地貌系统

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第703页（3459字）

传统地貌学注重从地质基础出发，进行综合性、区域性研究。

而动力地貌学则侧重于地貌过程的动力、形态分析与实验研究。学科愈分愈细，研究方向愈来愈窄。

这种趋势对某些问题的认识固然可以大大深化，但在另一方面，却又人为分割了自然界这个有机联系的整体。因此，要求运用系统论的基本原则，从总体出发，把分析与综合结合起来，对自然界形成整体化、系统化的认识方法。

20世纪60年代以来，系统论的思潮及其基本原则迅速地向地貌学领域渗透和扩展，改变着地貌学家的知识结构和思维方式，愈来愈显示出地貌学的一个新的生长点——系统地貌学，它与传统地貌学结合成一个整体，将以其强大的生命力成长起来。

地貌系统既是一个有结构的整体，又是一个具有特殊功能的整体。

系统的结构是使系统保持整体性，使系统具有一定整体功能的内在依据。系统之所以具有稳定有序的结构，是由于系统通过自组织过程使其各子系统协同的结果。

在地貌系统中，其自组织现象与协同现象是通过自我调整作用的三重趋向性(目的性)体现出来的。

平衡的趋向性 地貌系统自我调整的最终目的在于力求使进入系统各个部分(包括溶质在内)的泥沙量等于出沙量，系统能够维持动态平衡。

在这里，所谓平衡有二层含意：①输沙平衡，即系统与环境之间输入与输出相互协调；②系统内各个层次、各个部分、各个要素之间和谐一致。例如冲积性河流通过自我调整建立起来的有序结构——河槽水力几何形态，明显具有动力与形态之间相互协调、和谐一致的特点，只要来自环境的输入不发生超出一定限度的突变，则系统对来水来沙的变化，有能力通过调整其身身的结构和功能，以保持系统的适应性，使动力与形态趋于在新的条件下的和谐有序。

从研究地貌系统发展的W．M．Davis侵蚀旋回模式来看，系统为了适应环境，长期地处于变化之中。地势不断剥蚀降低，起伏逐渐夷平。

鉴于系统具有这样一个宏观变化过程，故可将地貌系统视之为不断变化着的进步系统。

能量呈空间均匀分配的趋向性 系统自动调整的最终结果不仅满足平衡的要求，而且还要使系统内部的能量各部分呈均匀分配。在热力学系统中，为了衡量其不能利用的热能，引出了熵的概念。所谓熵Φ，是指系统中不能用作机械功的那一部分能量的量度

其中Ei为状态i所具有的单位质量的能量，T为绝对温度。

在任何不可逆的自然过程中，熵总是不断增加的。熵的增加意味着系统中可能转化为机械功的能量减少，而熵的大小则可提供作机械功的能量在系统中如何分配的函数。在考虑一些具体问题时，常把熵作为系统出现某种状态概率的尺度来处理。所谓玻耳兹曼关系，就是理想气体中联系熵与概率的一个关系

Φ=klnp+c (2)

其中k，c分别为常数，p为概率。鉴于p为小于1的数，并考虑到(1)、(2)式，则可写为

其中kT代表所有可能状态的总能量。

利奥波德(L．B．Leopold)等曾应用熵的概念，研究河流中能量空间分配问题。

设河流的总能量为E，沿河各段的能量分别为E₁，E₂，…E_n。类比理想气体的情况，则i河段能量E_i的概率为

而整个河流的熵为

。

Φ～∑lnp_i (5)

鉴于河流在调整过程中力求使熵达到最大，因此河流内能量按Σlnpi=最大要求进行沿程分配，才能达到最大的可能，此时要求

P₁=P₂=…=P_n (6)

于是

E₁=E₂=…=E_n (7)

也就是说，河流自动调整的结果，将使能量沿程分配达到均匀一致有序状态。

利奥波德等在讨论弯曲型河流能量损耗沿程分配时指出，由于弯曲型河流弯顶上下附近为深槽段、而相邻两弯道之间的过渡段为浅滩段。

其中浅滩段的床面物质组成较粗，水深较小，在这里能量有较集中的损耗，表现为枯水期浅滩段的水面线比较陡峻。相反地，深槽段水深较大，物质组成较细，能量损耗较小，故水面线比较平缓。

可是，在另一方面，弯道的平面外形所引起的形态阻力却又额外追加了水流的能量损耗，这部分损耗主要集中在曲率最大的弯顶一带。由于两种因素的结合，使得弯曲型河流的能量损耗沿程分布较之其他河型更趋均匀化，由此认为，弯曲河型是一种更稳定、更常见的河型。

能量均匀分配的学说还有一层派生的涵意，即所谓集合效应。，当流域来水来沙条件发生变化时，与河道水流能耗有关的各个要素，如流速、糙率、水深、河宽和坡降等都要作出反应，并发生相应的调整。也就是说，在不受外界限制的情况下，系统的调整不会集中由某一个或某几个要素来独立承担，而是均匀分散在各个要素之间，使每个要素的变化都尽可能小。在河流系统中，所谓最小方差理论就是认为、河流最大可能发生的状态是各水力要素变化的方差达到最小的一种状态。

兰宾(W．B．Langbeinci)等人曾根据这个理论对河曲的形成与发展进行了研究，认为正弦曲线形的河曲是最符合最小方差的一种形态，因此是自然界最常见、最稳定的一种河曲形态。

低能耗的趋向性 河流系统通过自动调整，熵逐渐达到最大，而熵的产生率却达到最小，处于这样一种状态的系统结构代表低能耗的稳定结构。由式(5)～(7)，则有

若能量取水流的势能，以高程H表示，则

其中t，x，J，u分别为时间，沿河距离，河流坡降，断面平均流速。

鉴于熵的变率最小，则

Ju=最小 (10)

其中河流坡降J除了标志河流的纵向形态特征以外，它还代表单位重量的水经过单位距离所损失的势能；断面平均流速u表示单位时间内水流行进的距离。

若以符号γ为水的容重，则γuJ表示单位重量水的能量损耗率(或所作的功率)。由(10)式则有γuJ等于最小，这就是所谓“最小功原理”，它已被用来揭示不同河型和河流均夷剖面形成的机制。按照这个原理，认为河流调整，当以调低比降为主时，则河流趋向弯曲型；若以增加河宽为主时，则河流趋向宽浅分汊型，而这两种情形，都是为了减小uJ值而自动增大阻力的一种手段。实测和试验资料都表明，曲率半径相当于3倍河宽值的弯道形态是最符合最小功原理的一种形态，因此是弯曲河型中最稳定的一种形态。

通过对流域地貌系统在物质与能量交换过程中建立起来的稳定有序形态结构的认识，就可根据再现自然的原则，为优化流域人地系统、治理河流、建立人工河系等提供科学依据。当前，地貌系统研究已逐渐成为地貌学的热点，并分别从形态要素之间的关系——形态学系统、物质与能量的流通系统、过程－反应系统和控制系统诸方面入手，深入研究地貌系统空间结构、时序结构、功能特点和演化规律。

随着对地貌系统认识的加深，可望在不久的将来，在优化原理的研究方面一定会有突破性的进展。

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【参考文献】：

1 Leopold L B，Langbein W B．U S Geol．Survey，Prof，Paper，1962，500～A∶20

2 Langbein W B J，Hyd Div．Proc Amer Soc，Civil Engrs，1964，90(HY2)∶301～312

3 Chorley R J，Schumm S A，Sugdern D E．Geomorphology．London：Methuen，Co．Ltd，1984．607

4 钱宁，张仁，周志德．河床演变学．北京；科学出版社，1987．313～317

5 尹国康．流域地貌系统．南京：南京大学出版社，1991．3～19

(南京大学尹国康教授撰；陈钦峦教授审)