沖積性河流河床橫斷面形態(tài)研究與進(jìn)展

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(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

1 研究背景

沖積性河流河床橫斷面形態(tài)是河床演變學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容。在挾沙水流與河床邊界的交互作用下，沖積河流河床會(huì)發(fā)生自適應(yīng)性調(diào)整，橫斷面形態(tài)變化是其調(diào)整的形式之一。影響河床橫斷面形態(tài)調(diào)整變化的因素很多，其變化過(guò)程也錯(cuò)綜復(fù)雜。橫斷面輸沙不平衡是河床橫斷面形態(tài)調(diào)整的根本原因。

沖積性河流河道橫斷面形態(tài)的變化調(diào)整，不僅影響河流的排洪、輸沙能力，也會(huì)對(duì)沿河兩岸的堤防安全與穩(wěn)定、岸邊土地的規(guī)劃利用和居民的正常生活產(chǎn)生重大影響。近50 a來(lái)，隨著越來(lái)越多水庫(kù)的建成，這些問(wèn)題顯得更加突出。為此，深入研究河道橫斷面形態(tài)調(diào)整的規(guī)律和機(jī)理具有重要意義。由于影響河道橫向調(diào)整因素的多樣性及其變化過(guò)程的錯(cuò)綜復(fù)雜性，國(guó)內(nèi)外很多研究者從不同角度對(duì)河道橫斷面形態(tài)進(jìn)行了研究，也得到了一定的理論成果。本文主要是對(duì)沖積性河流河床橫斷面形態(tài)現(xiàn)有研究成果和進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，歸納其優(yōu)點(diǎn)與不足，并提出有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

2 現(xiàn)有研究成果與進(jìn)展

現(xiàn)有研究成果中，除了利用已有工程的對(duì)比分析外，經(jīng)驗(yàn)分析、物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算是主要的研究手段。很多研究者在實(shí)測(cè)資料分析的基礎(chǔ)上，利用均衡理論研究河流處于相對(duì)平衡時(shí)的河床橫斷面形態(tài)，并由此來(lái)預(yù)測(cè)該河段在較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)橫斷面的調(diào)整規(guī)律。由于天然河流往往處于不平衡狀態(tài)，沖積河流的河道形態(tài)在來(lái)水來(lái)沙及其他相關(guān)擾動(dòng)作用下會(huì)自動(dòng)“平衡”調(diào)整，但其響應(yīng)調(diào)整過(guò)程一定程度上滯后于外部擾動(dòng)條件[1]。因此，也有不少研究者利用河流系統(tǒng)的這種滯后響應(yīng)現(xiàn)象來(lái)研究河流橫斷面形態(tài)的調(diào)整規(guī)律。根據(jù)研究方法的不同，本文將沖積性河流河床橫斷面形態(tài)研究分為以下幾個(gè)方面：經(jīng)驗(yàn)分析、模型研究、理論分析。

2.1 經(jīng)驗(yàn)分析

基于實(shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)分析法是最常用于研究和預(yù)測(cè)河道橫斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律的方法。其原理是通過(guò)對(duì)相對(duì)穩(wěn)定或沖淤幅度不大的人工渠道和天然河道進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出河流橫斷面幾何形態(tài)影響因素及各影響因子之間的相關(guān)關(guān)系。

由于影響河道橫向調(diào)整的因素極其錯(cuò)綜復(fù)雜，很多研究者分別從河流水沙條件和河床邊界條件對(duì)其進(jìn)行研究，得到了很多成果。Leopold和Maddock[2]通過(guò)整理美國(guó)西部平原河流的資料，認(rèn)為河床斷面形態(tài)與造床流量具有指數(shù)關(guān)系。胡春宏等[3]通過(guò)對(duì)黃河下游實(shí)測(cè)資料分析，研究了不同水沙過(guò)程下河床橫斷面形態(tài)的變化過(guò)程及其與來(lái)水量的響應(yīng)關(guān)系。梁志勇等[4]認(rèn)為斷面水力幾何形態(tài)關(guān)系與來(lái)水來(lái)沙搭配指數(shù)有一定關(guān)系，并基于“記憶”效應(yīng)提出了斷面幾何特征與前期水沙的計(jì)算公式。還有其他有代表性[5-6]的研究，都通過(guò)實(shí)測(cè)資料的分析，總結(jié)得出了河段橫斷面形態(tài)與各影響因素之間的相關(guān)關(guān)系。

同時(shí)，很多研究者分析研究了河床橫斷面形態(tài)在水沙變異條件下的調(diào)整規(guī)律，對(duì)其調(diào)整機(jī)理有了一定的認(rèn)識(shí)。比如，余明輝等[7]以漢江丹江口水庫(kù)及長(zhǎng)江葛洲壩水利樞紐為例，研究了水庫(kù)運(yùn)用對(duì)河灣平面形態(tài)的影響以及在不同的來(lái)水來(lái)沙條件下典型河灣平面形態(tài)變化規(guī)律。黃莉[8]通過(guò)分析大量實(shí)測(cè)資料，總結(jié)了荊江監(jiān)利河段斷面演變的特點(diǎn)，并對(duì)三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用后監(jiān)利河段河床橫斷面形態(tài)的演變趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)估。姚文藝等[9]以小浪底水庫(kù)運(yùn)用后的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，結(jié)合物理模型試驗(yàn)，研究了清水下泄過(guò)程中黃河下游游蕩性典型河段河勢(shì)變化趨勢(shì)、河道橫斷面形態(tài)的調(diào)整過(guò)程及其模式。劉曉燕等[10]、冉立山等[11]針對(duì)不同時(shí)期黃河內(nèi)蒙河段的水沙條件，分析了水沙變化對(duì)河段橫斷面的影響及近期主槽萎縮的原因。這些研究成果對(duì)于理論研究和工程實(shí)踐都有重要意義。

經(jīng)驗(yàn)分析的方法簡(jiǎn)單，容易掌握，可以較好地分析研究河道橫斷面形態(tài)與各影響因素之間的相關(guān)關(guān)系，但其只在資料來(lái)源范圍內(nèi)有很好的適應(yīng)性。張敏等[12]將現(xiàn)有的部分經(jīng)驗(yàn)公式運(yùn)用于黃河下游橫斷面調(diào)整分析，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行比較，結(jié)果表明這些經(jīng)驗(yàn)公式均不能直接拿到黃河上來(lái)應(yīng)用。同時(shí)，這些經(jīng)驗(yàn)性理論只反映了河流橫斷面形態(tài)調(diào)整的結(jié)果，對(duì)于造成這些結(jié)果的原因并沒(méi)有很好的分析。

2.2 模型研究

2.2.1 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)由于其比較直觀，可以比較全面、真實(shí)地模擬河道橫斷面形態(tài)的調(diào)整過(guò)程，是研究河床橫斷面形態(tài)調(diào)整規(guī)律的重要方法。其不足之處是需要投入較多的人力和物資，而且耗時(shí)也較大。

在影響因素研究這方面，陳立等[13]采取概化水槽實(shí)驗(yàn)的方法，研究了壩區(qū)下游清水下泄時(shí)河床組成、流量、比降、水流人流角等因素對(duì)河床形態(tài)的影響規(guī)律。張俊勇等[14]通過(guò)概化水槽試驗(yàn)研究了流量過(guò)程對(duì)河型的影響。其試驗(yàn)表明，不同的流量過(guò)程形成的河道形態(tài)不同，在適當(dāng)?shù)臈l件下，流量過(guò)程的改變將導(dǎo)致河型轉(zhuǎn)化。同時(shí)，也有研究者分析研究了河床橫斷面形態(tài)在水沙變異條件下的調(diào)整規(guī)律，如張歐陽(yáng)等[15]采用過(guò)程響應(yīng)模型試驗(yàn)方法, 研究和驗(yàn)證了河床形態(tài)調(diào)整對(duì)于不同含沙量水流過(guò)程的復(fù)雜響應(yīng)現(xiàn)象，并從試驗(yàn)的角度部分地修正了Schumm關(guān)于水沙條件變化后河床形態(tài)調(diào)整方向的定性預(yù)測(cè)關(guān)系。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為利用水沙數(shù)學(xué)模型模擬和預(yù)測(cè)河流橫斷面形態(tài)變化創(chuàng)造了條件。為了模擬河流橫向調(diào)整過(guò)程，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)其調(diào)整變化的物理過(guò)程和力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了研究，并通過(guò)理論分析或?qū)崪y(cè)資料分析建立了一些泥沙數(shù)學(xué)模型。根據(jù)時(shí)空連線性，水沙數(shù)學(xué)模型可分為一維模型、二維模型和三維模型。一維水沙數(shù)學(xué)模型一般用于研究長(zhǎng)河道長(zhǎng)時(shí)期的河床演變，二維和三維水沙數(shù)學(xué)模型主要用于研究河床局部的水沙運(yùn)動(dòng)和沖淤變形。

目前，各種類(lèi)型的泥沙數(shù)學(xué)模型已經(jīng)很多，但能用于模擬河流橫斷面形態(tài)調(diào)整的模型還相對(duì)較少[16]。在進(jìn)行水沙運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算求解過(guò)程中，常常將水動(dòng)力學(xué)模塊和泥沙輸移模塊分開(kāi)進(jìn)行非耦合求解，相比于較成熟的水動(dòng)力學(xué)的基本原理和數(shù)學(xué)模型，泥沙輸運(yùn)過(guò)程的模擬仍待進(jìn)一步深入研究。同時(shí)，對(duì)于可動(dòng)邊界的沖積河流，已有方程中未知量的個(gè)數(shù)多于獨(dú)立方程。因此，附加適用于特定研究區(qū)域的經(jīng)驗(yàn)公式或假定是解決有泥沙輸移的沖積河流過(guò)水?dāng)嗝嫠缀涡螒B(tài)常用的方法。由于缺乏可靠的理論依據(jù)，模型的適用性受到很大限制。

總體而言，目前能夠較全面地模擬沖積河流河床橫斷面調(diào)整的數(shù)學(xué)模型還較少，國(guó)外的模型大多數(shù)僅限于邊界條件簡(jiǎn)單的小河或人工渠道，且很多模型不考慮漫灘水流對(duì)河岸的侵蝕作用。國(guó)內(nèi)的數(shù)學(xué)模型較多地模擬了天然河流的演變過(guò)程，其成果主要集中于黃河流域，但很多模型采用一些經(jīng)驗(yàn)方法對(duì)河床橫斷面調(diào)整的沖淤面積進(jìn)行分配，其內(nèi)在機(jī)理的研究還很缺乏。

2.3 理論分析

2.3.1 極值假說(shuō)

20世紀(jì)80年代以來(lái)，許多學(xué)者基于熵論、功以及能耗理論上引入各種極值假說(shuō)對(duì)均衡輸沙河流進(jìn)行定量計(jì)算，以模擬預(yù)測(cè)橫斷面形態(tài)調(diào)整的相關(guān)關(guān)系。較有代表性的如，張海燕[17]認(rèn)為平衡河流的自我調(diào)整總是傾向于用給定的能量消耗輸運(yùn)最多的泥沙，或者用最小的功率輸運(yùn)給定的泥沙，提出單位河長(zhǎng)水流功率最小假說(shuō)，并由此建立了能夠模擬河槽幾何形態(tài)的FLUVIAL-12模型。楊志達(dá)[18]指出一個(gè)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)的條件是此系統(tǒng)的能耗率為最小，并根據(jù)最小能耗原理推出了矩形明渠的河相關(guān)系式。殷瑞蘭和陳力[19]根據(jù)河道主要特性、河段天然狀態(tài)的反饋調(diào)整規(guī)律以及三峽樞紐下游沖刷一維數(shù)模計(jì)算成果，運(yùn)用最小能耗率理論分析河道演變機(jī)理，預(yù)測(cè)清水下切沖刷后荊江河段橫向變形趨勢(shì)、崩岸的必然性，并提出重點(diǎn)防御河段。陳緒堅(jiān)等[20]基于最小可用能耗率原理和統(tǒng)計(jì)熵理論，分析了黃河下游河段的演變規(guī)律，并由此建立了河床穩(wěn)定均衡理論。

極值假說(shuō)由于不考慮河流過(guò)水?dāng)嗝鎺缀涡螒B(tài)在微小尺度上的自我調(diào)整過(guò)程，其數(shù)學(xué)推導(dǎo)或者利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的數(shù)值分析都相對(duì)簡(jiǎn)單得多，但其局限性也很明顯。一方面，它無(wú)法預(yù)測(cè)出演變過(guò)程中河寬調(diào)整的變化率。另一方面，運(yùn)用極值假定僅能計(jì)算出每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)里河寬變化的總量，至于左岸或右岸各自調(diào)整的多少是無(wú)法確定的，其河寬的總變化在左右岸的分配也必須由模型使用者憑經(jīng)驗(yàn)確定。而且，至今對(duì)為何要將這些極值假說(shuō)應(yīng)用其中來(lái)解釋河流調(diào)整過(guò)程還缺乏令人信服的物理解釋。

2.3.2 力學(xué)理論分析

力學(xué)理論分析是研究河流調(diào)整過(guò)程的重要方法，在河床的展寬方面具有很好的適用性。最具有代表性的是Gary Parker[21]的研究成果，他將河床邊界劃分為眾多微小單元，然后對(duì)這些微小單元上的挾沙水流與單元形態(tài)之間的相互作用進(jìn)行受力平衡分析，最后對(duì)這些微觀力平衡的宏觀形態(tài)效應(yīng)進(jìn)行積分求解，并通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到了河流的河相關(guān)系。

基于力學(xué)理論分析的水動(dòng)力學(xué)-土力學(xué)方法在模擬橫斷面形態(tài)調(diào)整方面取得了很大的發(fā)展。該方法通過(guò)求解泥沙連續(xù)方程估算出泥沙通量場(chǎng)在橫斷面上的分布得出河床沖淤變形，然后用河岸邊坡穩(wěn)定性理論對(duì)河岸進(jìn)行分析，如分析得出河岸不穩(wěn)定，則河岸崩塌土體的幾何尺寸就決定了一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)岸線后退的大小，也決定著泥沙連續(xù)方程中的河岸泥沙輸入項(xiàng)的大小，求解該泥沙連續(xù)方程即得到下一時(shí)間步長(zhǎng)的床面形態(tài)，由此逐步計(jì)算出河道橫斷面幾何形態(tài)的調(diào)整過(guò)程。

根據(jù)河岸土體特性的不同，將水動(dòng)力學(xué)-土力學(xué)模型分為適用于黏性河岸和非黏性河岸2種類(lèi)型。對(duì)于非黏性河岸，主要有2種方法用于估算坍岸泥沙的橫向分配。一種方法以泥沙休止角作為判別岸坡是否穩(wěn)定的臨界條件。當(dāng)河岸坡角大于泥沙休止角時(shí)，岸坡就會(huì)失去穩(wěn)定，其上部泥沙就會(huì)滑落至坡腳部位。這種方法適合于模擬非黏性河岸崩塌過(guò)程。另一種方法是對(duì)泥沙連續(xù)方程進(jìn)行改造使得塌岸泥沙可以作為橫向泥沙通量來(lái)處理，該方法適合于研究非黏性河岸泥沙的侵蝕過(guò)程。對(duì)于黏性河岸，主要以O(shè)sman和Thorne[22]提出的河岸沖刷模型為代表，但該模型僅指出塌岸泥沙沉積在靠近岸趾的區(qū)域，未能說(shuō)明塌岸泥沙是如何分布的。夏軍強(qiáng)等[23]研究了沖積河流河道橫向展寬的機(jī)理，并根據(jù)Osman和Thorne提出的黏性河岸沖刷模型，建立了同時(shí)模擬河床縱向與橫向變形的二維數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于黃河下游河床演變的研究。假冬冬等[24]根據(jù)Osman模型構(gòu)建了考慮河岸變形的三維數(shù)值模型。該模型將黏性河岸崩塌力學(xué)模型與水沙模型相結(jié)合，模擬出了與實(shí)際觀測(cè)規(guī)律較一致的河道橫向擺動(dòng)過(guò)程。

力學(xué)理論分析方法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)河流過(guò)水?dāng)嗝鎺缀涡螒B(tài)自我調(diào)整過(guò)程能從微觀上進(jìn)行深入的研究，機(jī)理清晰。由于沖積河道橫向模擬問(wèn)題的復(fù)雜性，該方法仍有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究完善。比如就其物理概念而言，由河岸坍塌下的泥沙在主槽上的橫向分布特征及其物理特性應(yīng)該由河岸失穩(wěn)的類(lèi)型、主槽的床面形態(tài)、河岸泥沙特性以及水流特性所決定，但目前在這方面研究成果還很欠缺。而且，現(xiàn)有模型的邊界條件相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)于天然河道復(fù)雜地形下的河床變形計(jì)算模型還需要進(jìn)一步完善。

2.3.3 沖積河流線性理論

研究平衡條件下河流的斷面幾何形態(tài)關(guān)系是預(yù)測(cè)沖積河道橫斷面形態(tài)調(diào)整的有效方法。Huang等[25-26]提出沖積河流線性理論，并采用變分方法首先對(duì)單一順直的輸沙平衡條件進(jìn)行分析，得到了均衡條件下推移質(zhì)輸沙率與河流斷面幾何形態(tài)之間的關(guān)系。該方法將河道寬深比引入已知的三大水流運(yùn)動(dòng)方程，此時(shí)泥沙運(yùn)動(dòng)方程可表示為流量Q、河道比降S、泥沙粒徑d和寬深比ξ的函數(shù)，即

Qs=f(Q，S，d，ξ) 。

(1)

當(dāng)給定河道的流量、河道比降和泥沙粒徑時(shí)，輸沙率能達(dá)到一個(gè)最大值，而此時(shí)能坡比降也取得最小值。這說(shuō)明當(dāng)來(lái)沙量達(dá)到輸沙率最大時(shí)，方程具有唯一的寬深比的解，也就是說(shuō)，具有唯一的水力幾何形態(tài)使得在滿足水沙運(yùn)動(dòng)三大方程的情況下恰好能將來(lái)水來(lái)沙輸移至下一河段，河道的水流輸沙效率最高，河段達(dá)到靜態(tài)平衡。河流達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)的過(guò)水?dāng)嗝嫘螒B(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式表明，天然沖積河流在平灘水位時(shí)所展現(xiàn)的水力幾何系是河流通過(guò)調(diào)整過(guò)水?dāng)嗝嫘螒B(tài)達(dá)到的穩(wěn)定平衡的結(jié)果。

劉曉芳等[27]對(duì)該方法進(jìn)行了拓展，將其應(yīng)用于更接近于天然河道實(shí)際過(guò)水?dāng)嗝娴奶菪涡螒B(tài)上，得到了描述最優(yōu)輸沙斷面的幾何關(guān)系式。將這個(gè)關(guān)系式與前人的研究成果進(jìn)行比較，其結(jié)果具有很好的一致性，這說(shuō)明通過(guò)調(diào)整過(guò)水?dāng)嗝嫘螒B(tài)來(lái)達(dá)到推移質(zhì)輸沙率最大這一河流穩(wěn)定平衡狀態(tài)，是存在于大多數(shù)沖積河流的一個(gè)普遍規(guī)律。在水沙變異條件下，大多數(shù)沖積河流能夠自動(dòng)調(diào)整使其過(guò)水?dāng)嗝娉尸F(xiàn)出高度一致的水力幾何關(guān)系。

2.3.4 沖積河流滯后響應(yīng)理論

很多研究者證明了河床演變中滯后響應(yīng)現(xiàn)象的存在，并對(duì)其進(jìn)行了研究。Hooke[28]在研究英格蘭Bollin河人工裁彎后河道的調(diào)整時(shí)，發(fā)現(xiàn)其響應(yīng)調(diào)整在裁彎后的2～4 a內(nèi)完成，而河道形態(tài)的調(diào)整持續(xù)大約8 a的時(shí)間以形成一個(gè)新的穩(wěn)定的河道。大量的實(shí)測(cè)資料分析表明，河流系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后向新的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)靠近時(shí)，其滯后響應(yīng)調(diào)整路徑可以用非線性的指數(shù)衰減函數(shù)來(lái)描述[29]。吳保生[30]根據(jù)河床在受到外部擾動(dòng)后的調(diào)整速率與河床當(dāng)前狀態(tài)和平衡狀態(tài)之間的差值成正比的基本規(guī)律,建立了河床演變滯后響應(yīng)的基本模型。該模型中將河床從原有狀態(tài)演變到新的平衡狀態(tài)的過(guò)程用以下一階常微分方程來(lái)描述：

(2)

式中:Ψ為特征變量(可以是平灘流量或平灘面積)；Ψe為特征變量的平衡值；t為時(shí)間;β為系數(shù)。

對(duì)上式進(jìn)行積分求解，最終得到在n個(gè)時(shí)段內(nèi)河床調(diào)整結(jié)果的多步遞推模式：

e-nβΔtΨe0。

(3)

該模式表明,當(dāng)前時(shí)段的河床演變不僅是當(dāng)前時(shí)段水沙條件的函數(shù),也受前期若干時(shí)段內(nèi)水沙條件的影響,這就是前期影響的實(shí)質(zhì)所在。

李凌云等[31]以黃河內(nèi)蒙古河段為對(duì)象，研究了用平灘流量作為反映河道形態(tài)特征參數(shù)的滯后響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明相較于未考慮滯后響應(yīng)作用機(jī)理的計(jì)算模式，其結(jié)果明顯更吻合于實(shí)測(cè)資料值。

2.4 其他研究方法

近年來(lái)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和模糊數(shù)學(xué)理論逐漸應(yīng)用于河床演變分析中。與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析模型相比，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有很強(qiáng)的非線性逼近功能，能全面考慮多種因素的影響。張小峰等[32]以荊江河段的石首彎道為研究對(duì)象，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立了河道斷面變形預(yù)測(cè)模型和河道岸線變形預(yù)測(cè)模型。李文文等[33]采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)黃河下游花園口、高村、艾山及利津等4個(gè)斷面進(jìn)行分析，其結(jié)果表明在斷面平灘流量計(jì)算中引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法不僅能全面考慮多種因素的影響，還能模擬出其隨水沙條件變化的動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程。

由于天然河流影響因素極其復(fù)雜，實(shí)測(cè)所得的水沙資料系列周期只是一種具有模糊性的大致周期。據(jù)此，有研究者提出基于模糊數(shù)學(xué)理論建立河流模糊等價(jià)矩陣聚類(lèi)方法，結(jié)合輸沙平衡程度公式來(lái)研究沖積河流的斷面形態(tài)問(wèn)題。目前，這方面的理論成果還相對(duì)較少，有待進(jìn)一步的研究。

3 有待進(jìn)一步研究的問(wèn)題

由于影響河床橫斷面形態(tài)調(diào)整變化的因素很多，其變化過(guò)程也錯(cuò)綜復(fù)雜。以下問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究：

(1) 現(xiàn)有的研究手段和方法還有待改善。現(xiàn)有對(duì)橫斷面形態(tài)調(diào)整的預(yù)估方法主要有經(jīng)驗(yàn)分析和數(shù)值模擬?；趯?shí)測(cè)資料的經(jīng)驗(yàn)分析，雖然簡(jiǎn)單方便，但其局限性很大，許多成果只對(duì)具體的實(shí)例有較好的適應(yīng)性，要使其具有普適性還需要在理論上進(jìn)行提升和發(fā)展。數(shù)值模擬是當(dāng)前研究的有效方法，但目前很多數(shù)學(xué)模型，僅能模擬室內(nèi)模型小河或人工渠道的調(diào)整過(guò)程，對(duì)于復(fù)雜天然河流的模擬，還需要進(jìn)一步完善。

(2) 在沖積河流橫斷面形態(tài)的影響因素研究方面，大多考慮的是來(lái)水來(lái)沙條件的大小對(duì)其的影響，而水沙條件變化的幅度及其流量級(jí)分布對(duì)河流橫斷面形態(tài)也具有較大影響，但由于這些問(wèn)題的復(fù)雜性，目前還難以對(duì)其進(jìn)行定量的描述，希望以后的研究能夠加以補(bǔ)充和完善。同時(shí)，建議今后盡量能從單因子逐個(gè)分析來(lái)研究各因素對(duì)斷面形態(tài)調(diào)整的影響。

(3) 對(duì)于不同河型，橫斷面形態(tài)調(diào)整的形式、幅度及其發(fā)展的機(jī)理都不盡相同，深入研究不同河型河流橫斷面形態(tài)調(diào)整的機(jī)理顯得十分必要。此外，現(xiàn)有的研究成果大多是對(duì)河床橫斷面形態(tài)調(diào)整趨勢(shì)進(jìn)行定性預(yù)估，而未能作出定量的預(yù)測(cè)，完善這方面的研究對(duì)工程實(shí)踐也具有重要意義。

(4) 在岸灘變形的研究方面，主要是針對(duì)岸灘的展寬機(jī)理進(jìn)行的。在岸灘淤長(zhǎng)方面，對(duì)其淤長(zhǎng)過(guò)程雖然能夠模擬，但對(duì)淤長(zhǎng)后的影響因素還要進(jìn)一步研究考慮。比如，在岸灘淤長(zhǎng)之后，生長(zhǎng)在上面植物對(duì)整個(gè)河岸的變形有很大的影響，而目前這方面的研究還相對(duì)較少。

(5) Huang等[25-26]利用線性理論對(duì)河流自調(diào)整過(guò)程進(jìn)行研究，其結(jié)論對(duì)輸沙函數(shù)極為敏感，不同的輸沙函數(shù)對(duì)最優(yōu)輸沙斷面形態(tài)造成的影響很大，建立一個(gè)或多個(gè)普適的河流輸沙函數(shù)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。另外，在其分析過(guò)程中河流過(guò)水?dāng)嗝姹桓呕癁榫匦?，雖然劉曉芳等[27]將其拓展到梯形斷面，但天然河流的邊界條件極其復(fù)雜，其對(duì)實(shí)際情況的適應(yīng)性還需進(jìn)一步研究確定。同時(shí)，該方法的理論在擴(kuò)展到不同河型的研究也還有待進(jìn)一步研究。

(6) 存在于河床演變中的滯后響應(yīng)現(xiàn)象已經(jīng)被前人的研究所證實(shí)，吳保生等[30]提出的滯后響應(yīng)模型目前僅應(yīng)用于黃河流域，還需要推廣到其他流域的研究。同時(shí)，確定河床橫斷面形態(tài)滯后響應(yīng)模型中調(diào)整速率和調(diào)整目標(biāo)值等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法及如何準(zhǔn)確把握滯后響應(yīng)的調(diào)整過(guò)程，還需進(jìn)一步的深入研究和探討。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，深入研究河道橫斷面形態(tài)調(diào)整的規(guī)律和機(jī)理具有重要意義。由于沖積河流河床橫斷面形態(tài)調(diào)整的復(fù)雜性，目前雖然得到了一些理論和觀點(diǎn)，但其均存在一定的局限性，有待進(jìn)一步的研究和完善。今后的研究，應(yīng)注重實(shí)測(cè)資料分析與理論研究的結(jié)合。一方面要深入研究影響橫斷面調(diào)整的因素，把握其作用機(jī)理與相互之間的內(nèi)在聯(lián)系；另一方面，完善河床橫斷面形態(tài)調(diào)整機(jī)理的研究，并對(duì)其變化過(guò)程和調(diào)整規(guī)律作出分析和預(yù)測(cè)也顯得十分必要。

參考文獻(xiàn)：

[1] LEOPOLD L B, LANGBEIN W B. The Concept of Entropy in Landscape Evolution[M]. Washington: US Government Printing Office, 1962.

[2] LEOPOLD L B, MADDOCK T. The Hydraulic Geometry of Stream Channels and Some Physiographic Implication[M]. Washington: US Government Printing Office, 1953.

[3] 胡春宏,陳建國(guó),劉大濱，等.水沙變異條件下黃河下游河道橫斷面形態(tài)特征研究[J].水利學(xué)報(bào),2006,37(11):1283-1289.(HU Chun-hong, CHEN Jian-guo, LIU Da-bin,etal. Studies on the Features of Cross Section’s Profile in Lower Yellow River under the Conditions of Variable Incoming Water and Sediment[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 37(11): 1283-1289. (in Chinese))

[4] 梁志勇,楊麗豐,馮普林.黃河下游平灘河槽形態(tài)與水沙搭配之關(guān)系[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2005,24(6):68-71. (LIANG Zhi-yong, YANG Li-feng, FENG Pu-lin. Relations of Channel Geometry to Water and Sediment Rate for the Lower Yellow River[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2005,24(6): 68-71.(in Chinese))

[5] 許炯心.黃河下游洪水的輸沙效率及其與水沙組合和河床形態(tài)的關(guān)系[J].泥沙研究,2009,(4):45-50. (XU Jiong-xin. Sediment Transport Efficiency of Floods in the Lower Yellow River in Relation with Water-sediment Combination and Channel Geometry[J]. Journal of Sediment Research, 2009, (4):45-50. (in Chinese))

[6] 涂啟華,安催花,萬(wàn)占偉,等.論小浪底水庫(kù)攔沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用中的下泄水沙控制指標(biāo)[J].泥沙研究,2010,(4):1-5. (TU Qi-hua, AN Cui-hua, WAN Zhan-wei,etal. Study on Flow and Sediment Index for Sediment Retaining Operation and Flow-sediment Regulation Operation of Xiaolangdi Reservoir[J]. Journal of Sediment Research, 2010,(4):1-5. (in Chinese))

[7] 余明輝,竇身堂, 孔凡輝，等.水庫(kù)下游河灣平面形態(tài)變化規(guī)律研究[J].泥沙研究,2006,(2):77-81. (YU Ming-hui, DOU Shen-tang, KONG Fan-hui,etal. The River Morphology Change of Jingjiang Reach after the Operation of the Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Sediment Research, 2006,(2):77-81.(in Chinese))

[8] 黃 莉.監(jiān)利河段水沙變化及其對(duì)該河段河床橫斷面形態(tài)影響機(jī)理研究[D].武漢:長(zhǎng)江科學(xué)院,2008.(HUANG Li. Mechanism of Water and Sediment Load Variation Affecting the Transversal Profile of Jianli River Reach[D]. Wuhan: Yangtze River Scientific Research Institute,2008. (in Chinese))

[9] 姚文藝,常溫花,夏修杰.黃河下游游蕩性河段清水下泄期河道斷面形態(tài)的調(diào)整過(guò)程[J].水利學(xué)報(bào),2003,(10):75-80. (YAO Wen-yi, CHANG Wen-hua, XIA Xiu-jie. Regulation Process of River Section Morphology in the Wandering Reach of Lower Yellow River Due to Erosion of Clear Water Discharging from Upstream[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, (10): 75-80. (in Chinese))

[10] 劉曉燕,侯素珍,常溫花.黃河內(nèi)蒙古河段主槽萎縮原因和對(duì)策[J].水利學(xué)報(bào),2009,40(9): 1048-1054. (LIU Xiao-yan, HOU Su-zhen, CHANG Wen-hua. Cause of Main Channel Shrinkage Occurred to the Inner-Mongolia Reaches of Yellow River [J]. Journal of Hydraulic Engineering,2009, 40(9): 1048-1054. (in Chinese))

[11] 冉立山,王隨繼.黃河內(nèi)蒙古河段河道演變及水力幾何形態(tài)研究[J].泥沙研究,2010,(4): 61-67. (RAN Li-shan, WANG Sui-ji. Study on Channel Evolution and Hydraulic Geometry in the Inner Mongolia Reach of the Yellow River[J]. Journal of Sediment Research, 2010, (4): 61-67. (in Chinese))

[12] 張 敏,李 勇,王衛(wèi)紅.現(xiàn)有橫斷面形態(tài)的研究成果及其在黃河下游的適用性驗(yàn)證[J].泥沙研究,2008,(2):62-68. (ZHANG Min, LI Yong, WANG Wei-hong. Existing Study on the Cross-section and Its Applicability in the Lower Yellow River[J]. Journal of Sediment Research, 2008,(2):62-68. (in Chinese))

[13] 陳 立,張俊勇,謝葆玲.河流再造床過(guò)程中河型變化的實(shí)驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2003,(7):42-45.(CHEN Li, ZHANG Jun-yong, XIE Bao-ling. Experimental Study on Development of River Pattern in the Process of River Reformation[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, (7):42-45. (in Chinese))

[14] 張俊勇,陳 立,何 娟,等.流量過(guò)程對(duì)河型影響的試驗(yàn)研究[J].水電能源科學(xué),2004,22(3):61-64. (ZHANG Jun-yong, CHEN Li, HE Juan,etal. Experimental Study on Influence of Discharge Process upon Channel Patterns[J]. Water Resources and Power, 2004,22(3):61-64.(in Chinese))

[15] 張歐陽(yáng),馬懷寶,張紅武,等.不同含沙量水流對(duì)河床形態(tài)調(diào)整影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2005,16(1):1-6.(ZHANG Ou-yang, MA Huai-bao, ZHANG Hong-wu,etal. Experimental Study on Influences of Sediment-laden Flow with Wide Sediment Concentration Range on Channel Metamorphosis[J]. Advances in Water Science, 2005, 16(1): 1-6.(in Chinese))

[16] 王新宏.沖積河道縱向沖淤和橫向變形數(shù)值模擬研究及應(yīng)用[D].西安:西安理工大學(xué),2000.(WANG Xin-hong. Development and Application of a Numerical Model for Bank Erosion and Sediment Transport in Alluvial Rivers[D]. Xi’an: Xi’an University of Technology, 2000. (in Chinese))

[17] CHANG H H. Fluvial Processes in River Engineering[M]. New York: John Wiley and Sons, Inc., 1988: 227- 322.

[18] YANG C T. Variational Theories in Hydrodynamics and Hydraulics[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1994, 120(6): 737 - 756.

[19] 殷瑞蘭,陳 力.三峽壩下游沖刷荊江河段演變趨勢(shì)研究[J].泥沙研究,2003,(6):1-6. (YIN Rui-lan, CHEN Li. Study on the Trends of Jingjiang River Evolution Caused by the Downstream Scour of the Three Gorges Project[J]. Journal of Sediment Research, 2003, (6): 1-6. (in Chinese))

[20] 陳緒堅(jiān),胡春宏.基于最小可用能耗率原理的河流水沙數(shù)學(xué)模型[J].水利學(xué)報(bào),2004,35(8):38-45. (CHEN Xu-jian, HU Chun-hong. Mathematical Model for Flow and Sediment in Alluvial River Based on Minimum Rate of Available Energy Dissipation Principle[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004,35(8): 38-45. ( in Chinese))

[21] PARKER G. Self-formed Straight Rivers with Equilibrium Banks and Mobile Bed: The Sand-silt River[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1978, 89(1): 109-125.

[22] OSMAN A M, THORNE C R. Riverbank Stability Analysis I: Theory[J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1988, 114(2):134-150.

[23] 夏軍強(qiáng),王光謙,吳保生.黃河下游河床縱向與橫向變形的數(shù)值模擬-I二維混合模型的建立[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(4):389-395. (XIA Jun-qiang, WANG Guang-qian, WU Bao-sheng. Numerical Simulation for the Longitudinal and Lateral Deformation of Riverbed in the Lower Yellow River Part 1: Establishment of a 2-D Composite Model[J]. Advances in Water Science, 2003,14(4):389-395. (in Chinese))

[24] 假冬冬,邵學(xué)軍,王 虹,等.考慮河岸變形的三維水沙數(shù)值模擬研究[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,20(3): 311-317.(JIA Dong-dong, SHAO Xue-jun, WANG Hong,etal. 3D Mathematical Modeling for Fluvial Processes Considering Bank Erosion[J]. Advances in Water Science, 2009,20(3): 311-317. (in Chinese))

[25] HUANG H Q, CHANG H H, NANSON G C. Minimum Energy as the General Form of Critical Flow and Maximum Flow Efficiency and for Explaining Variations in River Channel Pattern[J]. Water Resources Research, 2004, 40(4): W04502. DOI: 10.1029/2003WR002539.

[26] HUANG H Q. Reformulation of the Bed Load Equation of Meyer-Peter and Müller in light of the Linearity Theory for Alluvial Channel Flow [J]. Water Resources Research, 2010, 46(9): W09533. DOI: 10.1029/2009WR008974.

[27] 劉曉芳,黃河清,鄧彩云.沖積河流穩(wěn)定平衡條件與斷面幾何形態(tài)的數(shù)理分析[J].泥沙研究,2012,(1):14-22. (LIU Xiao-fang, HUANG He-qing, DENG Cai-yun. Mathematical-physical Analysis of Stable Equilibrium Condition and Channel Form in Alluvial Rivers[J]. Journal of Sediment Research, 2012,(1):14-22. (in Chinese))

[28] HOOKE J M. River Channel Adjustment to Meander Cutoffs on the River Bollin and River Dane, Northwest England[J]. Geomorphology, 1995, 14(3): 235-253.

[29] SURIAN N, RINALDI M. Morphological Response to River Engineering and Management in Alluvial Channels in Italy[J]. Geomorphology, 2003, 50(4): 307-326.

[30] 吳保生. 沖積河流河床演變的滯后響應(yīng)模型-Ⅰ模型建立[J].泥沙研究,2008,(6):1-7. (WU Bao-sheng. Delayed Response Model for Fluvial Processes of Alluvial Rivers I: Model Development[J]. Journal of Sediment Research, 2008,(6):1-7.(in Chinese))

[31] 李凌云,吳保生,侯素珍.滯后響應(yīng)模型在黃河內(nèi)蒙古河段的應(yīng)用[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2011, 30(1):70-77. (LI Ling-yun, WU Bao-sheng, HOU Su-zhen. Application of Delayed Response Model to Bankfull Discharge in the Inner Mongolia Reach of Yellow River[J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2011,30(1):70-77.(in Chinese))

[32] 張小峰,許全喜,談廣鳴,等.河道岸線變形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型研究[J].泥沙研究,2001，(5): 19-26. (ZHANG Xiao-feng, XU Quan-xi, TAN Guang-ming,etal. Prediction of River Bank-line Deformation Using Artificial Neural Network[J]. Journal of Sediment Research, 2001,(5):19-26. (in Chinese))

[33] 李文文,吳保生,夏軍強(qiáng),等.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法在黃河下游平灘流量計(jì)算中的應(yīng)用[J].泥沙研究,2010，(3):17-23. (LI Wen-wen, WU Bao-sheng, XIA Jun-qiang,etal. Application of the Method of Artificial Neural Network in Calculating Bankfull Discharge in the Lower Yellow River[J]. Journal of Sediment Research, 2010,(3):17-23. (in Chinese))