砂質(zhì)辮狀河心灘沉積演化規(guī)律與沉積構(gòu)型特征
——基于沉積數(shù)值模擬的認(rèn)識(shí)

雷 濤，任廣磊，李曉慧，馮文杰，孫華超

［1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢），湖北 武漢 430074；2.中國(guó)石化 華北油氣分公司 勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南 鄭州 450006；3.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100］

辮狀河是一種常見(jiàn)河流類(lèi)型，根據(jù)沉積物粒度粗細(xì)差異，可將其分為礫質(zhì)辮狀河和砂質(zhì)辮狀河兩類(lèi)［1］。砂質(zhì)辮狀河廣泛見(jiàn)于太古代至今的所有地層記錄中，主要發(fā)育于坡度較緩的沖積平原上，可形成大規(guī)模、寬帶狀、泛連通的優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集體［2］。在中國(guó)鄂爾多斯、準(zhǔn)噶爾、塔里木、松遼和渤海灣等大型含油氣盆地內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了大規(guī)模砂質(zhì)辮狀河成因的油氣儲(chǔ)層［3-12］。作為砂質(zhì)辮狀河主要沉積單元，心灘具有規(guī)模大、連通性強(qiáng)、物性較好等優(yōu)勢(shì)特征，往往是砂質(zhì)辮狀河成因油氣藏的主要開(kāi)發(fā)目標(biāo)［13-14］。由于砂質(zhì)辮狀河形成過(guò)程中辮狀河道頻繁遷移，心灘的沉積過(guò)程及其內(nèi)部構(gòu)型十分復(fù)雜，對(duì)于心灘內(nèi)部構(gòu)型認(rèn)識(shí)的不足制約了油氣資源的高效開(kāi)發(fā)，因而心灘沉積特征與內(nèi)部構(gòu)型一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)［14］。

目前針對(duì)砂質(zhì)辮狀河心灘沉積構(gòu)型的研究主要依賴(lài)于野外露頭沉積學(xué)分析、現(xiàn)代沉積觀察及地下儲(chǔ)層密井網(wǎng)解剖，而對(duì)于砂質(zhì)辮狀河心灘的成因與構(gòu)型模式研究主要依賴(lài)前兩者。地質(zhì)學(xué)家根據(jù)現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河地貌形態(tài)的差異提出了兩種較為經(jīng)典的沉積構(gòu)型模式，即“南薩斯喀徹溫型”和“普拉特型”［15-16］。國(guó)內(nèi)多位學(xué)者對(duì)大同盆地侏羅系云岡組、黃河禹門(mén)口-永濟(jì)段、山西寶德扒樓溝二疊系山西組、阜康、柳林及延安地區(qū)的古代、現(xiàn)代砂質(zhì)辮狀河進(jìn)行沉積構(gòu)型解剖，發(fā)現(xiàn)了典型的心灘-水道充填組合及心灘內(nèi)部落淤層，并建立了較為完善的沉積構(gòu)型模式［17-22］。

前人通過(guò)現(xiàn)代沉積、露頭解剖及水槽模擬實(shí)驗(yàn)研究建立了砂質(zhì)辮狀河及其內(nèi)部心灘的理想沉積模式并探討了沉積物成分、水動(dòng)力、植被發(fā)育情況對(duì)辮狀河沉積特征的影響機(jī)制，但對(duì)于各種類(lèi)型的心灘在形態(tài)學(xué)和內(nèi)部構(gòu)型上的差異及其成因缺乏研究［23-30］。這也限制了地下砂質(zhì)辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型解剖的進(jìn)一步深入。長(zhǎng)期以來(lái)，地下砂質(zhì)辮狀河沉積構(gòu)型解剖主要依賴(lài)于理想的“心灘-河道” 組合式的模式指導(dǎo)［31-34］，解剖出的心灘大部分以渾圓的橢圓狀為主，心灘內(nèi)部夾層也主要為上凸?fàn)畋?，難以達(dá)到對(duì)不同類(lèi)型的心灘的構(gòu)型樣式及其內(nèi)部夾層進(jìn)行有區(qū)別的精細(xì)解剖。這主要受限于兩方面的因素：①露頭、現(xiàn)代沉積及地下地層鉆探資料數(shù)量有限、多解性強(qiáng)、分辨率有限、完整度低，目前三維地震資料分辨率十分有限，多數(shù)情況下僅能識(shí)別河道，分辨心灘已十分困難，更不要說(shuō)識(shí)別心灘內(nèi)部構(gòu)型特征了［3］；②基于靜態(tài)的露頭及十分有限的現(xiàn)代沉積演化觀察資料無(wú)法明確砂質(zhì)辮狀河動(dòng)態(tài)演化過(guò)程，因而難以深入理解各種類(lèi)型心灘的內(nèi)部構(gòu)型特征及其差異性。在砂質(zhì)辮狀河心灘沉積構(gòu)型研究方面，尚存在如下科學(xué)問(wèn)題有待深入探索，包括：①各類(lèi)心灘沉積構(gòu)型模式及其差異性尚不明確；②砂質(zhì)辮狀河內(nèi)部各類(lèi)心灘的沉積動(dòng)力學(xué)成因機(jī)制仍不明確。

近年來(lái)，基于Delft3D 軟件進(jìn)行三維水動(dòng)力場(chǎng)沉積數(shù)值模擬的技術(shù)逐步發(fā)展成熟并成功應(yīng)用于三角洲、河流沉積學(xué)研究［35-40］，為沉積學(xué)家從沉積動(dòng)力學(xué)的角度研究沉積過(guò)程與沉積構(gòu)型提供了一種有力的手段。本文通過(guò)基于三維水動(dòng)力場(chǎng)的沉積數(shù)值模擬，深入探索砂質(zhì)辮狀河各類(lèi)心灘沉積演化規(guī)律，明確其成因動(dòng)力條件，闡明其沉積構(gòu)型特征，對(duì)于指導(dǎo)油氣精細(xì)勘探開(kāi)發(fā)有著重要的實(shí)際意義，同時(shí)，對(duì)于深化河流沉積學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究具有較大的理論意義。

1 研究方法與沉積模擬

本文采用基于三維水動(dòng)力場(chǎng)連續(xù)解算的沉積數(shù)值模擬軟件Delft3D 開(kāi)展砂質(zhì)辮狀河沉積過(guò)程模擬，獲得沉積地貌演化序列數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上通過(guò)地貌演化解析明確砂質(zhì)辮狀河形成與演化過(guò)程中心灘平面形態(tài)與內(nèi)部構(gòu)型特征。

1.1 沉積數(shù)值模擬方法原理

Delft3D 軟件是由荷蘭代爾夫特大學(xué)Deltares 中心開(kāi)發(fā)的三維水動(dòng)力數(shù)值模擬軟件，主要包含F(xiàn)low，Wave 和Part 等模塊。本研究采用適用于河流沉積過(guò)程模擬的Flow 模塊開(kāi)展模擬。模擬過(guò)程遵循流體動(dòng)量守恒與物質(zhì)守恒定律，主要包括4個(gè)計(jì)算步驟：①通過(guò)求解納維-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations，N-S equations），獲得模擬網(wǎng)格內(nèi)水體流動(dòng)狀態(tài)；②計(jì)算沉積物搬運(yùn)量、沉積量及侵蝕量；③根據(jù)①和②的計(jì)算結(jié)果計(jì)算沉積地貌、沉積物等參數(shù)；④保存計(jì)算結(jié)果并更新模擬數(shù)據(jù)。Flow模塊通過(guò)第①—④步的循環(huán)計(jì)算實(shí)現(xiàn)沉積過(guò)程的連續(xù)動(dòng)態(tài)模擬［37-38］。為了準(zhǔn)確模擬砂質(zhì)沉積物在辮狀河水體驅(qū)動(dòng)下的搬運(yùn)、沉積、侵蝕作用，選擇Engelund-Hansen公式用于沉積物搬運(yùn)計(jì)算［41-42］。

1.2 模擬邊界條件設(shè)定與模擬驗(yàn)證

為確保模擬結(jié)果與自然界砂質(zhì)辮狀河沉積記錄的相似性，模擬實(shí)驗(yàn)以鄂爾多斯盆地北部下石盒子組砂質(zhì)辮狀河為實(shí)例參考，獲取其古水動(dòng)力參數(shù)并據(jù)此設(shè)定模擬參數(shù)。鄂爾多斯盆地北部下石盒子組發(fā)育典型的砂質(zhì)辮狀河，在陜西榆林市府谷縣有出露條件良好的野外露頭剖面群，同時(shí)也是大牛地氣田的主力產(chǎn)層，有大量的鉆井及取心分析資料，可支撐古水動(dòng)力分析?；谙率凶咏M辮狀河沉積動(dòng)力條件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)于指導(dǎo)辮狀河儲(chǔ)層油氣精細(xì)勘探開(kāi)發(fā)有著重要的實(shí)際意義，同時(shí)，對(duì)于深化河流沉積學(xué)和儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究具有較大的理論意義。

根據(jù)鄂爾多斯盆地大牛地氣田儲(chǔ)層巖心分析和府谷天生橋露頭樣品分析，綜合可得，下石盒子組砂質(zhì)辮狀河寬1～6 km，心灘單期增生砂體厚度1～8 m，主要巖性為中砂巖，沉積物中值粒徑為300 μm，主要礦物成分為石英，沉積時(shí)期古地貌坡度為0.005°～0.060°［9，43］。根據(jù)單期增生砂體厚度及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算［43］，認(rèn)為下石盒子組沉積時(shí)期平均古水深為4～6 m，流速范圍為0～4.5 m/s。

根據(jù)上述古水動(dòng)力資料，首先設(shè)定了一個(gè)長(zhǎng)80 km、寬3.2 km 的模擬網(wǎng)格，按照50 m×20 m 的精度剖分為1 600×160 個(gè)網(wǎng)格單元，這一網(wǎng)格單元對(duì)應(yīng)了下石盒子組辮狀河的平均規(guī)模，并具有足夠長(zhǎng)的模擬河段；在此基礎(chǔ)上確定了初始沉積底床，順源坡降為7.4 m/80 km（圖1）；然后以當(dāng)前模擬網(wǎng)格為基礎(chǔ)，在上游入水口給定多個(gè)流量進(jìn)行試算，并最終確認(rèn)流量為40 000 m3/s 時(shí)，模擬辮狀河平均水深與流速與下石盒子組沉積時(shí)期古水流特征最為接近；最后，根據(jù)沉積物粒度數(shù)據(jù)，設(shè)定了細(xì)砂、中砂、粗砂及巨砂4 種組分，并按照25 %，50 %，15 %及10 %的比例供應(yīng)上述砂質(zhì)沉積物，以保證供應(yīng)的砂質(zhì)沉積物中值粒徑約為300 μm。此外，按照一般河流中泥質(zhì)與砂質(zhì)沉積物比例（2∶1～10∶1）設(shè)定砂質(zhì)沉積物供給濃度為2 kg/m3，泥質(zhì)沉積物供給濃度為10 kg/m3。最后，在參考同類(lèi)模擬實(shí)驗(yàn)［37，44］的基礎(chǔ)上，確定了各項(xiàng)模擬參數(shù)（表1）。

表1 砂質(zhì)辮狀河沉積數(shù)值模擬參數(shù)Table 1 Parameters for the sedimentary numerical simulation of a sandy braided river

圖1 砂質(zhì)辮狀河模擬網(wǎng)格與初始水深分布Fig.1 Simulation grid and initial water depth distribution of a sandy braided river（X為模擬區(qū)橫坐標(biāo)，Y為模擬區(qū)縱坐標(biāo)。）

1.3 沉積演化過(guò)程與構(gòu)型分析方法

在Delft3D 模擬過(guò)程中，可按照一定的時(shí)間步長(zhǎng)保存模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括：水深、流速、流向、沉積物搬運(yùn)負(fù)載（包括底床搬運(yùn)和懸浮搬運(yùn)）、沉積地貌、沉積物成分比例等數(shù)據(jù)，可用于沉積演變過(guò)程分析和沉積構(gòu)型解析。本文以沉積模擬產(chǎn)生的時(shí)間序列化河床地貌數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用自主設(shè)計(jì)和編寫(xiě)的沉積過(guò)程解析沉積構(gòu)型分析軟件（Quantitative Sedimentary Architecture Analysis Software，QSAAS），開(kāi)展沉積演化過(guò)程分析與沉積構(gòu)型解剖。該軟件可載入Delft3D 模擬產(chǎn)生的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)，按照給定的時(shí)間間隔抽取序列化的沉積地貌數(shù)據(jù)，計(jì)算整個(gè)模擬過(guò)程中的沉積、侵蝕、充填過(guò)程及沉積體的最終保存狀態(tài)，按照模擬時(shí)間順序重構(gòu)數(shù)字化的二維構(gòu)型剖面和三維沉積體。

2 心灘形成與演化過(guò)程

2.1 河床地貌演化過(guò)程

在沉積數(shù)值模擬中，初始底床均為平緩的砂質(zhì)層，代表辮狀河形成之前的平緩地形，經(jīng)過(guò)1 900余個(gè)模擬步長(zhǎng)的模擬，辮狀河沉積地貌經(jīng)歷了5 個(gè)階段的演變（圖2）。

①底床砂在水流的推動(dòng)作用下開(kāi)始逐步演化，形成小規(guī)模的、接近菱形的沙丘/沙壩（圖2a）。

②經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的連續(xù)演變，菱形沙壩逐步遷移、合并、改造，形成類(lèi)似舌尖的“舌狀”沙壩，其迎水面兩側(cè)可見(jiàn)較深的辮狀水道雛形，此時(shí)河道尚不連續(xù)，實(shí)際上為局部的沖刷溝（圖2b）。

③辮狀河進(jìn)一步演化導(dǎo)致舌狀沙壩逐步向下游遷移、合并，形成現(xiàn)代辮狀河中普遍存在的心灘，這類(lèi)心灘具有較短的迎水邊界和較長(zhǎng)的背水邊界，整體呈上下游不對(duì)稱(chēng)的近橢圓狀，此時(shí)辮狀河道也逐步成形，但其長(zhǎng)度仍較為有限（圖2c）。

④在持續(xù)的水流與沉積物供應(yīng)下，單元壩進(jìn)一步遷移、演變、復(fù)合（拼接），形成復(fù)合沙壩，這種沙壩整體形態(tài)與單元壩類(lèi)似，但其規(guī)模更大、地貌特征也更復(fù)雜（圖2d）。

⑤復(fù)合沙壩邊部和頂部受到漫溢水流侵蝕改造，形成較復(fù)雜的竄溝體系（圖2e）。

在數(shù)值模擬中，辮狀河沉積地貌的改變是連續(xù)的、階段性的，這一演變過(guò)程是導(dǎo)致心灘與辮狀河道沉積特征與內(nèi)部構(gòu)型復(fù)雜的主導(dǎo)因素。

2.2 心灘類(lèi)型與演變規(guī)律

根據(jù)辮狀河演化過(guò)程中沙壩與辮狀河道網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)特征，可識(shí)別出5 類(lèi)心灘，包括菱形壩、舌形壩、單元壩、復(fù)合壩和復(fù)合改造壩（圖3）。

圖3 不同模擬階段心灘形態(tài)與沉積厚度分布特征Fig.3 Morphology and sedimentary thickness distributions of mid-channel bars at different stages in simulation

本模擬中，在平坦的砂質(zhì)底床上，辮狀河的演化過(guò)程可分為心灘雛形形成、菱形壩形成、舌形壩形成、單元壩形成、復(fù)合壩形成和復(fù)合改造壩形成（圖3）。經(jīng)歷過(guò)上述6 個(gè)階段的演化后，在不改變砂質(zhì)辮狀河外部沉積條件的情況下，辮狀河沉積特征漸趨穩(wěn)定（圖2，圖3）。

在演化早期，心灘的形態(tài)變化較快、向下游遷移速率也較快（圖3a—c）；而隨著單元壩型心灘的形成并逐步遷移合并成復(fù)合壩，心灘的演化速率逐步減慢，整體趨于保持穩(wěn)定（圖3d—f）；復(fù)合壩形成后，一方面其邊緣部位仍存在較緩慢的變化（圖3h），而另一方面其頂部往往被淺水改造而形成眾多沖溝（圖3g—h）。

2.3 辮狀河沉積演變過(guò)程動(dòng)力學(xué)機(jī)制

2.3.1 辮狀河沉積動(dòng)力特征演變

在沉積數(shù)值模擬和水槽模擬中，盡管邊界條件（水流量、沉積物供應(yīng)、水位）保持恒定，辮狀河的水動(dòng)力條件也存在明顯的變化：隨著辮狀河心灘、辮狀河道的逐步演變，其內(nèi)部水動(dòng)力條件也隨之變化，而水動(dòng)力條件的變化進(jìn)一步促進(jìn)沉積地貌的變化，最終沉積地貌與水動(dòng)力條件進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，并保持到辮狀河生命周期結(jié)束。在整個(gè)模擬過(guò)程中，辮狀河道發(fā)育程度、流速等關(guān)鍵參數(shù)存在顯著的階段性變化特征（圖4，圖5）。

圖4 砂質(zhì)辮狀河沉積演化過(guò)程中水動(dòng)力條件變化過(guò)程Fig.4 Changes in hydrodynamic conditions during the sedimentary evolution of a sandy braided river

圖5 砂質(zhì)辮狀河沉積演化過(guò)程中水體流速與流向分布（藍(lán)色箭頭示意流向）Fig.5 Water flow velocities and directions during the sedimentary evolution of a sandy braided river（blue arrows represent water flow directions）

采用辮狀河道發(fā)育面積代表辮狀河道發(fā)育程度，其獲取方式為：計(jì)算水流速度＞1 m/s 且水深＞0.5 m 的所有網(wǎng)格單元面積。由于整個(gè)模擬區(qū)的面積是一定的，故獲得辮狀河道分布區(qū)域的面積即可同時(shí)獲得辮狀河心灘面積。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在模擬的初期（1～610 步）辮狀河道覆蓋整個(gè)模擬區(qū)，此時(shí)尚無(wú)出露水面的心灘。隨后河道面積占模擬區(qū)域面積的比例開(kāi)始逐步減小至整體區(qū)域的50 %左右，顯示在沉積模擬過(guò)程中，心灘的面積逐步增大，而辮狀河道的面積占比則逐步縮小。在數(shù)值模擬的最后階段，河道面積減小速度已經(jīng)很低，辮狀河道體系整體趨于穩(wěn)定（圖4，圖5）。

平均流速指示了辮狀河的平均水動(dòng)力強(qiáng)度，雖然辮狀河的上游供水總是保持穩(wěn)定，但河床內(nèi)部水流速度卻存在變化：在心灘發(fā)育成形并出露水面之前，河床內(nèi)沙質(zhì)沉積物的逐漸堆積和心灘雛形的形成使得河床部分區(qū)域變淺，造成局部水流加速，因而整體水流速度緩慢升高；隨著單元壩的形成和出露水面，造成水體流動(dòng)空間進(jìn)一步縮減，導(dǎo)致水流開(kāi)始集中于辮狀河道內(nèi)，平均水流速度快速上升，而水流的集中和加速又進(jìn)一步提高了心灘的形成與演化速度。在這一過(guò)程中，單元壩快速遷移合并形成復(fù)合壩并進(jìn)一步受到改造。直到辮狀河沉積演化成熟穩(wěn)定后，辮狀河道體系與心灘的分布樣式穩(wěn)定，水流速度平均值進(jìn)入穩(wěn)定的輕微震蕩狀態(tài)，并一直持續(xù)到模擬結(jié)束（圖4，圖5）。

在整個(gè)模擬過(guò)程中，水流速度平均值代表的水動(dòng)力強(qiáng)度經(jīng)歷了緩慢升高、快速升高、維持穩(wěn)定3 個(gè)階段，相應(yīng)地，水流速度標(biāo)準(zhǔn)差也呈現(xiàn)出了3 個(gè)類(lèi)似的演變過(guò)程，顯示隨著水流速度平均值的提升，水流速度的差異也在逐步增大，即在整個(gè)模擬區(qū)域內(nèi)由均勻近等速變?yōu)椴灰?guī)律、高低速差異明顯的狀態(tài)。在模擬中期，單元壩逐步復(fù)合，辮狀水道逐步發(fā)育成熟，并在復(fù)雜的心灘分布格局的影響下形成了一定水流速度分異，導(dǎo)致流速標(biāo)準(zhǔn)差快速升高。到模擬后期，即復(fù)合心灘形成后的演化過(guò)程中，心灘頂部出現(xiàn)的一系列竄溝，其流速較緩，這導(dǎo)致流速標(biāo)準(zhǔn)差的進(jìn)一步升高（圖4）。

2.3.2 心灘連續(xù)演變動(dòng)力機(jī)制

根據(jù)流速與地貌疊合圖分析可知，各類(lèi)心灘的連續(xù)性演化受到水流樣式及其變化的主導(dǎo)。在平坦底床上，水流受河岸阻滯產(chǎn)生二次流并向?qū)Π秱鲗?dǎo)形成水波干涉，導(dǎo)致心灘雛形形成并逐步生長(zhǎng)為菱形壩（圖5a，b）。菱形壩約束水流并導(dǎo)致沉積物與水流先匯聚后發(fā)散，從而形成舌形壩（圖5c）。舌形壩生長(zhǎng)至相互接觸后使得水流變得不規(guī)律且逐步聚集形成辮狀水道并進(jìn)一步導(dǎo)致單元壩形成（圖5d，e）。單元壩在不同辮狀水道內(nèi)不同強(qiáng)度的水流驅(qū)動(dòng)下發(fā)生差異化順流遷移，不同單元壩的遷移速率差異導(dǎo)致獨(dú)立的單元壩在河床相互“追趕”并最終發(fā)生“碰撞”，從而形成復(fù)合壩（圖5f）。復(fù)合壩形成后辮狀水道逐步趨于穩(wěn)定，部分水流漫過(guò)復(fù)合壩頂部并改造其地貌，形成頂部發(fā)育諸多沖溝的改造復(fù)合壩（圖5g，h）。

3 心灘定量規(guī)模

在模擬過(guò)程中，隨著心灘形態(tài)與類(lèi)型的逐步演變，其規(guī)模也存在顯著的差異性。以50 個(gè)模擬步長(zhǎng)為間隔，測(cè)量了模擬過(guò)程中不同階段辮狀河心灘的長(zhǎng)、寬及長(zhǎng)寬比。根據(jù)每一模擬步長(zhǎng)結(jié)束后的測(cè)量結(jié)果，計(jì)算心灘長(zhǎng)度、寬度及長(zhǎng)寬比平均值，結(jié)果表明：

①?gòu)牧庑螇蔚陌l(fā)育到復(fù)合壩的形成，辮狀河心灘的長(zhǎng)度和寬度逐步增大，進(jìn)入改造復(fù)合壩發(fā)育階段后心灘長(zhǎng)度和寬度逐步趨于穩(wěn)定（圖6）。

圖6 模擬辮狀河演化過(guò)程中心灘規(guī)模變化曲線Fig.6 Curves showing scale variation of the mid-channel bars in the simulated evolutionary process of a braided river

②心灘規(guī)模的增加與其類(lèi)型演變存在直接關(guān)聯(lián)。在菱形壩、舌形壩及單元壩發(fā)育階段，心灘規(guī)模的變化取決于這兩類(lèi)心灘的增生。進(jìn)入復(fù)合壩發(fā)育階段后，心灘規(guī)模的變化主要由單元壩的順源拼合導(dǎo)致，并主要體現(xiàn)在心灘長(zhǎng)度增加上。進(jìn)入改造復(fù)合壩發(fā)育階段，心灘的形態(tài)與規(guī)?；痉€(wěn)定，少數(shù)竄溝逐步深切并發(fā)育成辮狀河道，可能導(dǎo)致部分心灘被分割，引起心灘平均規(guī)模的小幅度波動(dòng)（圖6）。

③心灘長(zhǎng)/寬比變化規(guī)律存在“三段式”特征，在菱形壩發(fā)育階段長(zhǎng)/寬比約為2.50，而在舌形壩發(fā)育階段長(zhǎng)/寬比僅為1.75，在單元壩-復(fù)合壩發(fā)育階段長(zhǎng)/寬比由2.00快速增加到4.00，并在改造復(fù)合壩發(fā)育階段緩慢增加到5.00后保持穩(wěn)定（圖6）。

4 心灘沉積構(gòu)型特征及其演變

根據(jù)沉積過(guò)程模擬結(jié)果，砂質(zhì)辮狀河心灘的主要類(lèi)型包括菱形壩、舌形壩、單元壩、復(fù)合壩及改造復(fù)合壩共5 種類(lèi)型。前4 種屬于砂質(zhì)辮狀河演化過(guò)程中的中間產(chǎn)物，而改造復(fù)合壩則是砂質(zhì)辮狀河演化成熟后的最終產(chǎn)物。

在自然界，由于辮狀河水動(dòng)力條件往往頻繁變化，造成上述5 類(lèi)心灘實(shí)際上是反復(fù)形成、偶爾保存、多數(shù)被侵蝕，構(gòu)型特征十分復(fù)雜。

4.1 菱形壩構(gòu)型特征

菱形壩形成于砂質(zhì)辮狀河演化早期階段，其平面形態(tài)多為較為理想的菱形，壩邊部順直。剖面結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，順流方向一般呈連續(xù)前積狀沉積在較為平坦或略有起伏的底形上（圖7a，b）；橫切水流方向上則呈現(xiàn)底平頂凸、內(nèi)部逐層加積式沉積，底形與菱形壩之間存在較明顯界面，壩內(nèi)部也可見(jiàn)側(cè)向遷移變化造成的大型底形（圖7c，d）。

圖7 菱形壩沉積構(gòu)型剖面Fig.7 Sections showing the sedimentary architecture of a lozenge-shaped bar

4.2 舌形壩構(gòu)型特征

舌形壩是一種常見(jiàn)的心灘類(lèi)型，在現(xiàn)代辮狀河中時(shí)有發(fā)現(xiàn)。其平面形態(tài)往往呈現(xiàn)典型的舌頭形態(tài)：上游舌根部水深較大，中游舌中部位水深較小、沉積物較寬厚，下游舌尖部位向外凸出、形態(tài)圓滑（圖8）。

圖8 舌形壩沉積構(gòu)型剖面Fig.8 Sections showing the sedimentary architecture of a tongue-shaped bar

舌形壩剖面構(gòu)型特征較菱形壩更復(fù)雜，順源剖面上具有明顯的先侵蝕底床、隨后沉積形成高角度前積體的特征（圖8a，b）；而在橫切水流方向的剖面上，舌形壩呈現(xiàn)明顯的由壩核向兩側(cè)壩緣側(cè)積的特征（圖8c，d）。舌形壩內(nèi)部可由多期次壩體切割疊置而成，且每一期的側(cè)積過(guò)程、方向及沉積體厚度與最終保留形態(tài)均存在一定程度的差異。

4.3 單元壩構(gòu)型特征

單元壩是砂質(zhì)辮狀河中最為典型的一類(lèi)心灘，平面上一般呈對(duì)稱(chēng)或不對(duì)稱(chēng)橢圓狀，迎水端與背水端形態(tài)往往比較“尖”（圖9）。辮狀水道呈交織狀分布于單元壩之間，構(gòu)成辮狀河的基本樣式。單元壩的剖面構(gòu)型特征較菱形壩、舌形壩復(fù)雜，順流剖面上可見(jiàn)多層前積、加積體切割疊置，一般底部前積體規(guī)模較大，向上厚度逐漸減薄，頂部變?yōu)楸蛹臃e層（圖9a，b）；橫切水流方向由多期次、不同方向的側(cè)積體構(gòu)成，側(cè)積體的規(guī)模同樣是下部較厚而上部較?。▓D9c，d），側(cè)積體由辮狀水道遷移形成，但以心灘增生的方式被保存下來(lái)。

圖9 單元壩沉積構(gòu)型剖面Fig.9 Sections showing the sedimentary architecture of a unit bar

單元壩的形成往往比較連續(xù)，即在一個(gè)較短的時(shí)間范圍內(nèi)連續(xù)演化而成，往往不會(huì)經(jīng)歷多期次的沉積改造作用。

4.4 復(fù)合壩構(gòu)型特征

復(fù)合壩的形成標(biāo)志著辮狀河的演化階段由初始狀態(tài)邁入成熟狀態(tài)。單元壩形成后，其頂部往往可出露水面，隨著演化的持續(xù)而逐步順流向下游遷移并發(fā)生單元壩的“碰撞”合并，導(dǎo)致復(fù)合壩的形成。復(fù)合壩一般面積較大、厚度也較大，分布穩(wěn)定，演化速率較低。平面上形態(tài)一般呈不規(guī)則的長(zhǎng)橢圓狀并仍保留迎水端與背水端。

復(fù)合壩的形成有賴(lài)于不同單元壩的向下游遷移速率差異，遷移速率較快的單元壩最終會(huì)與遷移速率較慢的單元壩“碰撞”。因而，“碰撞”時(shí)機(jī)的差異決定了復(fù)合壩的構(gòu)型特征，并表現(xiàn)為內(nèi)部增生體形成時(shí)間、形態(tài)及結(jié)構(gòu)的差異（圖10）。

圖10 復(fù)合壩沉積構(gòu)型剖面Fig.10 Sections showing the sedimentary architecture of a composite bar

復(fù)合壩在順流方向上由多個(gè)前積增生體垂向疊覆而成，壩內(nèi)往往發(fā)育辮狀水道，多為單元壩合并過(guò)程中的沉積產(chǎn)物（圖10a，b）。各期增生體之間往往具有統(tǒng)一的增生體分界面，這些分界面處沉積速率較慢，多沉積泥巖，形成儲(chǔ)層內(nèi)部夾層。復(fù)合壩頂部發(fā)育較多小規(guī)模水道，為心灘表面的沖溝（圖10a，b）。在切水流方向的剖面上，可見(jiàn)復(fù)合壩由不同時(shí)期、不同方向的側(cè)積體復(fù)合而成，自下而上規(guī)模逐漸減小，從復(fù)合壩的核心向外側(cè)，增生體的傾角逐步增大，表明在心灘復(fù)合的過(guò)程中，辮狀水道的演化逐步成熟，水動(dòng)力在河床內(nèi)的分布也越來(lái)越趨于集中、局部水動(dòng)力越來(lái)越強(qiáng)（圖10c，d）。

4.5 改造復(fù)合壩構(gòu)型特征

改造復(fù)合壩是在砂質(zhì)辮狀河演化成熟后，辮狀水道-復(fù)合壩格局穩(wěn)定的條件下，水流漫過(guò)壩頂發(fā)生局部侵蝕，從而受到局部改造而形成的大型復(fù)合壩體。這類(lèi)壩體在平面上往往呈現(xiàn)大面積連續(xù)、連片的特點(diǎn)，形態(tài)不規(guī)則，但其邊緣能保持流線型（圖11）。

圖11 復(fù)合改造壩沉積構(gòu)型剖面Fig.11 Sections showing the sedimentary architecture of a reworked composite bar

在順流剖面上，可見(jiàn)形成于演化早期至成熟期的各類(lèi)增生體。越是早期的增生體，內(nèi)部前積樣式越單一，非均質(zhì)性也越弱；而形成時(shí)間較晚的增生體則多呈現(xiàn)出較高角度的前積界面和較復(fù)雜的界面形態(tài)（圖11a，b）。順源方向上，復(fù)合壩自上游向下游，沉積厚度逐步減小。由于單元壩復(fù)合過(guò)程多造成單元壩相互接觸的一側(cè)水流阻塞，故改造復(fù)合壩的壩體中軸往往存在沉積物供給不足、水流匯聚沖刷作用，造成中軸線下部缺少沉積。因此，改造復(fù)合壩雖大面積連片，但其內(nèi)部連續(xù)性自上游向下游逐步減弱（圖11a，b）。

在橫切水流方向的剖面上，改造復(fù)合壩上游主體部位沉積厚度較大，內(nèi)部可見(jiàn)復(fù)雜的切割疊置關(guān)系（圖11c，d），主要沉積形成與演化過(guò)程的早、中期，至復(fù)合壩形成后，改造復(fù)合壩的新增沉積物和受侵蝕部位主要集中在壩體外緣（圖11c，d）。整體上看，在辮狀河演化成熟后，復(fù)合壩體剖面結(jié)構(gòu)會(huì)變得十分復(fù)雜，既有河道沉積產(chǎn)生的側(cè)積體，又有心灘增生產(chǎn)生的前/側(cè)積體，切割疊置關(guān)系復(fù)雜，增生體規(guī)模差異較大，壩體順流方向上呈現(xiàn)出明顯的地形、沉積特征及構(gòu)型樣式差異（圖11）。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

1）沉積數(shù)值模擬再現(xiàn)了穩(wěn)定邊界條件下的砂質(zhì)辮狀河連續(xù)演化過(guò)程，表現(xiàn)為沙壩雛形形成并逐步增生、遷移、變形，最終形成成熟穩(wěn)定的心灘與辮狀河道體系。

2）在辮狀河演化過(guò)程中，根據(jù)心灘形態(tài)、規(guī)模及分布樣式可識(shí)別出5 種類(lèi)別，按照發(fā)育先后順序分別為菱形壩、舌形壩、單元壩、復(fù)合壩及改造復(fù)合壩。伴隨著心灘的演化，辮狀河道由短程、不連續(xù)且廣泛分布的沖刷溝逐漸延長(zhǎng)、拓寬，形成辮狀交織的河網(wǎng)，并在復(fù)合壩形成后與壩頂竄溝共同形成復(fù)雜的河網(wǎng)體系。

3）從菱形壩的發(fā)育到復(fù)合壩的形成，辮狀河心灘的長(zhǎng)度和寬度逐步增大，進(jìn)入改造復(fù)合壩發(fā)育階段后心灘長(zhǎng)度和寬度逐步趨于穩(wěn)定。心灘長(zhǎng)寬比演變過(guò)程存在“三段式”特征，在菱形壩發(fā)育階段長(zhǎng)寬比約為2.50，而在舌形壩發(fā)育階段僅為1.75，在單元壩-復(fù)合壩發(fā)育階段由2.00快速增加到4.00，并在改造復(fù)合壩發(fā)育階段緩慢增加到5.00后保持穩(wěn)定。

4）心灘一般由順源加積體、側(cè)向加積體及垂向加積體構(gòu)成，其中菱形壩主要由順源加積體構(gòu)成，舌形壩和單元壩主要由順源加積體與側(cè)向加積體構(gòu)成，復(fù)合壩及改造復(fù)合壩自下而上由加積體、側(cè)積體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧臃e體。在辮狀河形成與演化過(guò)程中，心灘內(nèi)部增生體數(shù)量與類(lèi)型逐步增加，疊切關(guān)系復(fù)雜度及其控制的非均質(zhì)性逐步增強(qiáng)。

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