第一章　大自然的推动力

水是大自然的推动力。

莱昂纳多·达·芬奇（1452—1519）

（意大利画家、建筑师和工程师）

我们生活在一颗湿润的星球上。水是地球上最丰富的物质，覆盖地表的三分之二。同时，空气、动植物以及大地中也存在少量的水。这些水处于持续运动之中，在陆地、海洋和大气中循环，这种不间断的更替被称为水文循环。河流在水文循环中发挥着关键作用，排走陆地上的水并最终将其送入海洋。

在重力的作用下，降雨或者融雪中未被蒸发或下渗的部分在地表上向低处流动。在细微不规则地形的引导下，水流汇成小溪，小溪合并为冲沟，之后再流进更大的河道。壤中流和地下蓄水增加了河流流量，但是，河流并不仅仅是流向大海的水。河流还挟带着岩石和其他沉积物、溶解矿物质、植物和死去或活着的动物。在此过程中，河流输送了大量的物质，为各种野生生物提供了生境。河流的冲击和沉积作用催生了峡谷和冲积平原，在很大程度上塑造了地球上的大陆景观。

从河源到河口，整条河流处于渐次变化之中，狭窄湍急的陡峭河流逐渐变得宽阔、深邃且常常蜿蜒曲折。从上游到下游，河流发生着连续不断的变化，水量通常不断增加，泥沙粒径由粗变细。在上游，河流侵蚀河床和河岸，搬走土壤、卵石甚至巨石，而到了下游，则发生沉积。在河流物理特征发生变化的同时，以河流为家园的动物和植物的类型也在相应地变化。

其狭长的线性形式以及仅在一个方向上流动的特证，为如何描述和理解河流的物理、化学和生物特性提供了明显的空间维度：水平方向上，从上游到下游。但是，河流并不仅仅是一条河道，它还是所流经区域整体的一个组成部分，因此，将周围景观作为河流的横向维度，也是合适的。河流与景观（或者说河流景观，有些人更愿意这么说）之间的联系千丝万缕。这种联系既包括河流中大部分水经周围地形汇入河道这样的简单事实，也包括鲑鱼在河流中的重要性（即它是当地熊的季节性食物）。

第三个维度是垂向的。河流与河道下方的泥沙以及上方的大气相互作用。对于许多河流而言，水的来源有两种：一种直接来源于大气中的降雨——或者另一种降水形式（降雪）；另一种来自赋存于下方岩石及砾石孔隙中的地下水，两者都参与水文循环。

第四个至关重要的维度是时间，它在河流研究中也占有重要地位。这是因为影响河流的许多因素发生着巨大的变化，尤其是河道中的水量。从历时一小时以下的强暴雨到持续数百万年的构造力影响，这种变化在时间尺度上差异很大。

河流遍布世界各地，几乎在每一种景观上都留下了印迹。某些地区缺乏地表排水系统，但其中一些地区的河流位于地表以下。在沙漠中，许多河流在一年中的大部分时间里都是干涸的，只有偶尔发生暴雨时才会有水。在另外一些地方，化石河床和峡谷表明，在非常遥远的过去的某个时段内，这里曾经是河流。这种化石特征也存在于其他行星上：在火星和土星最大的卫星土卫六上已经发现了河床和峡谷，而且这些网状结构与地球上的河流和溪流的特征非常相似。火星表面上的这些特征是由昔日水流冲击而成的，但是土卫六上的河床和排水网络被认为是由液态甲烷流动形成的。对于地球上大部分陆地表面而言，流动的河流是最基本的元素之一。借由阳光和重力提供的能量，河流塑造了峡谷和坡地，为生物群落提供了复杂的生境。

河流等级

河流的一个有趣的方面是它们似乎是按等级构成的。从飞机上或地图上看，河流形成明显的树枝状网络。小的支流交汇后形成较大的河流，较大的河流交汇后形成更大的河流。通常采用数值分级方案来描述河流规模的渐次增加，其中最小的河流为一级河流，两条一级河流交汇后形成二级河流，两条二级河流交汇后形成三级河流，以此类推。只有两条级别相同的河流交汇，河流的级别才会增加。尼罗河和密西西比河等很大的河流为十级河流，亚马孙河为十二级河流。

河流的排水区域与河流的规模成正比。这一区域有几个不同的名称：流域、河流流域或者集水区（在美式英语中也用watershed来表述这样的区域，但在英式英语中这个词表示相邻两个流域之间的分水岭）。正如水系由嵌套在高级别河流中的低级别河流构成一样，流域也相应地嵌合在一起形成嵌套等级结构。换句话说，较小的单元是嵌套在较大单元内的重复元素。所有这些单元通过水流、泥沙和能量联系在一起。

将河流看成由一系列等级单元构成，这种认识方式为研究与河流相关的模式和过程提供了一个有效框架。在最大尺度上，可以研究整个流域。在流域内，在渐次变小的尺度上，研究人员可以重点关注支流之间的某个特定河段、河段内的局部河段，以此类推直到河床上的一小块沙粒地。同时，这种分级方法强调，在较高等级上发生的过程会对较低等级的特征产生相当大的影响，但反之不然。在流域尺度上，重要影响因素包括气候、地质、植被和地形。在所有较小的尺度上，小到一小块沙粒地，这些因素都会产生影响。这样的小块沙粒地同时还承受其他局部影响，如流水中的涟漪，但水流的这些微小变化对整个流域的影响微乎其微。

与相关空间尺度对应，存在匹配的时间尺度，而这些空间尺度也可以分级。一般来说，空间尺度越大，过程越慢，变化率越小。例如，气候变化和地质变化的发生，其时间尺度很大，可达数百年至数百万年。而水中的涟漪，其发生的时间尺度则极小，只有几毫秒到几秒。

同样重要的是，我们不要忘记，大致而言，随着规模的增大，影响景观以及流经景观的河流的因素的复杂性也随之增加。例如一级河道的小集水区很可能只存在一种岩石类型，且处于一个气候区内。集水区越大，其拥有的岩石类型和跨越的气候区就越多，因而愈加复杂。

河流类型

前面详细介绍的数值分级方案，是众多河流分类尝试中的一种。当我们把关注范围由河道扩展到整个流域时，就会出现无数种不同类型的河流或“河”系（fluvial，源自拉丁词fluvius，意即“河流”）。每一种河流分类都取决于研究者的视角，即研究者认为的最重要的方面。生物学家主要关注的可能是鱼或者水生植物等特定生物种群的分布。例如，不同的物种可能与不同的地形和地质类型相关联，因此，河流可能被归类为“山地”、“高地”、“低地白垩”、“低地砂岩”以及“低地和高地黏土”等。另一些研究者使用选定的化学因素作为分类的基础。例如使用pH值，于是河流可以分类为强酸性、弱酸性或碱性。自然保护相关部门可能结合所有这些甚至更多的观点。英国自然保护委员会根据植物群落对英格兰、威尔士和苏格兰的河流进行了分类，确定了4个主要河流群、10个类型和38个子类型。

另一种简单的方法是根据规模进行河流分类。一些权威机构更喜欢用“溪流”（stream）来表述规模谱系一端的河流。大江或者大河（这两个词都常用来表示规模谱系的另一端）通常是指流域大、河道长、输沙量大或者流量大的河流。我们已经注意到，河流长度和流域面积之间存在着一致性关系，但是，由于流域地质、地形和水文情势的变化，其他变量之间并不存在这种关系。当被要求说出世界上最大的河流时，大多数人可能都会列出一个类似前10条或前20条河流的名单，但要给出一个完美的定义却依然很困难。

依据水系在景观中形成的型式来区分不同类型的水系，是一种常见方法。树状水系型式存在几种常见的变化形式，可使用不同的术语描述，包括树枝状、放射状、网格状、平行式和矩形。景观的地质状况是水系型式的主要影响因素。

依据水流类型对不同类型的河流进行分类，是一种简易的分类方法。终年连续流水的河道被称为“常年性”河流，但这一术语绝不能用来描述所有河流。有些河道只在特定季节才有流水。这些季节性或者“间歇性”河流可能存在于严冬时河水完全结冰，或者具有明显雨季的地区。具有更少常年水流的河流被称为“暂时性”河流，其组成河道仅在单次暴雨后数小时或数天内存在流水。在沙漠中出现和流动的河流是典型的暂时性河流。第四类是“间断性”河流，这种河流只在很短的河段内终年有水，大部分河段是干涸的。就像自然界中的大多数分类方案一样，这些区别无疑是真实的，但是，我们最好将不同类别之间的边界看成水流情势类型连续体上的点。这是因为，例如，在持续数年的绵长多雨期内，暂时性河流可能呈现季节性河流的特征；而在干旱期内，季节性河流雨季时的流量可能为零或更具间歇性，使之更像暂时性河流。

河流有多长？

测量河流长度听起来似乎不是难事，但实际上要复杂得多。由于各种因素的制约，世界各地河流长度的测量和估算存在很大差异，这些因素包括季节、制图者的能力、所使用设备的质量以及测量内容的决策。从理论上讲，这项工作应该不复杂：确定河源与河口的位置，然后准确测量两者之间的河流长度。河口的位置通常很明确。一般来说，河流中心线与河流出口两侧连线的交叉点，就是河口的准确位置。

而河源准确位置的确定，常常要复杂得多。几个世纪以来，在偏远和人迹罕至的地区寻找特定河流的源头激发了探险家们的兴趣并激励着他们，时至今日仍然如此。

关于许多河流的真正河源，一直存在分歧，这也成了探险史一直都有的一个特征。从某种意义上说，寻找河流的“正”源注定是一项带有推测性的任务，因为大多数河流通常有许多支流，因此也就存在许多河源。对于大多数权威机构来说，距离河口最远的河源才是“正”源，这样可获得河流的最大长度。但是，毫不意外的是，在最远河源这一问题上也出现了分歧。

另一个使问题复杂化的因素是，要不要将那些具有不同河名的支流包括在内？在实践中，是否包含支流的系列决策可能是寻找河源任务的主要组成部分，而这些决策也是导致特定河流长度测量结果不一致的一个主要原因。以湄公河为例。所有人都承认湄公河发源于青藏高原，但河源的确切位置还存在争议。可能的源头包括果宗木查山、拉赛贡玛山、扎那日根山、查加日玛山和吉富山上的冰川。可能的其他河源还包括鲁布萨山口、伦格磨山口和扎西气娃湖。考虑到认定的河源的数量，对于湄公河被冠以世界第九长和第十二长河流的不同名头，而在世界其他大河河源确定过程中并未出现类似的混乱，也许就不会觉得奇怪了。大量文献记载表明，湄公河的长度在4180～4909千米之间。如果我们认可这条河流的正源在吉富山（当然很多人并不认同这一观点），那么沿着4909千米的长度，这条河流有六个名字。在吉富山的两侧，融化的冰雪形成一条溪流，名为谷涌-高地扑溪（只有夏天有水）。20多千米后，这条河变成了郭涌曲河，之后，郭涌曲河变成扎阿曲河。扎阿曲河与扎那曲河交汇后形成扎曲河，扎曲河之后变成澜沧江，直到自中缅边界出境后改称湄公河，然后一直延伸到越南南部的三角洲。湄公河在三角洲分成几条支流，最终注入南海。

有人认为，这就是整条湄公河，长度为4909千米。另外一些人认可4909千米这一长度，但是他们认为，严格地讲，这条河的名称应该是湄公-澜沧-扎曲-扎阿曲-郭涌曲-谷涌-高地扑。还有一些人，他们更愿意只讨论被称为湄公河的河段，这种情况下，湄公河的长度实际上才2711千米。另外一个阵营的观点差异更大，他们根本就不承认这条河的正源在吉富山。

如果你感到有些茫然，这是可以理解的。不过，还有更加让人困惑的，有些河流没有河口。南部非洲的奥卡万戈河在流入内陆的奥卡万戈三角洲沿途逐渐变小，三角洲的规模随季节变化而变化。因此，河流的确切终点也随季节而变化。有些河流不止一条河道。在“辫状”（见下文）河段中，应测量哪条河道的长度？施测时间也很重要。吉富山中的谷涌-高地扑溪只有在夏日融化季节才有水。并非终年有水的河道，应该计算在内吗？另一个有关测量时间的难题出现在季节性泛滥的河流上。例如，亚马孙流域的大片地区雨季时会发生洪水，旱季时仅沿弯道流动的水流此时会直接“漫地”流动。弯道的长度要不要计算在内？经较长一段时间后，河流会产生新的土地，例如，通过将泥沙沉积在三角洲处，使其长度增加。

河流长度测量的另一个重要问题是测量的比例尺。从根本上说，河流的长度随着地图比例尺的变化而变化，因为比例尺不同，细部概化程度也不同。河道沿线的地形非常复杂，细部地形常常相互嵌套。这种几何复杂性被称为“分形”，它是许多自然事物固有的一种特性，而这种复杂性有时会走向荒谬。但是，对更多细节的渴求在何种情况下会跨越界限而进入荒谬的领域呢？

利用卫星测绘技术和全球定位系统（GPS）确定河源的准确位置，将不断提高我们研究水系整体的能力。但是，关于研究规模以及包括和排除哪些支流的主观决策意味着，实际上我们依然不能准确确定哪条河流拥有“世界最长”的称号。几个世纪以来，随着知识的增长和标准的改变，人们始终无法确定亚马孙河和尼罗河哪一条为世界最长河流。1858年，苏格兰探险家约翰·汉宁·斯佩克宣称发现维多利亚湖是尼罗河的源头，认为自己揭开了19世纪世界地理学的一个重大谜团。在20世纪的大部分时间里，大多数权威机构都认可尼罗河是世界最长河流，他们将从南部流入维多利亚湖的尼罗河最长支流包括了进去。然而，1990年代以来，人们在秘鲁南部山区进行了一系列的亚马孙河河源考察，之后，一些可信的主张表明，亚马孙河更长。这些主张认定亚马孙河的长度为约6850千米，比尼罗河至少长150千米，但是争议不太可能就此结束。

河道流量

河道水流的两个特别重要的属性是流速和流量，流量（discharge）是指单位时间内通过特定河道断面[1]的水量，但令人不解的是，英语中也会直接用flow这个词表示流量。依据连续流量资料与时间的关系绘制的曲线被称为流量过程线，根据选择的时间坐标，流量过程线可以详细描述历时数天的洪水事件，或者一年、一年以上的流量过程。

施测河道流量以及分析流量资料，对于水资源评价和水旱灾害评估非常重要。拥有全世界最悠久系列水文资料的河流非尼罗河莫属，公元641年，开罗的罗达岛上修建了尼罗河水位观测设施。作为负责管理罗达“水尺”的官员，埃尔·米哈斯长老的职责是观测水位并在洪水期通过公告员发布洪水每日上涨情况。这是埃及一年中最紧张的时候。如果河水没有达到一定的水位，许多农田将无水灌溉，饥荒也将在所难免；而在一定的水位之上，灌溉用水可以确保，政府的税收也就有了保证。埃尔·米哈斯长老的这一职位延续了1000多年。该职位的最后一位任职者于1947年去世。1950年代，埃及政府决定在尼罗河的阿斯旺修建一座大坝，从而极大地改变了埃及与尼罗河的密切关系。阿斯旺大坝1970年最后竣工（见第五章），在计算大坝所需库容时，利用罗达水尺观测的水位资料发挥了巨大作用。

河道流量取决于许多不同因素，包括流域的面积和形状。如果其他条件相同，则流域越大，流量越大。与狭长型流域河道相比，圆形流域河道的洪峰流量往往更大，因为圆形流域中各支流汇流时间大体上相同，而狭长型流域中各支流则以交错的方式汇流。流域下垫面也是一个重要因素。例如，植被拦截降雨，从而延缓了其汇入河流的过程。

决定河道流量的一个特别重要的因素是气候。它是控制前述不同类型河流，即常年性、间歇性、暂时性和间断性河流的主要因素。流量最大的河流几乎全部位于全年降雨充沛的湿热带。它们分别是亚马孙河、刚果河和奥里诺科河，这些河流向海洋排放的年平均水量超过1000立方千米。

湿热带地区河流一年中的流量相对恒定，但在季节性气候占主导地位的地区，常年性河流的流量呈现明显的季节性。印度河的大部分水量来自喜马拉雅山脉，由于融雪的影响，夏季的最大流量是冬季最小流量的100多倍。对于主要流经区域处于高纬度和高海拔地区的河流，其最小流量常常为零，这些地区的气温一年中有一段时间低于冰点。在这些间歇性河流中，冬季冰冻期的最小流量与夏季融化期的大洪水形成明显对比，具有规律性和可预测性。

相比之下，常见于沙漠地区的暂时性河流，其流量具有间歇性和不可预测性。这是因为暂时性河流会对降雨做出响应，而众所周知，在许多沙漠中，降雨很难预测。一项对以色列内盖夫沙漠北部的河床研究表明，平均而言，该河道只在2%的时间内有水，也就是说，一年中大约7天有水。有些沙漠河流可能全年无流水。

沙漠气候中的河道流量的年际变化也是最大的，而湿热带常年性河流的流量的年际变化相对稳定。奎斯布河位于纳米比亚的纳米比沙漠中，该河中游的几十年流量资料显示，其每年有流量的天数介于0～102之间。

在更长的时段内，降雨和气温的变化也导致了河流水流情势的变化，尽管在许多情况下，人类干预使情况变得复杂（见第五章）。天然径流近期出现明显变化的一个示例发生在西非。撒哈拉沙漠以南的沙漠边缘带被称为萨赫勒，在20世纪最后几十年里，该地区经历了显著的气候干燥，并且这一趋势到21世纪仍在延续。巴克尔位于塞内加尔、毛里塔尼亚和马里边界交汇处附近，在该处进行的流量测验表明，20世纪末塞内加尔河的流量明显下降。1904—1992年，塞内加尔河巴克尔段的多年年均流量为716立方米每秒，而1972—1992年，其多年年均流量仅为379立方米每秒。1984年特别干旱，年平均流量为212立方米每秒。尼日尔河的情况和塞内加尔河类似。

有些河流很大，可以流经一个以上的气候区。例如，有些沙漠河流为常年河，因为它们的大部分流量来自沙漠以外降雨充沛的地区。这样的河流被称为“外源”河。尼罗河就是一个示例，澳大利亚的墨累河也是如此。由于蒸发和土壤下渗，这些河流在流经沙漠时水量损失很大，但因为水量巨大，它们依然可以保持连续流动直至进入大海。相比之下，许多沙漠外源河并不流入大海，而是流进内陆盆地。在南部非洲，来自安哥拉热带高原的水汇入奥卡万戈河，流入奥卡万戈三角洲。这个三角洲是一片巨大的湿地，位于博茨瓦纳北部的卡拉哈里沙漠。在中亚，来自帕米尔山脉的水经锡尔河和阿姆河这两条该地区主要的外源河流入咸海。

人们认为，有些河流非常古老。亚马孙河口附近沉积的泥沙表明，这条河流已经在南美洲流淌了1100万年。在如此长的时段里，各种各样的因素当然都发生了变化，有些河流出现又消失了。海峡河的消失就是一个示例，大约20000年前在欧洲西北部向西流淌的海峡河，如今沉没在分隔英国和法国的英吉利海峡之下。这是上一个冰期最寒冷时期的情形，那时世界各地的海平面比现在低得多，因为更多的水以冰的形式存在于水文循环中。当时，不列颠群岛的大部分以及整个斯堪的纳维亚半岛都被厚厚的冰层覆盖着，海峡河依靠英格兰南部包括泰晤士河和索伦特河在内的河流里的融水补给，这些河流已位于永久冰层之上。海峡河南面的其他支流包括塞纳河、索姆河、马斯河、莱茵河和易北河。

这样古老的河道并非仅具学术价值。南非的威特沃特斯兰德地区拥有世界上储量最大的金矿，这些金矿就是20多亿年前在水系中沉积贮藏的。当水流速度减缓时，河流挟带的金子就在砾石中沉积下来。地质学家称这些砾石为威特沃特斯兰德砾岩，目前已经从中开采出黄金近5万吨，占已开采黄金总量的40%，而未开采的部分，其可能储量依然占世界未开采黄金的三分之一以上。南部非洲的西海岸分布着宝贵的钻石矿床，而河流在这些矿床的形成过程中发挥了关键作用。在长达一亿年甚至更长的时间内，内陆矿床中侵蚀形成的钻石被瓦尔河和奥兰治河带到了海岸沿线。人们认为，这种河流搬运对沿海泥沙中钻石的质量也是有利的，因为这些宝石在搬运过程中往往会分解，高品质钻石的含量因而增加了。

侵蚀、搬运和沉积

水系塑造景观方式的一个重要衡量指标是“河网密度”。它等于河流干支流总长除以流域面积，反映了河道的疏密程度。因此，河网密度表达了河流切割景观的程度，能有效地反映地形特征。大量研究表明，不同地区的河网密度差异很大，取决于气候、植被，尤其是地质条件。植被稀疏的干旱地区、大雨频繁的温带和热带地区以及下方存在不透水岩石的地区，其河网密度值往往很高。

河流塑造地球大陆景观的主要方式有三种：侵蚀、搬运和泥沙沉积。人们根据每一区域的主导性过程，利用这三种过程对单一河流和水系进行简单的三段式分类，即河源区、转移区和沉积区。

第一个区域由河流上游构成，大部分的水和泥沙都来自这一区域。河流侵蚀大部分都发生在这里，被侵蚀的物质经第二个区域输送，在第三个区域沉积。这三个区域是理想化的，因为每个区域都存在一定的泥沙侵蚀、储存和输送，但在每个区域内，只有一个过程占主导地位。

反映在图像测量中，河流上下游之间的坡度变化被称为“纵断面”。该断面从河源开始，到河口结束，由于河源部分地形陡峭，而在下游方向上坡度逐渐减小，因此纵断面通常呈凹形。这种通常呈平滑、上凹的形状有时会因出露的坚硬岩石而中断，从而形成局部陡坡。水流在这些区域形成急流，流速增大，侵蚀加剧，障碍物被长时间地消蚀。如果相对柔软的岩石上方覆盖着更加坚硬的岩石，那么这些地方可能形成瀑布。委内瑞拉的安赫尔瀑布是世界上最高的瀑布，当地人称之为克雷帕库派-梅鲁，它从异常坚硬的砂岩岩面上落下，高度达到令人惊叹的979米。

归根结底，河流挟带的所有泥沙都来自周围坡面的侵蚀和地表径流，但直接来源是河床和河岸。水流挟带的泥沙以三种方式存在：以溶液形式流动的溶解物，如钙、镁和其他矿物质；以悬浮形式存在的小颗粒；沿河床滚动、滑动或做“跃移”运动的较大的颗粒。当环境发生某种变化，如河床坡度减小时，此时河流能量以及挟沙能力降低，这些物质便开始沉降。其中的大部分物质沉积在大海中。据估算，在全球范围内，河流每年向海洋输送的悬移质约150亿吨，溶解物约40亿吨。

河流上游可能会流经基岩，但这种情况在下游不太可能发生。冲积河流的两侧是洪泛平原，河槽切入河流自身搬运并沉积下来的物质。洪泛平原是一片相对平坦的区域，在大流量期间会被周期性淹没，通常每一两年一次。当河水漫溢至洪泛平原时，流速降低，泥沙开始沉淀，在洪泛平原形成新的冲积层。

每片大陆上都可以看到特定型式的冲积河道，但归根结底都可以归为三种类型，即顺直型、蜿蜒型和辫状型。顺直型河道在自然界很少见，大多数情况下，它们是评估尺度的函数。在区域尺度上，它们可以被认为是顺直的，但在局部尺度上，它们都存在一定程度的弯曲或者蜿蜒。最常见的河道型式是被称为曲流（meanders）的一系列河弯，它得名于土耳其西南部以蜿蜒曲折而闻名的门德雷斯河（River Menderes）。曲流因凹岸侵蚀、凸岸沉积而发育。随着这些关联过程的持续发展，曲流可能会变得愈来愈弯，特别蜿蜒的曲流最终可能会在狭窄的颈部被切断，留下的旧河道变成了牛轭湖。冲积曲流在洪泛平原的纵、横两个方向上改道，其变化过程可以通过对比以往地图和重复拍照进行监测。横向改道是洪泛平原形成的一个重要过程。

众多水流分汊后再彼此汇聚而呈现辫状外观，这种河流被称为辫状河。这些多次交叉的水流中散布着许多小的且常常为临时的冲积岛。辫状河流通常分布在山区附近坡度相当陡峭的区域，一般挟带大量的泥沙。为什么有些河道蜿蜒曲折，而另一些呈现辫状？人们对此进行了大量的研究。影响河道型式的重要因素包括径流量和流速，而它们又与河道坡度和河道性质有关，特别是河床和河岸容易侵蚀，这会影响河流的泥沙供应。这些因素会随着时空的变化而变化。例如，北美的米尔克河在流经加拿大南部的亚伯达省时是一条典型的蜿蜒河流，但在进入美国蒙大拿州后不久就突然变成了一条辫状河流。组成河床和河岸的物质不同，以及辫状河段河道拓宽降低了河流的动力，是导致这种变化可能的原因。

曲流裁弯形成牛轭湖是河道突然改变路线的一种方式，也是某些冲积河流的一个特征，通常被称为“改道”。这是一个自然过程，河流由原有河道改向，在邻近洪泛平原上形成新的永久河道，这种变化可能对人类活动产生重大威胁。在南亚印度河-恒河平原上，快速、频繁且常常重大的改道已经成为许多河流的典型特征。在印度，戈西河在过去200年里向西迁移了约100千米，甘达克河在过去5000年里向东迁移了约80千米。巴基斯坦的印度河下游也曾发生过重大改道。河流突然改道的原因目前尚不完全清楚，但在印度河-恒河平原上，地震是原因之一。

改道有时会导致河道干涸，但在其他情况下，河道会分汊形成多河道河流。这些多河道河流被称为“网状”河或“分汊”河。乍看起来，网状河与辫状河很容易混淆，因为两者的型式大致相似。辫状河在单一河道中有多股水流，而网状河则有多个相互连通的河道。尽管如此，关于这些差异的争论仍在继续，同时河道型式的分类方法也是多种多样。河流流量的大小也会导致误解。在大流量情况下，有潜洲的辫状河看起来可能像单一河道；而在小流量时，网状河可能只在主河道中输水，所以看起来像单式河道。

大多数河流最终流入大海或湖泊，泥沙在那里沉积，形成三角洲地貌。三角洲（delta）这一名称来自希腊字母Δ，三角形或扇形是三角洲的典型形状之一。分别位于尼日尔河和尼罗河末端的非洲最大的两个三角洲就是这类三角洲的两个示例。

河流为三角洲的形成提供了泥沙，但影响三角洲形状的因素还有很多，包括径流量、输沙量以及流量、潮汐涨落和波能等相对重要的因素。尼日尔河三角洲和尼罗河三角洲这类扇形三角洲主要由海浪作用形成。河道水流主导作用下形成的三角洲通常延伸至更远的海中，形成三角洲瓣，其河道像鸟的脚趾或爪子一样分汉。密西西比河三角洲就是“鸟足状三角洲”的一个示例。潮汐作用主导形成的三角洲位于潮差较大或潮流较快的区域。它们的典型特征是许多岛屿被拉长并平行于主潮流，垂直于海岸线。新几内亚弗莱河三角洲和布拉马普特拉河与恒河交汇处的三角洲都是这类三角洲的很好示例。

河流末端沉积的物质可以在水下延伸至离开三角洲很远的地方，形成深海扇。世界上最大的深海扇位于远离恒河-布拉马普特拉河三角洲的水下。孟加拉深海扇长近3000千米，宽1000多千米，最深部分的厚度可能超过16千米。它通过海底峡谷与恒河-布拉马普特拉河三角洲相连，峡谷将河流中的泥沙输送到深海海床。孟加拉深海扇的起源可以追溯到4000多万年前的一次构造事件，即印度次大陆与欧亚大陆发生碰撞，喜马拉雅山脉在该事件中形成。

河流生态

各种各样的生物构成了河流生态，这张相互联系的生命网包括微小的藻类以及比人类还大的大鱼。形形色色的群落反映了各种不同的水流环境，从次大陆尺度流域中的大型平原河流到涓细、湍急的山间溪流。河流的物理结构对河流生态具有一系列影响，但河流的化学性质和生物性质也很重要，所有这些因素在一定程度上是相互关联的。水的含氧量、酸碱度、养分、金属以及其他成分主要由构成流域的土壤和岩石的类型决定，但在某种程度上也取决于它们与水中和陆地上的动植物的相互作用。

人们通常根据捕食和觅食方法来对河流生态系统中的生物进行分类。“撕食者”为取食小片落叶的生物，“刮食者”取食黏附在石头和大型植物表面上的藻类，“收集者”取食其他生物尸体分解后产生的有机物颗粒，“捕食者”吃其他生物。随着河流从河源向下游延伸，这些生物种群的相对重要性通常会发生变化，反映了河道宽度、树荫遮蔽程度和水流速度等物理因素的变化。这就是“河流连续体理论”，它描述了本质上以线性方式整合能源、食物网和河流级别的变化连续体。因此，小的河源溪流常常被上方悬垂的植被遮蔽，导致光照和光合作用受限，但植被的落叶贡献了有机物。在这些河段，撕食者和收集者通常占主导地位。然而在更远的下游，河流变宽，因而接受阳光变多，落叶变少，情况则完全不同。在这里，食物链通常以活的植物而非落叶为基础，所以撕食者很少，更多的可能是捕食者。

河流连续体理论是一个流行的模型，对许多河流生态系统的研究产生了影响，但它不是唯一的模型。在温带和热带地区，洪水将许多河流延展至其洪泛平原，研究河流生态的另一个重要模型因此强调每年洪水脉冲的重要性。“洪水脉冲理论”将关注的重点扩展至主河道之外，并更强调与洪泛平原常见的沼泽和湖泊等多种生境的相互作用。这些生境大体上与河流的河岸区（riparian，来自拉丁语ripa）是同义语，河岸区由经常影响水体或受水体影响的任一毗邻陆地组成。河岸区的植被在许多方面有助于维持水生生态系统的环境，其中包括维持岸坡稳定，并因此最大限度地减少侵蚀，过滤泥沙，处理流域内的养分，特别是氮。同时，河岸区树木上掉落的树枝或树干为许多鱼类和小型生物提供了木质生境区。

从生态角度看，河流的单向流动是一种独特的情况。流水影响着河流环境的许多方面，搬运其中的物质并因此有助于扩散生物和输送养分。流水影响着河槽的形状和河床的性质，湍急的水流会扰动河槽及河床，但也为河中的植物和动物提供了动态生境。同时，河流还向海洋生态系统输送水、能量、泥沙和有机物。绝大多数情况下这种流动是朝一个方向进行的，但也不是完全如此。例如，一些鱼逆流而上，迁移至上游产卵。从海洋迁移到淡水中繁殖的鱼类（即所谓的“溯河产卵”物种，如鲑鱼），就是最好的示例。鲑鱼主要在海洋中觅食生长，在河流中产卵后便会死亡，死后的残骸为水生生态系统和邻近的陆地生态系统提供了重要的养分和能量。

在河流生态研究中，重视流量的空间复杂性几乎是必然的，但流量随时间的变化同样重要。径流量、时间和流量变化创造了河流生物已经适应的五花八门的生境。例如，在地中海气候类型区域，河流的生态与流量的显著季节性变化相适应，因为大部分降雨发生在冬季（三个月的降雨量常常占全年的80%或更多）。凉爽多雨季节与炎热干燥季节的交替变换形成了河流洪涝与干旱的规律性变化，尽管季节旱涝强度的年际变化可能非常显著。

毫无疑问，河流生物在许多基本方面都依赖于河流的物理环境，尤其是气候、地质条件和地形。然而，这些关系也可以反向发挥作用。河流的生物组分也对物理环境产生影响，特别是在局部范围内。大型哺乳动物能够在许多方面彻底地改变河流的物理结构，河狸就是一个很好的示例。它们通过伐木造坝拦截泥沙和有机物，改变养分循环并最终影响许多其他动植物群落。

最后，值得再次强调的是，河流生态在许多方面的影响远远超出了河道本身。河流在塑造其流经的景观方面发挥了关键作用，水流也以同样的方式为在该区域栖息的许多动植物提供了重要服务，其中最明显的是提供了水和食物的来源。流水为生态系统输送和带走了许多重要养分和其他成分，但河流也产生了一些并非立竿见影的影响。许多陆生植物和动物物种的分布与主要水系的地理环境相协调，因为河流既可以作为物种传播的走廊，也可以作为生物传播的屏障。博物学家阿尔弗雷德·罗素·华莱士是最早认识到河流作为某些生物迁移屏障重要性的人士之一，19世纪中叶，他确定了南美洲亚马孙流域以主要河流为分界的明显不同的区域，每个区域中都存在独特的物种群落。河流作为屏障的观点是人们提出的众多假设之一，以解释亚马孙森林中惊人的丰富物种的进化起源。

亚马孙河：最壮阔的河流

亚马孙河几乎在所有方面都堪称最大的河流。其流域面积超过700万平方千米，是世界上最大的流域，占全球陆地面积的5%。在全球所有河流排入海洋的水量中，亚马孙河占近五分之一。亚马孙河流量巨大，甚至在远离河口125英里外的大西洋仍能发现亚马孙河的河水，早期的水手在远未见到南美洲大陆之前就能在海洋中喝到淡水。然而，亚马孙河下游的坡度非常平缓，以至于在其远离大西洋1000多千米的上游仍能发现潮汐的实质性影响。

亚马孙河有约1100条支流，其中7条支流长度均超过1600千米。人们常常根据河水的颜色对这些主要支流进行分类，河水的颜色也反映了它们的来源。黑水支流的茶色源于低洼沙质土壤中析出的高浓度溶解植物质。白水支流的颜色源于来自安第斯山脉的大量泥沙。清水支流中挟带的少量泥沙和有机物来自圭亚那和巴西地盾的结晶岩。

在平原地区，亚马孙河干支流大多具有广阔的洪泛区，并伴有数千个浅水湖泊。整个亚马孙河流域多达四分之一的地区会被洪水周期性淹没，随着水位的上升，这些湖泊逐渐相互连接。根据GPS测量结果，研究人员发现，由于亚马孙地区洪水产生的额外重量，南美洲相当大一部分地区下沉了近8厘米，洪水退去后该区域又再次上升。这是我们观测到的最大的地壳年升降值。

亚马孙地区的许多动植物已经适应了季节性水涝的环境，有些地区的年水涝时间长达11个月，水深达13米。例如，亚马孙雨林的许多树种依赖洪水传播种子，这些种子或者漂向下游，或者通过以果实和种子为食的鱼类传播。亚马孙河水生生境的巨大多样性，在地球上最多样化的鱼类种群的产生过程中发挥了关键作用。科学家们已经登记了总共大约2500种鱼类（可能还有超过1000种尚待登记），亚马孙河的鱼类丰富程度稳超其他所有大型流域。其中两种最大的鱼，巴西骨舌鱼和丝条短平口鲇，每一种最大的都有大约200千克，是常人体重的两倍多。

按照长度这个衡量标准，亚马孙河一般被认为不是所有河流中最大的一个。在美洲，亚马孙河的长度稳居第一，但是在世界排行榜上，许多权威机构将尼罗河列为第一。然而，河流长度测量的难度意味着，关于这个问题的辩论无疑还将继续下去（见前文）。

玛瑙河：一条独特的河流

玛瑙河是南极洲最长的河流，只有32千米长，在许多方面都不同于世界上大部分地区的河流。玛瑙河位于麦克默多干谷地区，在被冰层覆盖的南极大陆沿岸，该区域是为数不多的几个无冰沙漠中的一个。这里的气候非常干燥且极其寒冷，年平均气温为-20℃。以干雪形式降落的少量降水（每年不到100毫米）对河流实际上没有直接影响，因为狂风使干雪无法落到地面。因此，玛瑙河和麦克默多干谷的其他河流每年有水的时间只有4～10周。这种情况发生在夏季，此时气温足够高，可以融化冰川冰，这是其河水的唯一水源。

玛瑙河自下赖特冰川流入万达湖，湖水的含盐度是海水的十倍以上，并覆盖着永久冰层。该地区没有植物，河流中没有鱼或昆虫，但河床上栖息着蠕虫、微生物和垫状藻类群落。这些藻垫可以在长期干燥的环境下存活，于是，玛瑙河在这一贫瘠的景观中成了相对的生命热点。

河流洪水

对水文工作者来说，“洪水”一词指的是河流每年的洪峰期，不管河水是否会淹没周围的景观[2]。然而，在更常见的说法中，洪水与河水漫过堤岸是同义语，这里用的就是这个意思。河流在正常情况下会泛滥，这种情况常常发生在洪泛区，正如洪泛区含义之所指，但洪水几乎可以影响整个河流。

极端天气，特别是强降雨或持续降雨，是引发洪水的最常见原因。冰雪融化是另一个常见原因。这些事件在一定程度上是可预测的，因为它们是季节性的。引发洪水的其他原因通常难以预见，它们包括山体滑坡、浮木堵塞、冰障、雪崩、火山爆发和地震。

河流洪水是影响人类社会最常见的自然灾害之一，经常造成社会混乱、财产损失和人员伤亡。洪水灾害促进了各种洪水预报技术的发展。洪水风险图通常用于土地利用分区，官方可据此禁止在极易发生洪水的土地上进行某些开发。预报洪水发生时间有几种不同的方法。大多数洪水的发生都存在季节性因素，常常可以使用气象资料进行预报，利用洪水流量过程线计算特定河流响应暴雨的洪峰滞时。

另外一种预报方法则是估算任何特定时段内平均只会超过一次的可能流量，因此使用了“50年一遇洪水”和“100年一遇洪水”等术语。一般来说，洪水的大小与其发生频率或概率成反比（换句话说，洪水越大，发生的可能性越小）。100年中可能仅发生一次的洪水，即100年一遇洪水，在任何一年中发生的可能性为1%，两次该量级的洪水之间的平均时间间隔为100年。就工程用途而言，了解特定量级洪水的发生概率是很有用的。例如，设计寿命为50年的桥梁要能抵御50年一遇的洪水，以防万一，常常要求能够抵御100年一遇的洪水。然而，这些都是统计学上的概率，大桥仍有可能被更大的洪水冲垮。

山体滑坡、冰川或岩浆流能够形成天然坝，堵塞河谷，这类成因造成的洪水难以预见。河流被天然坝堵塞后形成堰塞湖，会导致上游发生洪水，而天然坝溃决则会导致下游发生洪水。地震会导致巨大的山体滑坡，这是形成天然坝尤为常见的原因。例如，1968年5月，新西兰南岛的伊南加瓦地震引发了巨大的山体滑坡，堵塞了布勒河。上涨的河水向上回流了7千米，将河流水位抬升至高出正常水位30米。由于担心坝体可能发生灾难性的溃决，沿线所有居民全部撤离，但河水最终漫过了滑坡坝，坝体被逐渐侵蚀，下游并没有发生严重的洪水。

在过去的260万年中，也就是所谓的第四纪，大部分已知的最大洪水都是天然坝溃决造成的。据我们所知，最大的一次洪水发生在第四纪冰期，先前存在的大陆水系被冰盖堵塞，冰坝崩塌后形成巨大的洪水。在地球上发生过的巨大洪水中，有几次为发生在今天美国西北部的密苏拉洪水。18000～13000年前，堵塞今天的克拉克福克河的冰坝反复溃决，导致了大洪水。冰坝产生了一个巨大的湖泊，被称为密苏拉冰川湖，当冰坝周期性溃决时，湖水溢出，形成密苏拉洪水。据估算，密苏拉洪水的洪峰流量大到令人难以置信的程度，达1700万立方米每秒，是当今世界上所有河流流量总和的十倍以上。

密苏拉洪水发生的证据是令人信服的，但它只是史前和地质时期已知发生或疑似发生的大洪水之一，有些洪水还未被充分证实。在全世界各种文化中，这类融合了事实和虚构的洪水传说成百上千。根据河道水流演绎而来的神话、宗教习俗和信仰为数众多，上面的故事只是其中的一部分，下一章我们将专门探讨这一主题。