地球科學：從做中學
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第七章、從太空遙測和空照圖談台灣河川之侵蝕/搬運/沉積
黃德源
2002/06/17
前言
雨水降落到地面上以後，大部分直接蒸發到空氣中去，或者由植物吸收後蒸散到空氣中，一部分滲入為地下水，其餘成為逕流，在地面上流動，再匯聚而成為河流。影響逕流的因素有降雨量，岩石的滲透率，地面上的植物，溫度，地面的坡度等。
河流是由逕流所造成的，它的定義為一個水體，可以挾帶石塊石屑或溶解物質，沿著一定河道及坡度由上向下流。河流具有侵蝕，搬運，和沉積等作用，是最重要的一種地質營力。
河流對人類非常重要，曾是主要的交通幹線，今日的河流如果夠寬夠深，能行使大船隻，則仍是主要的交通幹線。河水是台灣最重要的水源，許多河流都築有水壩，可以用來發電、灌溉。河流也具有觀光娛樂的效用。
河流之各部分名稱
河流的源頭通常在山裡，匯集了小的泉源，漸漸的有了流水加入了這行列或從邊坡地表滲透進河道。河流有其河道，河道底部稱為河床，兩側稱為岸，當我們向下游看時河道的左邊稱為左岸，右邊稱為右岸。一條河流和其支流合而為一個水系，整個水系包括的區域稱做一個流域。河川的大小和流量，與整積水區的大小和雨量有關。分隔兩個河系的山嶺稱為分水嶺。
影響流速的主要因素有河床的坡度，河床的形狀或橫剖面，荷重量(搬運物總重)，河水的深度，流量，和河床底部與兩壁的粗糙或光滑程度等。河流的流速時常因河水粘度的增加或河床底部與兩壁發生的摩擦力而降低。河床的坡度愈大，則流速愈快。
河流的平均流速多在河底部最深處向上40公分處測量之。河流中流速最大的地方多在河水中層，接近河面或略在河面之下，但並不在河水的表面。接近河道底部或它的兩側，因為摩擦力的增加，可以降低流速。河道如果是直的，流速在中心最大，河道如果是彎的，那麼流速最大的地方是河彎的外側，其內側則流速最慢。河流坡度大的地方流速最快，隨著流速的降低，流速也慢慢減小。到了河流進入海洋或湖泊的地方，流速幾等於零。流量的增加也可以增加流速。當不同的流速的河水相交時，其所產生的亂流作用最強，這時河流的侵蝕作用也最劇。
河流的坡度從發源處向下游河流出口處逐漸降低，普通多以每一公里或一哩下降多少公尺或英呎來表示。坡度如以百分比來表示，則多以河流的垂直距離除以水平距離求得。
河流的流路大致可分為三段，及上游中游下游，這部份的長短各不相同，性質也不相同。
上游
- 上游的坡稱為坡降，坡度較陡，流速很急，坡的下降比例常超過每哩50呎，亦即每公里下降9.3公尺。坡在上游被侵蝕的很快，兩岸都很陡，有時幾乎達垂直的角度，河流的搬運能力較強能搬運多量的砂礫，有時還能搬運相當大且重的岩石，並且不斷的磨蝕河床，同時也因為流速較快，容易把河道侵蝕成小溝或峽谷。
中游
- 中游部分河流以流至較低處，坡度也較平緩，大致每公里下降0.4~1.9公尺(每哩下降2~10呎)，流速減慢，漸漸的無法搬運重的東西，只好堆積在河道上，因此在中游部分的河床上常有礫石堆積的河床。河流的磨蝕力量也減少許多，兩岸較平緩，河谷漸寬廣。
下游
- 下游和中游部分情形相似，只是流速更慢，堆積的淤泥漸漸提高河床高度，坡降每公里下降不到20公分(每哩下降一呎)，河水常溢出河道造成洪患平原。
河流的各種作用及地形
流水侵蝕之進行方式：
- 衝擊作用
- 陡坡至漩渦狀亂流，流速強大，所生動能會產生衝擊力量，河床底部或兩旁軟鬆的岩石，或岩石上多裂縫的層理面、節理等，因衝擊作用而成碎塊，由流水將其挾帶前進至下游堆積。此作用多發生在河流上游。
- 水力舉升作用
- 通常流水的壓力和水流的速度成反比，所以在河床底部靜水層中砂粒的水壓要比其上流速較大砂粒的水壓為大，由於這上下水壓的不同，可以使河底砂粒被抬升到河水中而被帶走，這個作用名為水力舉升作用。
- 磨蝕作用
- 流水挾帶砂礫或岩塊併進，並以其為工具磨蝕河床岩基，發生侵蝕作用，是最有效且最具威力的侵蝕方式。砂礫本身相互摩擦或與河床磨撞，結果使尖銳多角的顆粒漸變成圓礫，搬運距離越長，其圓度越增加。所以河流搬運的石礫多屬圓礫。
- 挖掘作用
- 流水挾帶砂礫或石塊衝入河床岩層裂虩中，又立即急旋而出，互撞摩擦，裂隙日漸擴大，最後終於崩解的現象稱為挖掘作用。
- 溶解作用
- 河水溶解可溶性礦物質，使河床被溶蝕及破壞，這種作用在石灰岩地區及其他可溶性岩石所成河道地區較為常見，多沿著岩石節理和其他裂面產生。
- 氣泡裂蝕
- 河流速度如到達每秒8到10公尺以上時，河水中可以產生小的氣泡，當水流進入寬河道或流速突然降低時，水泡就容易爆裂，可以產生強大衝擊力，侵蝕河床。本作用在河流中並不顯著，但在水管中容易發生。
流水侵蝕及河谷的發育：
通常一條河谷地形的發育受下列三種侵蝕現象所影響：
- 向下侵蝕：加深作用
- 一般河床的上游或新生的支流，坡度陡峻水流湍急，下切力強，使河床向下蝕低的現象，又叫下切作用，使河谷地形多成Ｖ字形。
- 側向侵蝕：加寬作用
- 河川因河水流量增加會發生側蝕作用。流水側蝕可使兩岸後退變寬，故側蝕作用又叫「加寬作用」
- 向源侵蝕：加長作用
- 在發育的小河上游，或是新收的支流最顯著，往往因谷頭岩壁陡峻，岩層崩解，土石滑落，致使源頭向上伸展，長度向上游增加，故稱為「加長作用」。這種現象又叫向源侵蝕(headwarderosion)，簡稱「源蝕」。
河川侵蝕地形
日常最容易見到的侵蝕地形有下列幾種：
曲流發育過程中會形成下列各種地形：
- 刻蝕曲流
- 河川上游群山交錯谷迴峰轉，河水繞行成為曲流，因坡陡流急，流水下切刻蝕劇烈，使谷地深陷，兩側谷壁陡峭如Ｖ字形，則此河川稱為「刻蝕曲流」。
- 自由曲流
- 河川一但進入平原，河床坡度減低，水流緩慢，向兩側搖擺，兩側谷壁久經侵蝕的結果，河谷加寬(大於谷的加深)，遂成谷底寬平，水流成Ｓ狀的「自由曲流」。
- 切割坡
- 曲流中受流水侵蝕後退的凹岸，河岸高陡，稱為「切割坡」或「攻擊坡」，因岩石基部被侵蝕甚顯，故又稱「蝕基坡」。
- 滑走坡
- 河曲內側盛行沈積，岸邊低平寬展流水輕柔，沿岸滑洩，稱「滑走坡」或「堆積坡」。
- 曲流頸
- 如曲流的半徑逐漸擴大，使曲流外徙，所成曲流與曲流之間地面亦逐漸縮小，這狹窄的分水嶺稱，「曲流頸」。
- 牛軛湖
- 由於曲流頸日窄，如一但被切穿，河水截彎取直，行成新河道，則被放棄的曲流舊道積水成湖，稱為「牛軛湖」，又稱馬蹄湖。牛軛是牛車前端，架在牛頸部的波浪狀木器，形如希腊字母歐米加，由它來帶動牛車。
曲流的造成有的是因為河道的不規則或有堅強岩層及軟弱地層出現，使河流改變流向而使河道彎曲;有的是由於山崩或支流進入主流時有大量不易搬運的沉積物造成，但是這些都非使河道改變流向的主要因素。河流在發育過程中要不斷地調整它的坡度，荷重和水流，當河流接近基準面時，河流經過的土地平均坡度已經很小，增加河流的長度可以降低它的坡度，有如山坡地修築公路一般，之字形的彎曲可以降低公路的坡度。
河階
河流兩岸高出河面，上下連續如階狀般的台地，稱為「河階」。河階的形成有下列各項因素：
- 河水流量突然增加
- 泥沙含量的銳減
- 地盤隆起
- 侵蝕基準面降低
上述各因素的影響是使流水向下切蝕力由弱轉強，侵蝕復活，使原有的河流兩岸沖積平原再受切割，一部份被蝕去產生Ｖ形谷，兩岸所遺部分平地成為高出河面的台地；類似情形如間歇發生多次，則形成階梯狀台地，稱河階台地，簡稱河階。
相臨兩河因差別侵蝕，低水位的河川把高水位的河川上游，佔為己有的搶水現象叫做「河川襲奪」。
一、河川襲奪的原因
- 岩層抗蝕力的強弱不同
- 在雨量大致相同的氣候狀況下，如河流所經岩層較為鬆軟，抗蝕力弱則河谷低陷，久經源蝕與側蝕的結果，分水嶺被切穿，侵入高水位的乙河，於是乙河上游成為甲河的支流或新的上源，因此甲河叫做襲奪河川。乙河的上游叫做被掠奪河乙河下游被襲奪成為截頭河。
- 由於坡度和雨量的不同
- 在分水嶺兩側，坡度不同，氣候也異，且相背而流的兩河，如甲河坡度較大，雨量較多，其侵蝕較強烈，向源侵蝕必較速，如乙河坡度較小，流量很少，侵蝕力較弱，河道向上源侵蝕較緩。因此兩河分水嶺必先為甲河所穿越，侵入乙河，使乙河上游流水注入甲河。乙河上游成為甲河的支流。如我國東北嫩江原為遼河的上游，由於松花江的侵蝕力強速遂奪嫩江為支流東洩，嫩江遂成為改向河遼河成為截頭河。
二、河川襲奪地形
- 襲奪彎
- 被襲奪河川在轉折改向下注入襲奪河所成的彎曲處，即所謂的襲奪彎。
- 河階及峽谷
- 襲奪河川因流量突增，侵蝕力增強，重新下切，沿河谷產生河階或峽谷。
流水的搬運作用
河中流水沿河床斜坡流動，其流速和流量會產生動能，可將流水侵蝕而來的泥土、砂石搬運而下，這種河流把侵蝕物質攜帶到它地的作用稱為搬運作用。這些物質稱為河流負荷，搬運時因搬運物質重量與搬運力大小，有下列三種方式
- 懸浮作用
- 細泥較輕可懸浮水中，隨波逐流往下搬運，這些物質稱為「懸浮負荷」。
- 跳躍作用
- 較大的沙石和礫石因重量大，受流水的激揚作短距離跳躍前進的現象。
- 滾轉或平移作用
- 砂石或礫石受流水力量推動，沿河床滾動或平移的現象。這種搬運物質稱為『河床負荷』。而部份物質溶解水中隨流水而下，稱為「溶解負荷」。
河川沖積地形
河川的沖積作用
如果河川上游和支流所挾帶泥沙過多或搬運力一旦減弱則容易發生沉積現象，此時河川流水沿河床斜坡流動，可將流水侵蝕而來的泥土砂礫搬運向下游，這其中的河流作用討論如下：
一、影響泥沙含量增加，導至搬運力減弱的原因：
- 河水流經軟岩地區
- 會使河中泥沙含量增加，如我國黃河流域流經黃土高原中游含沙量大增，導致下游盛行沈積，造成黃淮平原。
- 氣候突變
- 山洪爆發，帶下大量泥沙，如台灣夏秋多颱風，每次暴風雨之後，使河中含沙量大增，為搬運力所不及，遂發生沈澱。
- 人為因素
- 人類河川上游伐木，濫墾等，水土保持不足，雨水侵蝕，表土流失，導致下游含沙量增加。
二、影響河川流速緩慢，搬運力隨之變弱的原因
- 河床坡度減低
- 一般河川上游坡度較大，一但進入平原，坡度劇減，流速由急變慢，搬運力亦隨之變弱。所挾泥沙遂在山口處盛行沈積，造成山麓沖積扇。
- 河川幅度變寬
- 河流流經峽谷，流速甚大，一但出了峽谷，進入平原，流幅變寬，流速減慢，遂生沈積，也可造成山麓沖積扇，如花東縱谷沿線眾多的山麓沖積扇。
- 河水流量減少
- 河水的搬運與流量成正比。故河水流量減少時，其搬運力自然降低，過剩泥沙會發生沈積，因此大河分支後，沈積甚盛。
- 河水流路受阻
- 山崩或塌方，大量沙石阻塞河道使流速減慢，形成沈積現象。
河川沖積地形
因河水沖積而成的地形移動，重要的有：
- 沈積錐
- 山中小河自高處下洩，所挾沙石在山路陡坡前緣堆積成坡度大而範圍小的錐狀地形屬之。
- 沖積扇
- 山中河川坡陡流急，一但離開山谷流入平地，坡度陡降，流速銳減，大量泥沙在山口前面低闊處沖積，並做扇狀展開，形成扇狀平原，叫做「沖積扇」。
- 氾濫平原
- 大河兩岸在洪水期常有氾濫，在氾濫時，洪水把挾持的泥沙隨河水沈積於氾濫所及的地面，形成低平的沖稜層，是為“氾濫平原“。河川在氾濫平原上流動，因洪水氾濫使泥沙在河道兩側產生天然的堤防，叫做天然堤。台灣西部的大量平原，如雲嘉南平原和高屏平原，平原上堆積了大量更新世至全新世時期的沖積物，如鬆軟的礫石，砂，泥，証明此地曾有河流在其上，經無數次的改道沖積，留下了厚厚的河床沉積物。
河流地形的循環作用
美國地形學家戴維斯氏首先創立河流循環的概念，當河流開始切割原始地面(從未遭到侵蝕和破壞的地面)時，也就是河流循環的開始。一個循環從頭到尾的過程就形成了河流的歷史。且過程中的每一階段都有不同的地形特徵。戴氏將之劃分為三個階段，即幼年期、壯年期、和老年期。
- 幼年期
- 當原始地面開始破壞，幼年期的活動便開始孕育。這一階段的地形特徵為河谷的橫切面呈V字形，沿河兩岸沒有氾濫平原的發育，兩條河流之間的分水嶺也寬廣平坦，而且河流常常發生襲奪現象。在河道的硬岩區，有瀑布或急流發生。這種現象在早幼年期尤為常見，至壯年期前，即將消滅。幼年期這個階段是使原來平坦的地面增加起伏或擴大起伏的時期，在幼年期快要結束時，地形特徵為山高谷深，地面極為崎嶇。美國的大峽谷是標準的幼年期地形。
- 壯年期
- 壯年期階段，地形上仍是山高谷深的景象，河流開始進行加寬作用，河流間的分水嶺由於河階地的增加減至最小，乃是尖銳的山脊。河流兩側也開始有相當範圍的沖積平原出現，河流的曲流自由在氾濫平原蜿蜒流動。河床的寬度僅較曲流帶的寬度略寬，此時，河流也完全適應岩層的性質與構造，河流的分布，常在岩層抵抗力較弱的地區內。本期地形為整個循環中可能達到最具起伏性者，山邊和谷邊的坡度，常為地勢起伏的準則，而非由河谷底至高地上方的距離表示。另外，幼年其中原有的湖沼或瀑布等，至本期已消滅。
- 老年期
- 經過幼年期與壯年期的侵蝕之後，隆起的原始面已經被侵蝕到接近海平面了，又因河水流到海裡便不在具有重力動能來侵蝕地面(因定海平面為侵蝕基準面)。在此一階段的河谷極為寬廣，縱橫兩方面的坡度均甚平緩。整個地面覆蓋著厚層的岩屑，這些岩屑已經風化成為顆粒極細的黏土或沙土。氾濫平原大為發展，河流在寬廣而曲折的河道中緩緩流動。河谷寬度數倍於曲流帶。河間分水嶺不如壯年期那樣尖銳。湖泊，沼澤和溼地出現在氾濫平原上，並非如幼年期存在於河間地區。由於岩層性質的差異，使河道發生改變的作用，在壯年其中甚顯，至本期已不明顯。到了老年期的最後階段時，原本的山地高原逐漸被低夷成為一個接近海平面的平坦地形面，稱作準平原(peneplain)，此時地面已十分接近侵蝕基準面。
- 回春作用
- 從幼年期到老年期的一個循環，常因為外力的影響而改變，如海平面急遽上升或急遽下降，使侵蝕基準面突然改變，那麼河流侵蝕與沈積的效果，也跟著急遽改變，往往在壯年期或老年期的地形上，出現幼年期地形的特徵。這種現象的發生稱為回春作用，常常形成谷中谷，河接或掘鑿曲流等地形。
河流的型式
一條河流的主流和它的支流所成的水系可以形成各種不同的型式，主要受下伏岩層的性質和構造所控制，一部分和河流的高度變化，氣候，植物，逕流，以及發育的歷史有關。其最主要的四種型式如下：
- 樹枝型
- 這類水系的下伏岩層對抵抗侵蝕能力均勻一致，所以對河谷發育的方向沒有控制作用，河谷呈樹枝狀任意排列。這類型式多發生在平伏的沉積岩或塊狀火成岩及變質岩區域。台灣南部的泥岩惡地，就呈現樹枝型的水系。
- 放射型
- 水系從中間的高地向各方向呈放射狀外流，這在新造成的火山體四週最為顯著，如大屯火山群。
- 矩型
- 水系的下伏岩層為無數裂隙所縱橫交錯切割，以節理為主，多成直角相交，這種裂隙為易受侵蝕的軟弱地帶，所以主流和其支流多沿裂隙發育而河道常呈直角或九十度彎曲的型式。
- 格子型
- 水系下伏岩層係軟弱岩層和堅強岩層平行相間成帶狀分布，因兩者抵抗侵蝕能力各不相同，河流乃沿軟弱地層流動，所有支流較長而大致平行，形狀好似花圃中的格子架。台灣西部麓山帶常見傾斜的砂岩頁岩互層，河流常沿較軟的頁岩發育，成為格子型水系。
以河流發育史分類
- 順向河
- 在大陸發育之初，地面水流皆順從區域坡度從高處向下流，沿著地表的坡度決定其流向，這就叫做順向河，為幼年期地形的特徵，大都呈樹枝型水系。
- 後成河或順層河
- 河流侵蝕和下切作用如加深，岩層顯露，地質構造和岩性可以操縱河流發育的位置。這時所成的河道，常沿著軟弱地層而行，此即稱為後成河，主要為格子型水系。
- 先成河
- 本河流在地面上已形成，地殼在後因造山運動而上升，但上升速率不及河流向下侵蝕率快速，因此該河流仍能保持其原有河道下切，但與後成的地形不合，常能穿山而過，此即為先成河。台灣苗栗後龍溪切過出磺坑的背斜隆起構造，就是一例，台6線省道即沿此河岸開闢，接通苗栗市和大湖鄉。
- 疊置河
- 河流原在上覆岩層流動，後因向下侵蝕作用而切割到下伏岩層中，但是這上下兩岩層的岩性和構造全不相同，河流仍保留受上層岩層控制的特性，但最後上層完全被侵蝕移去，只留下一道與下層岩層特性完全不相符的河流。
參考書藉和資料來源：
- 何春蓀編著，《普通地質學》，五南圖書出版公司印行。
- 王執明等著，《台灣土地故事》，大地地理出版事業股份有限公司出版年4月，台北市，2000年4月。
- 王鑫等著，《太空看台灣》，大地地理雜誌出版，台北市，1998。
- 《高級中學物質科學地球科學篇教師手冊上冊》，南一書局企業股份有限公司編印，2000年8月。
- W. Kenneth Hamblin, Earth's Dynamic Systems, Macmillan Publishing Company，New
York, 1992.
- 國立中央大學應用地質研究所工程地質與新科技研究室網站地科教室篇
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