Sedimentary Characteristics of Ephemeral and Intermittent Channels: A case study of the Baiyanghe fan, Xinjiang, China

河流分类的方案很多，除了按照曲率和分叉性将河流分为顺直河、曲流河、辫状河和网状河等河型^[1-3]之外，还有按照河流发育的阶段划分青年期、壮年期和老年期的河流^[4]；根据河谷两侧的地形分为限制性河谷、半限制性河谷和非限制性河谷；根据流经的区域分为外流河和内流河^[5]；按照流域地形分为山区河流和平原地区的河流^[6]；根据河床沉积物的粒度将河流分为砾质河流、砂质河流和泥质河流^[7]；根据河流水文特点划分季节性河流和常年性河流^[8-10]。Fryirs et al. ^[11]按照河道中水流的占有率将河流划分为暂时性（Ephemeral river）、季节性（Intermittent river）和常年性河流（Perennial river），按照这一方案，典型的常年性河流在一年内输出的水流是连续的，河道100%的时间内有流水占据，河流具有大型的供水区域，水源可靠，来自泉水、山地水和冰雪融水等，植被的蓄水作用对河流的水量贡献很大，这种河流也发育季节性洪水，但水文图的基底较宽输出水量比较可靠。典型的暂时性河流在一年里基本都是干涸的，偶尔形成水流，河道内水流占有率从小于50%直至接近于0，只能形成局部的水流，流量变化极大，流水主要由于暴雨产生，植被的蓄水作用几乎可以忽略，暂时性河流形成突发性洪水，流量向下游减少。典型的季节性河流一年内发生多次不规则的干涸，河道内流水占据率为50%左右，水文图呈尖峰状，水流的方式和输出水流的特征介于暂时性河流和常年性河流之间。这一划分方式将河流从常年几乎没有水流的暂时性河流到具有连续不断流水的常年性河流形成了一个连续的谱系（图 1），为研究河流沉积的多样性开启了新的思路。

Figure 1.  Hydrograph of ephemeral river, intermittent river and perennial rivers (after Fryirs et al.^[11])

暂时性河流和季节性河流在干旱半干旱地区广泛发育，以往的研究将二者统称为季节性河流，很少做进一步区分。通过对新疆准噶尔盆地西部白杨河冲积扇的考察，发现这两种河道在白杨河冲积扇表面都有发育。暂时性河道与季节性河道在平面形态、河道规模、河床底形发育特征、沉积物特征、所占据的冲积扇扇面面积以及对冲积扇沉积体的塑造作用等方面存在明显的差异。笔者认为简单使用季节性河流的概念来描述冲积扇上河道的特征，难以表达冲积扇上沉积环境的多样性，难以表达不同类型河道沉积的特殊性和差异性，难以准确描述冲积扇沉积中发育的各种岩石相类型，为了更加深入分析冲积扇的沉积过程，有必要对二者的差异性进行研究。已有学者对白杨河扇的岩石相类型、砂砾岩体建筑结构特征进行了详细的研究^[12-13]。本文从两种河道类型及其沉积物基本特征差异性的角度考察白杨河扇的沉积特征，分析此两种类型河道的地貌和沉积学差异，对研究地下和露头上的类似沉积物具有一定的借鉴意义。

白杨河扇位于准噶尔盆地西部和什托洛盖盆地白杨河凹陷^[14]。和什托洛盖盆地为发育在石炭系基底上的背驮盆地，盆地内发育中新生代地层，现代白杨河凹陷又称白杨河断陷谷地，地面海拔600~1 000 m，为一东西长约100 km，南北宽约20 km的条带状谷地，其间发育白杨河扇（图 2）。

Figure 2.  Sketch of the geology of the western Junggar Basin, and geographic and geological background of Baiyanghe fan

白杨河冲积扇因白杨河而命名，地理上将白杨河及其相关支流流经的流域称为白杨河流域（图 3a）。流域位于83°51′~ 85°59′ E，45°36′~ 46°49′ N之间，总面积为15 508 km²，区域气候干燥，年降水量不足100 mm，属于温带大陆性干旱、半干旱气候，进一步分为科勒跌能苏流域、布腊特流域、太布勒科特流域、乌图乌散河流域、白杨河流域、布尔阔台流域、科克塔勒河流域、克拉苏流域以及达尔布特流域9大子流域^[15]。白杨河发源于塔城地区额敏县境内的乌日可下亦山东南坡，由西北流向东南，流经褶皱断块山地进入白杨河断陷谷地堆积形成冲积扇。随着冲积扇不断加积，白杨河断陷逐渐遭受淤塞，白杨河与克拉苏河、达尔布特河等由扎伊尔山和哈拉阿拉特山之间流出进入玛纳斯湖凹陷^[16-17]，在山前形成冲积扇和三角洲。现代白杨河冲积扇平面上呈典型的扇状形态，河道从扇顶点向下游呈放射状展布，径向长33.63 km，横向最宽处达46.30 km，面积763.75 km²。冲积扇表面主要分布暂时性河道网，占冲积扇面积的97.9%，但基本没有径流通过。白杨河主河道只占冲积扇面积2.1%，河道从扇体中部穿过流向东南，克拉苏河从扇缘向东流过（图 3b）。

Figure 3.  (a) Drainage system of Baiyanghe Basin, and (b) the geomorphology of Baiyanghe fan (based on Google satellite image, 2016)

白杨河主河道常年有水但流量随季节变化极大，据统计^[18-19]，白杨河多年平均径流量2.17×10⁸ m³/a，其中77.9%集中于汛期4— 6月份，1—3月的流量仅占年径流量的4.5%，水量最大的5月份占全年总径流量的46.2%，最小的2月仅占全年径流量的1.3%。河流水文图显示白杨河经常发育暴雨型洪水、融雪型洪水和暴雨融雪型洪水（图 4）。冲积扇扇面上的分支河道常年干涸基本没有流水通过，只有夏季偶发暴雨形成短暂的微弱径流，这种河道为暂时性河道。

Figure 4.  Hydrographical records of flooding of the Baiyang River (after Teng^[18] )

白杨河冲积扇上的季节性河道以白杨河主河道为特征。河流从白杨镇附近流入凹陷，到达白杨河水库尾部，河道长约60 km，冲积扇顶点海拔774 m，尾闾白杨河水库水面高程422.5 m，相对高差351.5 m，平均坡降7‰（0.40°）（图 5）。按河道形态分为四段（图 6）。

Figure 5.  (a) Digital elevation model (DEM) map, and (b-f) typical topographic profiles of Baiyanghe fan

Figure 6.  The main Baiyanghe channel characterized as an intermittent steam

第一段长约8.46 km，河床坡降约为4.89‰（0.28°），为限制性河谷（图 6a）。河流被限制在侏罗系等老地层形成的峡谷内流动，河谷内植被发育，树木茂盛（图 7a）。河流呈单河道形态，偶尔分叉。河床砾石直径可达30 cm以上，具有明显的叠瓦状排列特征（图 8a），磨圆度高，呈颗粒支撑和多级颗粒支撑，巨砾质砾石的孔隙中充填中砾和细砾颗粒，部分砾石间孔隙被砂质或者泥质充填（图 8b）。砾质坝顶部的串沟中常形成泥质沉积披覆，砾石坝头部和侧翼常出现由于回流和侧积作用形成的砂质和泥质透镜体（图 8c）。

Figure 7.  Fluvial channels on the modern Baiyanghe fan

Figure 8.  Geomorphological and sedimentological characteristics of the modern Baiyang River intermittent channel

第二段长约21.15 km，河床坡降约为8.55‰（0.49°），为半限制的低弯河道（图 6b）。此处河谷变宽变浅，大型树木减少或基本消失，河谷两侧发育河成阶地（图 7b）。河道为低弯河道，曲率为1.13，发育砾质辫状沙坝和点坝，沉积物仍然以砾质为主，但粒度稍微变细，砾石直径平均10~20 cm，颗粒磨圆度高，呈次圆到圆状，以颗粒支撑和多级颗粒支撑为主，可见具有开放骨架（openwork）颗粒支撑的砾石层与多级颗粒支撑砾石层形成的互层（图 8d），砾石具有明显的叠瓦状排列（图 8e），可见粗糙的平行层理。

第三段长约8.72 km，河床坡降约为6.81‰（0.39°），为非限制的低弯辫状河道段（图 6c）。此段河谷开阔，河谷两侧不再有基岩出露，河流在宽谷流动，高度分叉，发育大量不同形态的砾石坝，砾石坝上发育有稀疏植被，多为草本和灌木，砾石坝侧翼、表面和头部常见砂质和泥质披覆。砾石明显变细，砾径5~15 cm，颗粒支撑到多级颗粒支撑，粗砾以上砾石为圆到次圆，细砾石棱角到圆状均有出现，砾石定向排列明显，剖面上可见交错层理、粗糙平行层理。

第四段长约18.57 km，河床坡降约为2.97‰（0.17°），为非限制的高弯多河道段（图 6d，e）。本段接近黄羊泉水库尾部，河谷开阔，河谷两侧为沙丘或冲积扇前缘洼地。河道高度弯曲且分流河道众多，植被发育、乔木和灌木茂盛，湖沼湿地景观特点显著（图 7c），沉积物以细砾和砂质为主（图 8f）。

暂时性河道占据着白杨河扇表面的大部分地区，河道规模总体向下游减小，分叉增多，河床上植被逐渐繁茂，沉积物粒度总体呈现向下游变细的趋势。在上扇，中扇和下扇的发育的水道形态和沉积特征各不相同，在冲积扇上扇和下扇地区片流沉积形成的平坦河床和沙席较发育，在扇中地区由暂时性微弱径流形成的小型辫状水道网较为发育。

上扇从白杨河扇顶端开始往下4 km，约占扇体半径的1/6，扇面坡降为0.17‰~5.93‰（0.01°~0.34°）之间，扇面部分地区有基岩出露。裸露的基岩或大片砾石滩将河道分隔成多个河道带，辫状河道带宽度平均40.6 m（图 9a），河道内常年无径流通过，偶有暴雨形成洪水和突发性片流，常见侵蚀下切沟谷，一般深度小于1 m。本区植被极少，仅有零星草本植物在辫状河道带两侧发育，沉积物为中砾到粗砾，巨砾不发育，颗粒呈棱角到次棱角状（图 10a），分选差、片状砾石众多，多为颗粒支撑或颗粒杂基支撑，部分杂基支撑。沉积物来自附近基岩风化形成的倒石锥，塌积扇和山地泥石流沉积，可见粗糙平行层理（图 10b），少见交错层理。

Figure 9.  Ephemeral surface channels on Baiyanghe fan (Google satellite image, 2016)

Figure 10.  Sediments on the surface of modern Baiyanghe fan

中扇长约15 km，占扇体半径2/3左右，扇面坡降为8.38‰~10.65‰（0.48°~0.61°），由无数次级辫状河道交织而成，广泛发育河道带和河道带间砾质滩（坝），河道带宽平均58.1 m（图 6d、图 9b）。整体上看，河道带内植被发育，生长草本植物和多年生低矮灌木，砾石滩裸露，无植被覆盖（图 6d）。植物一般生长在次一级辫状河道的边缘和次级砾质和砂质坝上（图 6e，f），次级辫状河道宽3~5 m，深10~30 cm。辫状河道带常年没有径流，仅在暴雨期有暂时性水流通过，沉积物一般为细砾到中砾，颗粒呈棱角到次棱角状。河道带内次级辫状河道沉积物分选较好，泥质含量低，期间发育的微小砂砾质坝沉积物含泥质较高，植物根系发育。砾石滩表面为细砾到中砾、部分粗砾，棱角到次棱角状（图 10c）。

下扇长度4.8 km，约占扇体半径的1/6，扇面坡降为0.35‰~7.50‰（0.02°~0.43°）。本区辫状河道宽度明显减小，数量增多，呈线状分布，单个河道带平均宽度38.5 m（图 9c），表明片流作用增强，河流的下切侵蚀非常微弱。与中扇相比本区植被稀少，砂砾质滩面大量裸露。扇的末端汇入横向流过的克拉苏河，沉积物明显变细（图 10d）。

白杨河扇上发育的两种河道都属于粗粒砂砾质河道，但其沉积特征具有明显的差异。从河道几何形态来观察（表 1），季节性河道的平均曲率从上扇向下扇具有变小的趋势，上扇河道在限制性峡谷中流动，河道分叉较少，但弯曲度平均为1.29，到中扇部分河道限制性减弱，河道平均曲率变为1.13，下扇地区河道的限制性进一步减弱，平均河道曲率变为1.12。与之相对应，暂时性河道的平均曲率显示从上扇向下扇变大的趋势，上扇河道弯曲度平均为1.05，中扇河道平均曲率变为1.10，下扇地区平均河道曲率变为1.13。季节性河道的河道带宽度从上扇的347.6 m向下游变宽到平均753.25 m；暂时性河道的单个河道带具有上下扇较窄，中扇较宽的特征。

从物质来源来看，季节性河道沉积物主要来自白杨河上游较远的源区，是经过较长距离搬运而来的沉积物，而暂时性河道的沉积物来源于冲积扇扇根附近基岩风化形成的倒石锥、塌积扇和山地泥石流沉积，也有一部分来自对冲积扇原有沉积物的改造、搬运和再沉积；从搬运方式来看，季节性河道的河道径流以牵引流为主，暂时性河道主要以片流、泥石流等方式搬运沉积物，以重力流为主，兼有高含沙水流和牵引流；从水动力的持续性来看，季节性河道水动力强、持续时间长，暂时性河道水动力持续时间短，为阵发性，强弱受降雨量的影响。因而这两类河道所形成的沉积物在成分和结构上存在明显的差异。

比较白杨河扇季节性河道和暂时性河道的沉积特征可以看出，季节性河道沉积的砾石粒度更粗，分选更好，颗粒磨圆度更高，沉积物中泥质含量较少，沉积结构以颗粒支撑或多级颗粒支撑为主，多发育粗糙的板状交错层理、平行层理，形成的沉积物单层厚度较大。与之相比暂时性辫状河道沉积物的颗粒更细，结构成熟度更低，扁平状、棱角状砾石较多，沉积物中泥质含量较高，以杂基支撑和颗粒杂基支撑为主，多发育块状层理或者粗糙的平行层理，沉积物的单层厚度较小。表 2对季节性河道与暂时性河道沉积的差异性进行了比较和总结。

冲积扇上两类不同河道的存在预示了冲积扇河道沉积的多样性。经典的观点认为冲积扇是携带碎屑物的水流在束缚条件陡变地区，其搬运沉积物的能力减弱，造成沉积物卸载而形成的一种平面上近于扇形的沉积体^[20]。一般认为冲积扇主要发育泥石流、片流，筛积物和辫状河道沉积^[21-22]，对冲积扇沉积物的来源关注较少，对冲积扇发育的河道类型研究的更少。对白杨河冲积扇发育的暂时性辫状河道和季节性河道研究有助于深化对干旱地区冲积扇沉积过程和沉积特征的认识。

季节性河道是冲积扇沉积物的主要搬运通道。虽然暂时性河道占据了冲积扇表面绝大部分地区（97.9%），季节性河道只占冲积扇表面很小的区域（2.1%），但由于季节性河道水流占有率高，流量大、搬运沉积物能力强，形成的地层厚度大，体积大，对冲积扇的形成和改造起主导作用。而暂时性河道水流占有率低，一般没有径流通过，搬运沉积物的能力相对较弱，形成的地层厚度相对较薄，对冲积扇的形成和改造起次要作用。以往的研究人员在白杨河扇表面开挖的大型探槽和出露的现代沉积剖面^[12]都显示，暂时性河道沉积一般出现在扇体的表层，白杨河扇主体沉积物颗粒粗大，磨圆度高，定向排列明显，显示大型的交错层理，由季节性河道沉积而形成（图 10e，f）。

对白杨河扇两类河道沉积特征的研究提供了一种特殊的干旱地区冲积扇沉积模式。这种模式表明季节性河道作为冲积扇砂砾质沉积物搬运的主要通道，在冲积扇表面周期性摆动和迁移，在其经过的地区形成厚层、粗粒、高磨圆度的砂砾岩体。在冲积扇其他地区，由泥石流、片流和高含沙水流沉积形成薄层细粒的暂时性河道沉积物（图 11a）。季节性河道在侧向迁移过程中，对以前形成的暂时性河道沉积产生侵蚀，并形成新的砂砾岩沉积体（图 11b，c），未遭受侵蚀的部分暂时性河道沉积得以保存，形成分选差的薄层砂砾质沉积。这两类河道沉积体在时间和空间上的交替构成了冲积扇砂砾岩体复杂的内部结构（图 11d）。这一模式类似于Crews et al.^[23]所提出的冲积扇沉积模式。

Figure 11.  Two types of fluvial channel and their sedimentary process-response models in Baiyanghe fan (modified from Crews et al.^[23])

气候对河流沉积作用的影响受到越来越多的关注，不同气候条件下形成的河流沉积物表现出明显不同的特征^[24-31]。在冲积扇沉积砂砾岩层序中，季节性河道沉积和暂时性河道沉积的发育程度取决于当时的古气候和古地理背景，气候越干旱暂时性河道沉积物越为发育，气候越湿润则季节性河道沉积所占的比例越大。不同冲积扇上暂时性河流和季节性河流的划分是相对的，目前还没有区分暂时性河流和季节性河流的水文学和地理地貌学标准，还没有建立两种河道沉积的沉积学模式。本文作为一种初步尝试，试图通过对地貌和沉积物特征两个方面的观察，寻找两种河道沉积的差异性，对判别古代沉积体系的类型，精确研究冲积扇上的微相展布具有一定的参考价值。

（1）白杨河冲积扇表面发育两种类型的河道，一种为暂时性河道，另一种为季节性河道，暂时性河道在一年里基本上都是干涸的，偶尔形成水流，河道内水流占有率从小于50%直至接近于0，水流主要由暴雨产生，形成突发性洪水、泥石流和片流，植被的蓄水作用几乎可以忽略，流量变化极大且向下游减少。季节性河流一年内发生多次不规则的干涸，河道内水流占据率为50%左右，水文图呈尖峰状，水流方式和输出水流的特征介于暂时性河流和常年性河流之间。

（2）白杨河主河道是白杨河冲积扇上季节性河道的代表。河道呈条带状沿着冲积扇径向延伸，河道占冲积扇面积比例极小，河床沉积物以砾石为主，颗粒粗，磨圆度高，分选较好，叠瓦状排列特征明显，泥质含量低，显示了正常河流沉积水动力强、持续时间长的沉积特点。河道形态沿程变化具有一定的分段性，沉积物向下游具有明显变细的趋势。

（3）暂时性河道占据着白杨河扇表面的大部分地区，河道规模总体上向下游变小，分叉增多。沉积物粒度相对较细，磨圆度低，分选差，泥质含量高，显示了冲积扇上偶发的洪水、泥石流和片流沉积所具有的水动力弱、时间短的特征。

（4）暂时性河道和季节性河道的水文特征、水动力方式不同，两种河道沉积形成的沉积物具有明显的差异性。季节性河流是形成冲积扇扇体的主要动力，对冲积扇沉积体的形成起主导作用；暂时性河道主要对冲积扇起改造作用，对冲积扇沉积体的形成起次要作用。这一研究有助于深化对干旱地区冲积扇沉积过程和沉积特征的认识。