河道調整研究現狀及其對黃河下游游蕩型河道調整的啟示

李軍華，許琳娟，張向萍,2，江恩慧

(1.黃河水利科學研究院水利部黃河下游河道與河口治理重點實驗室，河南 鄭州 450003； 2.河海大學水利水電學院，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，具有獨特的地貌特征。黃河孟津至高村長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，下游游蕩型河道受到的水沙和邊界條件均發生了顯著變化，其河道治理也面臨著新的形勢。具體表現為：一是流域水沙銳減，潼關水文站實測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，河道邊界已演化為由抗沖性弱的天然土質邊界與抗沖性強的工程邊界共同構成，這種邊界作用下河道調整規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程不匹配，黃河下游游蕩型河道整治工程的設計流量為4 000 m3/s、含沙量為30 kg/m3，而小浪底水庫投入運用后，黃河下游長期缺少4 000 m3/s以上的大流量過程，而低含沙小流量過程年均持續時間卻長達340 d以上，與整治工程設計標準差異很大。

河道的調整與來水來沙以及河道邊界條件關系密切。新形勢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演變的復雜性和不確定性，如主流大幅度擺動、灘地坍塌、畸形河勢、工程脫河等現象時有發生，同時游蕩性河段灘地坍塌、泥沙大量恢復，減少了水庫攔沙對艾山以下窄河段的減淤效果，增加了防洪壓力。

對于黃河長期清水小水、前期工程約束共同作用下游蕩性河段河勢演變問題，目前對于其調整機理與過程的認識主要還是以經驗統計為主，對河道調整過程的物理解釋與調整結果缺乏準確的預測[2]。本文在梳理國內外河道調整研究現狀的基礎上，對于新形勢下黃河下游游蕩型河道調整應重點開展研究的問題作一探討。

1 河道調整研究現狀

沖積河道調整的結果是力求塑造一定的河道斷面形態，使來自上游的水量和沙量能通過下游河段下泄，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，河床演變過程中這些因子有時共同調整，有時單個或幾個因子發生調整，使得河流在不同地域展現出不同的平衡河道形態；在河道調整過程中，水流作用于河床，使河道發生變化，河道變化又反過來影響水流結構，它們相互影響、相互制約，一直處于變化發展過程中[4]。因此，河道調整過程是多因素交織耦合的復雜過程。目前關于河道調整及過程的研究，多集中于河相關系、不同邊界條件下河道調整過程、沖積河流線性理論等相關內容。

1.1 河相關系的研究

河相關系是指沖積河道通過自動調整作用達到平衡時，其縱剖面、斷面形態與流域因素之間的某種定量關系。利用河相關系開展河道調整規律研究已有近百年的歷史。早期的研究多采用經驗統計法[5-7]，近期河相關系理論研究可以歸結為探索第四個封閉方程的問題。河相關系模型中有4個未知數(河寬、水深、流速和比降)，但只有3個方程，即水流連續方程、水流運動方程和輸沙方程，導致了方程組不封閉，尋求額外的獨立方程成了河相關系理論研究的切入點。眾多研究方法可以分為兩類：一類是以穩定性理論為基礎的方法，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，然后對這些微小單元的剪切力與單元形態之間的相互作用進行受力平衡分析，再對這些宏觀形態效應進行積分求解；另一類是基于極值假說的方法，即通過引入一個極值假說作為第四個獨立方程，與水流連續方程、水流運動方程和輸沙方程閉合求解，這一假說主要有水流功率最小、最小能耗率、水流能耗率極值假說、最大熵原理、仙農熵等，以Chang[10]、徐國賓等[11-13]、倪晉仁等[14]、黃才安等[15]、Bonakdari等[16]、拾兵等[17]研究為代表。穩定性理論和極值假說的引入有助于從理論上探討河相關系第四個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關系；但是，穩定性理論求解過程極為復雜，僅能對特定地點的河流平衡斷面形態進行求解；極值假說求解過程直觀簡單，必要時可借助計算機迭代計算進行求解，但其缺點是難以準確地直接推導出令人信服的極值假說的物理表達式。

此外，我國許多學者還基于黃河、長江等河流實測資料，分析了河相關系的調整規律。如，胡春宏等[18]通過研究黃河下游不同洪水的沖淤規律，發現河相系數是漲水增大、落水減小；潘賢娣等[19-20]通過分析大量原型資料發現河相關系的變化與各河段河槽和河岸控制條件密切相關；陳立等[21]對丹江口和三峽工程下游河道斷面調整的研究結果也支持了這一結論。圍繞河相系數開展的研究更多側重于河道幾何形態的調整結果，而缺乏河道調整過程與機理的研究。

1.2 不同邊界條件下河道調整過程研究

河道邊界是河床演變塑造出的結果，同時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，致使河道調整過程更為復雜。由于河道邊界調整過程的復雜性以及原型觀測資料的限制，眾多學者大多通過自然模型或概化試驗開展不同邊界條件下河道調整規律的研究。

尹學良[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，塑造彎曲河流，并對河流成因和造床試驗進行研究，發現河床相對抗沖性增大后，初期形成的彎曲型河道切灘不斷發生，逐漸變為游蕩型。金德生[23]采用過程響應模型的水槽試驗表明，河道的邊界條件，尤其是河漫灘的物質結構和組成，對河流發育及河道調整有極大的影響。許炯心[24]通過游蕩型河道清水沖刷自然模型試驗，認為河道斷面形態調整可分3個階段，并給出了游蕩型河道沖刷與展寬的相對關系與動態過程。倪晉仁[25]概化水槽試驗表明，由初始順直開始發展的河流，都無一例外地或遲或早經過流路彎曲直至形成邊灘交錯的彎曲型河流的發展階段，在這個階段以后，如果邊灘穩定發育，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，與許炯心[24]開展的試驗相比，床沙組成粗、初始河床比降小、水流強度小，表明順直型河道在清水沖刷時將朝著寬淺方向發展，彎曲型河道水流的縱橫向動量之比趨向和諧穩定。楊樹青等[27]也運用自然模型法通過室內試驗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河流演變的影響，表明流量對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。

上述研究通過模型試驗直觀地給出了河道調整規律，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已經修建了大量河道整治工程，在不同水流作用下河道調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，在平面上表現為單岸交替修建，造成河道兩岸可動性差異較大，河道調整規律更為復雜。

1.3 沖積河流線性理論研究

模擬試驗在一定程度上揭示了河流調整的過程，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，王光謙等諸多學者[3,18,28-38]在理論上對游蕩型河道調整過程進行了大量的研究，其中Huang等[38]建立的沖積河流線性理論有一定的代表性，為認識河道的非線性調整提供了一種新的途徑和方法。

不同于以往尋求第四個封閉方程研究河相關系的方法，Huang等[39]提出了將河道寬深比引入到已知的3個水流運動方程中以減少自變量數目的數理分析方法，認為在河流水動力方程中隱含著兩個等同的極值條件，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水斷面形態參數(寬深比)來決定，河流輸沙能力最大時與其對應的寬深比具有唯一解，也就是說輸沙能力最大是河流達到穩定平衡的條件。Huang等[40]在分析了水流動能與勢能相互轉化規律的基礎上，發現水流運動在能量轉換過程中存在著一種特殊的平衡狀態，可以稱為流體靜態平衡；由于明渠水流大多數情況下都要偏離這一狀態，據此提出了將沖積性河流劃分為動態平衡、靜態平衡及非平衡狀態等3種形態，當河流處于靜態平衡時，河道斷面有唯一解，水流將呈現線性特征。

Huang等[41]通過進一步研究發現對于有泥沙輸移的沖積河流處于靜態平衡時，剪切力和寬深比也存在線性關系，這種線性關系不僅得出的理論渠道幾何形狀與以往廣泛接受的經驗公式得出的結果十分接近，而且還給出了一個無量綱參數H(剪切力的增量與寬深比的增量之比)，當H=0.3時，河流處于靜態平衡；并基于這一發現建立了沖積河流線性理論。沖積河流線性理論表明：

a.H在河流自動調整中的作用與弗勞德數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能為主導的緩流(Fr<1)、以動能為主導的急流(Fr>1)和以總能量為最小的臨界流(Fr=1)3種狀態相對應，沖積性河流存在著以側向輸沙為主導的寬淺流(H<0.3)、垂向輸沙為主導的剪切流(H>0.3)和總能耗最小的臨界流(H=0.3)3種狀態。

b.水流也總是在這3種狀態之間調整，這就為河道可能調整的方向或方式預測提供了理論依據。水流不是從H<0.3向H>0.3的狀態過渡，就是從H>0.3狀態調整到H<0.3的狀態，中間經過H=0.3的狀態并在H=0.3(靜態平衡)時具有線性特征。

c.H的提出為天然河流自動調整過程的模擬提供了合理的相似比尺。

d.此外，理論研究中還發現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系，并在修正梅葉-彼得輸沙率公式的基礎上提出了適用性更強的輸沙率公式。

沖積河流線性理論對于沖積河流河道的調整具有很強的適應性，已在順直型河流[41]及分汊型河流[42]的河道調整中得到了較好的應用；能否適應于非線性特征極強的游蕩型河道的調整也有待進一步的檢驗。

2 新形勢下黃河下游游蕩型河道調整研究啟示

從上面分析可以看出，目前對河道調整相關研究成果各具特色，假說、理論豐富多彩，推動了學科的發展。然而，游蕩型河道河床演變規律極其復雜，特別是新形勢下黃河下游游蕩型河段來水來沙明顯減少，沙量銳減得尤為突出，河床演變又受到現有工程邊界約束，河勢調整更為復雜。目前黃河下游游蕩型河道調整規律研究還存在以下問題：①河流受到人工控制邊界的約束越來越強，而對河岸兩側可動性不對稱邊界的水力幾何形態調整規律及過程的研究，以及有限控制邊界對河道幾何形態調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整規律的研究更少。②以往圍繞河相關系開展的斷面幾何形態調整研究，更多側重于幾何形態的調整結果，缺乏其調整機理與過程的研究；Huang等[40]基于變分原理提出了沖積河流線性理論，為深入認識河道非線性的演變機理提供了新途徑，但是其數理分析過程中將河流過水斷面幾何形態概化為矩形形態開展研究，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一步的檢驗。③河道整治工程修建后，黃河下游游蕩型河道的主槽擺動范圍和頻率已大幅度減小，然而在長期小水作用下，下游出現的畸形河勢為防洪帶來了一些新問題，甚至會導致橫河、斜河現象的出現，使防洪面臨很大的壓力。

因此，根據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，應對以下問題開展進一步的深入研究：

a.水沙變化與有限控制邊界對河道調整的耦合效應。隨著河流的開發利用程度增強，河流受到的邊界約束也越來越多，河道調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。有限控制邊界是對河道治理工程進行概括抽象的一個新概念，水沙過程和有限控制邊界雖然是兩個獨立的因素，但它們對河道演變的作用是緊密相關的。因此，研究水沙變化與邊界約束共同作用下的河道調整及演變也是河床演變學科的難點與關鍵科學問題。在今后的研究過程中應基于精細的模型試驗，并結合理論及原型具體河段的工程分析，固定單側河道工程，變化水沙條件，先研究有限控制邊界條件下水沙對河道調整的影響，然后在模型中布設不同密度的河道工程，重點研究軟硬邊界及不同密度的邊界對河道調整的影響，揭示不同控制邊界下游蕩型河道調整的機理與過程。

b.河道斷面自調整數理分析中斷面形態假定問題。沖積河流線性理論為深入認識河流形態自調整機理提供了新方法，但其主要分析的對象為順直型河道，其斷面河相系數在1.39～7.80之間，斷面形態可假定為矩形，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為19～32，個別河段甚至達到60，若仍采用順直型河道的方法假設，有可能導致與天然河流實際情況不符。因此，下一步研究中應通過黃河下游實測斷面資料初步建立不同水沙變幅下河道斷面形態的判別式，基于模型試驗成果分析輸沙平衡時工程彎道處的斷面形態及出彎道后自由段的斷面形態，將這一斷面形態代替原數理分析方法中的矩形形態；采用變分方法，推導分析、構建適應于游蕩型河道自調整的數理分析方法；最后將計算成果與原型實測資料及模型試驗成果對比分析，檢驗該方法在游蕩型河道調整中的適應性。

c.有限控制邊界條件下游蕩型河流主槽擺動幅度和頻率問題。據統計，1949—1960年黃河下游游蕩型河段基本處于天然河道狀態，其主流擺動范圍平均為4.33 km；1964—1973年受三門峽水庫運用影響，其主流擺動范圍平均為3.01 km；此后，隨著河道整治工程的修建，主流擺動范圍逐漸減小，到20世紀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幅度和頻率大幅度減小，其中主流擺動范圍減小至300～500 m。然而，新形勢下黃河下游游蕩型河道長期面臨的流量僅為1 000 m3/s以下的小水過程，由于黃河下游河道整治工程是按照設防4 000 m3/s流量設計的，因而在長期小流量過程作用下河流的寬度、河灣跨度等進一步縮小，這使畸形河灣出現的概率大幅度增大，產生諸多畸形河勢，進而影響兩岸穩定供水，危害灌區糧食安全。因此，針對有限控制邊界下游蕩型河流主槽擺動幅度和頻率問題，找到控制畸形河灣發生發展的工程技術措施，避免畸形河灣在防洪上帶來的問題，也是需要進一步研究的一個重要課題。

3 結 語

河道邊界既是河床演變的結果，又反過來影響河道調整過程；新形勢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系，而開展有限控制邊界與水沙變化共同作用下河道調整機理的研究還很少。在今后的研究中，應注重開展水沙變化與有限控制邊界對河道調整的耦合效應、河道斷面自調整數理分析中斷面形態假定、有限控制邊界條件下游蕩型河流主槽擺動幅度和頻率等問題的研究。此外，游蕩型河流由于其輸沙量大、河勢調整迅速，通過加入有限控制邊界條件，河道輸沙平衡時彎道工程及下游自由段河道斷面的形態是銜接游蕩型河道輸沙與斷面形態塑造的關鍵點，模型試驗測量及研究中應給予特別關注。