河流弯道演变与转化的试验研究中的结果

1.3　河型转化

1.3.1　河流再造床

河流形态往往取决于两个过程：河流形成过程以及河流再造床过程。前者是一次性的，往往发生于河流形成之初的地质历史时期；河流再造床才是人类相关活动关注的重点，其定义为：“天然河流是一个系统，当环境或系统中某个因子发生变化时，河流将发生重新调整，以适应新的环境，建立新的平衡，这个调整过程就是河流再造床。”人类的活动尤其是大中型水利枢纽的兴建往往会改变河流系统的环境，从而引起了河流的再造床^［34］。

河流再造床常见的促因有：

水库：水库的兴建是人类文明的标志之一。早在几千年前，古埃及和古巴比伦人就尝试修建简单的水库，抬高水位，用于灌溉、取水和提供水流动力。到20世纪初，建筑大坝几乎成了经济发展和社会进步的同义词，被视为现代化和人类控制、利用自然资源能力的象征，各国水坝建设风起云涌。水库的兴建，一方面抬高了上游水位，改变了上游河道的侵蚀基面，引起了上游河流的再造床；另一方面，改变了下泄的水沙条件，促发了下游河流的再造床。

大型引水、调水：由于水资源和水需求在空间上的不均衡，人们兴建了大量的引水、调水工程，实现了水资源的重新分配。如引水灌溉是农业发展的一个重要前提，早在两千年前我国就兴建了都江堰、郑国渠等大型引水工程，促进了当地经济生产的发展。跨流域长距离大规模的调水则是上个世纪才开始实施的新事物，如美国南加州的调水工程，主干道长达660英里，主干道1973年基本竣工，前后历时13年，极大地促进了以洛杉矶为中心的南加州的发展。近年来，随着我国北方水资源短缺进一步加剧，南水北调工程也加快了实施的进度。大型引水调水工程，引起了调水和受水流域的径流变化，导致了双方的再造床过程。

治河工程：为了兴修水利、防治水害，人们通过一系列的工程措施对天然河流进行人工整治，如护滩、护岸、丁坝、潜坝、人工裁弯等。甚至有的河流被人工渠化。治河工程，改变了河流原有的运动形态和规律，导致了河流的再造床。

围垦造地：宽广肥沃的河漫滩、湖泊、湿地等一直是人类生存生产的重要场所。随着人口压力的增大，人类不断向河滩、向湖泊、向湿地争地。在加剧洪水威胁和生态危害的同时，限制河流的自由发展，也促进了河流的再造床过程。

沙石开采：由于经济发展对沙石骨料的需求，大规模的沙石开采成为了国内河流的一大“景观”。无序的采沙采矿往往会破坏河势，恶化水流流态，危及航道安全。沙石开采改变了局部地形和流态，也会导致河流的再造床。

河流再造床的过程和结果，改变了河道的外观形态和演变方式，关系到该河道的水沙变迁和影响范围，影响着该河段的防洪、灌溉、航运和生态，关联着涉水工程的效益和安全。人类活动尤其是大中型水利工程的修建往往极大地改变了河流的原有形态，引发剧烈的河流再造床过程，从而带来了一系列的工程和社会问题。如：

●非洲尼罗河修建了阿斯旺（Aswan）水库之后，虽然改善了灌溉、防洪条件，但对下游径流和泥沙过程的改变，造成下游河床冲刷、河道蜿蜒摆动、河道断流、尼罗河三角洲后退、海水入侵、海岸侵蚀等，随之带来河口湿地退化、生态环境破坏，不得不实施海岸防护工程及其他补救措施^［35］。

●德国莱茵河航道渠化后，主支流上修建了一系列堰坝截断了泥沙供应，再造床过程中床沙质来源不足，中下游航运、生态产生了一系列的问题，从而不得不花费大量金钱采用人工喂沙^［36］。

●美国密西西比河，在修建了大量水坝和整治工程之后，枯水径流的不足带来河口环境的恶化，如海岸侵蚀、湿地丧失等，每年丧失土地约4047 hm²。为解决这些问题，密西西比河下游不得不实施调水工程：将浑水调到三角洲，以便提供泥沙和营养物质，维持淡水草本沼泽和减少盐水入侵^［37］。

●三峡水库建库后，上下游河道演变趋势及演变过程也一直是关系该工程效益和安全的一个关键所在。变动回水区的演变规律直接决定万吨轮船能否直达重庆港；而对上游再造床过程中卵石推移质输移问题的不同认识使得部分学者甚至对三峡工程的可行性提出了质疑^［38］。

●南水北调实施之后，径流量的减少对长江流域尤其是汉江中下游和长江口河流生态的影响是我国水利工作者关注的一个热点。对调水区（长江）和受水区（海河、黄河）的河流再造床进行科学的评估，有助于工程的安全和效益。

随着国民经济的发展和对水电能源与水资源的更大需求，一系列大中型水利枢纽和调水、引水工程将陆续兴建，河流再造床影响和规律的研究也变得越来越紧迫。研究河流再造床有助于对河道的演变规律、范围和趋势进行科学的评估和预测，从而为各种水利水电工程提供决策依据；有助于保护河流的功能、促进河流的健康，从而实现人与河流的协调发展。

1.3.2　河型转化机理及判别指标研究

关于河型的成因及转化，有不同的出发点，也有不同的成果，大致有如下几类：从河道边界组成出发；从河道形态出发；从地壳运动出发；从水动力学出发；从能量耗散出发；从来水来沙条件出发。

钱宁^［8］在综合前人研究成果和大量天然河流资料的基础上，对各种河型的形成条件进行了概括和总结（表1-2）。钱宁的分析全面而准确，但更多的是从现象而非机理的角度来论述，因而难以确定问题的关键和重点。

表1-2　不同河型的形成条件

（续表）

河型转化机理的探讨中，影响较大的有“比降决定论”，如Leopold、Schumm等认为比降的大小是造成河型是顺直、弯曲还是分汊的主要原因。还有观点认为河道的组成决定河型，如唐日长等提出二元结构决定弯曲河型^［18］。尹学良^{［40，41］}在总结批判各家观点之外，结合大量实测资料和模型试验结果，提出了“水沙条件决定河型论”，认为，河型的形成由来水来沙的搭配关系决定。

具体河型与式中的系数m有关：m值大的，大水来沙偏大而小水来沙偏小，易于淤滩刷槽而形成单股窄深蠕动性河型；m值小的，大水来沙偏小而小水来沙偏大，易刷滩淤槽而形成多汊宽浅游荡性河型。并具体指出了m的临界值：当m＞2.5时形成单股窄深蠕动河道，m＜2.5时形成多汊宽浅游荡河道。许炯心^［42］也认为水沙之间的搭配关系决定河型，但许选择的是年平均输沙率和年平均流量之间的关系。

齐璞^［43］认为河槽的横断面形态对河流的演变过程起了控制作用，是不同河流形成不同平面形态的必要条件。不同水沙组合虽然相差很大，但只要形成窄深河槽就可能发展成弯曲河流。张洪武^［44］在多次模拟小河的试验中认为，不同的河型都是水流和河床泥沙相互作用的结果；任何可动河床周界条件下，只要水流保持相应的强度，都可能形成游荡型、分汊型及弯曲型。由此提出了可作为河型判别标准的河床综合稳定性指标Z_w，并采用了多种模型沙，在试验室模拟了游荡性河道转化到弯曲河道的条件和形成过程。(www.xing528.com)

1.3.3　河型理论分析

在天然实测资料分析以及试验研究的同时，科学家们进行了从数学和力学的纯理论角度来分析河型变化机理的尝试。关于河型成因的理论和假说有很多，主要有：地貌界限假说、能耗极值假说、稳定性理论、随机理论和河床最小活动性假说等^［49］。

1.3.3.1　地貌界限假说

所谓地貌界限假说是指自然界由于地貌系统的不断发展演变，在临界条件下发生质的变化，从而引起原有地貌系统的分解并导致地貌系统在该临界条件下从原有状态向另一状态发生转化。地貌界限假说的提出，为解释自然界地貌系统由渐变到突变的一系列变化提供了指导性的方法，Schumm^［6，7］将这一方法应用于解释河型的成因及其转化时，认为给定的流量当输沙平衡时，无论对于何种边界条件，总是存在两个临界比降J₁和J₂。当河谷比降小于J₁，河型将维持单一顺直；当河谷比降大于J₂时，河型将由弯曲型突变为游荡分汊性辫状河流。

地貌界限假说是地理学家们由他们惯用的思考方式出发提出的一个很有启发性的观点，但这个用来解释河型的多样性的框架结构并未说明为什么河流地貌系统中会产生处于各临界坡降之间的不同河型的力学机理，这正是给水力学研究者们留下的课题。

1.3.3.2　能耗极值假说

能耗极值假说^{［50，51］}认为，对于河流系统，作为一个个体，它的变化将通过三个侧面——横向断面因素的变化、纵向变化及平面形态的变化。河流系统通过不断调整自身形态如河宽、水深、流速等，从而也自然地调整着与此对应的河流平面形态（即河型），以使河流系统单位河长的能量耗散率达到极值。

能耗极值假说是河型解释中最常见的一种假说，有最大能耗、最小能耗和最小能耗率等多种理论。目前运用较多的是张海燕提出的最小能耗率理论，最小能耗率理论弥补了Schumm提出的河型分析“框架”的不足，并能部分地尝试说明在一定界限内某种河型产生的原因在于水流的γQJ趋于最小。

1.3.3.3　稳定性理论

由稳定性理论出发研究河型问题的方法，一般都是先假定河床上有一个小的周期性的可衰减、可增大也可稳定的扰动，结合反映床面沙波形态的阻力公式及泥沙纵向和横向输沙的连续方程求解得到扰动传播的有关参数，最后根据初始扰动有关参数随时间变化的稳定性分析或根据假定来给出相应的河流平面形态^{［52，53］}。

综观稳定性理论在河型分析中应用的各种处理方法，稳定理论作为一种数学上较为严密、物理意义清楚的理论被用来解释各种河型成因的前景是非常广阔的，已从根本上触及了河型成因的内部原因，而且它比能耗率假说从整体上看来更加严密。

除了以上三种之外，还有随机理论和河床最小活动性假说等。这些理论和假说大多缺乏严格的理论证明，对解释问题的根源有启示和促进作用，但与实际现象有不少相悖之处，应用中受到了很多限制。

1.3.4　河型研究新方法的应用

近百年来，河型研究的主要研究方法有三种：统计和力学结合分析法、类比分析法和模型试验（主要是自然模型试验）。随着计算机技术和计算数学的高速发展，数学模型在河流动力学研究中得到了长足的发展，也得到了越来越广泛的应用。但现有河流数学模型多是对已知河流规律的模拟和实现，而河型研究更多的是探索未知规律，此时传统的数学模型往往显得无能为力。

近年来，随着计算数学的发展，河型形成与变化的数学模拟逐渐出现。如元胞自动机的应用等。元胞自动机模型方法不同于传统的数学建模方法，另辟蹊径，直接考察体系的局域交互作用，再借助于计算机模拟来再现这种作用导致的总体行为，并得到它们的组态变化。元胞自动机具有简单的构造，然而却能产生非常复杂的行为，因而非常适于对动态的复杂体系的计算机模拟，在许多实际问题中也取得了相当大的成功^［54-60］。1994年，Murray A.B.^{［61，62］}在《自然》杂志率先提出了一个辫状河流的元胞自动机模型，较好地模拟了辫状河流的形成过程；其后Thomas^［63］在前者的基础上建立了一个改进的元胞模型，较真实地模拟了辫状河流的水流过程。

此外，Hans-Henrik Stolum^［64］在Parker^［6567］的基础上，从分形的角度，研究了弯曲河道的自组织过程，明确了蜿蜒过程即为空间和时间上规则和混乱的摆动过程；张欧阳^［68］引入“空代时”假说，来描述游荡河型的造床过程，揭示了河型变化中的时空演替现象，也是河型研究中的一种新的思路。

近年来，国外学者较多地研究了区分弯曲河道和辫状河道的临界指标。1995年，Van den Berg^［45］在Ferguson和Knighton的基础上提出了河道水流潜能（potential stream power）：

其中γ是水的密度，D是水力半径，v是水流流速，s是坡降，Q是造床流量，通常为漫滩流量。ω结合床沙组成（中值粒径）能有效地区分河道的形态，尤其是弯曲河流和辫状河流的区分。Van den Berg的研究成果得到了广泛的引用和肯定，同时也引起了质疑。John Lewin^［46］在分析Van den Berg研究的基础上，认为仅用河道水流潜能和床沙中径是不可能很好地区分弯曲河流和辫状河流的。双方因而在《Geomorphology》上展开了辩论^{［47，48］}。

1.3.5　河型研究发展趋势及存在的问题

长久以来，众多学者对河型机理进行了广泛的研究，在统计和力学结合分析法、类比分析法和模型试验（主要是自然模型试验）三种方法的基础上做了大量的工作，也取得引人瞩目的进展，但由于问题的复杂性以及人们生活生产对河型研究要求的不断提高，至今存在不少问题。当前，随着河流动力学理论和计算科学的高速发展，河流分析和模拟技术取得了长足的进步，特别是河流数学模型，从无到有，已经成为了解决众多实际工程问题的有效工具。这些方法都是建立在河床演变规律的基础上，而河流再造床等基本规律认识的不足制约了整个河流动力学学科的发展，越来越成为人类认识河流、驯服河流的瓶颈^［69］。

目前河型研究的问题首先仍是基本规律的认识。天然河流影响河型的因素很多，多种因素往往交织在一起，更增加了问题的复杂性。确定河型成因及转化的影响因素及影响模式，为河流演变趋势提供正确的预测依据，即认识河流“怎么动”，是河型研究的一项基本任务，也是前期众多学者研究的重心所在，取得了许多突破性的进展，但在各因素的影响规律和影响权重方面，仍缺乏普遍性的认识。研究方法和手段的局限是一个重要的原因。统计和力学结合分析方法可以获得较本质的经验或理论公式，但由于天然河流影响因素过多过复杂，统计和力学结合分析方法难以获得普遍符合实际的数学模式，也缺少演变过程的分析和评估。理论和假说与河流现实更紧密的结合是河型机理研究的主要发展方向之一。河流潜能就是其中的一个重要的突破，但由于具体流量值Q选定的困难而引起了广泛的争议；此外其缺乏含沙量的指标而仅反映在河床组成中的做法在很多情况下是值得商榷的，尤其是以水沙变异为主要特征之一的河流再造床过程。类比分析法在定性描述上发挥着重要的作用，但河流的多样性和方法的本身特点决定了其只能在局部范围内产生影响。模型试验方法由于试验组次和研究范围的限制，虽在单个河型或个别影响因素上取得成功，但缺乏对演变方式和过程的广泛模拟，难以形成完整的体系、得出系统化的结论，还有待于进一步的研究和完善。传统的数学模型方法多是基于力学方法对已有规律描述和模拟，因而对河型这类探索未知规律的研究往往无能为力。

另一方面，人类生活和生产活动在改造河流的同时给河型研究带来了新问题，同时，由于经济、社会和工程的需要，对河型研究的要求也不断提高。河流再造床引起河型变化，已经成为了河型研究的主要内容；研究的内容已超越了不同河型之间的质变，还涉及了同一河型在变化条件下的微调，此时针对性的定性成果甚至定量成果变得尤其重要。如三峡水库兴建后下游河道的变化调整，人们不仅关心宏观的河型变化，还关心河型微调的过程与形式：如侧蚀和下蚀的发展。此时河型研究由成因及转化，进一步细化到过程与结果。

河型研究的趋势，首先是在深入挖掘现有理论和方法的基础上，引进新方法理论，促进河型变化规律的进一步认识。在此基础上，结合实际的工程问题，对河流的稳定性以及变化范围和幅度作出定量的预测。河型研究的深化，必须在适当的理论模式下，将现有河型影响因素及其作用效果进行量化，建立合理的函数关系。不仅是河流随单因素的改变而变化的量化；更有河流随多因素改变而综合变化的量化。

河型的定量化研究，是目前河型研究的趋势；近年来已有一些进展，但无论理论上还是应用上还有待于进一步研究。

河型研究的最终目的，是有效地认识河流、改造河流，使河流以适当的河型，维持其最佳的系统功能，促进河流的健康和持续发展，最终促使河流和人类协调发展。此时需要对河流系统及功能、局部及整体、因素与结果作全面科学的认识和把握。