河流弯道演变与转化：试验研究成果

8.6　关于河型成因的讨论

前人研究和我们长时间的水槽试验经历发现：河型成因研究之所以成为难点的一个重要原因是影响的因素过多，且往往交织在一起，增加了问题的复杂性。河流动力学家一般将影响因素概括为来水来沙条件、侵蚀基准面和河道边界条件三类。钱宁进一步将这三类细化为河岸组成物质、节点控制等10种。在本文试验内，在前人范围外，我们更明确了入流角、流量过程、河槽初始形态以及不同来沙类型的影响。

对于众多影响因素下的河型成因研究，有两个研究方向：一是摈弃次要因素，抓住主要问题，研究影响河型的“主要”的某一因素变化，如Schumm的比降决定论、尹学良的来水来沙条件决定论等。这一类型的观点，能轻易找到支持其观点的天然河流以及模型试验实际，但却总回避其余因素也有规律性影响的现实，概化的太多；因而难以得出对现实河流具有指导意义的结论。20世纪80年代以来，研究者们逐渐意识到河型成因是多个因素的综合，如目前普遍认为辫状河流形成的原因为较大的比降、松散的河床组成和较多的床沙质输入，在此基础上，力图建立合理的数学模式，将各个因素统一起来，从而得到全面的评估。如Van den Berg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，如John Lewin在分析Van den Berg研究的基础上，认为仅河道水流潜能和床沙中径不可能很好地区分弯曲河流和辫状河流。作为统一数学模式的尝试，Van den Berg的研究成果无疑是具有重大意义的。尽管其数学模式过于简单，甚至没有考虑来沙的因素，来水条件也概化为Q值而抹去了流量过程等丰富多彩的河型变化因子；但建立将各因素统一的数学模式无疑是河型研究的正确方向。

但在各个因素影响的规律各不相同，内在的能量机理也未能明晰的基础上，强行构造一个简单的数学模式来解释错综复杂的河型变化，其可行性和指导性都具有极大的局限。

建立统一数学模式的基础，是明确河型的影响因素。在长期的河型研究过程中，我们提出了简单性因素和复杂性因素的区分。

简单性因素是指随着该一因素的改变，河型具有规律性的变化，这一规律性可能因为其他因素的干扰而不确定，但规律性还是相当明显的。如比降，当河谷比降不断增大时，河型的转化具有规律性的变化；受其他因素的干扰，不是所有的河流比降增大时都会发生河型转化，但河型与比降的规律性关系是确定的。尹学良的水沙搭配论也可以归类为简单性因素。

当某一因素的存在，对河型的形成及转化有影响，但单纯这一因素的改变，河型的变化不具有确定的规律性，这样的因素我们称之为复杂性因素。如前文所述的入流角、流量过程，以及对于长江下游分汊型河道形成有重大影响的节点等。以流量过程为例，牙买加布卢山（Blue）南北坡上河流的例子，该山南北坡的地质条件、地形、年降雨量等均无不同，只是由于流量过程的不同，南北河流形成的河型不同，山南河流为弯曲型，而山北河流为游荡型。钱宁^［15］介绍这一现象时认为这是在一种临界条件下，流量过程起了推动力作用，而不能说流量过程为河型的决定因素之一。(www.xing528.com)

简单性因素，决定了河型转化的规律性；而复杂性因素，则决定了河型的多样性。我们用简单性和复杂性因素结合来分析天然河道的河型情况，将有助于得到较符合实际的结论。如渭河下游，含沙量甚至比黄河还高而呈现弯曲的河道形态，这个现象的解释现在基本得到了共识^［1，8］：河道形成了窄深河槽，以及高含沙水流的特殊性质。但从河型成因的角度来讲，来水来沙和比降等简单性理论很难解释得通。窄深河槽是弯曲河型的原因还是结果，高含沙水流是如何产生的？是不是其他河流如黄河也形成了窄深结构（即人为塑造），就能变成弯曲型？抑或假如渭河人为变成宽浅，它就和黄河一样游荡呢？用简单性因素很难解释，而复杂性因素的解释将合理得多。

人们一直在寻求河型机理的简单确定的规律，也找出了一些确实有道理并具有事实证明的简单性因素（如比降、水沙条件等），但具体到某一个河道，简单性因素理论的预测总显得那么苍白无力和不具有说服力，说明将河型机理用简单性因素来解释是远远不够的。

河型成因简单性和复杂性因素的划分，一方面，简单性因素存在不确定性，复杂性因素的不确定性更为明显，甚至还存在复杂响应现象，从而不可避免地增加了河型研究的复杂性；另一方面，这种复杂性并不是杂乱无章的，如简单性因素大多具有趋势性的引导作用，复杂性因素则是在这种趋势下，其作用大多有水流微观结构、水流作用与河槽稳定关系等背景，适合于从理论上和微观上找原因。

在简单性因素的基础上，在式（8-1）的基础上，建立更合理的统一数学模式并没有更多的理论困难（技术上尚需大量的工作，如沙和水能量的统一等）；但不考虑复杂性因素，不考虑复杂性因素在一定临界区产生影响的实际，也难以从根本上解决河型成因问题。

河流是一个系统，河型成因及转化也是一个系统问题。要想揭示河型转化的机理，为河道演变的确定性和河势的稳定性提供科学可靠的依据，只能采用系统的观点，把简单性因素和复杂性因素辩证结合。

目前的河型研究，主要集中在寻求确定规律性即简单性因素方面，较多地采用了统计学和能量的方法；复杂性因素，从本试验的研究而言，需要较多地从力学理论以及水流微观结构来解释。如何认识两者的作用效果，并把两者的作用效果在某一理论（如力学理论）上有机结合起来，才是揭示河型成因及转化机理的必由之路。从这个角度来讲，本试验只是一个开始。