河道演变及其研究方法：以长江与黄河为例

钱宁(1987)把河道分为顺直、弯曲、分叉、游荡四种类型。这种分类不仅是对每一种类型河道平面形态的直观理解,更重要的是包括了对不同类型河道演变规律的深刻描述。这种分类较之西方国家应用较广的顺直、弯曲、辫状三种河型的Leopold分类法具有明显的先进性。因为,Leopold的分类法尽管简单,但是偏重于平面形态的描述,没有明确区分不同类型河道的演变特性。例如,按Leopold的分类,长江中下游河道和黄河下游河道都为辫状河流。但是,长江的江心洲相对来说比较稳定;而黄河下游除了支汊很多外,还表现出主流摆动不定。按钱宁的分类,长江中下游河道属于分叉型,而黄河下游属于游荡型,表现出不同的演变规律。河口分类与河道不同,黄胜根据我国具体情况,依据海域来水来沙及流域来水来沙强弱的不同组合,将河口分为强潮海相、弱潮海相、湖源海相及海路双向四类。

谢鉴衡把弯曲型河流称作蜿蜒型,结合下荆江河段对蜿蜒型河道的形成原因及发展前景进行了系统分析(2004、1989)。从历史背景上考察荆江的成长过程,可以分为漫流阶段、两侧分流阶段、一侧分流阶段及无分流阶段。在成因分析上,揭示出在16～18世纪内,下荆江逐渐由微弯河型变成弯曲的蜿蜒河型,主要原因是由于荆江从两侧分流转为一侧分流所造成的下荆江流量的增大。原来下荆江流量较小,河床过水断面较小,比降较大,随着流量的增大,水流挟沙力相应增加,而来水含沙量基本不变,河流必须通过冲刷使比降减小,而发展蜿蜒河型使河长增加正是达到这一目的的有效手段。此外,还分析了人工裁弯及修建三峡水库对河床演变的影响。对于河型成因,在20世纪60年代对弯曲河流成因研究(唐日长,1964;尹学良,1965)的基础上,80～90年代,对长江中下游分汊河道形成条件又进行了研究(罗海超、尤联元,1980;余文畴,1994)。

除了河型分类外,河道演变的主要进展包括:不同河型的演变规律、河相关系、河流的自动调整作用、河流的稳定性指标、各种类型河道的形成、水库上游泥沙淤积与下游河道的冲刷规律、河床变形计算、河口演变规律。钱宁(1987)把河道演变的规律加以分析总结,上升到理论高度,完成专著《河床演变学》,反映出该研究领域的系统成果。同时期,张海燕(1988)完成了《河流演变工程学》专著,在河型、河流的自动调整机理等重要理论或方法的处理和弯道变形、河宽调整和河床冲淤的数学模拟等方面很有特色,对过去仅能定性描述的一些河流问题提出了定量的处理办法,配合各类问题列举了大量工程实例。近期,曹叔尤(1996)完成专著《河流水力几何形态学》。主要进展在于发展了冲积河流尺度确定的河相关系,把功率原理、冲积概率等引入稳定河宽确定中,作为预报稳定河宽的补充方程;应用概率熵的原理和方法,研究临界稳定渠道剖面形状,由极大信息熵原理导出了临界稳定渠道剖面形状分布计算式;计入二次流动量横向传递,首次导出了适用于均匀沙与非均匀沙河道稳定几何形态的分析解;将反映不同河岸稳定情况的河岸稳定性指标引入新的河道几何形态模型中,研究了河岸稳定性对河道几何形态的影响;在复式河槽流速、床面切力等的测试实验基础上,研究了复式河床平均流速、床面切力和紊流扩散系数沿横向的分布特性。王光谦、张红武、夏军强(2005)对游荡型河道的演变规律与模拟方法进行了系统总结,完成《游荡型河流演变及模拟》学术专著。

平原河道的断面形态,有主槽和滩地之分。水流漫滩后,滩槽同时过流。热烈兹那可夫(1947)从模型试验中发现,水流漫滩后主槽泄流能力比用曼宁公式计算的要小,而滩地则要大,但他未能从理论上予以探讨。史丙青(1962)专门进行模型试验,研究滩槽横向水量交换,建立了计算全断面(包括滩槽)平均流速和流量的经验公式。谢汉祥(1980)根据动量传递的物理机制,建立了计算滩槽流速的理论模式和滩槽流量计算方法。但这些成果都是基于清水的情况。丁君松、王树东(1984)在前人工作基础上,提出了滩槽点流速沿垂线分布的二维计算方法,同时进行了专门的浑水漫滩水流试验,研究滩槽悬移质泥沙运动,取得了长足的进展。丁君松还对分汊河道演变特性进行了理论分析与试验研究。特别是从理论上探讨了汊道水力要素间的关系,汊道水、沙分配模式,以及汊道与弯道的不同特性。(www.xing528.com)

在复式断面河流水力学研究方面,英国工程与自然科学研究委员会资助多年的Flood Channel Facility 实验研究计划产生了一系列研究成果(Knight and Shiono,1990;Shiono and Knight,1991;Lyness et al.,1998;Myers et al.,1999;Knight et al.,1999;Lambert and Sellin,2000;Cassells et al.,2001;Knight and Brown,2001)。关于野外实际复式明渠水力学的代表性研究见Carling et al.(2002),Sellin and Beesten(2004)。

河道演变的研究方法主要依靠对天然河流的调查、观测及模拟。20世纪70年代,长江水利委员会对长江源头水系、地质地貌条件和河道形态组织了两次调查,确定了长江的正源为沱沱河,并通过新华社向世界公布了长江的长度为6300余km(史立人,1979)。在全国河流水系,设立2910个固定野外测量站,其中包括1230个水文站,取得了大量、详细、长系列的水文观测资料。长江水利委员会在20世纪50年代开始设立专门的河道实验站,对长江等大河进行长期、系统的河道演变观测研究,取得了大量观测资料和研究成果。针对七大江河进行野外观测、模型试验等全面研究,基本上认清了河道特性及变化规律。长江中下游是弯曲、分汊河段为主的河道,通过对长江治理的研究和实践,使得我国关于弯曲河道(唐日长等,1981)与分汊河道(长江水利水电科学研究院等,1985)的水流、泥沙特性及演变规律的认识达到先进水平(杨怀仁、唐日长,1999)。通过对黄河下游游荡型河道的长期研究,掌握了黄河下游泥沙的来源、数量及时空分布规律,弄清了不同粒径泥沙在黄河下游河道内的淤积分布、以及黄河水沙在下游河道中的演进规律,为黄河治理提供了科学依据。

目前在该方面的研究中面临新的挑战。一方面洪水灾害频繁发生,呈现“小水大灾”的新特点。这种洪水灾害的形成机理,充分说明“水沙共同致灾”的关系,泥沙淤积降低河道的行洪与调洪能力,抬高河床高程,加剧洪水灾害。同时,由于河流上较多建坝,造成水沙变异,降低河道适应能力(李义天,2004)。另一方面,黄河频频断流,使得下游水沙条件发生重大变化,这种间歇性高含沙河流的河道演变规律及其治理对策是亟待解决的新课题,已经引起人们的高度关注,开展研究并取得了初步成果。例如,最近3次的黄河调水调沙原型试验表明,通过单库或多库水沙调控,将不协调的水沙关系调节为相协调的水沙关系,是有利于输沙入海、减轻黄河下游河道淤积甚至冲刷下游河道的有效途径之一(李国英,2002、2004)。