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在构造地貌演化过程中，河流演化是构造作用最直接的表现形式。其中，河流形态的定量指标为研究构造地貌演化过程中地表侵蚀提供了重要参考，促进了构造地貌的定量研究进程（刘静等，2018）。研究表明，河流地貌的主要研究对象有河谷地貌、河床演变、河口以及三角洲等; 其主要研究内容包括河床平面形态、横纵剖面、河道沉积物搬运、水沙和边界条件等因素的时空变化以及冲淤规律与河床演变的关系等（沈玉昌等，1980）。其中，有关河道沉积物的研究尤其是河道沉积物粒度的变化是河流地貌研究中的热点问题，与以上各种地貌演化过程息息相关，而其具体机制有待于进一步揭示。本文主要针对河道沉积物粒度的变化特征，搬运过程及其影响机制进行综述和讨论。
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河道沉积物粒度是河流系统中的一个重要特征（Surian，2002），也是控制河道形态和水力学的主要因素之一（Moussavi-Harami et al.，2004）。研究粒度变化对水流阻力和泥沙输送（Reid et al.，1997）以及河流生态（Petts et al.，2000）具有重要意义。粒度变化也被用于反映河道对气候变化和构造演化的响应过程（Duller et al.，2010; Whittaker et al.，2011; D'arcy et al.，2017），揭示山地侵蚀与盆地沉积之间的耦合关系（Allen，2008; Dingle et al，2017），评估大坝、水电站等人类活动对自然环境的影响（Grant，2012），建立河流搬运侵蚀理论模型（Attal et al.，2015），探索河道沉积物粒度沿程变化的影响机制（Paola and Seal，1995; Gomez et al.，2001）等。沉积物粒度沿程细化（Downstream fining），即河流河道沉积物随距离的增加而变细的趋势，是河流中普遍存在的现象（Sternberg，1875; Bradley，1970; Paola et al.，1992; Surian，2002; Moussavi-Harami et al.，2004）。早在1875年，Sternberg就对这一现象进行了研究，发现莱茵河（Rhine river）粒度呈指数衰减。此后大量的研究聚焦于河道沉积物粒度细化的机制，将沿程细化机制归因于颗粒磨蚀（Sternberg，1875; Krumbein，1941; Schumm and Stevens，1973; Parker，1991; Kodama，1994a，1994b），水力选择性搬运或分选（Paola et al.，1992; Ferguson et al.，1996; Wilcock and McArdell，1997; Gasparini et al.，1999; Lewin et al.，2002; Cowie and Brierley，2008），沉积物搬运过程中的风化作用（Bradley，1970）以及磨蚀与分选等多种因素共同作用的结果（Knighton，1980; Werritty，1992; Surian，2002; Moussavi-Harami et al.，2004; Murillo-Muñoz and Klaassen，2006; Holušová and Galia，2020）。
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然而，部分研究也表明，河道沉积物粒度会发生沿程粗化（Downstream coarsening）（Sear，1996; Surian，2002; Brummer and Montgomery，2003; Dumitriu et al.，2011; Gibson et al.，2016; Nistoran et al.，2019），主要原因为支流粗泥沙输入（Miller，1958; Knighton，1980; Rice，1998; Brummer and Montgomery，2003）、滑坡物质以及冰川作用导致的粗碎屑的补给（Attal and Lavé，2006），局部人为河道改造、大坝修建（Veicat et al.，2006），陡峭边坡（Finnegan et al.，2017），受实时流量的影响（Solari and Parker，2000），河床侵蚀（Ma Hongbo et al.，2022）以及地形高差、森林砍伐、砾石开采等综合因素（Nistoran et al.，2019）。
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自然界中河流系统粒度沿程变化趋势往往不是单一的。其中，同一河流流域面积较小的区域（＜10 km2）会出现粒度粗化，但随着流域面积的增加（＞10 km2）粒度会进一步细化（Brummer and Montgomery，2003）。而在造山带内滑坡、泥石流、冰川作用补给粒度粗化的河段（Attal and Lavé，2006），其下游粒度出现了明显的细化现象（Dingle et al.，2017）。因此，本文基于已发表的研究结果，对沉积物粒度细化/粗化的分布规律和影响细化/粗化的因素以及自然界中细化/粗化的实例进行综合分析，以期加深我们对全球部分河道沉积物粒度变化特征及其控制因素的认识，并为解析地貌演化过程及定量模拟流域地貌演化等提供详实的理论依据和实践基础。
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1 河流系统的粒径变化
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在自然界中一些河流沉积物粒度会存在粗化现象（Sear，1996; Surian，2002; Brummer and Montgomery，2003; Dumitriu et al.，2011; Gibson et al.，2016; Nistoran et al.，2019）。河道沉积物粗化主要是由支流泥石流或者沿岸峡谷滑坡粗颗粒物质的横向补给引起的（Miller，1958; Knighton，1980; Brummer and Montgomery，2003; Attal and Lavé，2006）。然而，大量的研究表明，自然界河流河道沉积物粒度通常会发生沿程细化。粒度细化机制主要机制包括磨蚀、选择性搬运或分选、风化以及多种因素。目前，关于磨蚀的研究主要是通过物理实验进行的（Daubrée，1879; Wentworth，1919; Krumbein，1941; Rayleigh，1942; Sarmiento，1945; Potter，1955; Kuenen，1956; Kodama，1994a; Jones and Humphrey，1997; Lewin and Brewer，2002），很少有野外的调查结果（Mikoŝ，1994; Dingle et al.，2017），而数值模拟也表明陡峭山坡持续供应新鲜的碎屑物质可能会抵消磨蚀造成的粒度减小，并防止沿程细化（Attal and Lavé，2006; Sklar et al.，2006）。尽管在加积河流中野外观测、数值模拟以及室内实验都显示分选比磨蚀重要（Bradley et al.，1972; Brierley and Hickin，1985; Dawson，1988; Paola et al.，1992; Seal and Paola，1995; Ferguson et al.，1996），但磨蚀和水力选择性搬运哪种作用是控制粒度沿程细化的主要机制，一直以来都存在争议。此外，研究表明分选并不一定意味着有选择性的搬运; 也可能是通过横向或垂直方式进行了选择性沉积（Paola and Seal，1995; Ferguson et al.，1998）。然而，目前存在的挑战是在野外难以区分和量化磨蚀、选择性搬运或分选以及其它作用对河道沉积物粒度沿程细化的贡献量（Frings，2004; Cowie and Brierley，2008），即使存在良好的记录，其示例数量也有限。
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2 沿程细化及其控制因素
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在研究河流河道沉积物粒度沿程变化特征时，通过分析已发表的全球研究案例，发现研究区域分布于全球主要造山带及其周缘地区（图1）。本文探究磨蚀、选择性搬运或分选以及多种因素在自然界河流沉积物粒度沿程变化中的作用。调查河段的河长约5~150 km，粒度衰减系数（细化系数）为0.001~1（表1）。为了更全面地了解河道沉积物粒度沿程细化的机制，本文一方面阐述沉积物颗粒运动时的磨蚀作用，包括磨蚀过程的分类、磨蚀试验的不同类型、磨蚀过程的主要决定因素以及影响磨蚀速率的主要因素; 另一方面对选择性搬运、沉积物启动、沉积物搬运、局部分选对选择性搬运的影响，及其他影响机制和不确定因素（粗化）等方面展开阐述。
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图1 全球自然河流粒度沿程变化的实例（详细信息见表1）
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Fig.1 Examples of changes in grain size along the downstream of a global natural river (see Table1 for details)
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3 粒度沿程细化的磨蚀控制
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沉积物颗粒在河道搬运过程中，粒度呈指数衰减这一现象被称为颗粒分解（Breakdown of particles），即磨蚀或磨损（Abrasion）。研究表明，磨蚀是引起河道沉积物沿程细化的主要因素，其单个颗粒在搬运过程中粒度减小（Sternberg，1875; Krumbein，1941）。磨蚀作用是早期被提出来解释粒度细化的机制（Sternberg，1875）。
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3.1 磨蚀分类
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根据作用模式不同，可将磨蚀分为7个过程（Kuenen，1956）:① 劈裂（Splitting），把颗粒分成大小大致相等的两到三部分; ② 切削（Chipping），颗粒边缘小块物质被切下，形成锋利的边缘; ③ 压碎（Crushing），颗粒的粉碎，产生完全不同尺寸等级的材料; ④ 裂解（Cracking），颗粒表面形成小裂隙; ⑤ 研磨（Grinding），颗粒相互摩擦，较细颗粒的损失; ⑥ 沙磨（Sandblasting），细颗粒对粗颗粒的擦磨作用; ⑦ 溶蚀（Solution），颗粒的化学溶蚀（风化和溶解）。其中，沙磨可视为研磨的一种特殊过程，根据研磨过程的两种形式也可将沙磨与研磨归属一类（Frings，2004）。而溶蚀是存在于灰岩地区一种非常重要的磨损机制，因其与磨蚀之间的关系少有报道，故此处归纳为5种主要的磨蚀过程（图2）。
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劈裂和切削这两种过程与压碎、裂解以及研磨有明显的区别:① 前两种过程（图2a、b）导致颗粒的圆度降低，而后三种过程（图2c~e）使颗粒圆度增加（Brewer and Lewin，1993）; ② 前两个过程主要产生砾-砂颗粒，而其他几个过程主要产生泥沙和泥（Krumbein，1941; Bradley，1970）。以上所有的过程均有一个共同点，即颗粒在搬运过程中会产生质量损耗。
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3.2 磨蚀试验
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野外研究颗粒磨蚀作用通常有以下几种方法:① 颗粒圆度随搬运距离的增加显著增加（Poser and Hövermann，1951）; ② 耐磨性矿物与弱耐磨性矿物细化速率存在差异（Werrity，1992）; ③ 沉积混合物矿物组分的变化（Koldewijn，1955; Kodama，1994b）等。然而，不管是颗粒圆度变化还是矿物组分的变化都是基于选择性搬运的影响可以忽略不计，而且在没有任何侧向沉积物的补给这样的前提假设条件下。事实上，在大多数河流中，这些假设条件是不能充分满足的。因此，很难在野外区分出磨蚀效应。
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1879年Daubrée首先开展了卵石磨蚀试验，他将水和长石及花岗岩碎片装满滚筒，固定在水平或稍微倾斜的驱动机上，在给定的时间内旋转（图3a），岩石碎片出现形状变圆和产生细泥的现象。在滚筒旋转运动过程中，沉积物颗粒变得倾斜，最上部的颗粒开始移动，在滚动过程中逐渐磨蚀。在随后120年里，研究者们使用岩石碎片作为研磨材料（Wentworth，1919; Krumbein，1941），用金属碎片研磨卵石（Rayleigh，1942），在卵石中添加沙子（Marshall，1927），让单个卵石与沙子一起滚动（Schoklitsch，1933）; 还利用多种设计的滚筒进行磨蚀试验（Sarmiento，1945; Potter，1955; Kodama，1994a; Jones and Humphrey，1997），但在滚筒中砾石的翻滚很难模拟和实现自然界中河流砾石的真实运动轨迹。由于滚筒中的水并没有推动碎屑颗粒，而是起了刹车作用。滚筒中的碎屑颗粒运动比河流中的碎屑运动可能更旋转，也可能不旋转。这些碎屑可能从滚筒陡峭的斜坡上突然掉落，然后静止不动直到再次掉落，而并非在水平表面上连续滚动（图3a）。因此，滚动速度不能体现距离和所涉及的泥沙量的复杂关系（Kuenen，1956）。
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滚筒试验所得到的结果更像是沙滩周边的砾石磨圆，而并非自然界中河流作用下的磨蚀过程。研究表明，细砾石和沙子混合物中的砾石不会出现在水层表面，且磨蚀模式与河床上的磨蚀模式大有不同（Schoklitsch，1933）。为了模拟自然界河流中砾石的运动状态并解析磨蚀过程，研究者们设计了磨蚀槽（Schoklitsch，1933; Rayleigh，1942）（图3b）。磨蚀槽是一个圆形水槽，水的运动将颗粒推着在磨蚀床上移动，并经过对水槽的后期加工改造，进一步精细化了磨蚀试验的结果（Kuenen，1956; Lewin and Brewer，2002）。
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图2 Kuenen（1956）分类的五种磨蚀过程（据Frings，2004修改）
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Fig.2 The five abrasion processes from Kuenen's (1956) classification (modified after Frings, 2004)
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图3 磨蚀试验:滚筒试验（a）和水槽试验（b）（据Frings，2008修改）
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Fig.3 Abrasion experiments: tumbling mill (a) and abrasion tank (b) (modified after Frings, 2008)
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滚筒试验和水槽试验的磨蚀机制因颗粒运动类型的不同存在很大的差异。滚筒磨蚀主要通过颗粒间相互接触、碰撞进行，其主要机制是以研磨为主（Kuenen，1956）; 而水槽磨蚀主要通过颗粒与槽床接触进行的，其主要机制是以切削为主（Brewer and Lewin，1993）。无论是滚筒试验还是水槽试验，都不能通过劈裂来正确地模拟磨蚀，而劈裂被认为是河流上游的一个主要磨蚀机制。
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先前的研究表明，不同的学者所得到的衰减系数α（D =D 0-αL，D表面粒度分布的百分位数值，D 0为L =0时的值，L为距下游的距离，α为单位距离内的衰减系数）相差几个数量级，同一个学者不同试验的结果也差2个数量级（表2）。除了Krumbein（1941）和Brewer and Lewin（1993）的2次试验分别得到衰减系数为0.014和0.09666，其余的38次试验衰减系数都小于0.001。
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表2 已报道的衰减系数（据Rice，1999修改）
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Table2 Previously reported diminution coefficient (modified after Rice, 1999)
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3.3 磨蚀过程的主要决定因素
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在砾质河床河流中，砾石在最初1 km距离内搬运的过程中以切削作用导致沉积物粒度细化的过程，被认为可能是磨蚀的主要机制（Kuenen，1956; Abbott and Peterson，1978），该过程还伴有劈裂过程（Krumbein，1941）。另外，砾石搬运过程最初的几千米，也存在压碎和研磨过程（Kuenen，1956）。随后，研磨（Abbott and Peterson，1978）和裂解（Kuenen，1956）可能成为其主要机制。在这个过程中，仍然存在压碎过程（Bradley，1970）。劈裂和切削的影响则可以忽略不计（Kuenen，1956; Abbott and Peterson，1978）。
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相较于砾质河床河流的磨蚀过程，砂质河床河流的磨蚀过程是不同的。在最初的几千米搬运过程中，一些颗粒可能会发生切削（Kuenen，1956）。之后，只有研磨会对颗粒产生影响，且颗粒表面不会再出现裂解。目前，对于混合质河流的磨蚀过程知之甚少，研究表明，砾石颗粒会发生压碎和劈裂（Yatsu，1955），并且砾-砂混合物中砂粒的磨蚀主要是由于砾石的撞击而导致的劈裂和压碎（Bradley，1970）。
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综上，磨蚀过程主要取决于沉积物大小和距河流源头的距离这两个主要因素，同时沉积物岩性、颗粒形状以及沉积物载荷也是其重要的影响因素。
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3.4 影响磨蚀速率的因素
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通过野外调查和实验室试验等方法，也发现了砾质河床影响磨蚀速率的一些因素，主要包括:岩性、颗粒大小、颗粒圆度、颗粒形状、颗粒速度、混合物组成、沉积物颗粒数量等。然而，目前很难量化这些因素所产生的影响。
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在众多因素中，磨蚀速率受岩性影响最大。组成不同岩性的不同矿物其耐磨性存在显著差异，还取决于矿物的物理结构和硬度（Kodama，1994a）。河道沉积物往往由不同的岩性组成，在磨蚀过程中首先会将不耐磨岩性的颗粒磨蚀，对于耐磨岩性颗粒磨蚀速率相对较低，直到非耐磨岩性颗粒完全消失（Abbott and Peterson，1978）。
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除岩性外，粒度对磨蚀速率的贡献最大。当较大颗粒与较小颗粒的推移速率相同时，较大颗粒具有较高的动能。大颗粒较短的跳跃长度比较小颗粒更易频繁地撞击河床（Bradley，1970），每千米绝对粒度减小通常与粒度大小成正比（Sternberg，1875）。因此，磨蚀速率通常随着颗粒尺寸的增加而增加。
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研究表明，棱角状颗粒比磨圆较好的颗粒磨蚀速率更高（Daubrée，1879; Krumbein，1941; Gölz et al.，1995），原因可分为三个方面:① 尖角容易发生切削，这也是磨蚀最有效的机制之一; ② 具有尖角颗粒的流体阻力比圆颗粒大，可能导致颗粒运移速率更大，增加颗粒间互相碰撞的影响; ③ 棱角状颗粒比圆粒具有更大的表面积，这可能通过研磨和裂解来促进质量损耗（Frings，2008）。也有研究表明，颗粒形状对磨损速率的影响可以忽略不计（Kuenen，1956）。但Lewin and Brewer（2002）在试验过程中发现形状对磨蚀速率有明显的影响。
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由于运动颗粒的动能与其速度的平方成正比，因此可以预估磨蚀速率是随颗粒搬运过程中速度平方的增加而增加。如果颗粒的速度增加，则跳跃颗粒的百分比随之增加，这抵消了较高的冲击能。事实上，磨蚀速率对流速的依赖性很弱（Lewin and Brewer，2002），随着颗粒速度增加磨蚀速率则不一定增加（Kuenen，1956）。
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磨蚀速率会随着粗颗粒中细颗粒的加入而降低（Kuenen，1956，1959; Kodama，1994a），可能的原因是颗粒撞击时候具有阻尼作用。目前，当加入粗颗粒时细颗粒磨蚀速率的变化情况尚不清楚。部分研究发现细颗粒的磨蚀速率强烈增加（Krumbein，1941; Kodama，1994a），但也有部分研究发现几乎没有变化（Kuenen，1959）。因此，这一部分的具体机理还有待于进一步研究。
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研究表明，沉积物颗粒数量的增加（沉积物载荷的体积增多）改变了颗粒运移和碰撞方式（Lewin and Brewer，2002），很可能会影响磨蚀速率，但磨蚀速率的变化尚不清楚。目前，滚筒试验和水槽试验给出的结果仍然不一致（Gölz et al.，1995; Lewin and Brewer，2002），这可能是由于实验方法如旋转频率，滚筒直径，水深本身存在较大差异造成的。
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综上所述，在许多河流中，决定磨蚀速率的因素往往是相互关联的，其作用力也可能是相互放大的结果。目前，虽然可以在实验室中区分这些因素的不同影响，但在野外是很难区分的。在已经给定的特定位置仍然不能准确地预测其磨蚀速率，但可以较为容易地估计下游磨蚀速率的变化。Frings（2004）提出了一条河流随距离增加各项指标变化的概念模型来解释磨蚀速率的变化过程（图4），河道上游由于高河床陡度产生的高剪切应力和颗粒运移速度，且具有不断供给的棱角状粗糙的岩石碎片，会通过切削和劈裂等过程磨蚀颗粒。其中，磨蚀速率随非耐磨性岩性百分比、颗粒速度以及中值粒径的减小而减小，但是颗粒圆度在河流河源位置快速磨圆对应高的磨蚀速率。
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砂质河床的颗粒较圆且粒径小，其磨蚀速率受搬运速度、中值粒径等因素的影响非常低。砂质河流中的沉积物不包括非耐磨性矿物，其磨蚀机制主要是研磨而这种机制磨蚀效率较低（Kuenen，1956）。此外，被完全淹没的砂粒因不易发生风化而使磨蚀速率进一步降低（Kuenen，1956，1959; Jones and Humphrey，1997）; 光滑的砂质河床通常会导致砾石颗粒打滑式的运移，这比砾质河床上砾石颗粒滚动过程中产生的磨蚀作用小得多。因此，砾石颗粒在砂质河床搬运时磨蚀速率较小（Kuenen，1956; Lewin and Brewer，2002）。目前，在砂质河床试验中观察到的粒度衰减率在0.0001%/km~0.001%/km（Thiel，1940; Kuenen，1959），这比砾质河床试验得到的磨蚀速率低了100倍。然而，实验室内受试验过程中的不确定因素影响，还不能完全正确模拟自然界中的磨蚀速率（Kodama，1994a）。
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图4 磨蚀机制与磨蚀速率随着不同影响因素的变化趋势（据Frings，2004修改）
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Fig.4 Downstream change in abrasion processes and rates in a hypothetical river (modified after Frings, 2004)
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4 粒度沿程细化的选择性搬运或分选控制
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早在1897年，研究人员已经认识到沉积物颗粒的粒度细化不仅由磨蚀造成，而且由选择性搬运（细颗粒优先搬运）或分选造成（Daubrée，1879; Krumbein，1941）。选择性搬运指颗粒尺寸的选择性搬运，也有研究表明颗粒形状和密度差异也会引起选择性搬运（Frostick and Reid，1980; Steidtmann，1982）。选择性搬运跟河流流量密切相关，沉积物起动（低流量阶段）和沉积物搬运（高流量阶段）的选择性搬运机制不同。
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4.1 沉积物起动
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沉积物颗粒开始搬运的条件可用临界流量（Meyer-Peter et al.，1934; Ferguson，1994），临界水流动力（Bagnold，1980; Ferguson，2005）或者临界速率（Komar and Clemens，1986）来表示，但是通常基于临界剪应力的表达式。在研究过程中，由于很难确定引起碎屑颗粒运动的瞬时（湍流驱动）河床剪应力（τ，N/m2）的精确值，通常以初始运动时刻的平均河床剪应力的值（τc，N/m2）作为临界剪应力（Frings，2004，2008）。此外，当河床对碎屑颗粒的剪应力大于临界剪应力时颗粒开始运动。
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在混合沉积物中，不同粒径颗粒对应不同的临界剪应力。不同粒径均匀混合的沉积物以及每组粒径对应的临界剪应力可以用Shield曲线表示（图5）。研究表明，细颗粒在混合沉积物中时常会隐藏在粗颗粒之间，而粗颗粒则更易暴露在水流中，这种隐藏-暴露效应使得在选择性搬运过程中剪应力值比Shield曲线的值更小（Frings，2008）。
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图5 依据Shields（1936），Egiazaroff（1965），Wiberg and Smith（1987）得到的2种砂粒混合物的临界剪应力示意图（据Frings，2008修改）
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Fig.5 The critical shear stress according to Shields (1936) , Egiazaroff (1965) , Wiberg and Smith (1987) for 2 kind of sand mixtures (modified after Frings, 2008)
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通常理论方法和经验方法都可用来计算临界剪应力，混合沉积物中的临界剪切应力与颗粒粒径的关系（Einstein，1950; Egiazaroff，1965）如下:
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式中，τc，i为粒级i的临界剪应力（N/m2），ρ和ρs分别为流体密度和沉积物密度（kg/m3），g是重力加速度（m/s2），Di为粒级i的颗粒大小，D avg代表混合粒径（比如，中值粒径D 50）（m），θc为响应混合物D 50的临界Shields值（-）。θc取决于颗粒雷诺数（Shields，1936），河床结构（Church et al.，1998），颗粒形状（Gomez，1994），河床坡度（Fernandez Luque and Van Beek，1976））以及水深（Zanke，2003）。其中最后两个因素对θc的取值影响微乎其微。对于粗砂混合物（D 50=2 mm），Egiazaroff和Wiberg-Smith预测粗粒搬运略有选择性，而细颗粒（D ＜D 50）几乎没有选择性。在接近同等搬运时，如果所有颗粒组分在相同剪应力下开始移动，就会出现如图5所示的结果。对于细砂混合物（D 50=0.5 mm），Egiazaroff曲线预测也得到了相同的结果。但值得注意的是，Egiazaroff基于粗颗粒的水力学假设已经不能够成立。Wiberg-Smith预测运移过程正好相反，细颗粒比粗颗粒具有较高的剪应力。细颗粒被选择性搬运，而粗粒接近同等搬运性（图5）。
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若不经过理论计算，也可选择经验方法来确定颗粒尺寸对临界剪应力的影响。依据Di/D 50的比值确定的临界剪应力，其方程式为:
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HE为隐藏-暴露系数（-），a是一个常数（-），θc通常用来表示具有相同D 50或D 65的均匀混合物中的临界Shields值。如果HE =1，则具有同等的搬运能力。越偏离HE =1，选择性搬运程度越强（Frings，2008）。HE的取值范围从0.29到大于1，这表明一些河流具有较强的选择搬运性，但是另一些河流具有同等搬运能力。HE的变化很大程度是由于实验方法的差异引起的，也与河床的结构（Reid and Frostick，1987; Gomez，1994; Church et al.，1998）、差异性沉积物粒度（Shvidchenko et al.，2001）有关。
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理论推导和经验公式的研究都对沉积物起动条件做了评估:细颗粒是否随着剪应力的增加优先搬运; 如果剪应力减小，粗颗粒是否优先沉积。假定颗粒沉积与颗粒搬运密切相关，在比细颗粒更高的剪应力下，粗颗粒更易被搬运和沉积（Powell，1998）。另外，河床结构对于颗粒选择沉积性也具有重要的影响:河床粗糙，会促进粗颗粒的优先沉积（Powell，1998）; 河床光滑，因粗颗粒易在光滑的床面向下游滚动，细颗粒可能优先沉积（Frostick and Reid，1980）。如果河床由较粗和较细的沉积物组成，粗颗粒更容易穿过较细沉积物的床面（因为粗糙度相对较低），但往往被困在较粗的沉积物中，而细颗粒更易穿过砾石之间的缝隙。
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4.2 沉积物搬运
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当河床剪应力超过沉积物起动的临界值时，沉积物搬运开始。沉积物搬运主要分为两种形式:一是推移质搬运; 二是混合质搬运。
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4.2.1 推移质搬运
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当河床剪应力略高于沉积物起动临界值时，粒度组分则由两部分组成:一是部分搬运，二是完全搬运，但二者并不完全独立。
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当颗粒以某种可测量的规律移动时，颗粒即使暴露在河床表面也保持不动，这种现象称为部分搬运（Wilcock，1993; Wilcock and McArdell，1997）。当剪应力增加时，余留的颗粒会发生搬运，细粒组分的沉积物比粗粒搬运更快（图6）。而在剪应力的作用下可以实现细颗粒的优先搬运，即河流中的细颗粒可以被完全搬运但粗颗粒仅完成部分搬运，用“a”表示（Frings，2008）。若剪应力持续增加，所有组分颗粒最终完成完全搬运。
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图6 两种粒度分数随剪应力增加粒度分数变化示例图（据Frings，2008修改）
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Fig.6 Increase of the proportion of mobile grains with increasing shear stress, for two grain-size fractions (modified after Frings, 2008)
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a—细颗粒完全搬运，粗颗粒部分搬运; b—临界剪应力范围
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a—The shear stress range in which fine grains are fully mobilised, while coarse grains are partially transported; b—the range in critical shear stress
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在间歇性河流中，粗颗粒组分的剪应力与临界剪应力的比值约为4.5（Powell et al.，2001），而长流水河流其比值基本达到2时（Wilcock and McArdell，1997），就会出现完全搬运的现象。目前，在完全搬运条件下是否存在选择搬运仍然存在争议。一些研究表明，粗细颗粒之间的临界剪应力差异不显著，并且沉积物的搬运过程也不再具有选择性（Kuhnle，1992; Wathen et al.，1995; Lenzi et al.，1999）; 也有研究表明，在完全搬运条件下也同时存在选择性搬运，粗颗粒的搬运速度大于细颗粒即粗颗粒存在优先搬运（Meland and Norrman，1966; Steidmann，1982）。
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4.2.2 混合质搬运
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自然界中，沉积物的组分在河流的不同流域存在差异，在相同流域也不尽相同，这与河道坡度、宽度、深度、比降以及水动力条件的影响紧密相关。一般来说，在河流上游，为混合质的沉积物，以推移质为主并含有部分悬移质; 而中下游则以悬移质为主。
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另外，由于细的悬移质泥沙连续移动的速度远大于粗推移质沉积物的移动速度，当河床剪应力增加到初始起动的临界值以上时，河床中较细的颗粒可能会悬浮，这大大增加了选择性搬运的程度。此时，悬浮开始的标准用临界比u*/wi表示，其中u*表示剪切速度（m/s），wi表示沉降速度（m/s）。当超过临界比时（即临界剪应力与粒度关系曲线位于shield曲线上部），细颗粒在砾质河流中沉积物的搬运过程中会发生悬移（不会显著悬浮）。此时，搬运的主要形式是以推移进行的，这意味着悬移质搬运不会增加砾质河流中的选择性搬运程度。由于悬浮物主要由细砂粒组成，在沙质河流中，泥沙质主要以悬浮状态移动（Dade and Friend，1998），此时悬浮物的存在会使沙质河床河流中的选择性搬运大大增加。研究表明，悬移质也存在分选过程（Deigaard，1980），悬移质由于颗粒的大小，水动力条件的差异以及颗粒沉降速率的不同，使得较粗的颗粒留在水柱的下部，较细的颗粒悬浮在整个水柱中。
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4.3 局部分选对选择性搬运的影响
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从整个河流尺度来看，沉积物起动和沉积物搬运会使河流砾石进行选择性搬运，局部尺度亦是如此。其中，河流局部的粒度分选也会影响选择性搬运的程度并显著的影响粒度细化速率（Frings，2008）。在砾质河床中，影响粒度分选过程的因素主要分为:粗化层（Armouring）和斑块化（Patchiness）。
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4.3.1 粗化层
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砂质砾质河流存在一个共同特征即粗化层:较细的颗粒上拥有较薄的一层粗颗粒。粗化层可以分为两种类型:稳定粗化层和动态粗化层。
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当河床上最粗颗粒的剪应力小于临界剪应力但河床最小颗粒的剪应力大于临界剪应力时会形成稳定的粗化层。若细颗粒被优先冲走而留下粗颗粒，会导致床面变粗（Sutherland，1987; Lisle and Hilton，1999），使河床上剩余的细颗粒越来越多地被粗颗粒掩盖，最终导致水流无法搬运河床表面的任何颗粒。与此不同的是，当河床剪应力发生变化时，稳定粗化层会被肢解且细颗粒层被搬运，但这不能称之为分选过程。有趣的是，还可能会出现另外一种情况:在粗化层之上再次出现一层细颗粒并以沙波或沙丘的形式在护壁层上快速移动，表现出强烈的分选性。
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4.3.2 斑块化
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斑块的存在是砂砾突变的主要原因之一，会导致河床粗糙度降低，进一步降低河床剪应力，使砾石更加不可移动（Paola and Seal，1995; Sambrook Smith and Ferguson，1996）。斑块可以垂直于水流（Iseya and Ikeda，1987; Dietrich et al.，1989），也可以平行于水流（Sambrook Smith and Ferguson，1996; Wilcock and McArdell，1997）。在砾质河流中，河流坡度逐渐减小，砾石层上会形成砂质斑块。根据推移质在空间上的组成，可以将斑块分为粗斑块和细斑块两类。一般来说，细斑块的移动速度比粗斑块快，会大大增加搬运过程的分选性（Paola and Seal，1995; Sambrook Smith and Ferguson，1996）。
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5 粒度沿程细化的其他影响机制及不确定因素
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5.1 原位风化
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河流河道沉积物粒度沿程减小通常归因于磨蚀或选择性搬运以上两种机制，或两者兼而有之。在某些河流中，前两种机制似乎都不足以解释沉积物粒度沿程的变化。研究表明，化学、机械或者生物风化过程（即风化）可能会增加颗粒磨蚀的程度（Kuenen，1956; Lewin and Brewer，2002），从而导致颗粒沿程细化。在低流量条件下未被淹没的颗粒会形成风化壳，易遭受风化。在相同风化程度下，因风化壳厚度相等，小颗粒的粒径减小的速率更快（Jones and Humphrey，1997）。颗粒原位风化成碎屑，经历较长的沉积时间，这些碎屑会被物理或化学分解。与磨蚀和分选相比，风化对粒度沿程细化的影响并不显著，但风化也加速了磨蚀速率。风化作用影响的磨蚀过程不在前文叙述的5种类型中，这可能是沉积物粒度变化的另外一种重要机制。
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5.2 其他机制影响沿程细化
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砾质河流的碎屑粒度变化非常不规则，并且机制错综复杂，利用简单的细化模型（指数模型）可能无法解释这种现象。研究表明，还存在多种机制影响沿程细化，如:河道分叉，人为干预河道，以及较细沉积物的加积等。其中，河道分叉一般出现在河道坡度较缓的冲积扇上（Smith et al.，1989），主河道沉积物碎屑的分选作用会引起明显的粒度细化（Dietrich and Whiting，1989）。
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5.3 沿程细化的不确定因素（粗化）
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沉积物粒度沿程粗化是河流沉积物粒度变化的另一重要特征。相较于沿程细化来说，粗化所呈现的规模小、发生的概率及频次低。粒度粗化通常出现在泥沙级配较差的山区河道的源头，与高能环境泥石流、滑坡、冰川的作用，支流粗沉积物荷载的短河段，河流水动力条件，沉积物的横向输入等多种环境和内部因素相关（ Brewer and Lewin，1993; Gomez et al.，2001; Brummer and Montgomery，2003; Walling et al.，2004; Attal and Lavé，2006; Singh et al.，2007; Costigan et al.，2014）。其中，横向输入含有来自山坡或支流的沉积物，较粗和分选较差的沉积物颗粒被引入干流（Grimm et al.，1995）。当无泥沙供应时，河段河长为十到几十千米的河道沉积物颗粒会在大坝下方发生粗化。此外，粒径沿程粗化也可能发生在上百千米尺度的河段（Sear，1996; Attal and Lavé，2006; Gibson et al.，2016）。
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6 粒度沿程变化机制讨论
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本文从沿程细化和粗化两种表现形式来阐述沉积物粒度变化的机制，分别总结了细化和粗化过程以及多种因素对河流沉积物粒度沿程变化的影响。河道沉积物粒度沿程变化是一个非常复杂的过程，目前的研究还不足以完全解释其机制。而且，河道沉积物粒度沿程变化的研究还存在诸多疑问需要进一步研究和讨论:① 在河道沉积物粒度沿程变化过程中其粒度细化，由何种因素起主导作用?② 导致粒度细化的具体机制是什么?③ 实验室与实地调查而产生不同细化系数的原因是什么?④ 同一河流存在细化与粗化，二者的关系是怎样的?
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6.1 沿程细化主导机制:磨蚀或选择性搬运
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目前，磨蚀还是选择性搬运是粒度细化的主导机制及如何影响沿程过程一直存在争议。在大型河流中，根据观察到的粒度沿程细化结果来看，选择性运输占主导地位（图1）。一般来说，在野外很难量化磨蚀对颗粒沿程细化的影响，主要原因是基于选择性搬运过程可以忽略不计，没有侧向沉积混合物补给的前提条件，但磨蚀机制起主导机制影响颗粒沿程细化的结果确实存在（Mikoŝ，1994; Dingle et al.，2017）。
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然而，在大多数河流中，这些假设的条件并不充分，在野外报道的自然实例报道较少。通过文献追踪，发现仅在喜马拉雅山前与瑞士莱茵河有相关报道（图1和表1）。通过野外调查，研究人员发现在莱茵河没有其他重要支流，且仅存一种主要的岩性（含有约5%~50%的石英或二氧化硅的石灰岩），这非常利于野外实地观测以及在实验室内进行磨蚀试验（Mikoŝ，1994）。研究人员在长42 km，宽85~115 m的莱茵河河段进行野外实地取样，样品质量为400 kg，其中沉积物粒径为2~128 mm。实验室内结果表明质量衰减系数a w=0.005~0.018/km与野外实测的衰减系数是一致的，表明莱茵河最主要的粒度沿程细化的机制是磨蚀。
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另外，发源于喜马拉雅山脉的河流流入恒河平原时，会携带地球上最多的泥沙量。该区域岩性主要以非常不耐磨的片岩和弱胶结的砂岩为主。研究发现，在河流搬运沉积物的过程中，沉积物每千米损失的质量约占总体的20%，而当沉积物进入恒河平原大约10~40 km时，河流中的粗砾石会逐渐消失。这一现象表明河流大部分砾石沉积物在到达恒河平原时可能转化成泥沙（Dingle et al.，2017），此时是泥沙通量升高而非山前砾石通量增加。因此，在人口稠密、地势较低的恒河平原上形成不同的沉积模式，并存在洪水风险（Dingle et al.，2017）。
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值得一提的是，不同流域非耐磨性岩石磨蚀以及河床中风化的砾石磨损均会导致粒度快速的细化（Bradley，1970），这些对于解析河流沉积物粒度沿程细化的机制具有同样重要的作用。目前，虽然磨蚀机制主导自然河流沿程细化的实例不多，但在山区河源，河流以劈裂和切削的方式致使粒径减小的影响仍不能忽视（Frings，2004）。另外，因磨蚀本身不能解释沿程细化的程度，选择性搬运为解释沿程粒度趋势提供了更有效的基础。
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6.2 磨蚀和选择性搬运及其他因素
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目前，磨蚀和选择性搬运或水力分选，哪种作用是主导河道沉积物粒度沿程细化的机制还依然存在争论，而大量研究表明河道沉积物粒度细化并不完全受单一机制影响，其可能是水力分选和磨蚀共同作用的结果（表1）。一方面，颗粒（板岩和千枚岩碎屑）对磨蚀具有较强的敏感性; 另一方面，磨蚀的劈裂和切削过程对颗粒磨蚀具有大量的贡献。因此，磨蚀可能也是控制沉积物颗粒粒度沿程细化的因素之一（Kingthon，1980; Werritty，1992; Surian，2002; Moussavi-Harami et al.，2004）。通常，在河流流量较为稳定的情况下，粗颗粒比细颗粒流动性差，因此需要较大的剪切应力才能移动。在这一过程中，粗颗粒移动速度慢，河流会优先进行水力分选或选择性搬运将细颗粒快速地搬运至下游。
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综上，磨蚀和选择性搬运机制都是导致粒度沿程细化的原因，在沿程细化的过程中发挥着重要的功能。但河道沉积物粒度变化是一个全球性的问题，具有非常复杂的机制，受众多因素影响。因此，分选过程是否确在河流沉积物粒度沿程细化过程中处于主导地位，还有待于进一步揭示（Kingthon，1980; Surian，2002）。
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6.3 细化系数差异
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为了对比细化系数的差异，研究人员在实验室内及野外开展了大量的模拟和观测工作。在近40次的滚筒试验与水槽试验，细化系数只有2次接近于0.01（分别为0.014和0.09666），其余的38次都小于0.001（表2）; 而在野外实地观测的细化系数几乎都大于0.01，其范围在0.01~1之间。其中，在新西兰北岛（0.0085~0.0106）和新西兰南岛（0.0054）两地测定的细化系数小于0.01。相较于中国祁连山，南美安第斯山等区域（表1），新西兰南岛和北岛地势高差相对较小，坡度较缓（Gomez et al.，2001; Browne，2004）。
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目前，除了Seal and Paola（1995）报道的细化系数值接近1，其余都小于0.76。事实上，通过统计分析，细化系数大于0.5都不常见（表2）。同时，野外观测到的粒度衰减系数为实验室磨蚀系数的10~100倍，且不同磨蚀试验所得结果相差两个数量级。试验装置、水流速度、颗粒大小以及颗粒的不同运动方式等等，都会对结果产生重大影响（Kuenen，1956）。另外，野外粒径衰减通常是选择性搬运、磨蚀及多种因素共同作用的结果。在自然界河道中，砾石粒径尺寸、河道坡度、河道宽度以及搬运距离都对沿程细化率（细化系数）起着重要的作用（Surian，2002）。
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6.4 沿程粗化与细化的关系
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由于粗支流沉积物输入，大坝的存在，滑坡沉积物、冰碛物补给河道沉积物可能会出现粒度粗化的现象（Sear，1996; Surian，2002; Brummer and Montgomery，2003; Dumitriu et al.，2011; Gibson et al.，2016）（表3）。相较于粒度细化模式，粗化一般发生在河源位置，发育规模相对较小。在流域最初的0~1 km2，粒度急剧粗化; 1~10 km2时粗化趋势减弱; 当河流流域面积大于10 km2时，粒度明显细化（Brummer and Montgomery，2003），说明粒度粗化是局部现象（表3）。
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由于构造活动强烈，滑坡物质与冰碛物的不断补给，流经尼泊尔中部喜马拉雅山脉地区的Marsyandi河，在长达200 km的范围内出现系统性的粒度粗化现象（Attal and Lavé，2006）。然而，在进入恒河平原短距离内粗砾石消失。出现这一现象的原因是河流沉积物颗粒在水力搬运过程中砾石的磨蚀作用，导致快速的砾-砂转换。研究表明山区河道砾石粒度可能会有长达几十至上百千米的粗化（横向物质补给），若河流中的粗砾搬运更远的距离，则会出现细化现象（Dingle et al.，2017）。在对美国蒙大拿州长达800 km的砂质河流密苏里河（Missouri River），进行20年间的5次野外调查时发现，该河段存在系统性的粒度粗化现象，这与高能环境或仅限于粗支流荷载的短河段所引起的粒径粗化的现象截然不同（Gibson et al.，2016）。引起这一现象的主要原因可归纳为以下四点:① 由于人为改造河道，使支流汇流处河道宽度的增加与流量的增加不成比例，水力半径的增加速度可能快于坡度的减少速度，导致河段的剪应力更高。较高的剪应力可以优先输送细粒物质，使粒度粗化; ② 支流并不补给粗颗粒，也不携带泥沙，这就导致支流仅增加流量。在不增加输沙量的情况下增加流量，可能会形成更陡的坡度，使河床变得更粗糙; ③ 沉积物源可能导致粒度变粗; ④ 优先捕获较粗沉积物可能导致粒度粗化。
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综上所述，在山区河段砾石河床中，虽然河道会局部粒度粗化，但更长距离会细化。从长达800 km的密苏里河的案例中也可以发现，因河道中是砂质河床，磨蚀作用几乎为零，虽然分选机制尚不明确，但出现系统性的粒度粗化可能与岩性有关。说明在之后对构造地貌演化尤其是河道构造特性、河道剖面形态等方面的研究中要保持敏锐的直觉，综合多因素，整合多网络来对机制进行全面的解析。
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7 结论与展望
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（1）河道沉积物粒度沿程变化是河流地貌演化的一个重要研究方向。已有的研究表明，引起下游细化的主要机制为磨蚀、选择性搬运、原位风化、磨蚀和选择性搬运或综合的多种因素，而引起粒度粗化的主要机制为支流的汇入、沉积物横向输入、高能泥石流、冰川作用补给、人为河道改造，大坝修建等。尽管前人已经做了很多分析，但是粒度变化机制和过程还不清晰。主要原因可能是不同研究区的岩性特征、气候背景、构造演化及水动力学特征存在差异。
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（2）通过已发表文献的自然河流河道沉积物粒度变化特征分析发现，河流沉积物粒度沿程细化是一种普遍的现象。水力选择性搬运或分选是河流沉积物发生沿程细化的主要作用过程。选择性搬运取决于河道坡度、宽度、水深以及颗粒大小以及水动力条件等。磨蚀作用可能比较有限，其强弱与研究区岩性密切相关。实验室内试验所得磨蚀速率通常比野外观察到的低10到100倍（但由于方法逻辑上的不足，磨蚀速率可能会被稍微低估）。
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（3）粗化一般发生在山区坡度较陡的、崩塌频繁发生的河源河段。而往往在这河段很难开展野外调查，报道相对较少，近十年来河源河道粗化这一现象也被越来越多的报道。对磨蚀贡献最大的分裂以及切削过程往往也是出现在河源河段。因此，本文也强调了河源河道调查的相对重要性。
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（4）在水力侵蚀模型中往往被认为的基岩河道，其忽略了沉积物通量对河道形态的影响，即使有磨蚀，选择性搬运以及风化等作用，部分沉积物还是会滞留在河道中，而陡峭的山坡会持续不断地将沉积物补给于河道中。因此，关于河道形态特征与演化的过程需在时空尺度将沉积物搬运的连通性考虑在内。连通性反映了沉积物粒径及其通量在时间和空间上的匹配程度，是流域地貌演化过程研究不可或缺的一个方面，对于连通性的机理还有待进一步研究。
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摘要
河流系统是研究构造、气候和生态系统的重要载体,也是地貌学的重要研究内容之一。河流系统中河道沉积物运移深刻影响着地貌演化的进程,而沉积物粒度的沿程变化特征与趋势则可以揭示有关泥沙动力学的重要信息。目前,关于河道沉积物粒度存在沿程变化现象已有大量研究,但河道沉积物粒度沿程变化的具体机制尚存争议。此外,河道沉积物粒度沿程变化的主要控制因素及其对河床演变的影响也尚未明确。本文总结了全球河流河道沉积物粒度沿程变化及其不确定因素的分布状况,并调查了磨蚀、水力选择性搬运及综合作用对沉积物粒度沿程细化的影响。结果表明,在沿程细化机制研究中,磨蚀作用过程的探析相对较少。磨蚀由研究区岩性决定,并且非耐磨性岩性颗粒会产生强烈的质量损耗。虽然磨蚀对河道沉积物沿程细化的影响有限,但在河道上游以劈裂和切削方式引起的磨蚀过程不能忽视。相较于磨蚀,水力选择性搬运或分选过程受到广泛关注,说明水力分选在自然界河流沉积物粒度沿程细化过程中发挥着重要作用。此外,也有部分研究探讨了河道沉积物粒度沿程变化的综合影响因素,并且发现由于有些因素干扰河床沉积物在沿程方向也会存在粗化现象。粗化一般发生在山区坡度较陡、河流源头崩积河段,而引起粗化的因素主要有支流的汇入、沉积物横向输入、高能泥石流以及冰川作用补给、人为河道改造和大坝修建等。现有的研究表明河道沉积物粒度沿程变化是一个复杂的过程,其变化特征受多时空因素的影响,河道沉积物粒度沿程变化特征及其与外界因素的关系有待进一步研究。因此,在后续的工作中,仍需要利用大量室内室外调查和分析,揭示不同时空尺度河道沉积物侵蚀搬运过程,深化对河流地貌演化及其驱动机制方面的研究。
Abstract
River systems are important components of earth's surface landforms, which represent the complex interactions of tectonics, climate change, ecology and landscape formation. The movements of sediments determine the modes of river systems evolution. The sediment grain size on river bed was often used to characterize the direction of river channel adjustment. For most rivers, the grain size of river sediments has a downstream fining trend. However, the controls and mechanisms of downstream fining remain unclear. In this study, we comprehensively analyzed the distribution of downstream grain size fining and coarsening, and the controls of abrasion, selective transport, weathering and lateral input on downstream grain size change in previously reported investigations. The abrasion is significantly dependent on the lithology of the watershed, and abrasion-easy particles produce a strong mass loss. Although the impact of abrasion on the downstream grain size fining was limited, the mechanical abrasion caused by splitting and chipping in upstream of the river cannot be ignored. The abrasion rate from tumbling mill and abrasion tank experiments are usually 10 to 100 times lower than that from field observations. In contrast to abrasion, the hydraulic selective transport or sorting received wide concerns. It shows that hydraulic selective transport may play an important role in the grain size downstream fining. In addition, some studies also discussed the comprehensive influencing factors of the river bed grain size downstream change, and found that the grain size of sediments in some river sections exhibit downstream coarsening. Downstream coarsening was generally observed in colluvial channels with steep slopes in mountainous areas due to massive input of coarse sediments from tributaries, river bank, debris flow, glacial feeding and artificial river regulation. We found that in most mountain rivers,the grain size of river sediments was controlled by multiple factors. More field work and flume experiments are needed to reveal the driving mechanisms of grain size change of river sediment.
Keywords
sediment transport ； grain size ； downstream fining ； downstream coarsening ； selective transport ； sorting ； abrasion
