干旱气候下冲积扇—冲积平原曲流河沉积演化过程与展布——以新疆库车河现代沉积为例

高志勇，冯佳睿，石雨昕，罗忠，张宇航

中国石油勘探开发研究院，北京 100083

0 引言

近年来，关于冲积扇、季节性河流、分支河流体系（DFS）以及河流扇等的研究成果颇丰[1-11]，并在各类现代与古代沉积体的沉积构型、成因机制、水动力条件变化、识别标志等诸多方面取得了重要进展。当然，针对不同沉积体的划分、体系归属等问题还存在不确定性，如冲积扇、河流扇与分支河流体系之间关系的讨论等[9-10,12-13]。造成上述争议的原因，固然有沉积体发育环境的多解性存在，但研究角度的不同或关注点的差异可能也是重要原因之一。再者，虽然目前关于干旱气候下冲积扇与季节性河流两种沉积体系的研究成果较多，但是，针对如现今我国西部山前由一条主水系控制下的冲积扇演化至冲积平原上河流相沉积体的研究成果却相对较少。譬如，位于现今新疆南天山前的库车河属干旱气候下的季节性河流，其由天山山间的河流相（辫状河），演变至出山口后的冲积扇沉积，扇根发育泥石流、片流等沉积，至扇中主要发育大面积的辫状分流河道带，再向下游演变成单一径流河道（低弯度曲流河），并逐步演化为冲积平原上的高弯度曲流河沉积，最后库车河水散失于远离南天山前的冲积平原内。由出山口至河水散失，库车河延伸100 km以上，发育明显的冲积扇—冲积平原曲流河沉积。可见在一条河流的控制下，受气候、降水条件变化、沉积坡度变化等因素影响，可发育多种类型的沉积体系，且各沉积体系之间关联紧密、有序分布。由此，若进一步放大沉积体的研究尺度，聚焦于不同沉积体之间在时间上、平面上的沉积演化过程，会发现不同沉积体的演变没有绝对的界限，彼此间联系十分紧密。因此，加强由一条主线联系的多种类型沉积体及其演化过程的分析，揭示其主要控制因素，对明确各类型沉积体的本质规律与演变，减少沉积体的划分、体系归属等问题的产生亦具有重要帮助。

1 概况

位于南天山的库车河又称苏巴什河，发源于天山山脉中段的科克铁克山莫斯塔冰川，冰川面积较小，覆盖率仅有0.5%，其径流补给主要来源于夏季降雨[14]。库车河上游干流称为乌什开伯西河，阿恰沟及大小龙池池水在库尔干汇入乌什开伯西河后，始称库车河[15-16]。库车河从源头至库尔干河流呈北西—南南走向，库尔干至库如力河流基本呈南北向，至库如力河流接纳东岸大支流科格纳克河后，转向南偏西，在库台克力克与西岸大支流卡尔塔西河交汇，连续两次转弯后南下经康村，穿过却勒塔格山至国家基本站兰干水文站[14-16]。流出水文站，经大转弯后河流游荡性增强，库车河河道分为上中下三段，上段从出山口至林基路大坝下游3 km 处的东西支流处，长8.5 km，该段主流受林基路大坝的约束后偏左，而后以扇面形式分流，在林基路大坝下游3 km附近，明显形成东西两条主要支流。中段自东、西支分流处至喀兰沟口两支流重新汇合处，西支流长度为15.4 km，东支流长度为15.9 km，两支流至南疆铁路以南3 km处重新汇合。下段自喀兰沟口至下游的拔洛外村，河道长为12 km，该段河道沿喀兰沟折向南东蜿蜒于下游平原和荒漠区，最后散失于塔里木河北岸荒漠区（图1）。库车河全长221.6 km[14-16]，兰干水文站以上集水面积为2 946 km2，河长122 km2，流域总面积为5 070 km2。为了解剖库车河现代多种类型沉积体的沉积演化过程与相边界特征，在山间辫状河—冲积扇—曲流河沉积环境内，设置了13 个测量点（图1），在每个测量点进行了沉积构造、沉积物粒度特征、大量砾质沉积物与搬运距离关系等研究。其中，砾石的粒度是通过测量每个砾石a 轴(长径)、b 轴(中径)和c 轴(短径)的长度，然后进行计算和统计而得的，其中的平均砾径，是首先计算出各砾轴的平均砾径再计算等体积球径而得出的，即平均砾径（）以靠山近源的最大，中间次之，前缘最小[17-20]。

2 山间辫状河—冲积扇—曲流河沉积演化特征

2.1 山间辫状河沉积特征

却勒塔格山以北区域主要发育山间戈壁滩与库车河山间辫状河沉积，为了解剖山间辫状河沉积特征，设置了2个测量点。其中，测量点1位于新疆库车县217 国道康村北的基迪克大桥处，坐标为42°3'43" N，83°3'4" E，现今海拔为1 440 m。此处山间辫状河的河谷宽280～670 m，辫状坝体发育，宽10～30 m，长60～150 m。辫状河道内冲刷侵蚀不明显，坝体顶面与河道底部高差较小，坝体一侧或者两侧的迎水面，以砾石沉积为主，坝体内部沙质沉积物较多（图2a）。对辫状河道内和坝体上砾石的平均砾径进行测量，主要砾径介于0.49～26.85 cm，平均值为10.64 cm，最大砾径为40 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

图2 库车河现代山间辫状河与冲积扇扇根—扇中的宏观沉积特征（a）测量点1 山间辫状河辫状坝沉积特征（面对上游）；（b）测量点2 山间辫状河辫状坝沉积特征（面对上游）；（c）测量点3 出山口处山间河沉积特征（面对上游）；（d）测量点3出山口处山间河砾石沉积，河流侵蚀山体明显（面对下游）；（e）测量点4冲积扇扇根辫状河道切割坝体宏观沉积特征（面对上游）；（f）测量点4冲积扇扇根辫状河道切割坝体，辫状坝正韵律沉积；（e的左侧局部放大）；（g）测量点5 冲积扇扇中辫状河道沉积特征（面对上游）；（h）测量点5冲积扇扇中辫状河道切割坝体特征（面对下游）；（i）测量点6冲积扇扇中辫状河道沉积特征（面对下游）；（j）测量点7冲积扇扇中辫状河道沉积特征，河道内沙质增多明显，沙波构造（面对上游）Fig.2 Sedimentary characteristics of a mountain braided river and alluvial fan from proximal to medial in the Kuqa River

再向下游的山间辫状河沉积区位于库车县217国道旁康村北山龙口上游1.5 km，坐标为41°57'7" N，83°3'17" E，现今海拔为1 332 m，处于测量点1 南部（下游）12 km 左右。此处仍为山间辫状河，河谷宽700～900 m，辫状坝体发育，宽40～300 m，长80～800 m。辫状河道内冲刷侵蚀较明显，坝体顶面与河道底部高差为30～80 cm，坝体一侧或者两侧的迎水面，多以砾石沉积为主，砾石的最大扁平面迎向上游来水方向，坝体内部沙质沉积物增多（图2b）。坝体表面大量树干、树枝等堆积，沙质在辫状坝内部发育，沙波沉积明显。辫状坝内砾石主要砾径介于1.84～12.52 cm，平均值为7.43 cm，最大砾径为28 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

2.2 冲积扇沉积特征

库车河冲积扇自出山口至扇端南北长约27 km，东西宽约30 km（图1）。依据库车河河道演化特征、沉积物及沉积单元特征将冲积扇划分为扇根、扇中、扇端三部分。其中，自冲积扇顶点（测量点3）至辫状河道分叉的起始点（含测量点4）划为扇根，河道延伸约4.8 km。自辫状河道分叉点至下游演变成分流河道带并汇聚成单一径流河道处（含测量点5，测量点6，测量点7），划分为扇中，河道延伸约12.8 km。自单一径流河道起始点至低弯度曲流河沉积结束（含测量点8，测量点9，测量点10），以及冲积扇西部分支河道末端消失区域（图1）等划分为扇端，库车河河道延伸约9.4 km。

2.2.1 扇根

自冲积扇顶点（库车河出山口兰干水文站）至下游分流河道分叉点，扇根宏观上呈片状，主要发育由碎屑流冲出沟槽后快速沉积形成的扇形连片砂砾岩体，砂砾岩体垂向上厚度大，平面上面积大。同时，库车河河道出山口后切割早期的碎屑流、片流砂砾质沉积物，形成明显的下切河道（图2），碎屑流和牵引流作用控制冲积扇根的沉积物展布与沉积特征[1]。

扇根设置了2 个测量点（测量点3 和测量点4），顶点位置（测量点3）位于库车河出山口兰干水文站，坐标为41°53'49" N，83°3'49" E，现今海拔为1 282 m，处于测量点2 南部（下游）7 km 左右。此处库车河流经却勒塔格山，出山口后形成冲积扇沉积，河谷宽90～110 m，河流侵蚀山体，水浅流急，以砾石沉积为主，沙质较少（图2c，d）。主要砾径介于0.95～21.94 cm，平均值为8.37 cm，最大为60 cm，个别巨砾径可达4 m，呈棱角状，可能是附近山体崩塌所致。砾石成分变化不大，主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

扇根片流砂砾质沉积物被河道下切侵蚀明显，测量点4位于出山口古城遗址处，坐标为41°51'7" N，83°3'20" E，现今海拔为1 230 m，处于测量点3 南部（下游）5 km左右。该处河谷宽约970 m，辫状河道及辫状坝发育，坝体及河道内主要发育砾石沉积，坝体顶部有薄层沙质沉积，河道侵蚀切割坝体，坝体与河道底部高差可达1 m 左右（图2e，f）。辫状河道内以砾质—沙质互层沉积为主，呈多期正韵律叠加。多期河道与辫状坝相互叠置，河道内以砾石质为主，坝体内可见砾质与沙质沉积。辫状河道及坝体内砾石较粗大，砾石最大扁平面倾向上游来水方向，主要砾径为0.69～18.44 cm，平均值为7.66 cm，最大为33 cm。辫状河道及坝体内砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。辫状河道两侧主要为早期的大面积片流沉积物，片流沉积平面上呈扇状，剖面上呈上凸半透镜状，规模较大。冲积扇根的片流沉积带（图1）由多个单一片流朵体（由一次洪水事件形成，一般呈朵状或舌状）侧向、垂向复合而成[1]。

2.2.2 扇中

扇中宽度可达30 km，以牵引流沉积作用为主，由辫流带和漫流带组成[1]，广泛发育辫状分流河道带，砂砾质沉积物大面积分布。根据水动力强度差异，辫状分流河道分为洪水水道和间洪水道两类[1]。洪水水道形成于洪水期，水动力强，沉积物粒度较粗，水道规模大、侧向切割、汇合及分叉现象频繁，形成侧向连续性较好的宽带状水道体系。间洪水道形成于间洪期，水动力较弱，沉积物粒度明显较细，水道规模较小，侧向复合现象较少[1]。

在扇中近端设置了测量点5，位于高架线铁塔附近，坐标为41°49'52" N，83°3'56" E，现今海拔为1 203 m，处于测量点4南部（下游）2.5 km左右。现今流水活动的辫状河道带宽600～800 m，辫状河道及辫状坝发育，坝体宽40～90 m，长80～400 m，坝体及河道内主要发育砾石沉积，砾石最大扁平面倾向上游方向。辫状河道内具有明显的分叉、汇合再分叉特征，河道内坝体顶部有薄层沙质沉积，河道侵蚀切割坝体，坝体与河道底部高差变小，以30～60 cm 为主（图2g，h）。辫状河道及坝体主要砾径为0.69～16.94 cm，平均值为5.25 cm，最大为27 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

扇中中部设置了测量点6，位于314国道北3 km处，坐标为41°47'4" N，83°5'30" E，现今海拔为1 137 m，处于测量点5 南部（下游）5 km 左右。现今流水活动的辫状河道带宽1 000～2 600 m，最宽可达4 400 m。辫状河道及坝体发育，河道侵蚀切割坝体能力减弱，坝体与河道底部高差变小，以20～40 cm为主。坝体及河道内主要发育砾石沉积，砾石最大扁平面倾向上游方向。坝体顶部局部发育小砾石、粗沙质透镜体，局部有薄层沙质、泥质沉积（图2i），泥裂构造发育，泥裂缝内大量粗沙质充填。辫状河道及坝体主要砾径为0.71～9.52 cm，平均值为4.03 cm，最大为18 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

扇中远端设置了测量点7，位于哈浪沟大桥北1 km，坐标为41°44'19" N，83°7'28" E，现今海拔为1 078 m，处于测量点6南部（下游）5.5 km左右。该处现今流水活动辫状河道带宽1 000～2 600 m。辫状河道及坝体发育，河道侵蚀切割坝体能力减弱，坝体与河道底部高差变小，以20～30 cm 为主。坝体及河道内主要发育砾石沉积，沙质沉积物增多明显，坝体及河道内沙波沉积构造发育（图2j）。辫状河道两侧堤岸高约3 m，以砾石、沙质沉积为主，主要为早期冲积扇沉积物被冲刷侵蚀后保留下来的辫状河道沉积。辫状河道及坝体内砾石的主要砾径为0.75～13.11 cm，平均值为4.35 cm，最大为23 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

2.2.3 扇端

扇端主要由径流水道和漫流带组成[1]，自辫状分流河道带汇合为单一径流河道始，至低弯度曲流河沉积结束。径流水道呈孤立状分布，水道侧向复合现象少，在扇端西部分支河道末端尖灭现象较多。在扇端近处设置了测量点8，位于喀让古一村西，坐标为N 41°42'11"，E 83°10'0"，现今海拔为1 021 m，处于测量点7南部（下游）5 km左右。此处为辫状河道带汇聚呈单一径流河道开始处，辫状河道带由最宽4 400 m，收窄至宽约260 m，河道内辫状坝发育，坝体宽40～120 m，长100～300 m。辫状河道下部砾石为主，上部主要为沙质沉积，局部见砾石与沙质互层沉积，河道侵蚀坝体高差为20～40 cm（图3a）。辫状河道两侧堤岸高约3 m，堤岸沉积物主要为中细沙质、细粉沙质，平行层理发育，顶部大量芦苇等植物生长。辫状河道及坝体主要砾径为0.70～9.87 cm，平均值为4.04 cm，最大为16 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩等（表1）。

图3 库车河现代冲积扇扇端—冲积平原曲流河的宏观沉积特征（a）测量点8冲积扇扇端辫状河道汇聚成单一径流河道沉积，砾石与沙质沉积（面对下游）；（b）测量点9点坝（边滩）及河道内沙质与砾石沉积，堤岸上芦苇等发育（面对上游）；（c）测量点9 点坝顶部沙波构造明显，显示低流速特征，砾石—沙质正韵律沉积（面对下游）；（d）测量点10曲流河点坝沉积，坝体顶部大量小砾石沉积（面对上游）；（e）测量点11曲流河河道与边滩沉积，见砾石—沙质沉积（面对上游）；（f）测量点11点坝顶部沙质沉积物沙波构造，显示低流速特征，面对下游，沙波迎水面缓，沙波长20 cm左右，宽10～20 cm；（g）测量点12曲流河河道—点坝—堤岸正韵律沉积，层理类型为沙波构造（交错层理）—平行层理—沙纹层理（面对下游）；（h）测量点12曲流河堤岸内沙纹层理构造；（i）测量点13曲流河道内沙质沉积为主，沙波构造发育（面对下游）；（j）测量点13曲流河堤岸沙质沉积，具平行层理和沙纹层理，顶部芦苇等植物发育Fig.3 Sedimentary characteristics of a distal alluvial fan and meandering stream in the Kuqa River

扇端中部设置了测量点9，位于喀让古三村西的单一径流河道处，坐标为41°39'12" N，83°10'44" E，现今海拔为996 m，处于测量点8南部（下游）6 km左右。此处库车河呈单一径流河道低弯度河沉积，河道宽度小于200 m。河道以自旋回沉积为主，水体逐步在河道内摆动，侧积作用明显，边滩（点坝）宽度为150 m，长度达400 m。河道内由于受水流冲刷作用，沙质沉积物被水流带走，保留较多的砾石质沉积物，沙质则主要受侧积作用形成边滩沉积。边滩（点坝）内砂砾质混杂沉积，沙质较多，沙波构造明显，并见树枝等植物堆积。河道底部与边滩顶部高差仅为10～20 cm。河道两侧堤岸高1～2.5 m，粉细沙质沉积，堤岸上大量芦苇等植物生长（图3b，c）。河道及边滩（点坝）沉积的主要砾径为0.42～9.1cm，平均值为2.39 cm，最大为14.5 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩、石英岩等（表1）。

扇端末端设置了测量点10，位于克孜勒敦南，坐标为41°37'36" N，83°12'8" E，现今海拔为987 m，处于测量点9南部（下游）4 km左右。此处为低弯度曲流河沉积，河道宽度小于200 m，点坝（边滩）发育（图4d），宽度为120～150 m，长度为400～700 m。点坝以沙质沉积为主，有小砾石分布，主要砾径为0.36～6.42 cm，平均值为2.94 cm，最大为12.0 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩、石英岩等（表1）。河道两侧堤岸高1～2 m，沙质沉积为主，并见交错层理、平行层理，沙质底部见小砾石层状分布，属滞留沉积。两侧堤岸上芦苇等植被发育。

图4 库车河现代冲积扇—曲流河的河道与河道两侧堤岸沉积剖面对比图（a）测量点4，扇根辫状河道；（b）测量点7，扇中辫状河道；（c）测量点8，扇端辫状河道两侧堤岸；（d）测量点12，曲流河河道两侧堤岸Fig.4 Sedimentary characteristics of an alluvial fan braided channel,meandering stream channel,and levee in the Kuqa River

2.3 曲流河沉积特征

库车河由冲积扇端进入冲积平原沉积区发育曲流河沉积，曲流河道、废弃河道、天然堤、河漫滩等沉积微相发育，由冲积平原上游区至下游区废弃河道增加明显，废弃河道带宽度超过2 km，以大面积砂泥质沉积为主，大面积盐碱地及大量芦苇等植被发育。

冲积平原曲流河沉积区设置了3个测量点，近端测量点11 位于克孜勒敦南5 km，坐标为41°36'46" N，83°12'33" E，现今海拔为985 m，处于测量点10南部（下游）2 km 左右。此处库车河演化为曲流河沉积，河道宽约50 m，点坝（边滩）发育，宽度为90～110 m，长度为130～200 m。点坝主要为沙质沉积，顶部沙波构造明显，显示低流速特征，沙波迎水面缓，沙波长20 cm左右，宽10～20 cm，并见鸟类足迹，河道内小砾石与沙质沉积（图3e，f）。主要砾径为0.34～3.83 cm，平均值为1.24 cm，最大为7.0 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩、石英岩等（表1）。河道两侧堤岸高1m左右，沙质沉积为主，并见平行层理、沙纹层理，堤岸上芦苇等植被发育。

中部的测量点12 位于湿地南侧，坐标为41°34'12" N，83°15'29" E，现今海拔为976 m，处于测量点11 南部（下游）7.5 km 左右。此处为曲流河沉积，间或河道较顺直，宽约30 m，点坝（边滩）发育，宽度为10～20 m，长度为30～50 m，点坝顶部沙波构造发育（图3g）。河道与点坝主要为沙质沉积，沙波构造明显，并见鸟类足迹，河道内小砾石沉积物少，主要为河道底部滞留沉积。主要砾径为0.16～1.49 cm，平均值为0.46 cm，最大为1.7 cm。砾石成分主要为花岗岩、糜棱岩、凝灰岩、灰岩、砂岩，少量为安山岩、千枚岩、石英岩等（表1）。该测量点河道窄，河道顺直，两侧堤岸发育，一侧堤岸高度为40～80 cm，另一侧堤岸高度为1.5～2.5 m。堤岸以沙质沉积为主，平行层理、沙纹层理发育，堤岸上芦苇等植被发育（图3h）。

曲流河下游远端的测量点13 位于湿地南侧10.0 km，坐标为41°32'3" N，83°20'55" E，现今海拔为968 m，处于测量点12 南部（下游）10.0 km 左右。该处以曲流河沉积为主，河道宽20～30 m，点坝不发育，河道内沙质沉积为主，沙波构造明显，砾石不发育。两侧堤岸高1.0～1.5 m，堤岸下部发育沙纹层理，上部发育平行层理，顶部大量芦苇等植被生长（图3i，j）。

3 顺源沉积特征

3.1 河道与堤岸沉积变化

平面上，库车河山间辫状河段河谷宽由280～670 m，逐渐演变至宽700～900 m。出山口后形成冲积扇，冲积扇根顶点处河谷宽90～110 m，向下游逐渐演变至宽970 m 左右。冲积扇扇中近端辫状河道带宽600～800 m，中部—远端辫状河道带宽1 000～2 600 m，最宽可达4 400 m。冲积扇扇端近处由辫状河道带演变为单一径流河道，宽度收窄至260 m 左右，扇端中部—远端单一径流河道宽度小于200 m。至冲积平原曲流河沉积，河道宽度一般为50 m，向下游逐渐演变至宽20～30 m。

垂向上，冲积扇扇根辫状河道主要发育粗大砾石—砂砾质互层沉积，呈多期正韵律叠加，每期河道底部以砾质冲刷侵蚀砂砾质为主，沉积构造以块状为主（图4a）。可见多期河道与辫状坝相互叠置，河道内以砾石质为主，坝体内可见砾质与沙质沉积，并见明显的河道砂砾质前积构造，表明沉积水动力较强。冲积扇扇中以广泛分布的辫状分流河道带为主，垂向上多期河道叠置，与扇根相比，辫状河道相互切割频繁，且水流方向变化较大，每期河道砂砾质侧向尖灭特征明显（图4b）。河道内砂砾质较扇根变小明显，以多期正韵律叠置为主，沉积构造以块状为主，局部见平行层理。

如图4c 所示，冲积扇扇端由于受单一径流河道下切作用明显，河道两侧堤岸高约3 m，堤岸沉积物主要为中细沙质、粉细沙质，平行层理较发育，可见生物钻孔，顶部大量芦苇等植物生长。至冲积平原曲流河沉积区，河道下切作用减弱，两侧堤岸发育，一侧堤岸高度为40～80 cm，另一侧堤岸高度为1.5～2.5 m。堤岸以粉细沙质沉积为主，平行层理、沙纹层理发育，堤岸上芦苇等植被发育（图4d）。

3.2 河道弯曲度变化

弯曲河道是最常见的河型之一，广泛存在于冲积平原河流中，自然条件下遵循“凹冲凸淤”或过度弯曲条件下的“裁弯取直”、“切滩撇弯”等演变[21]。河湾的显著特点是具有曲折迂回的几何形态和蜿蜒蠕动的动态特征，天然河湾是指从弯道进口位置算起，沿水流方向经过弯顶，直至出口位置的整个弯曲的流路。河湾形态的类型具有鹅头型、V型、U型、Ω型，其中鹅头型和V型是天然河湾发育的前期阶段，U型是发育的中间阶段，Ω型是发育晚期阶段，而天然河湾的几何形态多为不规则[22]。

河湾的弯曲度，即河流曲度，是指河流实际长度与河流起迄断面的直线距离的比值，可用公式（1）表示[22-27]：

式中：K 为单一河流曲度；La 为河流实际长度；Ls 为河流起迄断面直线距离。

天然河湾形态演变可分为横向变形或向下游蠕动这两个过程，经历“微弯—强弯—裁弯”周期性的演变模式，弯曲度K 数值越大表示单个河湾弯曲变形越强烈[22]。前人对河流曲度进行了分类及研究[23,26-28]，一般认为K=1.0～1.05 为顺直型，K=1.05～1.3为低弯度型，K=1.3～2.0为高弯度型，K＞2.0为特高弯度型。

自库车河冲积扇扇端的测量点8开始，由辫状分流河道带演变为单一径流河道，河道向下游逐渐演变为低弯度曲流河、高弯度曲流河。如图5 所示，选取冲积扇扇端测量点9和曲流河测量点11的两段蛇曲河道段进行测量，河湾两点的河道实际长度分别是La1为590.2 m，La2为675.4 m，河湾两点河道直线距离分别是Ls1为700.0 m，Ls2为1 167.0 m，计算所得两处的河道曲度分别是K1为1.14，K2为1.67，进而认为冲积扇端单一径流河道为低弯度曲流河，冲积平原上为高弯度曲流河。低弯度曲流河发育处沉积坡度为0.25°，边滩（点坝）宽度达150 m，长度为400 m。高弯度曲流河的沉积坡度则降低至0.07°，点坝（边滩）宽度为90～110 m，长度为130～200 m。可见沉积地形平坦、稳定、坡度小是曲流河发育的地形条件。河流的形成是其自动调整的结果，在河水流量和泥沙含量一定的情况下，河流将调整其坡降比、形态、河床物质组成等，最终调整河型，使得上游的水和泥沙能够通过下游河段下泄，保持相对平衡[29]。

图5 库车河现代冲积扇端低弯度曲流河—冲积平原上高弯度曲流河变化特征Fig.5 Evolution of a low sinuosity river with a distal alluvial fan and high sinuosity river in the Kuqa River

3.3 砾石径变化与沉积搬运距离关系

库车河山间辫状河、冲积扇辫状河道及坝体、曲流河道内分布大量砾石质沉积物，开展了砾石a 轴(长径)、b 轴(中径)和c 轴(短径)的长度和砾石排列分布的倾向与倾角的测量工作（表1）。如表1 沿物源区—沉积区下游设置了多个考察点，在每个考察点根据砾石沉积特征的不同，选取多个测量点，每个测量点面积大于1 m2，并随机选取大于100个砾石进行测量。在获得大量数据基础上，建立了平均砾径与沉积搬运距离关系式。选取的砾石主要分布在河道内（含辫状坝），即在牵引流作用下的砾石沉积物，由此建立的平均砾径（）与沉积搬运距离（S）之间的关系符合从源到汇的地质条件。

表1所示，由山间辫状河、冲积扇辫状河道、曲流河（测量点1～12），平均砾径随沉积搬运距离的增大，呈明显的线性递减特征。如在测量点1 山间辫状河平均砾径为10.64 cm，至测量点4冲积扇根平均砾径为7.6 cm，测量点7 冲积扇中辫状河道平均砾径为4.35 cm，测量点9 冲积扇端低弯度河平均砾径为2.39 cm，以及测量点12曲流河沉积的平均砾径降低至0.46 cm。砾石的沉积搬运距离为63.53 km，平均砾径减少了95.7%，并向下游逐步演化为以沙质沉积为主。对平均砾径变化值与沉积搬运距离进行了数据拟合，建立了如下关系式（图6）：

图6 库车河现代山间辫状河—冲积扇—曲流河砾径变化与沉积搬运距离关系图Fig.6 Relationship between average gravel diameter and transport distance in the Kuqa River

3.4 沉积物沙质组分变化

依据《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X射线衍射分析方法》SY/T 5163—2018 标准，对库车河现代山间辫状河—冲积扇—曲流河沙质沉积物进行了碎屑组分测试分析。结果显示，各沉积体系中的沙质组分主要为石英、钾长石、斜长石、方解石、角闪石、白云石、黏土矿物等（表2、图7）。石英矿物抗风化能力强，由山间辫状河—冲积扇扇端辫状河道带含量分布较稳定，含量较高，主要介于40%～60%。至冲积平原的曲流河沉积段，含量降低至40%以下；长石矿物抗风化能力较弱，容易发生风化且稳定性较差，长石类矿物整体含量较低，在山间辫状河—冲积扇扇端沉积段主要为6%～15%，至冲积平原曲流河沉积段含量有增加；角闪石矿物属于不稳定矿物，抗风化能力弱，在山间辫状河—冲积扇扇端的近源沉积段含量为2%～5%，至冲积平原曲流河沉积段含量降低至2%以下；黏土矿物整体上山间辫状河段含量较高，为17.1%～23.1%，至冲积扇沉积段含量分布较稳定，介于10%～15%，至冲积平原曲流河沉积段含量降低至10%以下。由表2可知，沙质沉积物搬运距离大于70 km，石英、长石等骨架颗粒的整体含量有增加，泥质等黏土矿物含量有降低，表明矿物成分成熟度有增加，但由于搬运距离仍较短，分异度不高。

表2 库车河现代山间辫状河—冲积扇—曲流河沙质沉积物的碎屑组分统计表Table 2 The clastic components of sandy sediments in mordern intermountain braided rivers,alluvial fans,and meandering rivers of the Kuqa River

图7 库车河现代沙质沉积物中各种矿物的含量与沉积搬运距离关系Fig.7 Relationship between the contents of the main sandy components and transport distance in the Kuqa River

4 山间辫状河—冲积扇—曲流河沉积演化控制因素

4.1 沉积表面坡度

对库车河现代山间辫状河—冲积扇—曲流河的沉积体系表面多个实际测量点的海拔高度，及以前一测量点为基准的直线距离进行了测量，计算出各沉积体系表面降低的梯度，即沉积体系表面每延伸1 km 所降低的高度差[30]。在此基础上，计算出各测量点的沉积体表面坡度（表3、图8），山间辫状河沉积坡度值是0.50°，冲积扇扇根—扇中沉积坡度值范围增大明显，分别是0.47°、0.59°、0.62°、0.70°、0.60°，冲积扇扇端单一径流河道—低弯度河沉积坡度值降低明显，分别是0.62°、0.25°、0.15°，曲流河沉积坡度值最小，分别是0.07°、0.09°、0.06°。表明山间辫状河—冲积扇扇根—扇中—扇端—曲流河的河床的沉积坡度变化具有明显的阶段性（图8）。

表3 库车河现代山间辫状河—冲积扇—曲流河沉积体表面坡度值计算表Table 3 Gradient from mountain braided river to alluvial fan and meandering stream in the Kuqa River

图8 库车河现代山间辫状河—冲积扇—曲流河沉积体表面坡度值变化图Fig.8 Gradient from mountain braided river to alluvial fan and meandering stream in the Kuqa River

由表3可知，测量点1～2的山间辫状河的沉积坡度值为0.50°，辫状河道的河谷宽度范围较大，可达280～900 m；至库车河出山口—冲积扇扇根，测量点3～4，沉积坡度值增大至0.59°，冲积扇扇根河谷宽90～970 m；至冲积扇扇中，测量点5～7，河道由单一辫状河道变化为复合辫状河道带，河谷变宽，一般为1 000～2 600 m，最宽处可达4 400 m；至冲积扇扇端，测量点8～10，沉积坡度值降低明显，由0.62°降低至0.15°，由辫状河道河道带演变为单一径流河道的低弯度曲流河，河道宽度由4 400 m骤减至小于200 m；至高弯度曲流河沉积，测量点11～13，沉积坡度值达到最低，为0.06°，曲流河河道宽为50 m，逐步降低至20～30 m。由上述分析可知，沉积坡度的突然变大或者变小，会引起河道类型、河道宽度的变化等的变化。

4.2 气候及水流量

沉积区的气候、降水量以及河水流量等均对沉积体系演化具有重要影响[31]。库车河自兰干水文站出山口后，冲积扇至冲积平原区属典型的温带大陆性干旱气候，年平均气温10.5 ℃～14.4 ℃[32]。1960年—2010年来，多年平均降水量为120.3 mm，年均蒸发量为1 992.0～2 863.4 mm，属于干旱与极端干旱地区。具有气候干燥、冬冷夏热、降水量少、蒸发量大且气温变化大等特征[33-34]。库车河径流补给主要来源于夏季降雨，1985年—2010年共26年的实测多年平均流量为15.05 m3/s[15]。由于降水量较少，季节性河流特征明显，缺少大面积汇水区，地表径流水源主要由高山冰雪融水及大气降水，由于缺乏植被覆盖，强降雨易形成山洪，洪水快速流动裹挟着大量泥沙沉积物长距离向盆地中心推进。在此过程中，由于干旱区的强烈蒸发与下渗作用，大部分的洪水与河流会消失于荒漠，同时也将携带的沉积物卸载于同一地带[10]。在干旱气候条件下，库车河冲积扇自出山口南北长约27 km，东西宽约30 km，冲积平原河流相沉积延伸100 km以上。但与潮湿气候下形成的湿地扇相比，规模偏小。湿地扇发育长期山区水流，水动力相对平稳，沉积物形成较慢，风化和搬运时间长，沉积物粒度较细、磨圆较好，沉积厚度总体较小，但平面规模较大，是干旱地区洪积扇平面范围的几倍甚至几十倍[3,35]。

4.3 沉积物物质成分

在干旱气候环境下，植被稀少，气温昼夜变化大，岩石的剥落、劈裂、压碎等机械风化作用强烈。干旱地区风是主要地质营力之一，风吹砂和尘土的磨蚀作用会进一步加剧岩石的机械风化作用，进而在母源区形成丰富的碎屑物质[10]。在库车河山间辫状河、冲积扇沉积区以砂砾质沉积物为主，河水对砂砾质侵蚀下切较为困难，故沉积水体多以表面片流状特征为主，特别是辫状河道中的砂砾质坝体形态也对水流特征有所影响。前人通过物理模拟实验并结合野外考察[36]，认为辫状复合沙坝的形成受侵蚀机制影响，如图9所示，最初河道内水流集中在孤立的、不连续的冲刷槽中，泥沙通常在冲刷槽的下游末端形成沙丘和横向沙坝（图9a）。随着泥沙的不断堆积，沙坝不断生长与合并，形成中心沙坝和点状沙坝（图9b）。沙坝的形成与合并迫使水流加速和水位抬升，坝顶水流侵蚀沙坝，产生多条分汊水道，被切割后的沙坝作为中心沙坝留在辫状河道中（图9c）。冲积平原高弯度曲流河沉积区，沉积物以砂泥质为主，河水对其侵蚀下切较容易，故沉积水体较深，堤岸固定河道，河道形态则以蛇曲状为主[31]。

图9 辫状河道内辫状复合坝体演化过程模式图（据文献[36]修改）（a）河床演变；（b）复合沙坝生成；（c）复合沙坝切割Fig.9 The pattern diagram of evolution process of braided composite bar in braided river (modified from reference [36])

5 结论

（1）位于新疆的库车河属于干旱气候下的季节性河流，其由山间的辫状河沉积，演变至出山口后的冲积扇—冲积平原曲流河沉积。由出山口至下游冲积平原内河水散失，库车河延伸超过100 km，逐一发育近源的冲积扇扇根辫状河道、泥石流、片流等沉积，扇中发育大面积的辫状分流河道带沉积，扇端发育单一径流河道（低弯度曲流河）沉积，并向下游逐步演化为冲积平原上的高弯度曲流河沉积，最后河水散失于远离南天山前的冲积平原内。

（2）干旱气候下库车河现代山间辫状河—冲积扇—冲积平原上曲流河沉积体在平面上连续分布，河流形态、河道宽窄变化等与沉积坡度密切相关，砾质沉积物的砾径变化与沉积搬运距离呈负相关关系，沙质沉积物由近源—远源分布范围增大明显。各沉积体的展布范围受库车河河道类型控制并紧密关联，而河道类型的变化主要受控于沉积坡度、沉积物特征、水流量变化等。