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。

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（b）］。形成急流-深潭-河滩系统的沉积物类型与河道的类型有关，在急流-深潭-河滩系统的纵剖面上，随着水流的方向和高程的下降，形成阶梯状延伸［图1.2（c）］（Church，2006，2015；Chartrand et al.，2018；Keller and Melhorn，1978；Surian，2015；McQueen et al.，2021；Hassan et al.，2021）。急流单元是河流坡降下降快的河段，单元内存在快速流动的水流和较浅的水深，阻力较小，河床沉积物分选性较好，能量耗散较大，一般是长条形；深潭的上游段坡降较小，中间段常常是水平或深度不同的区域，下游段常常是负坡度，单元内存在缓慢流动的水流，水深较深，河床沉积物分选性较差，一般是碗状或香蕉形；河滩发育于河道两侧，为边滩，发育于河道中，为心滩，它具有不同的形状，与急流和深潭形成镶嵌状，河滩大部分时间没有水流过。在从急流到深潭的过程中，急流和深潭交界处的河床坡度突然下降，水流带动泥沙向下流动，一些大颗粒随水流可到达潭的中央（Keller，1972）［图1.2（d）和（e）］。
　　急流-深潭-河滩系统作为是天然河流基本形态结构单元开展研究之前，学界*早关注的是急流-深潭系统。1971年，有学者研究溪流时，提出急流-深潭系统（pool-riffle system）在砾石床河流是非常普遍的（Keller，1972；Hassan et al.，2022）。Hey和Thorne（1986）指出，由于急流段河床沉积物更粗大且水深更浅，坡度更陡，能量耗散比深潭段大；Keller和Thomaidis（1971）通过对不同流量下近床速度的测量分析表明，随着流量的增加，近床速度的增长，深潭段会大于急流段，但存在一个阈值流量，超过该流量，深潭段的近床流速才大于急流段，这种速度变化的规律导致了较粗的沉积物堆积在急流段，而深潭段沉积物较细。河滩段在淹水时的过流特征和沉积物类似于急流段。Wohl等（1993）通过对急流-深潭序列的基岩构造的分析，发现坡降大的河道具有较粗糙的沉积物，流量较小，水流在克服边界阻力和内部阻力时消耗了更大比例的能量，而可用于河床冲刷和形成深潭的能量则较小，坡降小的河道边界对水流的阻力较小，流量和总流功率较大。Wilkinson等（2004）对急流-深潭系统中的水流剪切应力进行了详细的计算分析，发现剪切应力的*大值和*小值是随着系统的床面形态发生变化的，*大剪切应力在大流量的冲刷下出现在急流的上游段，而在小流量的冲刷下则出现在急流的下游段。Thompson（2005）为了探索漩涡脱落对深潭形成的影响，进行了42组水槽实验，当有相关漩涡脱落存在时，深潭的发育会更深更短，且此时深潭中水流的阻力较小。
　　国内学者王兆印等（2006，2012）称急流-深潭系统为阶梯-深潭系统，发现阶梯-深潭系统能增大水流阻力和河床抗冲刷力，稳定河床和岸坡，大卵石堆积成阶梯，细颗粒泥沙在深潭河段的缓流滞流区沉积下来形成淤泥层，形成适宜多种生物的栖息地，具有显著的生态意义。Sawyer等（2010）通过现场测量、横断面分析和力学数值模拟三种方法研究了7.7年一遇的洪水前后急流-深潭系统的地形变化，得出该系统能适应水流变化而持续维持，并形成动态的形态结构。Huang和Chui（2022）与Luo等（2022）的一项研究中表明，深潭-急流系统的总体积、*大侧向和垂直延伸通常随流量增加而增加，同时也随着床面坡度和蜿蜒度的增加而增加，但到一个特定的阈值后，它们几乎保持不变或略有下降。
　　然而，对于天然河流中，特别是山区天然河流重复出现的急流-深潭系统，王震洪等认为，应该增加另外一个组成，即河滩部分，构成完整的急流-深潭-河滩系统（王震洪等，2013；马振等，2014；陈晨等，2015；何晓乐等，2020；Patil et al.，2013）。河滩在该系统中能发挥稳定河道的作用，同时还有重要的生态功能。河滩常常位于急流的两侧和深潭的一侧，是水陆交错带，丰水期大部分被淹没，平水期小部分被淹没，枯水期完整地存在，它是行洪的通道，是河床质堆积区，对巨大的洪水具有减速作用和消能作用，也是动物喜欢栖息的生境，生物多样性高。尽管随着河流水位变化，急流-深潭-河滩系统中的每个组成的一部分会变成其他组成的一部分，但急流、深潭和河滩在形态、结构和功能上都有很大区别。如果没有河滩，急流和深潭将会被洪水的下切力严重冲刷和侵蚀，例如，坡度陡峭的山区溪流的阶梯-深潭系统，河滩仅仅看到一点痕迹，或者根本看不到。随着坡度变缓，山区溪流或河道就出现了急流-深潭-河滩系统，或者具有急流-深潭-河滩系统的河道；随着坡度增加，该系统就逐渐简化成了阶梯-深潭系统。急流-深潭-河滩系统的尺度是变化的，对于小的河流，急流-深潭-河滩系统可能只有几十米长，对于大江大河，如长江没被干扰的河段，急流-深潭-河滩系统可达几千米到十几千米长。Rivers-Physical，Fluvial and Environmental Processes一书对河流的流动过程和环境演变机理进行了系统的讨论，该书第12章的作者Church教授也认为，发育于河道水流边上无植物生长的河滩应作为河道的一部分（Rowiński and Radecki-Pawlik，2015）。然而，尽管有这样的观点提出，但是很长时间学术界并没有把河滩和急流-深潭系统整合在一起。急流-深潭-河滩系统作为天然河道的基本结构单元在河流中重复出现，是值得研究的。
　　程成等（2014）、吴庆等（2014）对急流-深潭-河滩系统底质微生物丰度、酶活性的详细研究表明，该系统在微生物丰度、酶活性、营养物质和重金属含量方面存在明显差异和有规律变化。在急流-深潭-河滩系统的深潭沉积物中，细菌、氨化细菌、放线菌、真菌和反硝化细菌的丰度*高。河滩中的过氧化物酶和深潭中的磷酸酶、尿素酶和脱氢酶显示出很高的活性。急流-深潭-河滩系统的生境异质性不断调节着系统中的微生物丰度和酶活性。马振等（2014）分析了急流-深潭-河滩系统的河道参数，在此基础上还定量分析了系统中三部分之间的关系，结果显示，急流、深潭、河滩三部分的弯*系数没有明显差异，而它们的面积和周长却呈正相关关系。王庆鹤（2016）研究了贵州省赤水河上中游不同时期的急流-深潭-河滩系统，结果显示，河流水质指标、底质污染物释放受河道系统形态结构的显著影响，河流形态结构的多样性和复杂性能显著提高河流水体的自净能力，急流-深潭-河滩系统在空间结构上不断重复出现，对水质指标和底质污染物释放有明显影响。吴庆等（2014）通过现场采样和实验室分析，评价了贵州省都柳江急流-深潭-河滩系统底质重金属含量，该系统的深潭和急流中重金属含量高于河滩，原因是急流-深潭接受水流挟带的重金属应该多于没有水流只有空气沉降的河滩部分，而在河流上空，空气污染物沉降比较弱。何晓乐（2020）的研究也表明，由于溶解氧和氧化还原电位等环境因素的显著差异，沣河、渭河、浐河和灞

目录
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