【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 河床演變的學(xué)科性質(zhì)決定了它應(yīng)當(dāng)是從工程技術(shù)的角度，考慮河流在較長(zhǎng)期內(nèi)但又不是歷史時(shí)期的調(diào)整過程。因?yàn)樵诰唧w研究中分工過細(xì)，所承擔(dān)的任務(wù)往往只涉及一個(gè)河段或者一個(gè)地區(qū)，工程技術(shù)人員容易注意局部河段而忽略流域整體，容易看到眼前而忽略較長(zhǎng)期的變化。正是由于這個(gè)原因，實(shí)際中關(guān)于河床演變的研究成果往往是關(guān)于某個(gè)具體河段的資料分析，而針對(duì)某一類型普遍現(xiàn)象的討論及規(guī)律總結(jié)不多。在學(xué)科發(fā)展的過程中，關(guān)于普遍規(guī)律的總結(jié)主要體現(xiàn)在河流自調(diào)整機(jī)理、河型分類、各類河型演變特性、河相關(guān)系、水庫(kù)下游再造床作用等方面[1525]。沖積河流自調(diào)整作用是河床演變各種現(xiàn)象的基礎(chǔ)，盡管人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到河床具有某種平衡傾向性，但對(duì)如何描述河床調(diào)整所遵循的內(nèi)在機(jī)理卻十分困難，現(xiàn)階段仍只能限于最小能耗率、河床最小活動(dòng)性、隨機(jī)理論等各種假說[2,3]。河床演變影響因素之間存在復(fù)雜的作用機(jī)制，同時(shí)河床演變現(xiàn)象在宏觀上也表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。從當(dāng)前的研究來看，對(duì)河床演變的研究一般可以分為兩類，一類是從內(nèi)在的動(dòng)力機(jī)制出發(fā)，試圖說明河流上發(fā)生某種演變現(xiàn)象的內(nèi)在原因，偏重于對(duì)內(nèi)在動(dòng)力機(jī)理的詮釋；另一類是從宏觀的現(xiàn)象中分析規(guī)律性的東西，試圖從原因和對(duì)應(yīng)的結(jié)果中總結(jié)規(guī)律，說明某種現(xiàn)象出現(xiàn)所伴隨的外部條件或必要條件。在機(jī)理研究存在困難的時(shí)候，利用大量資料總結(jié)河床演變規(guī)律的工作取得了進(jìn)展。幾十年來的治河實(shí)踐一方面受到各種河型演變的理論的指導(dǎo)，同時(shí)也利用所積累的資料不斷檢驗(yàn)了各種河型演變的一般規(guī)律。但是，原理上認(rèn)識(shí)的不足限制了對(duì)河床演變規(guī)律的探索：描述河床水力幾何形態(tài)的河相關(guān)系方程組不封閉，使得水沙變化后河床形態(tài)調(diào)整難以預(yù)測(cè)；河型存在和維持的條件認(rèn)識(shí)不足，對(duì)水沙條件變化后河型的轉(zhuǎn)化難以估計(jì)。河流模擬包括實(shí)體模型與數(shù)值模型兩大類，前者主要基于相似理論，后者則以水沙運(yùn)動(dòng)及河床變形方程為依據(jù)。在實(shí)體模型方面，自20世紀(jì)50年代我國(guó)開始從國(guó)外引入模型相似理論，隨后我國(guó)學(xué)者在模型比尺變態(tài)、模型沙選取、寬級(jí)配非均勻沙沙模擬、泥沙起動(dòng)相似、沉降相似等方面不斷提出了新的理論和方法，形成了一整套河工模型的相似理論、設(shè)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)[6]。針對(duì)高含沙河流水沙運(yùn)動(dòng)和河床變形的特點(diǎn)，高含沙水流模型相似律和相似技術(shù)不斷改進(jìn)[26,27]。幾十年來,河工模型試驗(yàn)在黃河三門峽工程與小浪底工程、長(zhǎng)江葛洲壩工程與三峽工程、以及其它大江大河的河道整治工程中發(fā)揮了重要作用，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。水沙數(shù)學(xué)模型的研究可以分為兩個(gè)方面，一是水流和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，如阻力、挾沙力等問題的研究[28,29]，該類問題的解決是數(shù)學(xué)模型能夠反映實(shí)際情況的根本保證；另一類是計(jì)算方法的研究，關(guān)系到模型計(jì)算的速度、精度以及模型是否具有應(yīng)用價(jià)值的問題[30,31]。隨著模型算法和計(jì)算模式的不斷改進(jìn)，二維甚至三維的精細(xì)模擬已成為可能，即使是一維水沙模擬，也已由單一河段恒定流水沙模擬發(fā)展到復(fù)雜河網(wǎng)非恒定流水沙模擬。由于水沙數(shù)學(xué)模型既可以模擬局部范圍的精細(xì)水沙運(yùn)動(dòng)，又能夠預(yù)測(cè)大范圍的長(zhǎng)期河床變形，近些年來在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)揮了越來越重要的作用，而且還作為一種工具促進(jìn)了泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論問題的深入研究。相對(duì)于實(shí)體模型，數(shù)學(xué)模型最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以模擬大范圍問題，目前已成為定量預(yù)測(cè)長(zhǎng)河段、長(zhǎng)期河床變形的唯一有效手段。由當(dāng)前的現(xiàn)狀來看，沖淤模擬歷時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算量大與模型計(jì)算速度慢之間的矛盾仍是制約數(shù)學(xué)模型用于工程實(shí)踐的主要因素，特別隨著計(jì)算區(qū)域擴(kuò)大，計(jì)算量將呈級(jí)數(shù)增加。這一方面是由于非恒定水流運(yùn)動(dòng)模擬的計(jì)算速度慢，另一方面也是由于非恒定泥沙輸移模擬經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，許多環(huán)節(jié)需要試算，計(jì)算效率低。綜合來看，雖然河流泥沙研究的歷史不長(zhǎng)，但在人們治水治沙的實(shí)踐中，對(duì)水流中泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)不斷深入，對(duì)河床演變規(guī)律的總結(jié)不斷提高，解決了江河整治、水利工程建設(shè)以及生產(chǎn)實(shí)踐中的大量泥沙問題，諸如水庫(kù)泥沙，航道整治與維護(hù)，渠首防沙、橋墩沖刷、堤岸防護(hù)、工業(yè)取水與泥沙處理等問題。在實(shí)際問題解決過程中，定性分析和定量預(yù)測(cè)等各種手段相結(jié)合，推動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論、河道水流特性、河床演變規(guī)律以及河流模擬技術(shù)等各方面均取得了一定進(jìn)展。但同時(shí)也應(yīng)該看到，由于河流泥沙研究是新興學(xué)科，許多理論還有待完善，而江河治理開發(fā)實(shí)踐中遇到的實(shí)際問題異常復(fù)雜，現(xiàn)有理論和方法還難以使所有問題得到圓滿解決。以三峽水庫(kù)下游沖刷為例，河床沖刷發(fā)展歷程關(guān)系到江湖關(guān)系變化、河床沖刷深度、河口沙量變化等方面的調(diào)整，影響著工程對(duì)防洪、航運(yùn)、生態(tài)等方面影響的評(píng)價(jià)，然而由于當(dāng)前對(duì)非飽和輸沙機(jī)理認(rèn)識(shí)仍然不足，目前還難以給出較可靠的定量預(yù)測(cè)，與此類似的問題還有下游河型的轉(zhuǎn)化，典型河段河勢(shì)的調(diào)整等。這些問題的存在表明，關(guān)于泥沙運(yùn)動(dòng)基本理論、河床演變?cè)硪约澳M手段的研究，在今后一段時(shí)間內(nèi)仍將是河流泥沙研究的重點(diǎn)內(nèi)容。尺度較大的區(qū)域或者整個(gè)流域內(nèi)的泥沙輸移，影響著河湖地貌的演化，因而從長(zhǎng)期的宏觀尺度影響著流域內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和安全，這些變化通常是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)期才顯現(xiàn)出來，是一種自然的演變進(jìn)程，譬如歷史上長(zhǎng)江中游云夢(mèng)澤、彭蠡澤等大湖的淤積湮滅，以及與此相伴隨的洞庭湖、鄱陽湖的出現(xiàn)。隨著社會(huì)進(jìn)步，人們的生產(chǎn)生活與這些自然進(jìn)程發(fā)生著各種聯(lián)系，一方面泥沙淤積造成的河床變化可能對(duì)人類產(chǎn)生威脅，如洪水泛濫、改道等，另一方面人類可能加速或延緩這些進(jìn)程，黃河河床的迅速抬高與堤防對(duì)兩岸分淤的限制不無關(guān)系，長(zhǎng)江中游荊江河道的裁彎也對(duì)三口洪道的淤積萎縮起了加速作用。人們對(duì)于流域泥沙過程的干擾長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)處于盲目無序的狀態(tài)，其原因除了對(duì)自然的泥沙輸移與地貌演化進(jìn)程缺乏認(rèn)識(shí)之外，更重要的是對(duì)人類活動(dòng)對(duì)此造成的影響無法估計(jì)[32]。隨著生產(chǎn)力的提高，人類對(duì)流域環(huán)境改造能力日益增大。因此，一方面迫切需要理論指導(dǎo)以預(yù)測(cè)水沙輸移規(guī)律改變后的各種效應(yīng)，另一方面需要變盲目干擾為主動(dòng)調(diào)控，避免泥沙輸移造成的災(zāi)害，甚至變害為利。流域范圍內(nèi)大量水利工程的修建，更是為人類對(duì)水沙輸移的調(diào)控提供了可能性。因此，泥沙工作者的任務(wù)一方面是研究天然、人類干擾情況下的流域泥沙輸移特性，預(yù)測(cè)由此引起的效應(yīng)，另一方面是研究泥沙輸移的調(diào)控理論和實(shí)現(xiàn)方法。針對(duì)流域泥沙輸移特性變化的研究在國(guó)內(nèi)外紛紛展開，有的研究還同時(shí)提出了相應(yīng)的調(diào)控對(duì)策。密西西比河各大支流相繼開發(fā)導(dǎo)致中下游沙量輸移特征發(fā)生變化，造成河漫灘、河口淤積量減少，濕地面積退縮，不同年代入海沙量來源組成比例也發(fā)生調(diào)整，美國(guó)學(xué)者等對(duì)此開展了系列研究[33,34]，美國(guó)陸軍工兵團(tuán)還對(duì)此開展了調(diào)水試驗(yàn)：將渾水調(diào)往河口三角洲，利用泥沙維護(hù)河口淡水草本沼澤的穩(wěn)定[9]。在國(guó)內(nèi)的研究中，關(guān)于荊江洞庭湖區(qū)洪水位變化與泥沙輸移關(guān)系的探討比較活躍，不同學(xué)者從洪災(zāi)加劇與泥沙淤積量、淤積部位之間的關(guān)系[35]，江湖關(guān)系調(diào)整所導(dǎo)致的洪水量在江湖之間的重新分配[36]等方面開展了大量分析，并提出了治理對(duì)策。黃河水沙異源，中游河口鎮(zhèn)龍門區(qū)間的多沙粗沙區(qū)是下游淤沙的主要來源，許多學(xué)者提出了在中游大量修筑淤地壩的治理措施。針對(duì)黃河小浪底水庫(kù)下游伊洛河、沁河與上游來水來沙在時(shí)間上的不協(xié)調(diào)，黃河水利委員會(huì)提出利用多個(gè)水庫(kù)調(diào)水調(diào)沙，使不同來源的水沙組合成比較協(xié)調(diào)的關(guān)系，從而減少下游的淤積[37]。以上事實(shí)表明，國(guó)內(nèi)外大河流域的治理理念不斷進(jìn)步，科技水平越來越高，流域開發(fā)過程中的水沙調(diào)控從被動(dòng)、盲目變?yōu)榉e極、有序，該方面今后仍是泥沙研究的熱點(diǎn)之一。對(duì)水沙輸移效應(yīng)的準(zhǔn)確模擬是探索水沙輸移與河床變形作用機(jī)制、開展規(guī)律研究的重要輔助工具，也是水沙調(diào)控的基礎(chǔ)。在工程實(shí)踐中，無論是以相似原理為基礎(chǔ)的物理模型，還是以數(shù)理方程和數(shù)值方法為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于短時(shí)期、小范圍的水沙輸移及河床變形模擬，都能取得滿意的效果。然而，流域