第一章 大自然的推动力
莱昂纳多·达·芬奇（1452—1519）
（意大利画家、建筑师和工程师）
我们生活在一颗湿润的星球上。水是地球上最丰富的物质，覆盖地表的三分之二。同时，空气、动植物以及大地中也存在少量的水。这些水处于持续运动之中，在陆地、海洋和大气中循环，这种不间断的更替被称为水文循环。河流在水文循环中发挥着关键作用，排走陆地上的水并最终将其送入海洋。
在重力的作用下，降雨或者融雪中未被蒸发或下渗的部分在地表上向低处流动。在细微不规则地形的引导下，水流汇成小溪，小溪合并为冲沟，之后再流进更大的河道。壤中流和地下蓄水增加了河流流量，但是，河流并不仅仅是流向大海的水。河流还挟带着岩石和其他沉积物、溶解矿物质、植物和死去或活着的动物。在此过程中，河流输送了大量的物质，为各种野生生物提供了生境。河流的冲击和沉积作用催生了峡谷和冲积平原，在很大程度上塑造了地球上的大陆景观。
从河源到河口，整条河流处于渐次变化之中，狭窄湍急的陡峭河流逐渐变得宽阔、深邃且常常蜿蜒曲折。从上游到下游，河流发生着连续不断的变化，水量通常不断增加，泥沙粒径由粗变细。在上游，河流侵蚀河床和河岸，搬走土壤、卵石甚至巨石，而到了下游，则发生沉积。在河流物理特征发生变化的同时，以河流为家园的动物和植物的类型也在相应地变化。
其狭长的线性形式以及仅在一个方向上流动的特证，为如何描述和理解河流的物理、化学和生物特性提供了明显的空间维度：水平方向上，从上游到下游。但是，河流并不仅仅是一条河道，它还是所流经区域整体的一个组成部分，因此，将周围景观作为河流的横向维度，也是合适的。河流与景观（或者说河流景观，有些人更愿意这么说）之间的联系千丝万缕。这种联系既包括河流中大部分水经周围地形汇入河道这样的简单事实，也包括鲑鱼在河流中的重要性（即它是当地熊的季节性食物）。
第三个维度是垂向的。河流与河道下方的泥沙以及上方的大气相互作用。对于许多河流而言，水的来源有两种：一种直接来源于大气中的降雨——或者另一种降水形式（降雪）；另一种来自赋存于下方岩石及砾石孔隙中的地下水，两者都参与水文循环。
第四个至关重要的维度是时间，它在河流研究中也占有重要地位。这是因为影响河流的许多因素发生着巨大的变化，尤其是河道中的水量。从历时一小时以下的强暴雨到持续数百万年的构造力影响，这种变化在时间尺度上差异很大。
河流遍布世界各地，几乎在每一种景观上都留下了印迹。某些地区缺乏地表排水系统，但其中一些地区的河流位于地表以下。在沙漠中，许多河流在一年中的大部分时间里都是干涸的，只有偶尔发生暴雨时才会有水。在另外一些地方，化石河床和峡谷表明，在非常遥远的过去的某个时段内，这里曾经是河流。这种化石特征也存在于其他行星上：在火星和土星最大的卫星土卫六上已经发现了河床和峡谷，而且这些网状结构与地球上的河流和溪流的特征非常相似。火星表面上的这些特征是由昔日水流冲击而成的，但是土卫六上的河床和排水网络被认为是由液态甲烷流动形成的。对于地球上大部分陆地表面而言，流动的河流是最基本的元素之一。借由阳光和重力提供的能量，河流塑造了峡谷和坡地，为生物群落提供了复杂的生境。