河流分汊成因與演變機(jī)制研究綜述

王長金，胡 鵬，李 薇,李志威

(1.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021； 2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072)

早期地貌學(xué)者Leopold將河流分為順直、彎曲和辮狀3種河型[1]。隨著河流地貌學(xué)者對于河流形態(tài)認(rèn)識的加深，發(fā)現(xiàn)并不能將所有多河道河流都?xì)w于辮狀河流。比如長江中下游河段，此河段的河流形態(tài)與典型的辮狀河流存在一定差別，具有更穩(wěn)定和尺寸更大的江心洲，各支汊之間明顯分開，相距較遠(yuǎn)。這一類河流被歸于“分汊型河流”。分汊是辮狀河流和分汊型河流的組成部分，分汊的存在和形態(tài)演變，改變了分汊河段的流量和泥沙分配。所以，分汊是對河網(wǎng)行為具有基本重要性的單元過程。

辮狀河流和分汊型河流作為沖積河流的基本類型，前人利用野外觀測、物理模型試驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法研究了其分汊從形成到消亡的整個演變過程。然而對于這兩種河流，關(guān)注重點有所不同。對于辮狀河流，重點主要集中于分汊的形成。對辮狀河流形成時的沉積與侵蝕過程，以及其相關(guān)的水力條件進(jìn)行研究的過程中，總結(jié)并提出了5種分汊的形成機(jī)制；中心沙壩的沉積[2]、橫向沙壩向復(fù)合沙壩的轉(zhuǎn)換[2-3]、斜槽切斷[2，4]、復(fù)合沙壩的切割[5]以及河道切口[4，6]。對于分汊型河流，重點主要集中于分汊處的水沙分配上。分汊型河流相比于辮狀河流，相對穩(wěn)定性較高，河道形態(tài)短時間內(nèi)不易改變。分汊形成后，由于汊道自身的幾何形態(tài)、河床地形，以及壅水效應(yīng)和潮汐等因素的影響，分汊處的水沙分配往往極不均勻。這使得分汊型河流往不同的方向演變，這也造就了多種多樣的汊道形態(tài)[7-8]。

河流分汊是沖積扇、辮狀河流、分汊河流和河口三角洲等沖積地貌系統(tǒng)的重要組成單元。泥沙運動是分汊形成與演變的最基本動力，即河道通過分汊控制水流和泥沙的分配，水流和泥沙的分配反過來影響分汊河道的演變。對辮狀河流和分汊型河流的形成和演變進(jìn)行的廣泛研究，有助于人們加深對其河道演變特點的理解，也為未來河道的治理提供了廣泛的參考。本文以分汊的形成到演變?yōu)槊}絡(luò)，綜述了辮狀河流和分汊型河流的研究進(jìn)展，其中包括辮狀河流中分汊的形成機(jī)制、分汊型河流汊道分流分沙的計算和影響汊道內(nèi)水沙分配的因素；以長江中下游河道為對象，總結(jié)了其分汊河段的水力特點及演變情況，并探討了相關(guān)研究中仍待解決的問題。

1 辮狀河道的分汊形成機(jī)制

早期，人們對沖積河流辮狀成因的解釋可分為兩大類。第一種將辮狀的成因與外部環(huán)境因素(如河流流量、河道或河谷坡度、泥沙粒徑和河岸阻力)的特定組合相關(guān)聯(lián)[1]?；蛘撸ㄟ^河床形態(tài)的穩(wěn)定性分析解釋直河道演變?yōu)檗p狀河道的原因。穩(wěn)定性分析表明，如果河道坡度和寬深比足夠小，直河道將演變?yōu)閺澢拥?，不會形成辮狀河道。如果坡度和寬度深度足夠大，則直河道將最終演變?yōu)檗p狀河道[9]。

這兩種方法都沒有明確考慮伴隨分汊形成的沉積與侵蝕過程，這需要仔細(xì)的描述和分析，然后才能對現(xiàn)象進(jìn)行全面的解釋。在順直河道演變?yōu)檗p狀河道的過程中，泥沙的侵蝕與沉積是分汊形成最基本的原因。區(qū)別在于，在不同的水力條件和地貌條件下形成分汊的方式不同。前人通過物理模型試驗、數(shù)值模擬和野外觀測等方法，總結(jié)出了形成分汊的5種機(jī)制[2，4]，包括中心沙壩沉積和橫向沙壩向復(fù)合沙壩的轉(zhuǎn)換兩種沉積機(jī)制，斜槽切斷、復(fù)合沙壩切割以及河道決口等3種侵蝕機(jī)制。

1.1 沉積機(jī)制

中心沙壩沉積和橫向沙壩轉(zhuǎn)換是形成分汊的兩種沉積機(jī)制。在剪切應(yīng)力較小的河道中，粗顆粒泥沙沉積，并逐漸形成一個細(xì)長的沙丘(圖1(a)①)[6]。隨著粗顆粒泥沙在這些沙丘附近不斷堆積，中心沙壩的沉積核得以形成(圖1(a)②)。沉積核堆積生長直到露出水面，導(dǎo)致水流分汊[4]。這是中心沙壩沉積的過程。橫向沙壩轉(zhuǎn)換機(jī)制下分汊的形成是從橫向沙壩[3]開始的。這個沙壩的明顯特征是下游粗顆粒泥沙的堆積，進(jìn)而形成較為陡峭的滑動面(圖1(b)①)。該單元沙壩在平均流量期間通常被水流淹沒，粗顆粒泥沙持續(xù)在其中部堆積(圖1(b)②)，堆積的泥沙形成沙壩導(dǎo)致水流分汊(圖1(b)③)。該橫向沙壩轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€中心沙壩和左右兩個新的橫向沙壩(圖1(b)④)，未來這兩個橫向沙壩仍有可能繼續(xù)上述演變。

橫向沙壩轉(zhuǎn)換在許多方面與中心沙壩機(jī)制相似。兩者之間的區(qū)別在于，橫向沙壩轉(zhuǎn)換中的泥沙流動性較高，這將導(dǎo)致河床局部的侵蝕與沉積差異較大，從而促使沙壩的形成[4,10]。

1.2 侵蝕機(jī)制

斜槽切斷和復(fù)合沙壩切割是常見的形成分汊的侵蝕機(jī)制，斜槽切斷機(jī)制通過在點狀沙壩上形成斜槽通道來形成分汊[2]。點狀沙壩是與河岸相連的可侵蝕邊灘。斜槽的產(chǎn)生方式有兩種(圖1(c)①)：沙壩或河岸下游端的切口因漫灘流量不斷向上游擴(kuò)大[11]；沙壩或河岸前端侵蝕性裂口向下游延伸[12]。點狀沙壩上的斜槽因水流的侵蝕而逐漸擴(kuò)大，直到該點狀沙壩上的截斷河道完全形成。點狀沙壩被截斷后，存在于河中的部分將發(fā)展為中心沙壩(圖1(c)③)，由于該中心沙壩對水流的頂沖作用，導(dǎo)致點狀沙壩與河岸相鄰的部分將被沖刷殆盡[2]。此外，由于河道坡度的差異，斜槽切斷存在兩種類型：通過點狀沙壩上的斜槽進(jìn)行的滾動斜槽截斷[13]；通過切口穿過點狀沙壩的彎道截斷[14]。

在復(fù)合沙壩切割機(jī)制中，最初，水流集中在孤立的、不連續(xù)的沖刷槽中，推移質(zhì)沿著這些沖刷槽輸移，泥沙通常在這些沖刷槽的下游末端形成沙丘[5]和橫向沙壩(圖1(d)①)。隨著泥沙的不斷堆積，各單元沙壩不斷生長與合并，形成各種中心沙壩和點狀沙壩(圖1(d)②)。沙壩的形成與合并迫使水流加速和水位抬升，漫灘水流侵蝕沙壩，產(chǎn)生多條分汊水道。被切割后的沙壩作為中心沙壩留在辮狀河道中(圖1(d)③)。復(fù)合沙壩切割機(jī)制與斜槽切斷的過程相似，發(fā)生條件的區(qū)別主要取決于河道幾何結(jié)構(gòu)的差異，比如復(fù)合沙壩切割僅限于寬深比非常高的河道中[4]。

圖1 5種分汊機(jī)制

河道決口是形成分汊的又一種侵蝕機(jī)制。決口開始于水流離開原河道，流過漫灘平原。隨著流經(jīng)漫灘平原的水量的增加，泥沙被逐漸帶走，新河道因河岸的侵蝕而逐漸形成[2](圖1(e))。斜槽切斷也是一種局部的、河道內(nèi)的決口類型。河道決口可分為3種方式[15]：第1種是由于原河道淤積堵塞使得水面抬升，從而在臨近淺灘中開辟新河道的堵塞性決口；第2種是由于相鄰河道堵塞，河岸迅速侵蝕和水流進(jìn)入地形較低的區(qū)域，從而形成新河道的收縮性決口；第3種是由于彎道內(nèi)的水流加速，以及彎道凸岸點狀沙壩的堆積，導(dǎo)致彎道凹岸的侵蝕，從而在彎道凹岸開辟出新河道的頂點決口。

在不同的河流中，不同的機(jī)制占據(jù)著主導(dǎo)地位。以泥沙的流動性為區(qū)分，在河床剪應(yīng)力僅略高于臨界值的河道中，由于泥沙局部運動能力下降和粗推移質(zhì)的沉積，中心沙壩沉積占主導(dǎo)地位。在具有較高的河床剪應(yīng)力的河道中，河床局部的侵蝕與沉積差異較大，橫向沙壩更為常見，這導(dǎo)致河床的交替侵蝕和沉積更有可能發(fā)生。這類河道中，斜槽切斷和橫向沙壩轉(zhuǎn)換占主導(dǎo)地位[4]。在同一河流的不同階段，也由不同的機(jī)制所主導(dǎo)。在直河道演變?yōu)檗p狀河道的階段，斜槽切斷和中心沙壩沉積是形成分汊的主要機(jī)制。在發(fā)育良好的辮狀河流中，由局部橫向水面梯度引起的復(fù)合沙壩切割和斜槽切斷是形成分汊的主要機(jī)制[16]。

2 河流分汊的水沙分配

河流中一旦形成分汊，河流的形態(tài)以及水動力特性都會發(fā)生很大的改變。以分汊為基本單元的河網(wǎng)系統(tǒng)主要包括分汊型河流和辮狀河流，其中分汊型河流河道形態(tài)上比辮狀河流更為穩(wěn)定。分汊形成后，分汊河流的河道形態(tài)短時間內(nèi)不會發(fā)生較大改變。河道分汊是河流中的普遍現(xiàn)象，對于實際河道，研究者比較關(guān)注河流分汊處的水沙分配情況，因為它決定著河道后續(xù)的演化方向。

2.1 影響水沙分配的因素

影響分汊處水沙分配的因素可分為兩類：第一類為汊道自身的穩(wěn)定性，沖積河流中的水流受到擾動后，局部水力特性發(fā)生改變，導(dǎo)致河床中泥沙輸運存在差異。正是由于水流與河床的相互作用，使得河流存在一種固有的不穩(wěn)定性[17]，這種河流內(nèi)在的不穩(wěn)定性導(dǎo)致了分汊處水沙分配的不均勻，這被稱為“自由”機(jī)制[18]。第二類為影響汊道水沙分配的外部因素，這類被稱為“強(qiáng)迫”機(jī)制[19-20]，其中包括汊道的坡度[21]、分汊角角度[22-23]和分汊河道的彎曲程度[24]等汊道自身的幾何形態(tài)，以及汊道河床地形[23,25]、水力粗糙度[26-27]、壅水效應(yīng)[28]以及潮汐[27]等因素。汊道內(nèi)的水沙分配由“自由”和“強(qiáng)迫”機(jī)制共同決定，分汊上游河道的寬深比是衡量這兩類機(jī)制主導(dǎo)地位的參數(shù)。當(dāng)上游河道的寬深比大于其共振臨界值時，河流分汊以“自由”機(jī)制為主。分汊上游形成交替或辮狀沙壩結(jié)構(gòu)，將水流優(yōu)先導(dǎo)向一條支流中，使流量分配不均勻，增加上游分支的寬深比會增加流量分配的不對稱性。當(dāng)上游河道的寬深比小于其共振臨界值(即河道較窄且較深)時，初始對稱的分汊將繼續(xù)保持對稱[19]。如果存在上游曲率和坡度等外部因素，則演變方向取決于各因素之間的相對強(qiáng)度。此時“自由”和“強(qiáng)迫”機(jī)制的相互作用決定分汊的演變方向[20]。

在“強(qiáng)迫”機(jī)制中，汊道的坡度、分汊角和分汊河道的彎曲程度等汊道自身的幾何形態(tài)是影響分汊河道分汊處水沙分配最直觀的因素。分汊河道下游坡度較大的支汊將獲得更多的流量分配，此時該支汊為主汊[28-29]。坡度的相對大小對分汊處的水流結(jié)構(gòu)也會有影響。當(dāng)下游兩支汊的坡度不對稱度大于0.2時，坡度較陡的支流中的水流會不穩(wěn)定，并且可能形成交替沙壩。坡度不對稱也影響二次流的強(qiáng)度，隨著坡度的增大，分汊處的二次流強(qiáng)度增大[22]。分汊本身也會引起二次流強(qiáng)度的顯著增加，如圖2(a)所示，當(dāng)分汊角的不對稱度asy=1時(asy=|α-β|/max(α,β)，圖2(d))，兩支汊的主導(dǎo)地位很容易區(qū)分。此時由于分汊的存在，水動力軸線發(fā)生彎曲，二次流的橫向環(huán)流分量使得河床附近的流速指向支汊，較高的近床泥沙量進(jìn)入支汊，即使在進(jìn)入支汊的水流量比例相對較小的情況下也是如此。這使得下游兩汊道內(nèi)泥沙量的分配比例與水流量的分配比例不相等。這種情況也被稱為Bulle效應(yīng)[30]。較大的分汊角會導(dǎo)致支汊中較大的流速，并使水流更多地流向支汊[31]，Bulle效應(yīng)隨著分汊角的增大而增大[32-33]。此外，分汊角較大時，會在分汊處形成一個水流分離區(qū)[12，33]。分離區(qū)的寬度在河床處最小，向水面增加。當(dāng)分汊角增大時，分汊處的河道曲率相應(yīng)增大，水流分離區(qū)的寬度[12]與進(jìn)入下游支流的流速[22]也跟著增大。由于流動分離區(qū)內(nèi)的流速較小且存在回流，該區(qū)域?qū)逊e大量泥沙，形成沙壩，從而使得汊道入口的寬度減小，而減小的有效寬度將增大支流入口處的流速，這將對河床與河岸造成較大的沖刷[11]。然而，如果支流中的流量較小，分離區(qū)內(nèi)的大量沉積可能會導(dǎo)致入口堵塞。所以水流分離加大了下游兩支汊的流量分配差異。分汊處水流分離帶對水沙分配的影響遠(yuǎn)大于橫向環(huán)流帶來的影響。

圖2 Bulle效應(yīng)

由分汊角引起的橫向環(huán)流水流結(jié)構(gòu)和彎道的水流結(jié)構(gòu)之間有很強(qiáng)的相似性。彎道中會產(chǎn)生一個類似的二次流結(jié)構(gòu)，使得水面處的水流流向外彎道，河床處的水流流向內(nèi)彎道。所以，如果分汊上游存在彎道，將會導(dǎo)致與凹岸相連的支汊水流量更大，與凸岸相連的支汊泥沙含量更大[21-22]。彎道中的橫向環(huán)流會對泥沙產(chǎn)生分選作用，使得凹岸主要分布粗顆粒泥沙，凸岸分布細(xì)顆粒泥沙[24]。這將導(dǎo)致與凹岸相連的分汊成為主流河道，與凸岸相連的分汊支流泥沙沉積較多，甚至?xí)欢氯]合[26]。分汊上游的彎道強(qiáng)烈地調(diào)節(jié)水流和泥沙的分配，加劇了分汊的不對稱性。

除了汊道自身的幾何形態(tài)外，壅水效應(yīng)、河床形態(tài)以及河床的粗糙度等汊道內(nèi)水流的水力特性對分汊水沙的分配也具有較大影響。比如，壅水會改變分汊河道下游支汊的水面坡比，從而改變下游支汊的主導(dǎo)地位。在不同流量時，壅水效應(yīng)會阻止一個支汊流量的迅速增長，所以這對分汊具有穩(wěn)定作用。河床形態(tài)也是影響汊道內(nèi)水流運動特性的重要因素。分汊河道下游支汊入口處常常會形成倒坎(圖3)，倒坎的存在，會使分汊區(qū)域出現(xiàn)橫向河床坡度，使得水流更多地進(jìn)入水面高程較低的河道[23，25]。橫向河床坡度對以懸移質(zhì)輸運為主的河道的影響較小[29]。此外，河床的沖淤會改變河床原本的糙率，汊道的粗糙度與水下沙丘的發(fā)育有關(guān)，水力粗糙度與沙丘陡度呈正相關(guān)關(guān)系[34]，水力粗糙度的降低增加了可用于推移質(zhì)輸運的總床面剪應(yīng)力的比例，將會導(dǎo)致泥沙輸運量增加[26]，并且汊道內(nèi)的水流結(jié)構(gòu)還受到地形粗糙度引起的水深擾動的強(qiáng)烈影響[35]。

圖3 倒坎與橫向河床坡度

對于河口區(qū)域的分汊河道，潮汐運動是對分汊處水沙分配有著巨大影響的因素。潮汐的存在可能改變甚至逆轉(zhuǎn)上述因素的影響。比如，潮汐的存在會加劇由坡度造成的流量分配不均勻性。但與此相反，潮汐會逆轉(zhuǎn)河床粗糙度對流量分配的影響。在沒有潮汐運動的情況下，河床糙率最低的支流獲得了較大的河流流量。然而，潮汐的存在會產(chǎn)生一個由低粗糙度支流向高粗糙度支流的凈流量，增大高粗糙度支流的流量分配比例。這時，潮汐的存在會減小分汊處流量分配的不均勻性[27]。此外，潮汐還會導(dǎo)致分汊下游支流中的水流過程出現(xiàn)不同程度的滯后，這些相位差對分汊處流量的分配具有一定影響[36-37]。

2.2 分汊河道水沙分配的計算

獲得分汊河道水沙分配比例最直觀且最準(zhǔn)確的方法是使用儀器測量，然而這種方法受到野外不確定因素的影響較大，且成本也較高。此外，理論計算也是一種選擇，雖然這種方法對于現(xiàn)實中特定河段的計算準(zhǔn)確性較差，但其對于理論性研究具有重要作用[7-8]。國內(nèi)外學(xué)者在這方面都做了大量的研究，提出了一系列理論計算方法。這些方法不但可以較為簡便地計算分汊處水沙的分配比例，對分汊河道最終演變的研究也具有重要作用。

在理論計算方法的研究方面，國內(nèi)外學(xué)者展現(xiàn)出極大的不同。國內(nèi)學(xué)者更加關(guān)注分汊處泥沙的分配比例計算，所以提出了在不同情況下使用的計算公式，如表1所示。

表1 不同情況下汊道分沙比的計算方法(國內(nèi))

國外學(xué)者也提出了一些適用于不同條件的水沙分配計算方法(表2)，但與國內(nèi)學(xué)者研究重點不同，他們更加關(guān)注分汊河道的演變狀態(tài)，所以將所提出的分沙比計算公式作為節(jié)點條件代入一維理論模型中，研究分汊河道的沖淤變化。Wang等[42]首次將分汊處的泥沙分配關(guān)系作為節(jié)點條件代入一維理論模型中，雖然該方法具有一定的局限性，但也為分汊河道穩(wěn)定性的研究開辟了一條新的思路。Bolla-Pittaluga等[7]提出了更為普遍適用的節(jié)點條件，建立了研究分汊河道穩(wěn)定性的一維理論模型(BRT模型)。之后Bertoldi等[8，21，25]等對BRT模型的節(jié)點條件進(jìn)行了拓展，使其適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。此外，Mark等[32]對分汊角引起的Bulle效應(yīng)，提出了的一種新的節(jié)點關(guān)系。上述學(xué)者提出的節(jié)點條件如表2所示。

表2 不同情況下汊道分沙比的計算方法(國外)

Bolla-Pittaluga等[7]提出的節(jié)點條件由于其良好的可拓展性而被廣泛使用。以該節(jié)點關(guān)系為基礎(chǔ)構(gòu)成的一維理論模型可以同時研究多種因素對于分汊處水沙分配的影響，并進(jìn)一步研究分汊河道的演變狀態(tài)[20，28-29]。野外和試驗觀測表明，BRT模型具有良好的定性一致性和合理的定量一致性[18]。

3 典型分汊型河流——長江

分汊型河流作為一種獨立于辮狀河流的河型被提出[43]，與辮狀河流具有一定的差別。比如，分汊河流是為江心洲分割開的，而辮狀河流則是由很多沙洲分割開的，這些江心洲相對于河寬，尺寸比較大。此外，分汊型河道各汊道之間明顯分開，相距較遠(yuǎn)，位置也更為固定。長江的中下游部分就是這種典型的分汊型河段(圖4)。雖然分汊型河流從辮狀河流中獨立出來，但其分汊的形成與演變?nèi)钥梢杂蒙鲜?種分汊機(jī)制概括。而長江中下游分汊河型的形成，除了普遍的泥沙的侵蝕與沉積機(jī)制以外，更重要的是與長江特殊的地形條件有關(guān)。其中，節(jié)點(在河床演變中，把對河道變化起控制作用，具有某種固定邊界而平面位置相對穩(wěn)定的窄段叫作節(jié)點[44]，比如岸邊的山體、石磯、階地和人工護(hù)岸)是最為重要的影響因素之一。由于長江兩側(cè)河岸分布著許多對河道的侵蝕有著巨大約束作用的節(jié)點，導(dǎo)致節(jié)點間的分汊河段相對獨立，且平面形態(tài)存在較大差異(具體又可分為順直、微彎和鵝頭形分汊河道[45])。節(jié)點的存在會使其上游和下游的水流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異。在上游因節(jié)點的存在而產(chǎn)生壅水效應(yīng)，有利于泥沙落淤。節(jié)點的下游則是水流擴(kuò)散，加速泥沙落淤[46]。節(jié)點對分汊河道演變起著重要的作用：其一，節(jié)點加速了江心洲的形成和穩(wěn)定；其二，節(jié)點控制了分流區(qū)主流的擺動，使各分汊河段具有相對的獨立性和滯后性，從而增強(qiáng)了分汊河道的穩(wěn)定性。

長江的中下游部分是寬深比較小的分汊型河段。汊道內(nèi)的水沙分配主要受上游河道曲率、地形坡度和分汊角角度等因素影響。汊道的演變方向取決于各因素之間的相對強(qiáng)度(即分汊的演變主要以“強(qiáng)迫”機(jī)制為主)。河型轉(zhuǎn)化(即分汊河道的一支流淤積堵塞，使得分汊河道向單一河槽轉(zhuǎn)化)是長江中下游分汊河道常見的演變形式。壅水直到汊道形成穩(wěn)定的主流流路是河型轉(zhuǎn)化的必要水流條件，隨著河床再造過程的發(fā)展，汛期壅水高度逐年抬升，河型轉(zhuǎn)化的范圍向上游延伸[47]。壅水高度不同將造成淤積強(qiáng)度的差異。汛期壅水高度越高，水流動力軸線越趨于直線，回流區(qū)流速越小，范圍越大，水流輸沙能力降低，泥沙更容易落淤，淺灘淤積發(fā)展速度越快，而河型轉(zhuǎn)化發(fā)生的時間也相應(yīng)提前[48]。天然分汊河道河型轉(zhuǎn)化存在兩種形式——淤汊和堵汊，河床寬深比是決定分汊段以淤滿整個汊道(淤汊)形式還是淤堵汊口(堵汊)形式而發(fā)生河型轉(zhuǎn)化的重要因素。河床寬深比愈大，愈有利于汊道以淤汊形式向單一河道轉(zhuǎn)化，否則有利于泥沙淤堵汊道口門而引起河型轉(zhuǎn)換。此外，汊道口門迎流條件決定了河型轉(zhuǎn)化的大致方向，即迎流汊道往往會成為河型轉(zhuǎn)化后單一河道的主槽[47]。

長江分汊河道水流運動的一個重要特征是動力軸線的分汊。分汊的形式可歸納為兩種類型：一種類型的主流動力軸線緊貼洲頭，分汊明顯，分汊角較大，有“魚嘴分流”之稱。另一種類型的主流遠(yuǎn)離洲頭，動力軸線分汊點不明顯，分汊角較小，形成大面積的分流區(qū)[46]。主流擺動是長江分汊河道水流運動的又一重要特征。順直放寬河段的邊灘周期性沖淤，彎曲河段凹岸岸線的頻繁崩退、凸岸邊灘的切割以及河型轉(zhuǎn)化，分汊河段主支汊交替發(fā)展、主支汊移位以及河勢周期性演替都與主流擺動密切相關(guān)[49]。主流擺動在分汊河段的沖淤調(diào)整中起到了關(guān)鍵的作用。自然狀況下，水流動力軸線在兩汊間交替，使兩汊交替沖淤，是維持主汊、支汊地位的有利條件之一[50-52]。但是大壩樞紐的修建打破了這一平衡。比如，三峽蓄水后，由于清水下泄影響，水流挾沙力沿程逐步恢復(fù)飽和，兩汊交替均為沖刷。在清水下泄河段總體沖刷背景下，河段的演變主要以沙質(zhì)河床沖刷為主，局部區(qū)域的淤積則主要表現(xiàn)為推移質(zhì)的淤積，這對分汊河段分流格局的穩(wěn)定有著巨大影響。

4 研究展望

在分汊形成機(jī)制的研究中，大部分學(xué)者傾向使用模型試驗和野外觀測的方法，因為這類方法可以更好地觀察分汊形成的沖淤過程。利用數(shù)學(xué)模型對分汊形成機(jī)制進(jìn)行研究的工作較少。一些學(xué)者利用數(shù)學(xué)模型對沙壩的發(fā)育或辮狀河流的發(fā)展過程進(jìn)行研究，但這些研究更加關(guān)注沙壩的形態(tài)[53-54]或是辮狀河流的演變[55-57]，缺乏對分汊形成機(jī)制的討論。雖然數(shù)值模型沒有在分汊機(jī)制的研究中被廣泛使用，但并不代表數(shù)值模型不能用于分汊機(jī)制的研究。相反，由于數(shù)值模型可以提供更理想化的條件，避免試驗以及野外觀測中不可避免的諸多干擾?？梢灶A(yù)見，今后數(shù)值模型將在分汊機(jī)制研究中大有可為。

5種分汊機(jī)制中，河道決口對江河防洪安全具有最為直接的影響[58]。河道決口發(fā)生的臨界條件是人們重點關(guān)注的問題。盡管前人也進(jìn)行了大量的研究[59-62]，但河流決口會在何時何地發(fā)生，仍然沒有一個準(zhǔn)確的方法進(jìn)行預(yù)測。此外，盡管形成分汊的機(jī)制有上述5種之多，但Richardson等[63]在測量了孟加拉國Brahmaputra-Jamuna辮狀河流的三維流場和支流形態(tài)演變后，發(fā)現(xiàn)大流核(在河道斷面流速的等值線圖上，將等值線集中的大流速部位稱為流核)在單河道內(nèi)被分割成多個小流核后，河道的截面形態(tài)才會被分割，這可能是分汊形成的必要前提。因此，分汊的形成根本上是水流條件、河床地貌與泥沙之間相互作用的結(jié)果。

在分汊河道中，除了汊道的幾何形態(tài)、河床地形、水力粗糙度、壅水效應(yīng)以及潮汐等影響水沙分配的因素外，植被的覆蓋情況[23]、河道中的采砂作業(yè)[64]和分汊角對汊道內(nèi)的水動力特性都存在影響。其中，關(guān)于分汊角不對稱性對分汊處水沙分配的影響存在不同的見解，分汊角不對稱性與分汊演化的定量關(guān)系值得進(jìn)一步研究。

對于分汊處水沙分配的研究，最終目的是為了預(yù)測分汊河道的演變，進(jìn)而為河道治理提供建議。長江中下游分汊河段主流交替，雖然這有利于分汊河道的穩(wěn)定，但對于航道的維持卻極為不利。主流擺動的物理作用機(jī)制是通過改變高流速帶的平面位置，引起主輸沙帶的移位，從而造成主流帶沖刷、緩流帶淤積的不均勻沖淤分布。這種沖淤的不均勻性將進(jìn)一步產(chǎn)生一系列的累積效應(yīng)，長江中下游各種河型河床演變典型特征都是這種累積效應(yīng)的體現(xiàn)。盡管對汊道中主、支流交替的原因——水動力軸線的擺動已有所了解，但河道中影響水動力軸線擺動的因素及限制措施需要進(jìn)一步研究。