河道調(diào)整研究現(xiàn)狀及其對(duì)黃河下游游蕩型河道調(diào)整的啟示

李軍華，許琳娟，張向萍,2，江恩慧

(1.黃河水利科學(xué)研究院水利部黃河下游河道與河口治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450003； 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

游蕩型河流是天然河流中常見的河型之一，廣泛存在于世界各地，具有獨(dú)特的地貌特征。黃河孟津至高村長(zhǎng)299 km的河道屬于典型的游蕩型河段，該河段河床寬淺、水流散亂、沙洲密布、沖淤變化迅速，加之處于華北平原，灘區(qū)與兩岸人口密集，防洪壓力巨大[1]。隨著黃河流域水沙變化以及黃河下游河道治理的逐步推進(jìn)，下游游蕩型河道受到的水沙和邊界條件均發(fā)生了顯著變化，其河道治理也面臨著新的形勢(shì)。具體表現(xiàn)為：一是流域水沙銳減，潼關(guān)水文站實(shí)測(cè)年平均水量和年平均沙量由1919—1959年的426.10億m3和15.92億t分別減少到1987—2019年的251.19億m3和4.74億t，分別減少了41%和70%；二是現(xiàn)有河道邊界已由天然河道逐步成為有限控制的約束邊界，由于河道整治工程的逐步建設(shè)，河道邊界已演化為由抗沖性弱的天然土質(zhì)邊界與抗沖性強(qiáng)的工程邊界共同構(gòu)成，這種邊界作用下河道調(diào)整規(guī)律與天然河道及渠化河道均有所不同；三是河道整治工程與水沙過(guò)程不匹配，黃河下游游蕩型河道整治工程的設(shè)計(jì)流量為4 000 m3/s、含沙量為30 kg/m3，而小浪底水庫(kù)投入運(yùn)用后，黃河下游長(zhǎng)期缺少4 000 m3/s以上的大流量過(guò)程，而低含沙小流量過(guò)程年均持續(xù)時(shí)間卻長(zhǎng)達(dá)340 d以上，與整治工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差異很大。

河道的調(diào)整與來(lái)水來(lái)沙以及河道邊界條件關(guān)系密切。新形勢(shì)下水沙條件的改變以及有限控制邊界條件的約束，增加了游蕩型河道河勢(shì)演變的復(fù)雜性和不確定性，如主流大幅度擺動(dòng)、灘地坍塌、畸形河勢(shì)、工程脫河等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，同時(shí)游蕩性河段灘地坍塌、泥沙大量恢復(fù)，減少了水庫(kù)攔沙對(duì)艾山以下窄河段的減淤效果，增加了防洪壓力。

對(duì)于黃河長(zhǎng)期清水小水、前期工程約束共同作用下游蕩性河段河勢(shì)演變問(wèn)題，目前對(duì)于其調(diào)整機(jī)理與過(guò)程的認(rèn)識(shí)主要還是以經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)為主，對(duì)河道調(diào)整過(guò)程的物理解釋與調(diào)整結(jié)果缺乏準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)[2]。本文在梳理國(guó)內(nèi)外河道調(diào)整研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)于新形勢(shì)下黃河下游游蕩型河道調(diào)整應(yīng)重點(diǎn)開展研究的問(wèn)題作一探討。

1 河道調(diào)整研究現(xiàn)狀

沖積河道調(diào)整的結(jié)果是力求塑造一定的河道斷面形態(tài)，使來(lái)自上游的水量和沙量能通過(guò)下游河段下泄，河道保持一定的輸沙平衡[3]。通常采用河寬、水深、比降、彎曲度等因子確定河道斷面形態(tài)，河床演變過(guò)程中這些因子有時(shí)共同調(diào)整，有時(shí)單個(gè)或幾個(gè)因子發(fā)生調(diào)整，使得河流在不同地域展現(xiàn)出不同的平衡河道形態(tài)；在河道調(diào)整過(guò)程中，水流作用于河床，使河道發(fā)生變化，河道變化又反過(guò)來(lái)影響水流結(jié)構(gòu)，它們相互影響、相互制約，一直處于變化發(fā)展過(guò)程中[4]。因此，河道調(diào)整過(guò)程是多因素交織耦合的復(fù)雜過(guò)程。目前關(guān)于河道調(diào)整及過(guò)程的研究，多集中于河相關(guān)系、不同邊界條件下河道調(diào)整過(guò)程、沖積河流線性理論等相關(guān)內(nèi)容。

1.1 河相關(guān)系的研究

河相關(guān)系是指沖積河道通過(guò)自動(dòng)調(diào)整作用達(dá)到平衡時(shí)，其縱剖面、斷面形態(tài)與流域因素之間的某種定量關(guān)系。利用河相關(guān)系開展河道調(diào)整規(guī)律研究已有近百年的歷史。早期的研究多采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法[5-7]，近期河相關(guān)系理論研究可以歸結(jié)為探索第四個(gè)封閉方程的問(wèn)題。河相關(guān)系模型中有4個(gè)未知數(shù)(河寬、水深、流速和比降)，但只有3個(gè)方程，即水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程和輸沙方程，導(dǎo)致了方程組不封閉，尋求額外的獨(dú)立方程成了河相關(guān)系理論研究的切入點(diǎn)。眾多研究方法可以分為兩類：一類是以穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)的方法，以Parker等[8-9]的研究為代表，其方法是將河床邊界劃分為許多微小單元，然后對(duì)這些微小單元的剪切力與單元形態(tài)之間的相互作用進(jìn)行受力平衡分析，再對(duì)這些宏觀形態(tài)效應(yīng)進(jìn)行積分求解；另一類是基于極值假說(shuō)的方法，即通過(guò)引入一個(gè)極值假說(shuō)作為第四個(gè)獨(dú)立方程，與水流連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程和輸沙方程閉合求解，這一假說(shuō)主要有水流功率最小、最小能耗率、水流能耗率極值假說(shuō)、最大熵原理、仙農(nóng)熵等，以Chang[10]、徐國(guó)賓等[11-13]、倪晉仁等[14]、黃才安等[15]、Bonakdari等[16]、拾兵等[17]研究為代表。穩(wěn)定性理論和極值假說(shuō)的引入有助于從理論上探討河相關(guān)系第四個(gè)封閉方程并為之提供清晰的物理意義，直接或間接反映了河床與河岸抗沖性的相對(duì)關(guān)系；但是，穩(wěn)定性理論求解過(guò)程極為復(fù)雜，僅能對(duì)特定地點(diǎn)的河流平衡斷面形態(tài)進(jìn)行求解；極值假說(shuō)求解過(guò)程直觀簡(jiǎn)單，必要時(shí)可借助計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算進(jìn)行求解，但其缺點(diǎn)是難以準(zhǔn)確地直接推導(dǎo)出令人信服的極值假說(shuō)的物理表達(dá)式。

此外，我國(guó)許多學(xué)者還基于黃河、長(zhǎng)江等河流實(shí)測(cè)資料，分析了河相關(guān)系的調(diào)整規(guī)律。如，胡春宏等[18]通過(guò)研究黃河下游不同洪水的沖淤規(guī)律，發(fā)現(xiàn)河相系數(shù)是漲水增大、落水減??；潘賢娣等[19-20]通過(guò)分析大量原型資料發(fā)現(xiàn)河相關(guān)系的變化與各河段河槽和河岸控制條件密切相關(guān)；陳立等[21]對(duì)丹江口和三峽工程下游河道斷面調(diào)整的研究結(jié)果也支持了這一結(jié)論。圍繞河相系數(shù)開展的研究更多側(cè)重于河道幾何形態(tài)的調(diào)整結(jié)果，而缺乏河道調(diào)整過(guò)程與機(jī)理的研究。

1.2 不同邊界條件下河道調(diào)整過(guò)程研究

河道邊界是河床演變塑造出的結(jié)果，同時(shí)又反作用于水流影響河床演變；天然河流不同河岸的抗沖性本身存在著一定的差異，加之人為修建河道工程使得邊界約束更多，致使河道調(diào)整過(guò)程更為復(fù)雜。由于河道邊界調(diào)整過(guò)程的復(fù)雜性以及原型觀測(cè)資料的限制，眾多學(xué)者大多通過(guò)自然模型或概化試驗(yàn)開展不同邊界條件下河道調(diào)整規(guī)律的研究。

尹學(xué)良[22]利用在邊灘植草及在大水中加入黏土的方法，把邊灘固定下來(lái)，塑造彎曲河流，并對(duì)河流成因和造床試驗(yàn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)河床相對(duì)抗沖性增大后，初期形成的彎曲型河道切灘不斷發(fā)生，逐漸變?yōu)橛问幮汀＝鸬律鶾23]采用過(guò)程響應(yīng)模型的水槽試驗(yàn)表明，河道的邊界條件，尤其是河漫灘的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成，對(duì)河流發(fā)育及河道調(diào)整有極大的影響。許炯心[24]通過(guò)游蕩型河道清水沖刷自然模型試驗(yàn)，認(rèn)為河道斷面形態(tài)調(diào)整可分3個(gè)階段，并給出了游蕩型河道沖刷與展寬的相對(duì)關(guān)系與動(dòng)態(tài)過(guò)程。倪晉仁[25]概化水槽試驗(yàn)表明，由初始順直開始發(fā)展的河流，都無(wú)一例外地或遲或早經(jīng)過(guò)流路彎曲直至形成邊灘交錯(cuò)的彎曲型河流的發(fā)展階段，在這個(gè)階段以后，如果邊灘穩(wěn)定發(fā)育，則保持彎曲型河流，否則河流切灘形成游蕩型河流。陳立等[26]也開展了自然模型試驗(yàn)，與許炯心[24]開展的試驗(yàn)相比，床沙組成粗、初始河床比降小、水流強(qiáng)度小，表明順直型河道在清水沖刷時(shí)將朝著寬淺方向發(fā)展，彎曲型河道水流的縱橫向動(dòng)量之比趨向和諧穩(wěn)定。楊樹青等[27]也運(yùn)用自然模型法通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)成功塑造了天然小河，并研究了不同初始河流幾何邊界條件以及水流條件對(duì)河流演變的影響，表明流量對(duì)河流展寬幅度影響最大，受邊界條件影響，河流向下游演變具有滯后性及曲率變化的傳遞性等特點(diǎn)。

上述研究通過(guò)模型試驗(yàn)直觀地給出了河道調(diào)整規(guī)律，但研究中河道兩岸多為天然邊界；而黃河下游游蕩型河道內(nèi)已經(jīng)修建了大量河道整治工程，在不同水流作用下河道調(diào)整直接受到這些工程本身的約束，而且這些工程布置采用“微彎型”方案布局，在平面上表現(xiàn)為單岸交替修建，造成河道兩岸可動(dòng)性差異較大，河道調(diào)整規(guī)律更為復(fù)雜。

1.3 沖積河流線性理論研究

模擬試驗(yàn)在一定程度上揭示了河流調(diào)整的過(guò)程，為探索河床演變的非線性演化特征提供了直觀的研究方法。近期，王光謙等諸多學(xué)者[3,18,28-38]在理論上對(duì)游蕩型河道調(diào)整過(guò)程進(jìn)行了大量的研究，其中Huang等[38]建立的沖積河流線性理論有一定的代表性，為認(rèn)識(shí)河道的非線性調(diào)整提供了一種新的途徑和方法。

不同于以往尋求第四個(gè)封閉方程研究河相關(guān)系的方法，Huang等[39]提出了將河道寬深比引入到已知的3個(gè)水流運(yùn)動(dòng)方程中以減少自變量數(shù)目的數(shù)理分析方法，認(rèn)為在河流水動(dòng)力方程中隱含著兩個(gè)等同的極值條件，即河流輸沙能力最大與水流能耗比降最小。在流量、比降和泥沙組成給定的情況下，水流輸沙能力可完全由過(guò)水?dāng)嗝嫘螒B(tài)參數(shù)(寬深比)來(lái)決定，河流輸沙能力最大時(shí)與其對(duì)應(yīng)的寬深比具有唯一解，也就是說(shuō)輸沙能力最大是河流達(dá)到穩(wěn)定平衡的條件。Huang等[40]在分析了水流動(dòng)能與勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)水流運(yùn)動(dòng)在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在著一種特殊的平衡狀態(tài)，可以稱為流體靜態(tài)平衡；由于明渠水流大多數(shù)情況下都要偏離這一狀態(tài)，據(jù)此提出了將沖積性河流劃分為動(dòng)態(tài)平衡、靜態(tài)平衡及非平衡狀態(tài)等3種形態(tài)，當(dāng)河流處于靜態(tài)平衡時(shí)，河道斷面有唯一解，水流將呈現(xiàn)線性特征。

Huang等[41]通過(guò)進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于有泥沙輸移的沖積河流處于靜態(tài)平衡時(shí)，剪切力和寬深比也存在線性關(guān)系，這種線性關(guān)系不僅得出的理論渠道幾何形狀與以往廣泛接受的經(jīng)驗(yàn)公式得出的結(jié)果十分接近，而且還給出了一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)H(剪切力的增量與寬深比的增量之比)，當(dāng)H=0.3時(shí)，河流處于靜態(tài)平衡；并基于這一發(fā)現(xiàn)建立了沖積河流線性理論。沖積河流線性理論表明：

a.H在河流自動(dòng)調(diào)整中的作用與弗勞德數(shù)Fr在定床明渠水流中的作用類似，即與定床明渠水流中以勢(shì)能為主導(dǎo)的緩流(Fr<1)、以動(dòng)能為主導(dǎo)的急流(Fr>1)和以總能量為最小的臨界流(Fr=1)3種狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，沖積性河流存在著以側(cè)向輸沙為主導(dǎo)的寬淺流(H<0.3)、垂向輸沙為主導(dǎo)的剪切流(H>0.3)和總能耗最小的臨界流(H=0.3)3種狀態(tài)。

b.水流也總是在這3種狀態(tài)之間調(diào)整，這就為河道可能調(diào)整的方向或方式預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。水流不是從H<0.3向H>0.3的狀態(tài)過(guò)渡，就是從H>0.3狀態(tài)調(diào)整到H<0.3的狀態(tài)，中間經(jīng)過(guò)H=0.3的狀態(tài)并在H=0.3(靜態(tài)平衡)時(shí)具有線性特征。

c.H的提出為天然河流自動(dòng)調(diào)整過(guò)程的模擬提供了合理的相似比尺。

d.此外，理論研究中還發(fā)現(xiàn)決定這一線性特征的條件是河流輸沙方程與阻力方程存在緊密聯(lián)系，并在修正梅葉-彼得輸沙率公式的基礎(chǔ)上提出了適用性更強(qiáng)的輸沙率公式。

沖積河流線性理論對(duì)于沖積河流河道的調(diào)整具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，已在順直型河流[41]及分汊型河流[42]的河道調(diào)整中得到了較好的應(yīng)用；能否適應(yīng)于非線性特征極強(qiáng)的游蕩型河道的調(diào)整也有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)。

2 新形勢(shì)下黃河下游游蕩型河道調(diào)整研究啟示

從上面分析可以看出，目前對(duì)河道調(diào)整相關(guān)研究成果各具特色，假說(shuō)、理論豐富多彩，推動(dòng)了學(xué)科的發(fā)展。然而，游蕩型河道河床演變規(guī)律極其復(fù)雜，特別是新形勢(shì)下黃河下游游蕩型河段來(lái)水來(lái)沙明顯減少，沙量銳減得尤為突出，河床演變又受到現(xiàn)有工程邊界約束，河勢(shì)調(diào)整更為復(fù)雜。目前黃河下游游蕩型河道調(diào)整規(guī)律研究還存在以下問(wèn)題：①河流受到人工控制邊界的約束越來(lái)越強(qiáng)，而對(duì)河岸兩側(cè)可動(dòng)性不對(duì)稱邊界的水力幾何形態(tài)調(diào)整規(guī)律及過(guò)程的研究，以及有限控制邊界對(duì)河道幾何形態(tài)調(diào)整的影響研究還很少，耦合河道有限邊界與水沙條件共同開展游蕩型河道調(diào)整規(guī)律的研究更少。②以往圍繞河相關(guān)系開展的斷面幾何形態(tài)調(diào)整研究，更多側(cè)重于幾何形態(tài)的調(diào)整結(jié)果，缺乏其調(diào)整機(jī)理與過(guò)程的研究；Huang等[40]基于變分原理提出了沖積河流線性理論，為深入認(rèn)識(shí)河道非線性的演變機(jī)理提供了新途徑，但是其數(shù)理分析過(guò)程中將河流過(guò)水?dāng)嗝鎺缀涡螒B(tài)概化為矩形形態(tài)開展研究，而黃河下游游蕩型河道為典型的寬淺型，能否適用于黃河下游也有待進(jìn)一步的檢驗(yàn)。③河道整治工程修建后，黃河下游游蕩型河道的主槽擺動(dòng)范圍和頻率已大幅度減小，然而在長(zhǎng)期小水作用下，下游出現(xiàn)的畸形河勢(shì)為防洪帶來(lái)了一些新問(wèn)題，甚至?xí)?dǎo)致橫河、斜河現(xiàn)象的出現(xiàn)，使防洪面臨很大的壓力。

因此，根據(jù)黃河下游游蕩型河道面臨水沙變化及自身已建工程約束的新形勢(shì)，應(yīng)對(duì)以下問(wèn)題開展進(jìn)一步的深入研究：

a.水沙變化與有限控制邊界對(duì)河道調(diào)整的耦合效應(yīng)。隨著河流的開發(fā)利用程度增強(qiáng)，河流受到的邊界約束也越來(lái)越多，河道調(diào)整需要考慮有限的工程(硬邊界)與抗沖性較弱的天然河岸(軟邊界)的共同影響。有限控制邊界是對(duì)河道治理工程進(jìn)行概括抽象的一個(gè)新概念，水沙過(guò)程和有限控制邊界雖然是兩個(gè)獨(dú)立的因素，但它們對(duì)河道演變的作用是緊密相關(guān)的。因此，研究水沙變化與邊界約束共同作用下的河道調(diào)整及演變也是河床演變學(xué)科的難點(diǎn)與關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。在今后的研究過(guò)程中應(yīng)基于精細(xì)的模型試驗(yàn)，并結(jié)合理論及原型具體河段的工程分析，固定單側(cè)河道工程，變化水沙條件，先研究有限控制邊界條件下水沙對(duì)河道調(diào)整的影響，然后在模型中布設(shè)不同密度的河道工程，重點(diǎn)研究軟硬邊界及不同密度的邊界對(duì)河道調(diào)整的影響，揭示不同控制邊界下游蕩型河道調(diào)整的機(jī)理與過(guò)程。

b.河道斷面自調(diào)整數(shù)理分析中斷面形態(tài)假定問(wèn)題。沖積河流線性理論為深入認(rèn)識(shí)河流形態(tài)自調(diào)整機(jī)理提供了新方法，但其主要分析的對(duì)象為順直型河道，其斷面河相系數(shù)在1.39～7.80之間，斷面形態(tài)可假定為矩形，分析得到的H=0.3，可以采用線性理論研究；然而，游蕩型河流多為寬淺型河道，黃河下游高村河段的河相系數(shù)為19～32，個(gè)別河段甚至達(dá)到60，若仍采用順直型河道的方法假設(shè)，有可能導(dǎo)致與天然河流實(shí)際情況不符。因此，下一步研究中應(yīng)通過(guò)黃河下游實(shí)測(cè)斷面資料初步建立不同水沙變幅下河道斷面形態(tài)的判別式，基于模型試驗(yàn)成果分析輸沙平衡時(shí)工程彎道處的斷面形態(tài)及出彎道后自由段的斷面形態(tài)，將這一斷面形態(tài)代替原數(shù)理分析方法中的矩形形態(tài)；采用變分方法，推導(dǎo)分析、構(gòu)建適應(yīng)于游蕩型河道自調(diào)整的數(shù)理分析方法；最后將計(jì)算成果與原型實(shí)測(cè)資料及模型試驗(yàn)成果對(duì)比分析，檢驗(yàn)該方法在游蕩型河道調(diào)整中的適應(yīng)性。

c.有限控制邊界條件下游蕩型河流主槽擺動(dòng)幅度和頻率問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1949—1960年黃河下游游蕩型河段基本處于天然河道狀態(tài)，其主流擺動(dòng)范圍平均為4.33 km；1964—1973年受三門峽水庫(kù)運(yùn)用影響，其主流擺動(dòng)范圍平均為3.01 km；此后，隨著河道整治工程的修建，主流擺動(dòng)范圍逐漸減小，到20世紀(jì)90年代末減小為1.93 km。2006年底黃河下游游蕩型河段開展新一輪河道整治后，游蕩型河流主槽擺動(dòng)幅度和頻率大幅度減小，其中主流擺動(dòng)范圍減小至300～500 m。然而，新形勢(shì)下黃河下游游蕩型河道長(zhǎng)期面臨的流量?jī)H為1 000 m3/s以下的小水過(guò)程，由于黃河下游河道整治工程是按照設(shè)防4 000 m3/s流量設(shè)計(jì)的，因而在長(zhǎng)期小流量過(guò)程作用下河流的寬度、河灣跨度等進(jìn)一步縮小，這使畸形河灣出現(xiàn)的概率大幅度增大，產(chǎn)生諸多畸形河勢(shì)，進(jìn)而影響兩岸穩(wěn)定供水，危害灌區(qū)糧食安全。因此，針對(duì)有限控制邊界下游蕩型河流主槽擺動(dòng)幅度和頻率問(wèn)題，找到控制畸形河灣發(fā)生發(fā)展的工程技術(shù)措施，避免畸形河灣在防洪上帶來(lái)的問(wèn)題，也是需要進(jìn)一步研究的一個(gè)重要課題。

3 結(jié) 語(yǔ)

河道邊界既是河床演變的結(jié)果，又反過(guò)來(lái)影響河道調(diào)整過(guò)程；新形勢(shì)下黃河下游游蕩型河道受到了軟硬邊界共同的約束，而這種約束不同于天然河道也不同于完全渠化的河道，而是有限控制邊界條件。以往研究更多聚焦于水沙變化與河床演變的關(guān)系，而開展有限控制邊界與水沙變化共同作用下河道調(diào)整機(jī)理的研究還很少。在今后的研究中，應(yīng)注重開展水沙變化與有限控制邊界對(duì)河道調(diào)整的耦合效應(yīng)、河道斷面自調(diào)整數(shù)理分析中斷面形態(tài)假定、有限控制邊界條件下游蕩型河流主槽擺動(dòng)幅度和頻率等問(wèn)題的研究。此外，游蕩型河流由于其輸沙量大、河勢(shì)調(diào)整迅速，通過(guò)加入有限控制邊界條件，河道輸沙平衡時(shí)彎道工程及下游自由段河道斷面的形態(tài)是銜接游蕩型河道輸沙與斷面形態(tài)塑造的關(guān)鍵點(diǎn)，模型試驗(yàn)測(cè)量及研究中應(yīng)給予特別關(guān)注。