河流生態學 永續社 林雨莊編譯
河流生態學 永續社 林雨莊編譯
在18世紀末以前，河流的侵蝕能力還沒有得到重視。人們認為溪流在山谷中流動是因為山谷已經存在，而不是因為溪流切斷了山谷。災變論強調聖經中的洪水是地球表面形成的最後階段，顯然影響了這一觀點（Morisawa 1968）。然而，到了18世紀末，地質學家推斷，排水網的樹枝狀圖案提供了侵蝕的證據，正如觀察到的那樣，源頭的山谷比下游的山谷小。現代地貌學研究的重點是河道、洪氾區、河網和集水區之間的聯系，並採用了諸如地層分析、水槽輸沙試驗研究、物理過程類比、地形對比等多種方法，以及複雜的統計方法，以更好地瞭解河流系統的物理動力學（Kondolf and Pie'gay 2003）。河流地貌學一般是研究地貌，特別是河道和水系的研究，強調河流與景觀之間的動態相互作用。本章總結了這一領域的一些主要觀點。河流地貌對河流生態學家很重要，原因有以下幾個方面。它有助於理解第1章中介紹的各種河流和河流，揭示河流河道的形狀，並提出分類河流類型的有用方法。河流特徵隨時間和空間的變化是造成有機物所處棲息地多樣化的原因。此外，對河流特徵之間關係的量化和對基本過程的分析有助於更深入地了解河流和河流棲息地如何響應自然和人為環境影響而變化。反過來，可以將這些知識用於避免不明智的管理選擇，並為人為景觀中更健康的河流設計提供依據。
河流地貌學的中心主題是沖積河流通過水文，地質，地形和植被之間的複雜相互作用來決定其河道的位置和形狀(Leopold et al.1964； Richards 1982)。河道和整個排水網絡的發展，以及河道形狀的各種規則模式的存在，表明河流處於侵蝕與沉積之間的動態平衡中，並受共同的水力過程控制。但是，由於河道的幾何形狀是具有長輪廓，橫截面和平面圖的三維結構(從空中可以看到的)，並且由於這些河道在數年至數百年的時間範圍內相互調整，因此很難因果關係建立。Leopold和Maddock(1953)認為，河流的流量，泥沙負荷和海拔高度是河流無法控制的外部變量，因此必須進行調整。對於特定的河段，坡度對河道的特徵具有重要的控制作用，因為它的調整速度比其他變量要慢得多，包括河道的寬度和深度，速度，沉積物粒徑，床的粗糙度，彎曲度和編織度。從概念上講，這些變量的相互調節形成了一個分級的河流，其形狀在其運輸能力和可利用的泥沙負荷之間表現出平衡。實際上，不斷變化的氣候和其他因素可能會導致覆蓋範圍無法長期達到或保持在理想狀態。該概念的有用之處在於，流傾向於通過朝某個平衡狀態的方向移動來對擾動做出回應。
我們首先描述河流的形狀和形式-沿著河流的長度，從上面看，從整個河道和山谷中看。河流在關鍵的水文和幾何變量之間表現出許多非常可預測的關係，我們將探索解釋這些模式的潛在過程。指導本章的中心思想是河流尋求一種動態平衡狀態，該狀態是與主要河道和易發洪水區域有關的流量和沉積物的函數(Leopold et al.1964)。河流河道往往會形成穩定的尺寸，樣式和輪廓，這些特徵在高流量，泥沙輸送和河道運動發生時得以保持，因此即使某些特定的河道特徵可能發生變化，這種關係也是可以預測的。我們首先以河道形狀描述模式，然後考慮造成這些模式的過程。
地面上的水向山下運動，形成小的水道或小溪，隨著時間的流逝，它們變成了持久的水道。這些河道相互連接，形成一個樹狀的網絡，增加了排水面積。實際上，每個額外的支流都會導致排水面積逐步增加，而不是平穩增加，但作為近似值，河道長度隨著排水面積的0.6冪而增加增加。河流網絡的長度通常大於寬度，並根據地形和陸地表面的可蝕性形成特定的形狀。一條狹窄山谷的水流經常導致一條中央河道，眾多的短支流幾乎成直角進入，而較平緩的地形可能導致一個較圓的流域。各種描述性術語(樹狀，放射狀，矩形，網格)用於描述這些模式。排水密度(河道長度除以排水面積的總和，以km/ km2為單位)是對網絡進行精細切割的一種度量，並且在較乾的(較乾燥的)位置往往更低。浮雕比是高程差除以主軸上的河流長度，因此與坡度和河流經過的路徑有關。
在排水管網的上游起點處，在排水溝附近，僅在暴風雨期間有大量非常小的河道攜帶水，但是在某些時候，上游區域足以產生全年的流量。這是多年流開始的點，並定義了一的開始。一上方是短暫的流，僅在濕潤時期流動(並在地形圖上以藍色虛線顯示)。短暫的和一級的多年生渠道之間的確切過渡是不清楚的，並且根據降水而向上和向下遷移。
河流級序是一種有用的度量，因為它描述了流在支流層次結構中的位置(表1.1)。兩個一級序的並集形成一個二級序，定義為僅具有一級序河道作為支流。通過將兩個二級序河流合併而形成三級序河流，依此類推(圖1.2)。這個系統起源於霍頓(1945)，後來由斯特拉勒(1952)完善，也許是最廣泛使用的河流和河流分類系統，但它有局限性(Hughes and Omernik 1983，Richards 1982)。一的識別具有挑戰性，並且如果使用地圖完成，則將隨地圖比例而變化(建議使用1：24,000或1：25,000)，從而影響所有高階指定。由於各個地區的排水密度不同，河流的大小和水位可能沒有很好的相關性。另外，這種方法忽略了n級序到n+1級序的輸入。鏈路分類將一的添加合併到排水網絡的高階分支中，但也有其他缺點。
儘管如此，河流級序一直是一個持久的概念，因為它的簡單性和有用性。此外，河流級序分類作為其他流域變數的關聯也是有用的。平均長度、總數和較小程度上的平均斜率都是直線，當它們的對數值按流序繪製時。n-1級序通常是n級序(分叉比)的三到四倍，每一級序河流的長度都不到下一個高階級序河流的一半，並且排水量略大於五分之一的面積。這些比率可通過檢查表1.1進行驗證，表1.1總結了美國1-10級溪流的數量、長度和流域面積。這張表令人信服地表明，絕大多數河流都是低階的。通常，一級至三級河流占集水區常年性河道總長度的70-80%，強調了水源地之間的土地-水連接是如何緊密耦合的。河流連續體概念(圖1.7)使用河流順序作為其物理範本，許多河流生態學家發現河流順序是尺寸和縱向位置的方便指標。
流道橫截面的形狀取決於排放物與沉積物之間的相互作用，河床和河床的易蝕性，植被的穩定作用以及任何可以影響本地河道條件。橫截面勘測繪製河道的形狀並在多個點測量深度，從而有效地創建了一系列已知寬度和深度的像元，將其乘積求和以確定面積(圖2.7)。然後可以將平均深度估算為面積除以寬度。河道內最大深度的位置稱為thalweg主深槽。
河道的形狀和橫截面即使在一定範圍內，每個斷面也會有所不同，因為某些位置寬而淺，另一些位置窄而深。每個支流的排水量必須相同，除非支流輸入和地下水交換，但面積和形狀不必如此。河道的橫截面更直，更呈梯形，通常呈梯形，但在彎道或彎曲處不對稱，其中最大的深度和速度通常在外岸(圖3.1)。由於速度降低和彎道內的螺旋流，沉積物沿內堤形成點狀條，近床層水流從彎道的外部流向內部。垂釣者利用河床的這些淺而平緩的傾斜區域向遠處的深水投射。在陡峭，狹窄的山谷中，河道受到地形的限制，而平坦，寬闊的山谷則允許更多的橫向運動和彎曲(圖3.2)。
如果存在發育良好的洪氾區，則可以通過直接觀察來確定堤岸滿溢期或發生溢洪的水深。通常，此邊界不太明顯，因此可以通過多種方式進行估算。地形變化，尖桿的高程，河岸上的木本植物水平以及明顯的沖刷跡像都是建立河岸河道的有用線索。濕潤河道的尺寸對於水生生物群具有明顯的重要性，並且經常隨排放量的變化而變化，而堤岸尺寸在解釋河流過程中尤其重要。
隨著支流向下游發展，河流的大小通常會增加，因為支流和地下水會增加流量。由於放流量為Q¼wdv(請參見公式2.3)，所以放流量的任何增加都必須導致寬度，深度，速度或它們的某種組合的增加。圖3.3說明了懷俄明州和蒙大拿州的粉河及其支流的關係。從單個站點的河流流量隨時間的波動可以構建類似的圖形。Leopold和Maddock(1953)定義的水力幾何學描述了水力特性之間的關係，主要是寬度，深度，速度和流量。冪方程可很好地擬合經驗數據。
因為Q=w x d x V，它遵循的是a x c x k + m =1。
早期的研究表明，一組固定的係數與河流的寬度、深度和流速的變化有關，而另一組係數則是“一站式”。
“一站式”被證明是一個過度概括，因為係數隨形成河道周長的資料的性質而變化，如Osterkamp et al.（1983）顯示使用美國西部的數據。考慮到方程式3.1–3.3描述了總體趨勢，並且這些回歸中存在相當大的變化（由於對數標度，在圖中不太明顯），囙此可以進行一些廣泛的概括。在“一站式”中，Q的增加是降雨事件的結果，並且主要由d和v的增加來適應，直到河流溢出河岸(如果有洪氾區)，然後寬度大大增加。在給定的水流階段，隨著下游的流向，Q的增加是支流和地下水輸入的結果。寬度、深度和速度均隨年均排放量呈對數線性增長。寬度隨放流的增加大於深度的增加，而速度隨放流的增加最小，並且可以保持幾乎恆定(Leopold 1962)。下游速度的適度增加似乎令人驚訝，因為我們可能期望由於梯度的總體下降而導致下游速度降低。但是，由於通常隨著河道深度的增加，河道深度會變大，並且基板會變得更細，因此阻力會縱向減小，從而抵消了坡度減小的影響。蘇格蘭的特威德河很好地說明了這一點(Ledger 1981)。在大多數流量下，最高速度出現在河流系統的較低且較平坦的一端。僅在某些情況下(涉及洪水)，速度才不會在下游方向上增加。
圖3.1蜿蜒的河段，顯示最大速度線和產生沉積和侵蝕區域的水流分離。橫截面顯示水在彎曲處的橫向運動。(摘自森澤1968年。)
圖3.2(a)山谷的橫截面圖，顯示了當前的河道，現代洪水氾濫區和代表先前洪水氾濫區的階地。(摘自Dunne和Leopold1978。)(b)河道狹窄，幾乎沒有機會開發洪氾區。(摘自Ward et al.2002。)
圖3.3：隨著下游排放量的變化，與年平均排放量有關的寬度，深度和速度。數字指的是粉河及其支流，懷俄明州和蒙大拿州的地點。(從Leopold 1994年轉載。)
圖3.4 彎曲長度與河道寬度之間的關係，以及彎曲長度與平均曲率半徑之間的關係(摘自Leopold 1994)
無論是冰川水，不受河岸限制的墨西哥灣流或河道表面的融化水，流動的水都會遵循曲折的路線。從上方看，大多數河流是曲折的或蜿蜒的。但是，蜿蜒的程度變化很大，從相對較直的河道呈彎曲的海藻到彎曲的曲率明顯且規則的河道(Leopold 1994)。觸及率的正弦度很容易量化為：
蜿蜒度=河槽中心線長度/直線長度 (3.4)
許多變量會影響正弦度，因此值的範圍從簡單的，定義明確的河道中的接近1到高度曲折的河道中的四個。彎曲通常被定義為任意的極端彎曲度，通常>
1.5(Gordon et al.2004)。
如上所述，通過曲折伸展的水流遵循可預測的模式，並導致規則的腐蝕和沉積區域(圖3.1)。彎頭外側的水超高會導致水向相反的堤岸螺旋流動。另外，表面流的分離引起迴旋。結果就是侵蝕和沉積區域，並解釋了為什麼在沉積區域中沿下游方向發展稱為點狀棒的特徵。
河道彎曲的一致性使得如果將一條小溪和一條大河縮放成同一個頁面，它們的相似性就非常驚人。小河道蜿蜒成小曲線，大河道蜿蜒成大曲線(Leopold 1994)。無論是在小型實驗水槽中測量一條河流，還是在大西洋中蜿蜒的墨西哥灣流，蜿蜒的波長平均約為河道寬度的10-14倍(圖3.4)。河道彎曲的曲率半徑平均為河道寬度的2-3倍。河道蜿蜒模型具有合理的預測能力，但仍在發展中(Darby和van de Wiel 2003)，重要的是要意識到大多數蜿蜒是不對稱的(Carson和LaPointe 1983)。
通常在中等至低坡度，無阻礙的礫石層流中發現深潭-淺灘河道。在大約數百米長的水流範圍內，人們可以觀察到速度較高的淺層區域和混合的卵石-卵石基質(稱為湍瀨)或速度較慢且基質較細的較深區域之間或多或少有規律的交替，稱為水潭(圖3.5)。湍瀨是阻滯水流的淺灘(樹枝、礫石堆積而成)；水潭是起伏河床中的低窪坑。在自形成的深潭-淺灘河道中，湍瀨是由礫石堆積以特徵性的交替沉積而形成的；阻滯水流之後，下坡水流在河彎曲外側岸淘挖一個低窪坑，就是深潭。水流在丘陵間前行，每經一段長度河道就重複一個深潭-湍瀨單元。一個水潭湍瀨單元大約為河道寬度的5-7倍(Leopold et al.1964)。深潭-湍瀨序列是河床沉積物顆粒分類的結果，需要一定範圍的沉積物尺寸才能發展。
在低流量時，湍瀨具有較高的斜率，相對於水潭往往較淺，並且具有較高的速度。在高流量時，湍瀨和水潭之間的水面坡度變得更均勻，儘管水潭保持更深，並且水潭的速度比湍瀨的速度增加得更多。這導致流床上力分佈的變化。在洪水階段，當流量高到足以移動河床砂石時，湍瀨是運輸能力最低的地方，因此也是礫石沉積的地方。
水潭也大多形成在彎道的外部，並且水流或其他石塊、倒伏木等障礙物迫使水潭發展。在這種情況下，深潭-湍瀨序列的規則交替可能不明顯。在丘陵山地的高梯度礫石層流中，水潭的存在強烈依賴於水流，且木材負荷高的流通常具有較近的水潭間距(圖3.6)。低流量LW對一級序至四級序溪流影響最大，並可發現其增加寬度，形成水瀑；堆積成穩定的碎石灘並創建水潭(Bilby和Bisson 1998)。在已清除木材阻礙的河床中，沙床渠道的物理多樣性經常受到壓抑。
圖3.5 湍瀨-水潭序列的縱剖面(a)和平面圖(b)。(a)中的水面輪廓描述了高流量，中流量和低流量條件。(從Dunne和Leopold 1978年轉載。)
圖3.6：來自美國西部不同地點的平均池間隔與潭-湍瀨和平面河道中的木片頻率的關係。(摘自Buffington等人2003。)
洪氾平原是河道兩側的平坦灘地，在中等流量期間會被淹沒，在目前的氣候條件下，河道是在河床氾濫期間砂石沉積而建造的(Leopold 1994)。在低地河流中最常見的無約束，平坦的山谷，允許相當大的蜿蜒和橫向遷移，因此往往有發達的洪氾平原。相反，在高度受限的V型峽谷渠道中，氾濫平原的發展受到相應的限制(圖3.2)。
河道運動和山谷洪水是河流的正常自然行為。可以通過如前所述的野外觀察或直接觀察河流剛剛溢出其河岸的洪水來識別河流的河岸高度。然而，實際上，這並不總是容易做到的。普遍使用的經驗法則是，每1-2年發生一次河岸超額流量(圖2.11中為1.5年的複發事件)，但實際上，沿給定河段的洪氾區可能每年被淹沒很多次，或發生頻率更低。作為這種說法的必然結果，這條河建造了一條河道，該河道足夠大，可以容納它所經歷的大多數排放物。只有較少的頻率，較大的流量會從河道溢出到洪氾區。
由於氣候或流域條件的變化，河流可以改變其河床水準向上(沉積)或向下(退化)。在長期的退化過程中，隨著河流向下切割而廢棄的舊的洪氾平原將形成陸地的河階。
沉積物的供應和運輸非常重要，因為它們會極大地影響河道動態，影響生物群所經歷的棲息地質量，並且管理成本很高。河流尋求的動態平衡位於沉積物和水的雙重供給之間，共同決定侵蝕和沉積是否平衡，從而決定河道如何響應。沉積物過多或過少都可能對生物區係有害，並對人類和基礎設施造成代價高昂的後果。許多河流由人為引起的侵蝕和沉積的歷史悠久，導致棲息地退化並改變其生態，以至恢復將極具挑戰性(Gore and Shields 1995)。到1998年，美國全部河流中約13％的河流和40％的受損河流被認為受到過多沉積的影響(美國環保局，2000年)。飲用水中過多的沉積物需要昂貴的過濾處理，這就是紐約市現在專注於為水庫提供水的流域進行河岸管理的原因。來自河流的沉積物會嚴重破壞河口和礁石，而沉積物供應不足會導致三角洲和沿海海岸線退縮，從而導致棲息地的喪失和對風暴潮的防護能力不足。
河床中河床物料的顆粒大小取決於從上游、本地支流和山坡引入河道的大小，以及磨損和分選的大小。河床物料是調節河道形式所施加的條件之一。水利人員擬定方便的礫石尺寸分類(表3.1)基於尺寸的逐步加倍，可幫助我們精確地描述與紀錄，諸如礫石，卵石，巨石等術語。它們用來描述了任何粒徑尺寸的砂石。流動的河床通常包括各種粒度的混合物。河床表面的成分決定了可運輸的材料，這是這裡的重點。它還會影響河床的粗糙度，從而影響床附近的水力環境，以及河床的滲透性及其作為生物群棲息地的適用性，這將在以後再討論。
由於河床表面通常由各種粒徑的大小礫石混合組成，因此對平均粒度以及粒度範圍進行量化很有用。卵石計數法(Wolman 1954)是一種簡單且廣泛使用的方法，用於量化表層的石頭粒徑尺寸並預測河床層推移閾值。通常的方法是從合理均質的河段的河床或礫石堆中隨機選擇石頭來測量大約100個直徑> 4 mm的卵石的中間值。但是，當河床中含有大量直徑小於10–15 mm的粗、細砂時，則床層物料樣品必須通過各種尺寸的篩子來檢測。
累積頻率分佈相對於粒徑幾何級數的曲線圖(圖3.7)使人們可以快速估算中值粒徑D 50 。通常還會報告D 16 和D 84 ，因為它們在正態分佈的均值的任一側都包含一個標準偏差。
礫石河床的表層通常比地下層具有更粗的粒徑。河床粗糙化是指基材的垂直分層，其中較粗的顆粒會覆蓋較細的材料，並可能阻止後者夾帶在水體中。這可以被量化為表面層的比率d50 ：地下層的比率d50 。
除了卵石計數外，河床沉積物測量還採用了許多方法(Kondolf
et al.2003a)。一些生物學家更喜歡不用定量但有用的方法，就是查找最主要代表性的卵礫石粒徑。從魚類生物學角度觀測，魚在在特定卵礫石內產生卵石粒徑產卵的比例，可能是最有用的措施。如果細沉積物限制了孵化魚胚胎或底棲無脊椎動物所需的溶氧流動，則其卵石計數仍然很重要。
在水文學和地理學中，裝甲(Armor)是指表面卵石，岩石或巨石與河床或的結合。最常見的水文裝甲是自然發生的。但是，人為形式通常稱為riprap，當海岸線或溪流被加強以保護大石塊或相當大的人造混凝土時，以防腐蝕。當裝甲以卵石的形式與海灘相連時，卵石的大小從2mm到200mm不等。水文模型表明，河道裝甲通常在洪水期環境中持續存在。
表3.1 Wentworth石頭粒徑度定義 以2次冪遞增的分類。
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尺寸類別 |
粒徑(單位：mm) |
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巨大岩石 |
> 256 |
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鵝卵石： 大鵝卵石 |
128–256 mm |
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小鵝卵石 |
64–128 mm |
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礫石： 特粗礫石 |
32–64 mm |
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粗礫石 |
16–32 mm |
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中礫石 |
8–16 mm |
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細礫石 |
4–8 mm |
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特細礫石 |
2–4 mm |
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砂： 很粗砂 |
1–2 mm |
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粗砂 |
0.5–1 mm |
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中砂 |
0.25–0.5 mm |
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細砂 |
0.125–0.25 mm |
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特細砂 |
0.0625–0.125 mm |
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淤泥 |
<0.0625 mm |
圖3.7 通過卵石計數獲得的河床兩個位置的粒徑尺寸分佈，這些位置被確定為與加利福尼亞拉什克里克的一個地點不同的局部沉積環境。在小卵石的尺寸範圍內，中值粒徑約為80mm，在稱為種群B的位置處略小(從Kondolf等人2003a複製)。
所有沉積物最終都來自集水區坡面的侵蝕和流經陸地的地表逕流水，但是直接供應通常來自河床和河岸(Richards 1982)。高流量沖刷和輸送沉積物的過程，最終隨著流量消退而將其沉積在河道的下方。河岸的侵蝕是沉積物和河道不穩定性的重要來源。它自然會在河道蜿蜒時出現，並且在峰值流量增加時可能變得很嚴重。因此，不透水表面積的增加和雨水輸送會加劇侵蝕。當水流通過侵蝕底部的材料(“坡腳”)使堤岸變陡時，該過程就開始了。隨著上層水平河岸表面開始形成拉力裂縫，水的滲透增加了孔隙水的壓力(並增加了質量)，剪切作用開始，導致河岸破壞。土壤碎屑沉積在堤岸的腳下，水流將破壞的碎屑清除掉，從而增加了河流的泥沙負荷。堤岸陡峭度再次開始，導致堤岸垂直面和另一輪堤岸侵蝕循環。
大多數渠道河岸都包括較細的材料，這提供了一定程度的凝聚力。植物的根係有助於將土壤固定在適當的位置。由於根系更深更密，與樹木相比，草在穩定溪流方面特別有效 (Lyons et al.2000)。確實，沿著草場和林地之間的一條小溪，已經觀察到河道在草叢中變窄和加深，在森林中則變淺和變寬(Sweeney 1993)。因為一些土地管理者顯然喜歡木本植物，所以在草木河岸地區種植樹木有可能使溪流變得更寬和更淺，因為它們的形狀適應河岸穩定性的變化(Davies-Colley 1997)。
河岸穩定性可以通過多種方式提高。堤岸表面的植被既可以穩定土壤的根部，又可以通過吸收和蒸散作用去除土壤水分。可以安裝排水磚以清除滲入的水，從而減少大量浪費的可能性。通過各種設備保護腳趾可以防止堤岸變陡。堤岸穩定是一項重要的管理活動，其範圍從“堅硬”的解決方案(例如riprap(混凝土板)和石籠網(石頭的鐵絲網筐))到採用植被的更環保方法。但是，如果切開河床，穩定河岸的努力將是無效的。
城市溪流呈現出與農業環境不同的情景。高峰流量通常會隨著城市基礎設施的增加而增加，並且河岸通常會變硬，因為渠道變化會破壞道路和房屋。床層的侵蝕和塌陷是預期的後果，大量泥沙出口到下游。
當排出物達到足夠的水平以開始運動並運輸通常比細砂更大尺寸的顆粒時，運輸床料。毫不奇怪，可被侵蝕和運輸的顆粒尺寸會隨水流速度而變化(圖3.8)。流的能力是指可以以某種流量沿河床移動的最大粒子，臨界侵蝕(有效)速度是位於河床上的給定大小的粒子移動的最低速度(森澤(1968)。沙粒最容易被侵蝕，臨界腐蝕速度約為20 cm s 1 。由於較大的質量，較大的粒子需要較高的水流速度才能開始運動，例如，對於粗礫石至少需要1 m s-1 。但是，比沙小的顆粒(包括淤泥和粘土)由於具有粘性，因此具有更大的臨界腐蝕速度。
一旦運輸，顆粒將繼續以比開始運動所需的速度稍慢的速度運動(圖3.8)。隨著速度的降低，卵石從懸浮狀態開始沉降，從最大，最重開始。當洪水後洪水在彎道內部和障礙物後面以較低的坡度下降時，流量會下降。
水流對河床施加的剪切應力或牽引力(
，每單位面積的力)估計為：
(3：5)
其中ρ是流體密度，g是重力加速度，水力半徑R等於河道截面積除以其濕潤周長，S是水表面坡度。對於寬度比平均流量深度大得多的自然河道，平均深度很好地近似於水力半徑。
該方程式很重要，因為它使河床和河床的阻力與水的下游重力牽引力相關：當超過前者時，就會開始沉積物的輸送。臨界剪切應力()是指移動給定粒徑尺寸所需的剪切應力。對於河床物質直徑大於1cm的流動的礫石河床，在河床全流量下運動閾值附近的顆粒大小大約等於河床物質中值大小(cm)。換句話說，D50 很好地指示了堤岸滿水流時的牽引力。
圖3.8 1 m深以上的水中的平均流速與可能從具有相似尺寸的材料層中侵蝕的礦粒尺寸之間的關係。低於足以侵蝕給定尺寸(顯示為條帶)的卵石的速度，卵石可以繼續運輸。沉積發生在比腐蝕給定尺寸的顆粒所需的速度低的速度下。(Reproduced from Morisawa 1968.)
圖3.9以沉積物來源和運輸方式顯示的河流沉積物負荷組成。
輸沙量是在一定時間間隔內通過某一點的泥沙量。用含沙量乘以排水量來估算。河流系統攜帶的物質可分為三部分(Knighton 1998)。這些是溶解荷載，包括溶液中運輸的材料；沖刷荷載，包括0:5 mm(溶解材料的上限)和0.0625 mm(淤泥和沙子之間的邊界)之間的材料；以及固體荷載，包括大於0.0625 mm的材料。描述總含沙量的術語指的是物質來源或運輸方式(Hicks和Gomez 2003)(圖3.9)。
溶解荷載由基岩和土壤的化學風化產生的溶質組成。第四章對河水的溶解成分進行了較為全面的討論。它們在非火山水文條件下的貢獻最大，因為大多數水流是地下的，並且在石灰岩地質區域(Richards 1982)。以溶質形式運輸的物質相對於固體負載的相對數量取決於盆地特徵、岩性和水文路徑。在乾旱地區，沉積物占總負荷的90%，而溶質的貢獻在地表逕流非常高的地區要大得多(Richards 1982)。據估計，在世界範圍內，河流每年向海洋輸送大約150億噸懸浮物質，這大約是溶解負荷的五倍(Holeman 1968，Martin and Meybeck 1979)。
根據來源，總輸沙量在沖刷負荷和床沙負荷之間進行劃分(Hicks和Gomez 2003)。沖刷荷載(由於該荷載是從河岸和高地地區“沖刷”到溪流中而得名)由非常細的顆粒組成，包括粘土和淤泥，直至非常細的沙子。它只需要較低的速度和較小的湍流就可以保持懸浮狀態，因此這種物質可能永遠不會沉澱。沖刷負荷的大小取決於其來自高地和河岸的補給量，而不是由河流的輸送能力決定的，如果河岸具有較高的粘土和淤泥含量，則可能會很高。河床物質荷載來自河床，通常是沙或礫石，其濃度與河流的輸送能力直接相關。
根據輸沙方式，泥沙分為懸移質和推移質。河流中的水流通常是紊流的，它施加的剪切力使顆粒通過推擠、滾動和跳躍沿河床移動，稱為推移質。同樣的剪切力會產生湍流漩渦，將顆粒帶入懸浮物中，稱為懸浮物。推移質和懸移質的區別是基於取樣方法的，同一物質在低流量時作為推移質輸運，在高流量時可能變成懸移質。推移質輸運很難測量，通常涉及捕集器或示蹤顆粒(Gordon et al.2004年)。懸移質很容易取樣-簡單的抓取樣本就足夠了，但隨深度的變化而變化，並且隨流量的變化很快，因此，最好在整個深度上進行整合並在過程線上升和下降期間頻繁進行取樣。由於細泥沙往往在降雨事件開始時被沖入河流，並被上升的水流帶走，因此在過程線上升期間，它們的濃度通常更高，而在下降過程線期間，由於泥沙供應耗盡，其濃度會下降。因此，在相同的上升和下降過程線流量下，泥沙濃度可能不同。這被稱為磁滯。
懸浮沉積物由於散射和吸收而限制光在水中的傳播，從而導致渾濁。通過測量通過水樣的光透射，濁度計提供了懸浮泥沙負荷的簡單近似值。這些通常報告為腎濁度單位(NTU)，可根據測量的沉積物濃度(mg L-1)進行校準。然而，還有額外的濁度來源，包括藻類和膠體物質，因此濁度不僅僅是衡量懸浮沉積物的指標。
大部分泥沙輸移是由於懸移質，其通常超過推移質5-50倍(Gordon et al.2004年)。基岩河流中的推移質含量比沖積河流中的低，因為沖積河流的河道容易運輸。然而，推移質輸沙量在洪水期間顯著增加，對確定河道形狀尤為重要。對於處於平衡狀態的河道，河床物質的運輸要求在洪水漲落的沖刷和填充循環中，由上游河岸和河道中的物質代替；否則，河床將被沖下。例如，Lees Ferry的科羅拉多河洪水使河床深度增加了約1.5 m。隨著洪水退去，沉積物重新沉積，重新建立了非常接近其先前值的河床高程(Leopold 1962)，進一步證明了侵蝕和沉積之間的動態平衡。自葛籣峽谷大壩關閉以來，緊靠下游的科羅拉多河水位下降了9米多，這表明了上游泥沙供應喪失的後果(Postel和Richter，2003年)。
溪流的容量是它所能承載的河床物質的總負荷。除非泥沙供應枯竭，否則這會隨著流速和流量而增加；一般來說，流量越大，輸沙量就越大(Richards 1982)。在一年中的大部分時間裡，流量通常太低，無法沖刷、塑造河道或移動大量泥沙，儘管沙床溪流可能經歷更頻繁的變化。儘管有人可能會假設極端事件也占了總泥沙輸運的最大比例，但多年來，中頻流實際上移動了更多的泥沙。泥沙輸移峰值處的流量稱為有效流量或主導流量，根據流量頻率曲線和描述輸沙率隨流量變化的曲線的乘積得出(圖3.10)。由於有效流量比其他流量完成的地貌工作最多，因此，河流地貌是由頻繁發生的中等洪水形成的，而不是由罕見的災難性洪水形成的(Wolman和Miller，1960年)。
有效流量通常非常接近根據1.5年一遇流量(Q1:5)估算的全岸流量，正如Andrews和Nakervis(1995年)對美國西部17條礫石層河流的報告所述，D50非常接近有效流量時動員的粒徑。考慮到直接確定有效流量的困難，全岸流量和D50的有用性是顯而易見的，因為這兩個都是現場測量，它們提供了對輸送大部分年泥沙通量的流量的估計，因此對河道形狀的影響最大。對來自全美2900多個地點的懸浮泥沙輸運資料進行了分析，這些資料按生態區域分類，支援使用Q1:5作為有效流量的衡量標準(Simon et al.2004年)。17個生態區有效流量重現期的中值在1.1∼1.7年之間，通過對區域間差異的檢測，可以採用區域化曲線。河道形成流量的概念在河流修復設計中被廣泛使用，因為它提出了一些方法，可以很容易地估算出平衡河道尺寸。這些努力既有成功也有失敗；後者的原因包括適用於條件可能不同的領域，對過去歷史的考慮不足，以及將一般關係應用於具體案例中所固有的問題(Smith and Prestegaard 2005，Doyle et al.2005年)。2006年)。
懸浮泥沙的濃度變化很大，取決於上述影響泥沙供應的因素，以及流量和流速，這些因素決定了在任何時候有多少泥沙在運輸。根據1970年至1983年在美國各地採樣的約400-600個台站，總懸浮沉積物(TSS)的現場特定測量值的中值為63 mg L-1，但變化幅度超過三個數量級(Dodds and Whiles 2004)。泥沙濃度和產沙量因地區而異，人類活動導致侵蝕，河道處於穩定還是不穩定狀態。Simon等人採用了一個管道演化模型，該模型既能識別預調度又能適應擾動的河道形態的平衡條件。(2004)估計，給定生態區域內穩定網站的中值(Q1:5的懸浮泥沙產量)通常比非穩定網站低一個數量級。
圖3.10泥沙排放事件的頻率和震級之間的關係。運輸：（a）懸移質，（b）推移質。曲線1描述了泥沙輸移速率隨時間的新增而新增流量大小，曲線2描述了給定流量的放流事件的頻率。他們的產品（虛線）是輸送最多泥沙的流量，稱為Qd，主要或有效輸出。對於懸浮沉積物，Qd約為Qbkf，對於推移質，Qd在Q1:5至Q10範圍內。
在Dodds和Whiles(2004)分析的大資料集中，近90%的TSS變化是用濁度來解釋的，這表明後者是一個合理的替代測量，至少在一個數量級之內。森林TSS與集水區面積呈負相關，森林覆蓋率<20%時TSS值最高。與城市土地的關係不太清楚，可能是因為不透水表面導致土壤不易受侵蝕，因此在城市集水區，TSS值很高的情況很少見。TSS也表現出與生態區相關的顯著差異。東部落葉林的沉積物濃度較低，大平原和北美沙漠生態區的沉積物濃度較高。
單個河流的輸沙量被計算為負荷除以集水區，並提供了河流之間和隨時間推移泥沙輸出變化的有用比較。除了在某個區域內，僅水流量是泥沙量的一個很差的預測因數。世界上只有10%的流域中的河流占了沉積物排放量的60%以上(Milliman 1990)。據信，在高流量期間，中國北方的黃河(黃河)攜帶的懸浮物是所有河流中最高的，高達40%的沙子、淤泥和粘土(克雷西1963年)。南美洲的大河對世界沉積物通量的貢獻是顯著的，但仍然要小得多，而北部的大河所占的比例要小得多。
人類活動可以增加或減少沉積物產量。森林砍伐和不良的農業做法大大增加了水土流失，在亞洲和大洋洲，這一數字可能高達5倍。另一方面，成千上萬的大水庫和數百萬的小水庫使河流的泥沙流量大大減少。儘管美國先前的工作強調河道和洪氾區的沉積物儲存(Trimble 1983)，Renwick et al.(2005)估計，至少在20世紀後期，美國的大部分沉積實際上發生在蓄水中。尼羅河和科羅拉多已經完全停止了沉積物的輸出，據估計，羅赫訥河出口的泥沙約占一個世紀前的5%。因此，在許多大型河流中，我們有一個明顯的悖論，即流域內侵蝕加劇，同時對海洋的出口減少。
這些趨勢的全球影響見表3.2，表3.2按大陸匯總了人類前和現代的流量和泥沙通量。結合資料和模型，Syvitski et al.(2005年)估計人類影響之前的全球總量為每年140億噸(包括推移質時為155億噸)。亞洲的河流沉積物量最大，而大洋洲和印尼的產沙量最高，地表逕流(流量除以面積)也最高。從緯度來看，溫暖地區產沙量最高，占全球輸沙量的近三分之二。現代泥沙量是一個不斷變化的目標，因為土地利用總體上加速了侵蝕(儘管在某些地區，重新造林和其他改進措施導致了減少)，而蓄水則保留了沉積物。現代沉積物通量估計為126億噸年1，比人類以前的值少10%。利用大型水庫截留20%的河流輸沙量和6%的小型水庫的附加資訊，在沒有水壩的情況下，目前的流量將是162億噸/年的懸浮泥沙。因此，由於侵蝕而流入全球河流的泥沙通量增加了，而世界海岸的泥沙產量卻下降了。可能的後果是可能影響居民區的海岸退縮、河流三角洲的沉降和沿海濕地棲息地的喪失。
表3.2 陸地面積，流量， 比較未人類干擾、人類干擾後的泥沙通量以及保留在水庫中的泥沙負荷百分比。為了簡化起見，省略了對儲層中沉積物通量和沉積物不確定度的估算，但不確定度為標明值的15％至30％。參見Syvitski al.(2005)。
陸地區 面積 河水流量 自然泥砂搬運量 人類干擾後泥砂量 水庫截留率
百萬平方公里 立方公里/年-1 QS(百萬噸/年-1) QS(百萬噸/年-1)
|
非洲 |
20 |
3,800 |
1,310 |
800 |
25％ |
|
亞洲 |
31 |
9,810 |
5,450 |
4,740 |
31％ |
|
澳洲 |
4 |
610 |
420 |
390 |
8％ |
|
歐洲 |
10 |
2,680 |
920 |
680 |
12％ |
|
印尼 |
3 |
4,260 |
900 |
1,630 |
1％ |
|
北美 |
21 |
5,820 |
2,350 |
1,910 |
13％ |
|
大洋洲島 |
0.01 |
20 |
4 |
8 |
0％ |
|
南美洲 |
17 |
11,540 |
2,680 |
2,450 |
13％ |
|
總計 |
106 |
38,540 |
14,030 |
12,610 |
20％ |
我們現在已經熟悉了河流的許多主要特徵，包括其河道的形狀、與洪氾區的橫向連接、分汊、水潭和曲流的存在，以及河床和河岸的沉積物。這些特徵沿河流從源頭到低地各不相同，並且由於氣候和地形的區域差異。如前所述，河流在山谷坡度、流量和泥沙供應以及河道調整(包括寬度、深度、流速、河段坡度、粗糙度和泥沙粒徑)等施加條件之間尋求動態平衡狀態。在歷史上，河道會根據人類活動、氣候變化和極端事件引起的流量和泥沙供應變化進行調整。今天，越來越多的是人類活動破壞了河流的平衡，經常引發一系列變化，給我們的建築環境帶來問題。
在萊恩定律Lane’s Law(圖3.11)中，水流功率的概念以及水和沉積物之間的關係很好地表達了關鍵的工作過程。水流動力描述了水流動員和運輸材料的能力。它是流量和坡度的乘積，儘管附加公式估計單位面積或河段長度的單位水流功率。因此，更陡的坡度和更高的流量都會增加水流的功率，但由於下游坡度趨於減小，而流量增加，山洪中的山澗可能比大型低地河流產生更多的電力，而一條漫過堤岸流入洪氾區的河流，其功率將低於停留在河岸內的河流(Gordon et al.2004年)。水流功率與含沙量的關係大致如下：
(3.6)
式中，Qs為輸沙量(荷載)，D50為中值粒徑，Qw為排水量，S為坡度(Lane 1955)。這種關係是定性的，因此沒有給出單位。它意味著，只要任何一個變數沒有發生重大變化，或者如果一個變數的變化被另一個變數的變化所平衡，那麼通道將保持平衡。
方程式3.6對於設想一個流將如何響應人類行為特別有用。如果泥沙被截留在大壩後面，流出的泥沙量通常較低，導致河床粗化和河道切割，因為缺乏泥沙的河流夾帶河床物質和下游河道。如果在支流集水區，由於土地利用不當而引入沉積物，河流就無法輸送額外的物質，從而導致沉積和沉積。如果河流被拉直，它的坡度會增加(因為相同的高程下降現在發生在較短的距離上)，並且預計會發生侵蝕。當只有10-20%的集水區被建築物、人行道或其他不透水表面覆蓋時，洪峰流量通常會增加，河道通常會相應地變寬或加深，這是城市地區常見的景象(Bledsoe和Watson 2001)。
圖3.11河槽定律指出輸沙正比於河流功率(地表逕流斜率)和反比於沉積物的大小。因此，在以下情況下，水流河道處於平衡狀態：沉積物排放量(Q s )沉積物粒徑(D50)流量(Q w )流量斜率(S)。(摘自Brierley和Fryirs2005。)
現在，我們轉向對河道進行基於過程的分析，將水和沉積物供應的控制條件與我們所遇到的河道特徵及其沿河連續體的變化聯繫起來。這將主要集中在沖積河道上，沖積河道是指由河流運走的具有床底沉積物的沖積河道。重新安排方程式3.6，很明顯，泥沙的輸送與流功率(Q w S)直接相關，而與粒徑D 50 (也稱為泥沙口徑)成反比。河流輸送泥沙的能力與泥沙的輸入及其口徑的相互作用導致了獨特的河道形態(Church
2002)。受沉積物質地和植被(LW)以及其他河道約束影響的河岸強度對河道形狀產生附加影響(圖3.12)。
當人們從高地到高地山谷再到大河時，這條河從最初的排沙系統轉變為沉積物蓄積系統，並從與山坡相連以供其泥沙供應到基本上不相連。高地區域與山坡緊密相關，山坡從中接收沉積物(圖3.13)。這些沉積物中的大部分(但不是最大的碎屑)不是向下游輸送的。在坡度較低的中部地區(高地山谷)，可能會沉積在高地河道中動員的沉積物，從而形成沖積河道和洪氾區。在侵蝕和沉積的過程中，該部分的物料被繼續輸送，並從上游補充。在排水系統末端附近的大型低地河流中，沉積物占主導地位，導致形成大片洪氾區，沖積扇和三角洲。
河流的長度系統地發生了一系列相互關聯的流量變化和沉積物特徵變化。如前所述，河道梯度下降，流排放增加。在河系中段，流量最大的流量是流量輸出斜率乘積。在上游水域，沉積物的粒徑最大，那裡從山坡引入的大碎屑的直徑通常等於或大於堤岸深度，即使在流量最大時也不動。較小的物料以侵蝕和沉積的循環形式向下游輸送，這些循環將顆粒分類，並攜帶最小尺寸的顆粒。因此，隨著沉積物向下游移動，特徵性沉積物尺寸變得更細。石頭的分選也會導致可預見的安排，從而增強其穩定性。可以結合使用梯度和相對粗糙度(粒徑除以深度)來預測床層形態的具體細節(Montgomery
and Buffington 1997，Church 2002)。例如，礫石床流的潭-湍瀨序列，點桿在彎曲處，通常發生在0.01-0.03附近的坡度和0.3附近的相對粗糙度。在下游總站附近，發現了沙床河道。由於其顆粒尺寸小，因此床料可在多種流動範圍內移動。從視覺上看，這可以產生令人愉悅的漣漪和沙丘圖像，但是對於大多數生物而言，床的不穩定性造成了不利的環境。如Benke al.(1985年)表明，沙床河流中的大多數生物生產都與淹沒木材有關，後者是無脊椎動物唯一穩定的棲息地。
這些想法是基於過程的山區排水河道形態分類的基礎(表3.3)。Montgomery和Buffington(1997)認識到三種主要的河道到達基質：基岩，沖積層和沖積層。基岩河道缺乏沖積物，相對於沉積物供應具有較高的輸送能力。沖積河道通常是小的源頭水流，它們接收來自泥石流和山坡的沉積物，並且輸送沉積物的能力較弱。由於上述過程中的閾值變化，沖積河道又細分為河流連續體的五類。
在從上坡到低地河流的理想化長剖面中，這些沿縱向發生(圖1.4)。
(1)級聯河槽出現在陡峭的斜坡上，被谷壁限制，並具有通常由鵝卵石和巨石組成的基底。水潭通常很小，並且間距小於一個河道寬度。
(2)階梯跌水式河道保留了較大的碎屑，但迅速將較小的沉積物輸送到梯度較低的河道。在階梯式水潭河道中，縱向台階由較大的碎屑形成，從而形成間距為一到四個河道寬度的離散水潭。
(3)梯度陡峭，寬深比低，並且谷壁限制明顯。在中等到較高的坡度下以及相對較直的河道中，形成了被稱為平板床的河道類型。它通常包括湍瀨，平流和急流的某種毫無特色的組合。基質包括礫石，鵝卵石和小石塊，可以裝甲或不裝甲。裝甲的基質表明其運輸能力大於沉積物供應，而未裝甲的基質表明其運輸能力與沉積物供應之間的平衡(Dietrich et al.1989)。因此，平面流在供應受限的上游和運輸受限的下游之間過渡(Montgomery and Buffington 1997)。*裝甲armor指砂石穩固定覆蓋於河床。
(4)水潭間隔為五至七個河道寬度的潭-湍瀨河道以中等梯度出現。它們代表了向運輸限制更大的系統的轉變，儘管這取決於裝甲程度。
(5)沙丘波紋河道通常是低梯度的沙床系統，在大多數流量條件下會經歷顯著的泥沙運動。
剛剛描述的五種沖積河道類型稱為自由形態，這意味著它們是由沉積物供應和輸運能力的相互作用產生的。在森林茂密的山間溪流中，LW會迫使河道形態在其他情況下不會發生(圖3.6)。LW可能引起局部沖刷和水流擴散，並可能導致沉積物在其他基岩流中堆積。強制潭-湍瀨系統是大多數水潭由LW產生的系統，而強制性步池結構可能是由規則間隔，跨河道的LW產生的。*LW指礫石堆、或木頭堆積於河床。
圖3.12對河道形態的主要控制包括沉積物供應(數量和大小)，運輸能力(排放量和頻率)和河岸植被。河道的形態還受到水流阻塞(基岩露頭，大塊木屑)，地貌背景(約束和谷底坡度)以及擾動歷史的影響。沉積物的供應和運輸關係決定著渠道的類型。(摘自蒙哥馬利和麥克唐納2002年。) (1)梯潭step-pool (2)梯瀑step-step
(3)級聯cascade (4)急流rapids (5)岩床bedrock
圖3.13一個流域，說明了河道中的一些主要縱向趨勢。(a)三個主要的縱向區域：形成排水系統並從其輸出沉積物的高地區域；中間過渡帶，沉積物的侵蝕和沉積可能大致平衡；還有一個較低的洪氾區，可能會沉積沉積物。(b)沉積物發生和運輸的一般方式。注意床料粒度的縱向減小。河流功率，坡度和流量的乘積，中部區域的峰值以及河流的能力(移動給定尺寸的沉積物的能力)在下游下降。(轉載自Church 2002)。
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表3.3：山區流域的河道形態分類可識別七種不同的河道類型。沖積河道通常是小的源頭水流，從山坡上接收沉積物，相對於水流深度而言具有較大的碎屑，沒有足夠的動力來運輸大石塊，但會迅速將較小的顆粒輸送到較低坡度的河道中。與運輸能力相比，基岩流的泥沙供應量低。五個沖積河道類型通常發生在相對於沉積物供應而言，河流運力下降的下游順序。有關更多詳細信息，請參見Montgomery和Buffington(1997)。
a.涵蓋了漁業文獻中常用的遊走，滑行和急流 b.水潭間距以河道寬度表示 |
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前面的討論描述了沿河長度的地貌過程的變化如何幫助我們理解不同河道構造和特徵的發展。它強調瞭如何不斷進行調整以維持近似平衡，並強調了中等強度的事件(占主導地位的洪水放流)是首要原因。從歷史的角度來看，我們還應強調過去15,000年的氣候變化事件以及更古老的構造事件和冰川的重要性。例如，科羅拉多河的大峽谷被認為已有500萬年的歷史，其建立最終取決於構造運動和加利福尼亞灣的開口。古老的洪水和最近的洪水有時都對河流景觀，雕刻河道和放置大片土地造成持久影響，以至於隨後的洪水基本上無法改變(Knighton 1998)。在大面積的美國西部的河道被估計有排放高達1000萬立方米/秒-1的古洪水 (Benito1997)，當冰川湖密蘇拉的冰壩有些15000年前崩潰的發生。其他冰河時期的洪水也產生了巨大影響。不那麼引人注目的是，自10,000年前以來的氣候波動已經影響了水平衡、植被格局、水流和物質供應，從而導致河流活動的波動。從密蘇里州和俄亥俄河的匯合處到田納西州孟菲斯以南的密西西比河250公里段的冰川後歷史表明，重大洪水影響事件是如何導致一系列廢棄河道和沉積物沉積的(Blum等(2000)。最近，密西西比河在過渡到小冰河時期期間經歷了公元1300年至公元1500年之間的大洪水(Knox 1993)。
這些氣候影響一直持續到現在，如果未來的氣候變化如預期那樣發生，將非常重要。然而，將氣候與人類活動，尤其是土地開墾的影響隔離開來變得越來越困難。據估計，在公元前200年至公元600年之間，中國黃河流域的部分地區的森林砍伐增加了一個數量級的泥沙負荷(Milliman et al.1987)。在19世紀中葉加州塞拉山脈的淘金熱期間，水力採礦將大量廢石運到了薩克拉曼多河的源頭(James 1991)。熊河下游的河段達5m高，並且在100年後仍在繼續調整，這表明人為干擾後河流恢復的時間很長。在某些情況下，可能無法恢復，例如當河流蓄水消除了洪峰時，或者當入侵的植被穩定了新構造時，如澳大利亞貝加河集水區的一些下部地區所發生的那樣(Brierley et al.1999)。
關於河流分類的文獻很多，因此產生了大量的分類方案，目的是從了解景觀演變到恢復河流的工程設計(Kondolf et al.2003)。已經討論了一些。河流級序(表1.1)是河流大小和位置的有用度量，並且易於推導。Schumm(1977)的三個縱向區域-侵蝕、轉移和沉積-確定了沉積物運動的供應限制與運輸限制的區域。河道可分為基岩層、崩積層和沖積層，後者進一步細分(至少對於山區排水而言)，其類型取決於過程域的過渡和LW的強迫(表3.3)。其他描述性分類包括河道是直的、蜿蜒的還是辮狀的(Leopold 1994)。洪氾區河流的特徵是基於河流的平面圖(Kellerhals
and Church 1989)。由Rosgen(1994，1996)設計並廣泛用於河流恢復的分類方案，可根據河道模式、寬深比、彎曲度和河床物質大小識別7種主要和42種次要河道類型。
為什麼會有這麼多分類，它們的價值是什麼，並且有些比其他更好？討論可能會持續一段時間。目的之一是通過深入瞭解導致各種河流類型的過程來增進理解。這反過來又為進一步的調查提供了一個重要的框架，使人們能夠對一個地區的河流類型進行分類，適當地取樣，並進行同類比較。第二個目的是管理和恢復。參考點對於設定河道條件和生物組成的期望值是必要的，並且當樣本範圍被適當定義時，可以以更高的統計可靠性完成溪流狀態的清單。分類對於不同領域和地區的專家之間的交流也很有用。
在這些明顯優勢之間取得平衡的是一些局限性，首先是分類是人為人工構建的(Kondolf et al.2003)。只要我們在應用分類時謹慎，分類就可以幫助我們理解。而且，儘管通用模型有助於科學理解，無論其能夠準確定義類別之間的閾值，但管理人員經常需要對特定範圍進行歸類，而這些範圍可能並不整齊地歸為一類。
特別是當使用分類來建立對恢復流的期望值而付出的可觀費用時，分類是有用的工具還是障礙是有爭議的。Kondolf al.(2001年)描述了在加州吉爾羅伊附近的烏瓦斯河0.9公里處的河流恢復項目失敗。儘管基於估算的河岸滿溢洪水和Rosgen分類系統將其重建為單線程曲折河道，但在項目完成後僅幾個月就發生了一次為期6年的回報期洪水，將已構造的河道轉變為寬闊的編織河道。Kondolf al.他認為，對河段本身，歷史條件進行地貌分析，並考慮到更長的走廊將支持不同的期望，這與洪水的結果更為相似。當然，詳細的現場研究非常昂貴，這導致管理人員首先採用分類方法。理想的渠道分類不僅可以促進科學理解，而且對管理很有用，這要求類別基於過程(如表3.3所示)。
人們仍在爭論河道類型的分類是否通常足以確定恢復準則，而不是需要由地貌學家和工程師進行更具技術性的現場特定分析。“河流樣式”方法說明了將相對均勻的河段劃分為有限種類的有希望的分類，可以將其與保護和管理的優先順序結合起來。Brierley和Fryirs(2000，2005)利用集水區、景觀單元、河流樣式和地貌單元的嵌套層次框架，確定了澳大利亞新南威爾士州1,040 平方公里Bega集水區的九種河流特徵和行為樣式。儘管Brierley和Fryirs強調了澳大利亞河流的獨特特徵，這是非常古老的，基岩為主的景觀和高水文變異性的結果，但我們先前對河流類型和地貌過程的討論大多具有相關性。作者還提出了如何以達到規模經營戰略的綜合性流域框架內優先考慮：第一，保護優先於恢復；第二，我們應該努力改善自然恢復潛力大的河段；第三，在恢復潛力不大的河段，我們應該考慮到投入的努力。
河流地貌學為河流生態學家提供了許多有價值的見解：河道類型的生成和維護，許多河流特徵的動態性質，以及最重要的是，河流景觀多樣性是如何發生和維持的。Ward等人在對河流景觀多樣性的廣泛綜合中。提出了河流的景觀生態學，其中空間格局和生態過程在一系列尺度上相互作用。河道特徵、棲息地單位、地表水和地下水區域，洪氾區和河岸走廊形成了複雜的、不斷變化的馬賽克(鑲嵌塊)，其中物理模板的多樣性為生物多樣性群落的繁衍提供了條件。在控制河流行為的河流過程的驅動下，河流景觀的特徵既可以高度預測，也可以高度動態化。通過對棲息地異質性和時間演替的影響，自然干擾比更統一的條件為生物多樣性創造了更大的機會(第5章)。從生物群的角度來看，環境在空間上是異質的，其斑塊的資源質量，持久性和連通性在一系列尺度上都不同，這表明空間格局對生態過程的影響(Weins 2002)。這預示瞭如何通過例如水壩和渠道化來調節河流流量和棲息地的均質化，從而導致分類單元豐富度的下降，並主張採取將整個流域視為一個整體單元的管理行動。
河流地貌學強調河流和景觀在河道和排水網絡形成過程中的動態相互作用。它包括使用多種方法研究河道，洪氾區，網絡和集水區之間的聯繫，包括地層分析，水道中泥沙運移的實驗研究，物理過程模擬，地貌比較以及先進的統計方法，以使人們更好地了解河流系統的物理動力學。它有助於弄清河流系統中表現出的巨大多樣性，從而了解生物群所經歷的棲息地和環境條件。量化河流特徵之間的關係並分析其潛在過程有助於更深入地了解河流如何響應人為引起的水和沉積物供應變化，這些變化會導致河流形態發生變化。
河流地貌學的中心主題是河道和整個排水網絡的發展，以及河道形狀的各種規則模式的存在，表明河流處於侵蝕與沉積之間的動態平衡中，並受共同的水力過程控制。河道寬度和深度比值、速度、沉積物負荷的粒度、河床粗糙度、河道彎曲度和編織度是其他因素，隨著河流調整至無法控制的變量而相互作用，包括流量、沉積物負荷及其高程範圍。
流域包含一個河道網絡，這些河道在流域面積和溪流尺寸不斷增加的過程中與下游的其他河道連接。河流階數是河流規模的便捷簡寫，其中最小的多年生河流為一級序，並且兩個n級序河流的匯合形成n+1級序的河流。河流不斷匯合支流的過程中，液壓幾何方程式描述了寬度、深度和速度與流量增加之間的關係，無論是下游流量還是站內流量隨時間變化。在下游情況下，寬度增加的深度大於深度，而速度增加的最小。
我們大多數人都熟悉河道的許多特徵，包括彎曲或蜿蜒曲折，湍瀨，水潭和河道的交替，以及氾濫平原的存在(前提是河谷的形狀不是V形，以防止氾濫平原形成)。形成。這些特徵是河流通過侵蝕和沉積循環形成的，而侵蝕和沉積循環又受到水和沉積物的雙重供給之間的平衡的強烈影響。河流的泥沙負荷是一定時間間隔內經過一個點的泥沙量，其中包括可能總是在運輸中的極細物質，以及來自河床和河岸的較粗物質，它們既可以作為懸浮負荷也可以作為河床負荷來運輸，具體取決於粒度和排放。輸送的沉積物數量隨速度和流量的增加而增加，但多年來，中頻流動事件實際上會移動更多的沉積物，因為極端事件很少發生。主要的或有效的排放量是最大的沉積物輸送量，通常約為堤岸洪水。人類活動會增加或減少沉積物的產量。由於土地利用變化引起的侵蝕，流入全球河流的泥沙流量增加了，而由於堆積在水庫中的泥沙，導致世界海岸的泥沙產量下降了。一些後果包括沿海撤退，河三角洲陷落以及沿海濕地棲息地的喪失。
水流功率是排放量和坡度的乘積，它描述了水流移動和運輸物料的能力。泥沙的輸送與河流的動力直接相關，與中位粒徑成反比，這對於了解河流如何響應沿其長度的沉積物和水供應變化，或由於人為干擾是有用的關係。隨著一條河流從高地，高地山谷到大河的發展，這條河從出口變為沉積物積聚，從與山坡相連以供其泥沙供應到很大程度上不再相連。沿河流長度系統地發生的一系列相互關聯的流量變化和泥沙變化，導致可預見的河道類型從梯級到階梯池再到平面狀河道，再到水潭-湍瀨和沙丘-波紋類型。但是，與許多其他分類一樣，這種分類將不連續性強加於現實中仍不完善的連續變化上。河流分類作為一個研究主題一直在引起人們的興趣，因為它無疑對管理和恢復非常有用，並且它是對我們對造成各種河流類型的過程的理解的檢驗。
最後，對生態學家而言，地貌學可以洞悉渠道特徵、棲息地單位、地表和地下區域，洪氾區以及河岸走廊，這些走廊形成了複雜的，不斷變化的景觀鑲嵌圖案，並且物理模板的多樣性為生物多樣性群落的設置提供了繁榮條件。。當大壩，河道渠化和河流流量調節降低了這種複雜性時，隨之而來的棲息地均質化會導致分類單元豐富度下降，並使我們想起將整個流域視為一個整體單元的管理行動的重要性。