形态系统

㈠ 河流形态演变系统

河流的发展变化是极其复杂的，它们在演化中自发地形成某种复杂的组织结构，在与环境进行物质和能量交换时能维持某种动态平衡。如果环境的扰动使其偏离了平衡，它将自动地调整以恢复平衡。这是河流发展变化的自组织过程。

河流的发育过程是一个自组织过程。河床在演变过程中无论是从低级有序向高级有序发展，还是相反的过程，均伴随着某些突变，它们是非平衡相变。因此，河床演变过程中的临界现象必然明显地表现出来，这早已为地球科学家们所关注。从力学的观点看，这类突变的临界条件总是涉及某种形式的作用力和反作用力的对比关系。地貌临界条件是一个很有用的概念，可以用它解释河床演变中的一些疑难现象。例如，某两个相邻河段的各种自然条件并没有太大的区别，但是河床演变的某些具体特征却存在明显的差异。究其原因可能在于一个河段已达到或超过临界条件，而另一河段还远离临界条件。应用自组织临界性（SOC）概念来阐述其机制更好。以上荆江和下荆江河段为例。上下荆江的自然地理、地质、地貌条件和来水来沙条件以及河床边界物质组成都极为相似，但是上荆江是顺直微弯河段，而下荆江是著名的弯曲河段。原因可能在于下荆江处于一种SOC状态，当其受到扰动后就会发生突变，产生各种不同尺度（曲率半径、跨度、振幅）的河弯，且超过某一尺度的河弯出现的概率服从Levy分布。藕池决口可视为一种扰动，它是导致河型突变的触发力量。上荆江可能也处于一种自组织临界状态（由SOC理论，像河流这样的系统会自然演化到一种亚稳的临界状态，小扰动不至于破坏其结构），但是由于没有受到像藕池决口那类扰动的触发，因而其形态没有突变。

河床不仅满足耗散结构的形成条件（开放性、非线性、远离平衡、涨落作用），而且具有耗散结构的特征（具有时空结构且其形成和维持要靠水流或流域提供物质和能量；新结构在控制参数达到阈值时才突然出现；新结构的对称性低于阈值前的状态；新的河床结构具有相当的稳定性，不被任何的小扰动所破坏）。这就是河流系统耗散结构的物理图形，它对流域系统控制变量的分析和水流泥沙动力学模型的建立将有所裨益。

研究表明：冲积河流河湾平面形态的发展变化过程往往要经过若干中间阶段，其中伴随着周期运动等有组织的形式。无论是从微弯走向弯曲，还是相反的过程（自然裁弯、撇弯切滩等），通常都要经历一些突变。由现代统计物理学知，这些突变是非平衡相变。由于河流是开放系统，河床结构是活的耗散结构，其形成、维持、转变或破坏，都要靠外界不断地提供物质和能量。河流系统中很多正的过程都有相应的反过程，河流系统正是在大量正反过程的补偿中实现总的动态平衡。

河流是整个生态系统的有机组成部分，它积极地参与了地表的一切物理、化学和生物过程，因此河流的平衡与稳定对生态平衡影响极大。反过来，生态平衡是河流平衡的前提和自组织演化的保证。河流处于SOC状态，其相对稳定性的一面使人类能合适地利用和改造它，但是它自动调整的速度和幅度有一定限度，表现出脆弱的一面，超过容许限度就会恶性发展。人类活动改变了河流系统的输入条件，使它与环境的物质、能量和熵的交换发生了变化，与环境之间的协作受到影响。违背自然规律的开发活动，可能在流域的非线性水文响应之下产生人类始料不及的输出。因此，一方面必须抓紧治理河道；另一方面，在流域开发中必须首先研究流域的自然规律并接受自然规律的约束和指导。否则，中国的水问题将会越来越突出，严重制约与阻碍国民经济和社会的发展。