基本介紹
- 中文名：動力地形學
- 外文名：dynamical geomorphology
- 性質：學科
- 研究範圍：研究全新世營力特質及其現世地形
- 屬於：思想領域的地形學
- 所屬學科：地理學
簡介,背景,形成與發展,海岸動力地形學,
簡介
研究各種地形營力，特別是外營力在地形塑造中的作用的學科。可分為與太陽能及氣候有關的外營力動力地形學和與地殼運動及地球物理作用有聯繫的內營力動力地形學，並可進一步細分，如構造地形學、河流動力地形學、海岸動力地形學、風沙動力地形學、喀斯特動力地形學、坡地動力地形學等。
具體的研究方法包括各種動力因素與地形形態的關係分析、現代過程與歷史過程的關係分析、微觀與巨觀的關係分析等，採用的技術手段包括數學分析與模擬、物理模型實驗、遙感圖像分析處理、各種測年新技術、同位素觀測與分析等。
背景
動力地形學，是一門以力學原理對地表形態和組成物質進行分析研究的學問。動力地形學所需要的背景知識主要包括：
④地理數學的複雜性信息模型。
⑤動力地形學的套用，主要為建設在地表的各種基礎設施的地基服務。
形成與發展
在過去的二十多年來，美國有很多著名的地形學家，像Mackin（1948）、Strahler（1952）、Culling（1957）、Hack（1960）、Chorley（1962）、Holmes（1964）、Howard（1965）和Schumm（1965）等，曾經對地形學的目的、方法和思想的基磋，作過一番檢討；認為過去的地形學，大多是把重點，集中在對地形的解釋和敘述方面，而完全忽略了對產生地形的動力作用的研究；因此便主張把動力均衡（Dynamic Equilibrium）的思想，和物理學的方法，套用到對地形作用的分析和研究上面去，這便產生了現代的動力地形學。
動力均衡的思想，不僅是動力地形學思想的基礎，也是未來地形學思想發展的主流。主張把這種思想套用在地形學上的人們認為，它將可以大有助於把我們對同題的研究，從舊日古典地形學派的桎梏中解放出來；讓我們有機會把地形學的研究領域擴大；令我們的思想，能夠就合在一更廣泛而具有普遍性的新觀念架構之內。此外，我們從動力均衡的思想當中，更可以清楚地觀察到Davis侵蝕循環思想的缺失。
普通系統學說認為，所謂系統，是由一組的物體，再加上這些物體之間、和它們的屬性之間的關係所組成。地形的組合，因為和這個定義符合，因此也是系統之一。換句話說，從事地形的研究，實際上即是對系統的研究。系統可以分為兩類，此即閉合系統（ClosedSystem）和開放系統（Open System）。
閉合系統，是指一些具有明確的封閉界限，同時沒有物質和能輸入和輸出的系統；而開放系統，則必需要有物質和能的不斷供應和移去，才能維持其存在。比較一下這兩個定義，我們不難知道，當我們對河段、斜坡、流域盆地以及其他的地形粗合等從事研究的時候，亦即是從事開放系統的研究。
開放系統，可以表現出一種為閉合系統所排拒的性質，那便是不變狀態（Steady State）的獲得。所謂不變狀態，是指系統的本身，可以利用形態（Form）或幾何學上的調整，來使輸入和輸出的物質和能，變為均等。亦即是令系統在形態與作用之間，經常處於一種動力均衡的狀態。Mackin（1948）在研究均夷河流的時候，便是完全以上述的這種開放系統的觀念，作為基礎。這也可以說是動力地形學研究同題的一個實例。他說：
所謂均夷河流，是指一在流量和河道特性的影響之下，其斜坡本身可以從事敏銳的調整，以使流速適足以將從上游送來的一切負載物搬走的河流。均夷河流是一均衡的系統，任何控制因素的任何改變，都足以招致均衡向吸收此一改變效果的方向移動。
我們從Mackin的話中知道，所謂均夷河流，其實便是一種處於不變狀態之中，而可以經常保持著動力均衡狀態的河流。
動力地形學的思想，在很久之前，即大約在十九世紀末期的時候，便已為Gilbert所明確地提示出來。他說：
當我們在研究侵蝕作用原理的時候，已經指出過有走向一動力均衡狀態的趨勢。
決定侵蝕速度的主要條件有水量、植物、岩石組織（Texture）和坡度（Declivity）等。不管在什麼地方，當上述條件發生變化，以致使侵蝕營力的力量局部增大的時候，這一增大的力量，將會被作用在斜坡上的反應所逐漸減弱。每一處的斜坡，可以說都是一系列斜坡中的一份子。它接受了來自上方斜坡的水份和土屑，然後再把本身的水份和土屑，一起送到下面的斜坡上去。假如在一系列的斜坡當中，有某一部分被特別快的速度所侵蝕掉，那么最後將可以發生下列的兩種情形：
1、在它上面的斜坡因為排水高度（Level of Discharge）的突然降低，於是侵蝕速度增加。
2、在它下面的斜坡，則因從上方帶來的負載物增加，於是侵蝕速度為之減慢。由於上方侵蝕的加速，和下方侵蝕的減慢，結果將可以使最先發生問題的那部分斜坡的坡度，為之降低。當斜坡降低了，侵蝕的速度也將隨之一起降低。
不過實際的情況，還不止此。某處斜坡的擾動，除了可以對上下相鄰的斜坡發生影響之外，還可以繼續向外一直波及到整個的流域盆地。因為在每一個的流域盆地之內，河流的主流都是由其他的支流所匯合而成的，所以當中若有任何的支流受到了擾動，那么它的效果，不僅將影響及於主流，而且亦必進而波及到其他的各支流部分。從此可以知道，在系統之內的任一部分如有變化，必將影響及於其他的部分，反之亦然。可見在系統之內的各個部分，彼此都是互有關係的。
在Gilbert的理論當中，我們知道他已經指出，一個開放系統的動力均衡狀態如果受到破壞，那么環境的各種因素，將可以發生連鎖式的變化。這種變化的目的，便是在企圖利用幾何形態的改變，來儘量恢復系統當初的動力均衡的狀態。於此可見，他和Mackin一般，都是把地形學的研究，納入到開放系統的思想架構之內，所以都是動力地形學的主要倡導人物。
動力地形學者認為，不變狀態趨勢在發展的時候，它並不需要作用力（Force）和地形表面抵抗力（Resistance）的相等，而是需要地形本身透過幾何的調整，以使地表任一點的抵抗力，和作用在上面的應力，互成比例，同時要在一地區的意義上保持均衡。就是說，作用力可能仍然超過抵抗力，因而招致物質的移去。
Little指出：在一處植物被覆和岩性都很均勻的斜坡上面，侵觸作用最快的地方，也就是表流侵觸力量最大的地方。這種不一致的侵蝕作用，到後來將可以產生一更穩定的斜坡縱剖面，以使地表對侵蝕作用，有均勻的抵抗力。
在這樣的方式之下，經過了相當時間之後，地表的物質便要被移去，而地形的某些幾何性質，特別是地形的高低，也將無可避免地要發生逐漸的變化。
開放系統雖然可以從自我的調整當中，來企圖保持其不變的狀態，不過它本身的幾何性質，正如上面所指出，卻絕對不是靜止不變的。因為系統是在物質和能不斷的通過當中來維持，而這種質、能的輸出和輸入，自然經常改變；同時又因為環境的各個因素一般都極不穩定，使不變狀態隨時受到影響而不易達到，於是系統便要在走向均衡趨勢的過程當中，隨時發生調整。這種變化，也就是開放系統運作的特點。
開放系統的另一特點，為負的熵（Entropy，在熱力學中是用來指能變得無法作功的程度），或者自由能，可以輸入系統之內，因此並不受Entropy的趨勢所限。這樣，開放系統即可以利用不斷交換物質和能的方式，來維持它們的形態組織，同時朝向異質性（Heterogeneity）和層次差異（Hierarchical Differentiation）的趨勢當中去發展。
動力地形學對時間的看法，和傳統的地形學，亦即指Davis學派的所謂歷史地形學，完全不同。動力地形學者認為，地形和作用之間的不變狀態，在很多方面看來，是處於一種獨立於時間以外的狀態（Time Independent Condition）。就是說，開放系統的存在，和時間並無關係。換句話說，假定系統一旦完全達到不變的狀態，那么系統的開始狀況，連同系統過去歷史發展的證據，都已經一併消失掉。時間和歷史，對於這個系統的存在，並無意義。Hack將這種情況，以土壤的一方面在地表受到侵蝕，而另一方面則以同樣速度向下發育作為譬喻，說道：動力地形學說，在解釋地形和它們彼此之間的差異的時候，是探取一種獨立於時間以外的態度。這種學說，重視存在於空間的岩石和作用之間的關係。
另外，Von Bertalanffy亦曾指出：在自然系統（Physical System）之內，事物的變化，一般說來僅受瞬時的狀況所決定。例如以一落下的物體來說，它並不介意它的瞬時位置是怎么達到的；又以化學反應來說，它也不必介意這些參加反應的化合物是怎樣產生的。因此在自然系統之內，我們可以說，過去是被抹殺的。
上述這種把地形研究獨立於時間以外的思想，主要是來自一種趨勢，都認為地形學的研究，重點應該放在作用與岩石之間的動力關係上面。這便是近代動力地形學的特色。
動力地形學對Davis循環學說的批判，也是最有力量的。因為站在系統學說的立場來看，Davis的理論，是純然屬於閉合系統的。閉合系統的思想，具有如下的幾個特點：
第一，它在開始的時候，當中如果含有一已知數量的自由能，或者位能，那么這一系統將會朝向最大Entropy的狀況發展，以使系統逐漸走向一種最終的靜力均衡（Static Equilibrium）的狀態。亦即是走向位能接近於零的狀態。這種變化是不可逆的。Entropy的增加，即表示系統內自由能量有減至最小的趨勢。當系統逐漸走向靜力均衡的時候，則系統之內所存在著的差異，最後必被夷為同一。
我們從上述的概念來看，便不難知道Davis的地理循環理論，正含有閉合系統的思想成份在內。例如他認為在循環開始的時候，必須有一地塊的上升以供侵蝕，這等於賦予系統以一已知數量的自由能，或者位能，來從事運作。再根據Davis的說法，此一上升地塊經過一定的歷史發展過程以後，地形將隨之逐漸減低，然後進入了最終的侵蝕與平原作用時期（Stage of Peneplanation），這時候，整個地形的差異，已接近被夷為同一的狀態。就是說，整個的地形系統已經進入Entropy最大、同時位能的數量也接近於零的靜力均衡狀態。由於Davis系統內的Entropy恆向正的方向變化，而自由能則恆向負的方向變化，說明了作用是不可逆的。這樣看來，Davis的地形發展理論之含有閉合系統的思想，自然十分的明顯。
第二，系統的開始狀況，特別是能的狀況，必然決定了最終均衡狀態的發生。閉合系統的這種必然性（Inevitability）和宿命論（Determinism）的思想，我們從Davis的侵觸與平原時期最後之必然來到，可以獲得說明。在這種特性之下，閉合系統在任何特別時間內的狀況，我們可以認為亦即是系統的開始狀況和所經歷的時間的函式。這說明了為什麼閉合系統思想十分重視時間、和歷史的發展，而且事實上，如果我們把時間和歷史的因素撤開不談，則對閉合系統的研究，亦將變得毫無意義。於此我們不難可以再次聯想得到，Davis地形研究的歷史方法，和閉合系統的觀念，實有其極為相似之處。
第三，正如在上面所提到過的，就是它也可以達到一種均衡的狀態。不過一般說來，由於這種均衡趨勢的發展，是和最大的Entropy有密切的關係，所以它一定要等到整個系統的發展達到最終的階段以後，才能發生。從這種性質上看，我們便可以知道在閉合系統思想架構里的所謂均衡，一定是靜力的。這和開放系統中的動力均衡狀態，完全不同。站在動力地形學的立場來看，Davis循環學說的思想是否正確，是否仍有套用的價值，還有待我們去認定，我們所要研究的地形系統，究竟是屬於開放的？還是閉合的？如果認為是閉合的，那么他的學說，自然應該仍有很高的價值；否則，如果我們能夠獲得充分的理由，說明地形系統是具有開放性質的，就是說，具有物質和能的不斷供應和移去，那么Davis的循環學說，便應予揚棄。
關於這個問題，Chorley曾經說過：閉合系統的觀念，事實上已經把大量、甚或全部為自然學家所研究的系統排斥掉，當中無疑也包括了大多數的地理系統在內。
由於地形系統，是自然系統之一，因此它不是閉合系統，已經十分明顯。
動力地形學在從事岩石和作用之間關係研究的時候，是把作用，當作是由各種剪應力（Shear Stress）運作在岩石物質上面所產生的應變（Strain）和崩壞（Failure）來看待。這可以用風化作用、侵蝕作用、搬運作用和沉積作用做例子。動力地形學把剪應力分為重力應力（Gravitational Stress）和分子應力（Molecular Stregs）兩大類。重力應力運作在所有的地球物質上面，產生了下坡運動，和各種搬運媒介，例如水、冰和空氣等的運動。這些媒介，因為可以利用流體力學（Fluid Dynamics）來分析，因此都被稱為流體（Fluids）。下坡運動所需要的能，有兩種不同的形式，一是位能，一是動能。這些能的最終來源，便是地球的重力場。分子應力，在一均質的土壤或岩石裡頭，是用任意的方式，透過某些已知點向各個方向來分布。它所產生的運動，便是擴張（Dilation）或體積的改變。假如分子應力作用在一斜坡上面，則透過重力應力分力的幫助，將可以使土壤發生蠕動。化學作用，例如水解和氧化作用，因為可以增大體積，產生膨脹的應力，因此同屬分子應力的範圍。
在地表面上，其和作用發生反應的物質，動力地形學家是將之分為三大類：
1、剛性或彈性的固體。它們可以產生彈性應變，其應變與應力成比例，符合Hook氏定律的原理。若果應力超過某一限度，則可以發生剪性斷裂與張性斷裂。
2、可塑性體。它們可以透過分布於分子間或粒子間的剪力而行變形。若果剪力超過某一限度，則物體將可以產生流動和永久性的變形。
3、流體。這是一種黏性很低，對應力的抵抗力極小的物質，例如氣體和液體便是。
應變和崩壞，是由各種剪應力運作在各種岩石物質上面所產生的結果，同時決定了地形作用和形態之間的關係。具有彈性性質的岩石和土壤，可以透過兩種方式而行崩壞，一是透過剪下，使相鄰的物質發生相對的運動；一是透過強力而斷裂。在流體裡，當應力超過了某一限度，便會招致兩種方式的流動，一是片流，一是擾流。它們都是重要的地形作用。在可塑性體裡，流體的意義，則是廣泛地包括了均勻分布在整個物質中的應變，以及在粒子間所發生的旋動和滑動。
Strahler曾把重力應力與分子應力作用在岩石上，所產生的各種地形現象，詳細地列出，這是動力地形學最重要的文獻（Strahler，1952）。動力地形學家們套用上述這種種物理學的觀念和方法，便可以達到把地表面上各種異常複雜不同的地形作用，轉化為物理學上的問題來處理了，同時予以實驗的目的。
動力地形學把研究的重點放在作用上面，方向是很正確的。不過它的研究方式，表面上看來，好像十分科學，但是我們知道在大自然里，地表的土壤和岩石物質，到處不同；某些的地形作用，又往往是由很多其他的作用，同時牽涉在一起而產生；這些作用，在地球過去不同的時間，以及在地球表面各個不同的空間與氣候地區里，亦各不相同；它們分別所占的分量，作用時間的長短，以及彼此的互動影響等，更是極端複雜而難以了解，在這種情況下，我們若想把作用和岩石之間的關係，利用簡單的數學模型與公式來分析表達，或者利用實驗室的人為設備來加以實驗，則結果是否具有真實的價值，便不無疑問。
海岸動力地形學
海岸動力地形學是動力地形學的一個分支，是研究海岸帶---海、陸相互作用的地帶---地形綜合體的發生和發展規律的科學。
就研究內容而言，海岸動力地形學是由三個密切關聯而不可分割的基本部分所組成的：
第三，從海洋動力學的觀點出發，研究現代各海洋動力因子在海岸帶中的運動機理及其對海岸地形的塑造作用過程，從而闡明現代海岸帶之動態特徵，井結合海岸帶地質與地形形態的研究結果，進而預測海岸帶將來的演化趨勢。
因而上述三個方面的有機綜合才構成了全面而統一的海岸動力地形學。
