元。本章对河流形态结构和天然河流急流-深潭-河滩系统进行评述，建立了急流-深潭-河滩系统平面发育和纵向发育程度理论公式，选择天然性较高的河流，包括泾河、嘉陵江、丹江和都柳江，进行河道参数测定，量化不同河流急流-深潭-河滩系统的发育程度，分析发育程度与河道宽深比、纵比降、耗能率之间的关系，揭示了急流-深潭-河滩系统发育特征。
1.1引言
人类对水资源的长期开发利用，导致地球上大部分河流已经形成了不同于天然状况下的自然河流形态结构。受到干扰的河流其形态结构和功能都发生了显著变化，但在河流生态系统恢复中，河流自然化是一种重要的途径。河流自然化是在被人类干扰或改造的河流系统上，将其恢复到人类干扰或改造前的原始或近原始状态，使得河流系统具有地貌多样性和生物群落多样性，能够保持河流健康和稳定。河流自然化在保证人类对水资源利用的同时，强调要保护自然环境质量，通过河流形态结构调整及生物多样性恢复达到建设一个具有地貌特征多样、生物种类复杂、形态结构稳定、自我调节顺畅和功能健全的河流生态系统的目的（张联凯和王立清，2012）。然而，完全将河流系统恢复到干扰前的状态需要长期性地重复工作，是现有技术无法达到的水平，且恢复到原有的状态可能不一定适应人类对河流的利用和现代经济社会发展。因此，为了实现更好的河流自然化，有必要对天然河流的形态结构发育进行深入研究。
河流的形态结构和功能是密切联系的，河流功能通过形态结构来调控。河流功能包括自然功能、生态功能和社会功能，人类需要河流充分发挥生态和社会功能就必须保证河流自然功能的完整，因为河流的自然功能是一切功能的基础（图1.1）。河流生态功能和社会功能既有利于河流自然功能，也会有害于河流自然功能，它们相互联系、相互影响、相互依存又对立统一（Gumprecht，2001；Clarke et al.，2003；赵银军等，2013）。河流自然功能、生态功能和社会功能的实现，前提是河流系统能够通过自我调整达到形态结构和功能的动态平衡，这种动态平衡本质上是物质平衡、能量平衡、动量平衡。在天然河流中，有完整的急流-深潭-河滩系统，这些平衡处于*佳状态，河流的三大功能相互协调，形成良性循环。人类对河流的干扰、破坏、排污会对河流形态结构和功能构成胁迫，造成急流-深潭-河滩系统消失，打破河流物质、能量和动量平衡。河流近自然恢复就是要通过恢复措施的实施，在被干扰或改造的河流上重建自然河流形态结构，实现河流的物质、能量和动量平衡，恢复河流功能，重现河流的自我组织、自我发展和自我调节能力，使河流系统能维持持续的形态结构和功能的稳定性，永葆生机和活力。因此，天然河流急流-深潭-河滩系统形态结构发育研究对于理解系统平衡，发挥河流功能具有重要意义（图1.2）。
图1.1河流功能分类
图1.2急流-深潭-河滩系统的示意图
1.2急流-深潭-河滩系统
急流-深潭-河滩系统是天然河流中一种常见的河道形态结构，它由急流、深潭和河滩三个部分组成。不论是形态上表现为顺直的、弯*的、辫状的和游荡的河流，还是河床物质组成上表现为砾石、卵石、沙质和淤泥的河流，只要人类没有大规模地对河流进行干扰或改造，在河流的上、中、下游都发育出重复出现的急流-深潭-河滩系统。王震洪等（2013）、陈晨等（2015）、何晓乐等（2020）通过大量的实地调查研究发现，急流-深潭-河滩系统总是*尾相接重复出现在天然或半天然的河流中，它由一段水流流速比较快的急流，一段水流流速比较慢、水深较大、形状似碗状或香蕉形的深潭，以及在河道中几何形态上与急流、深潭互补的河滩组合而成，是一个能通过各组分间的协同演化发育而成的稳定河道，是自然河流沿纵向从上游到下游的基本形态结构单元（图1.2）。除了辫状河流外，由于河道展宽，河滩一般发育在河道弯*的位置。一般在河床物质粒径和坡度较大的河流，急流-深潭-河滩系统可简化为阶梯-深潭系统。阶梯-深潭系统则由一段陡坡和一段下凹的区域连接而成，具有坡度大、流速快的特点。将河滩视为河道的一部分是非常重要的，因为它由沉积物组成，且在洪水期或丰水期内均有水流，枯水期或平水期因水位下降而干涸，对洪水期行洪具有重要意义，对稳定河道，防止侵蚀，实现河流系统物质、能量和动量守恒具有重要作用（Fenton，2015）。
急流-深潭-河滩系统通过各组分间的协同作用、能量交换等构成了一个完整的河流生态系统［图1.2（a）］。系统各单元在平面几何形状上表现出高度的自相关性，这种规律是冲积河流横向展宽的结果，它可能与河道宽度、流量、宽深比、弯*度等指标有关。急流-深潭-河滩系统是一种稳定河道，横断面可以看出一般情况下河滩发育在河道弯*的位置，且具有深潭的平面面积大于急流和河滩的面积的特点［图1.2（
目录
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前言
第1章天然河流急流-深潭-河滩系统形态结构发育特征1
1.1引言1
1.2急流-深潭-河滩系统2
1.3河流形态结构研究概述6
1.4急流-深潭-河滩系统的野外勘测方法8
1.5急流-深潭-河滩系统的发育数量12
1.6急流-深潭-河滩系统的发育程度16
1.7都柳江急流-深潭-河滩系统河道参数23
1.8讨论31
1.9本章小结34
参考文献35
第2章天然河流急流-深潭-河滩系统发育过程41
2.1引言41
2.2河流发育过程概述42
2.3河流形态发育动力学43
2.4河道发育研究方法45
2.5急流-深潭-河滩系统的发育数量47
2.6急流-深潭-河滩系统的发育程度52
2.7急流-深潭-河滩系统平面发育程度与宽深比关系54
2.8急流-深潭-河滩系统的纵向发育程度与耗能率的关系55
2.9急流-深潭-河滩系统纵向发育程度与坡降关系56
2.10急流-深潭-河滩系统发育程度与综合阻力系数的关系57
2.11急流-深潭-河滩系统发育过程中床面剪切力与泥沙起动拖拽力变化58
2.12急流-深潭-河滩系统的发育过程60
2.13讨论64
2.14本章小结67
参考文献67
第3章天然河流急流-深潭-河滩系统水力几何关系73
3.1引言73
3.2河相关系概述74
3.3急流-深潭-河滩系统平衡方程77
3.4形态方程79
3.5给定流量下的下游水力几何方程81
3.6*优过水断面确定88
3.7导出方程98
3.8急流-深潭-河滩系统水力几何关系验证103
3.9急流段的水力几何关系验证110
3.10讨论118
3.11本章小结119
参考文献120
第4章天然河流急流-深潭-河滩系统水质净化功能124
4.1引言124
4.2河流污染物源概述125
4.3河流面源污染治理现状127
4.4河流自净作用128
4.5急流-深潭-河滩系统水质自净作用研究方法130
4.6都柳江急流-深潭-河滩系统水质时间动态特征131
4.7水质指标与河道形态结构因子的关系146
4.8讨论146
4.9本章小结151
参考文献152
第5章天然河流急流-深潭-河滩系统底质污染物特征157
5.1引言157
5.2河道底质营养物质研究概况159
5.3河道底质重金属研究进展160
5.4急流-深潭-河滩系统污染物特征研究方法162
5.5底质营养元素在急流-深潭-河滩系统底质中的空间差异性165
5.6急流-深潭-河滩系统底质重金属166
5.7底质重金属间相关性172
5.8底质重金属与河道形态结构因子关系174
5.9污染综合评价175
5.10底质内源氮素释放183
5.11讨论195
5.12本章小结199
参考文献199
第6章天然河流急流-深潭-河滩系统底质微生物和酶活性204
6.1引言204
6.2沉积生境微生物研究概述206
6.3研究区域概况和方法209
6.4河流环境因子指标分析217
6.5细菌16S rDNA扩增子测序结果与分析225
6.6真核ITS扩增子测序结果与分析237
6.7都柳江底质微生物多样性和酶活性247
6.8讨论262
6.9本章小结270
参考文献273
第7章天然河流急流-深潭-河滩系统河岸带类型和氮流失279
7.1引言279
7.2河岸带研究现状281
7.3河岸带土壤和营养物质释放282
7.4河岸带分类和氮流失特征研究方法284
7.5河岸带类型和特征294
7.6河岸带地表径流和入渗研究特征298
7.7河岸带土壤氮流失特征及影响因素305
7.8讨论312
7.9本章小结319
参考文献321
试读
第1章天然河流急流-深潭-河滩
系统形态结构发育特征急流-深潭-河滩系统（riffle-pool-benchland system）是天然河流的基本形态结构单元。本章对河流形态结构和天然河流急流-深潭-河滩系统进行评述，建立了急流-深潭-河滩系统平面发育和纵向发育程度理论公式，选择天然性较高的河流，包括泾河、嘉陵江、丹江和都柳江，进行河道参数测定，量化不同河流急流-深潭-河滩系统的发育程度，分析发育程度与河道宽深比、纵比降、耗能率之间的关系，揭示了急流-深潭-河滩系统发育特征。
1.1引言
人类对水资源的长期开发利用，导致地球上大部分河流已经形成了不同于天然状况下的自然河流形态结构。受到干扰的河流其形态结构和功能都发生了显著变化，但在河流生态系统恢复中，河流自然化是一种重要的途径。河流自然化是在被人类干扰或改造的河流系统上，将其恢复到人类干扰或改造前的原始或近原始状态，使得河流系统具有地貌多样性和生物群落多样性，能够保持河流健康和稳定。河流自然化在保证人类对水资源利用的同时，强调要保护自然环境质量，通过河流形态结构调整及生物多样性恢复达到建设一个具有地貌特征多样、生物种类复杂、形态结构稳定、自我调节顺畅和功能健全的河流生态系统的目的（张联凯和王立清，2012）。然而，完全将河流系统恢复到干扰前的状态需要长期性地重复工作，是现有技术无法达到的水平，且恢复到原有的状态可能不一定适应人类对河流的利用和现代经济社会发展。因此，为了实现更好的河流自然化，有必要对天然河流的形态结构发育进行深入研究。
河流的形态结构和功能是密切联系的，河流功能通过形态结构来调控。河流功能包括自然功能、生态功能和社会功能，人类需要河流充分发挥生态和社会功能就必须保证河流自然功能的完整，因为河流的自然功能是一切功能的基础（图1.1）。河流生态功能和社会功能既有利于河流自然功能，也会有害于河流自然功能，它们相互联系、相互影响、相互依存又对立统一（Gumprecht，2001；Clarke et al.，2003；赵银军等，2013）。河流自然功能、生态功能和社会功能的实现，前提是河流系统能够通过自我调整达到形态结构和功能的动态平衡，这种动态平衡本质上是物质平衡、能量平衡、动量平衡。在天然河流中，有完整的急流-深潭-河滩系统，这些平衡处于*佳状态，河流的三大功能相互协调，形成良性循环。人类对河流的干扰、破坏、排污会对河流形态结构和功能构成胁迫，造成急流-深潭-河滩系统消失，打破河流物质、能量和动量平衡。河流近自然恢复就是要通过恢复措施的实施，在被干扰或改造的河流上重建自然河流形态结构，实现河流的物质、能量和动量平衡，恢复河流功能，重现河流的自我组织、自我发展和自我调节能力，使河流系统能维持持续的形态结构和功能的稳定性，永葆生机和活力。因此，天然河流急流-深潭-河滩系统形态结构发育研究对于理解系统平衡，发挥河流功能具有重要意义（图1.2）。
图1.1河流功能分类
图1.2急流-深潭-河滩系统的示意图
1.2急流-深潭-河滩系统
急流-深潭-河滩系统是天然河流中一种常见的河道形态结构，它由急流、深潭和河滩三个部分组成。不论是形态上表现为顺直的、弯*的、辫状的和游荡的河流，还是河床物质组成上表现为砾石、卵石、沙质和淤泥的河流，只要人类没有大规模地对河流进行干扰或改造，在河流的上、中、下游都发育出重复出现的急流-深潭-河滩系统。王震洪等（2013）、陈晨等（2015）、何晓乐等（2020）通过大量的实地调查研究发现，急流-深潭-河滩系统总是*尾相接重复出现在天然或半天然的河流中，它由一段水流流速比较快的急流，一段水流流速比较慢、水深较大、形状似碗状或香蕉形的深潭，以及在河道中几何形态上与急流、深潭互补的河滩组合而成，是一个能通过各组分间的协同演化发育而成的稳定河道，是自然河流沿纵向从上游到下游的基本形态结构单元（图1.2）。除了辫状河流外，由于河道展宽，河滩一般发育在河道弯*的位置。一般在河床物质粒径和坡度较大的河流，急流-深潭-河滩系统可简化为阶梯-深潭系统。阶梯-深潭系统则由一段陡坡和一段下凹的区域连接而成，具有坡度大、流速快的特点。将河滩视为河道的一部分是非常重要的，因为它由沉积物组成，且在洪水期或丰水期内均有水流，枯水期或平水期因水位下降而干涸，对洪水期行洪具有重要意义，对稳定河道，防止侵蚀，实现河流系统物质、能量和动量守恒具有重要作用（Fenton，2015）。
急流-深潭-河滩系统通过各组分间的协同作用、能量交换等构成了一个完整的河流生态系统［图1.2（a）］。系统各单元在平面几何形状上表现出高度的自相关性，这种规律是冲积河流横向展宽的结果，它可能与河道宽度、流量、宽深比、弯*度等指标有关。急流-深潭-河滩系统是一种稳定河道，横断面可以看出一般情况下河滩发育在河道弯*的位置，且具有深潭的平面面积大于急流和河滩的面积的特点［图1.2（
