《Geomorphology》：Neck cutoff morphodynamics of compound meanders with sandy banks capped by root-reinforced layers in the Northeastern Tibetan Plateau
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本研究以青藏高原东北部黑河下游复合河曲为对象，通过实地调查、理论分析和数值模拟，揭示急弯形态集中水流并加速迁移，宽缓形态抑制侵蚀，颈部压力梯度阈值是区分稳定与洪水触发 cutoff 的关键因素，为高海拔河流管理提供依据。
程云硕|李志伟|高鹏|曾群发|马家毅
中国湖北省武汉市武汉大学水资源工程与管理国家重点实验室，430072
摘要
经典的河弯颈部溃决通常发生在具有细粒、粘结性河岸的高度弯曲河道中；然而，那些具有复杂平面形态和主要由沙质河岸构成的河弯的溃决动力学仍然知之甚少。黑河是青藏高原东北部佐格盆地的一条主要弯曲河流，其沙质河岸表面覆盖着草本植物，这些植物通过根系增强了河岸的稳定性。在下游河段，我们发现了两个在极端洪水期间发生颈部溃决的复合河弯，而其他几个规则形状的河弯则保持完好无损。特别关注的是第7号河弯，该河弯的颈部有两个次级河弯，它们表现出尖锐且扩大的形态特征，曲率极度集中或分散。通过实地调查并结合理论与数值分析，我们发现河弯的复杂几何形状对其迁移轨迹和溃决时间具有首要控制作用。具体来说，尖锐的河弯在河弯顶端集中了水流的重新分布，促进了快速的平移迁移；相反，扩大的形态减弱了局部水流的不对称性，使得河弯相对稳定。在颈部溃决的最后阶段，洪水将已经显著缩小的颈部侵蚀开。我们证明，对于沙质河岸的河弯来说，颈部压力梯度的阈值可以有效区分由洪水引发的溃决和稳定的河弯。复合河弯的形态增加了水流路径的长度和颈部的水力头差，从而增强了表面水流的侵蚀和地下潜流侵蚀。本研究加深了对复合河弯颈部溃决动力学的理解，并为预测高海拔河流中的洪水引发溃决提供了一个基于物理原理的判据。
引言
颈部溃决是河弯演化的最终阶段，此时高度弯曲的河弯的两个分支汇聚并交汇，形成了一条绕过原始环路的较短水流路径（Constantine等人，2010年；Gao和Li，2024年）。颈部溃决在河流地貌学中起着关键作用，因为它完成了河弯演化周期并重新启动了这一过程（St?lum，1996年；Constantine和Dunne，2008年；Dente等人，2021年）。由于水流路径缩短，局部坡度增加，这可能引发河道宽度和泥沙通量的局部扰动，并向下游传播，进而驱动更广泛的河流调整（Camporeale等人，2008年；Zinger等人，2011年；Schwenk和Foufoula-Georgiou，2016年；Weisscher等人，2019年）。此外，溃决后水流阻力和水力条件的变化可能会改变洪水的流动路径，通常需要工程干预来有效缓解风险（Li等人，2021年；Turnipseed等人，2021年；Zhang等人，2022年）。
虽然数值模拟使用几何阈值来模拟河弯中心线之间的距离小于或等于河岸宽度B时的颈部溃决触发情况（Seminara等人，1994年；St?lum，1996年），但实地研究表明这一过程分为两个阶段。在第一阶段，持续的河岸内流导致河弯逐渐变窄，相邻的分支在数十年到数百年的时间尺度上相互靠近（Nanson和Hickin，1986年；Hooke，1995年；Hudson和Kesel，2000年）。这种逐渐变窄的过程通过减少水流路径的分离和集中水力梯度为颈部溃决创造了条件。最终，一次强度极高的洪水冲刷形成了一个新的河床，导致河弯快速重新排列（Gay等人，1998年；Hooke，2004年）。
传统上，颈部溃决发生在水文条件相对稳定（如受季风影响的气候）和河岸植被茂密的情况下，这些因素共同促进了高弯曲度和规则平面形态的发展（Ielpi等人，2022年；Finotello等人，2024年；Hasson等人，2025年）。相比之下，在植被稀疏、水流变化剧烈和泛滥平原异质性明显的河段，河弯往往发展出强烈不对称且复杂的平面形态（Güneralp和Rhoads，2011年；Li等人，2017年；Cheng等人，2025年）。Ielpi等人（2021年）的最新实地研究表明，倾斜的河弯形态会加速溃决过程。然而，具有复合形态和高度不对称平面特征的河弯的溃决机理仍缺乏研究，尤其是在极端曲率情况下。
黑河（北纬32°31′，东经102°20′）是一条高弯曲度的河流，是青藏高原东北部佐格盆地黄河源头地区的主要支流。该地区细粒沉积物河岸表面覆盖着草本植物，这些植物通过根系增强了河岸的稳定性。一旦下层河岸被侵蚀，上层河岸会以连贯的滑塌块形式塌陷，直到被足够强烈的洪水冲走，从而限制了河岸的快速后退并抑制了河弯的极端扩张（Parker等人，2011年；Li等人，2023年；L. Liu等人，2024年）。然而，非线性河弯不稳定性、极端洪水以及河床基质的异质性之间的相互作用仍然会导致复合河弯形态的形成（Guo等人，2021年；Cheng等人，2025年）。
在黑河下游，有14个河弯接近溃决阶段，其颈部宽度wn小于河道宽度B（图1）。第7号和第11号河弯表现出特殊的弯曲模式，它们在直段和局部尖锐或扩大的次级河弯之间交替出现，与其他形态更规则的河弯形成对比。自20世纪70年代以来，第7号河弯一直保持着wn/N < 0.5B的临界条件。2018年夏季，一次50年一遇的洪水引发了上述两个复合河弯的颈部溃决；然而，其他几个规则形状的河弯仍然保持稳定，其颈部宽度的无量纲比率更小（wn/B）。这正是本研究的核心关注点，旨在揭示具有复合平面形态的河弯中溃决的水文-地貌动力学因素和控制阈值。
在本研究中，通过结合实地调查、河床地形建模、数值模拟和理论分析，阐明了黑河下游接近溃决阶段的河弯的水文-地貌动力学过程。特别关注的是第7号河弯，在该河弯的溃决部位随后修建了一座拦水坝，切断了河弯的分支，使河弯恢复到溃决前的状态。对颈部压力梯度的评估解释了2018年洪水期间第7号和第11号河弯发生溃决的独特原因。本研究通过阐明水流与河弯形态的相互作用，推进了对高海拔河流中河弯溃决动力学的理解，并为积极的河道管理提供了预测性阈值。
研究区域及水文-水力特征
图2a显示了黑河流域的卫星图像和数字高程模型（DEM；Google Earth?）。该流域具有典型的佐格高原特征，宽阔的低海拔山谷和发育良好的泛滥平原为河道迁移和河弯发展提供了充足的空间。研究的下游河段从佐格水文站开始，一直延伸到其与黄河上游的交汇处。在大约200公里的距离内，河道海拔高度从3435米下降了约23米。
水深测量和河床地形构建
第二次和第三次实地调查期间测量的上游次级河弯（#7U）的水深数据见支持图S3。在关键位置（交叉点和河弯顶端）提取的横截面剖面显示在图7的插图中。由于低流量排放时河床内侧的沙洲暴露，2021年的河床内侧水深数据无法获取。尽管如此，可以明显看出：（1）#7U河弯的河床地形恢复了典型的特征在水文-地貌反馈下的河弯河床地形
弯曲河流的沙洲-深潭地形是在次级水流驱动下形成的。图12a展示了第二次调查中在次级河弯#7U的顶端横截面（S13）测量的次级流速ur的矢量图，显示出外岸的顺时针环流细胞占主导地位。考虑Ikeda（1989年）提出的分析方程：其中（ur0）是近床径向流速，r是局部半径，R是河弯中心线结论
本研究通过实地调查、分析建模和深度平均数值模拟，研究了青藏高原东北部一条高度弯曲河流中颈部溃决的水文-地貌控制机制。
首先，我们证明了复合河弯形态对河弯迁移轨迹和颈部溃决时间具有首要控制作用。尖锐的次级河弯在河弯顶端集中了水流的重新分布，促进了快速的平移迁移。
CRediT作者贡献声明
程云硕：撰写——原始稿件、可视化、验证、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。李志伟：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。高鹏：监督、方法论、正式分析、数据管理、概念化。曾群发：可视化、方法论、研究、数据管理。马家毅：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52509109、52479073）的支持。我们衷心感谢两位匿名审稿人的仔细评估和建设性意见，这些意见有助于改进手稿的质量。
