彎曲河道成因及演化機(jī)制研究進(jìn)展

渠庚 鄭承太 趙占超 尹大聰

摘要：在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，對彎曲河道咸因、水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、河道演化機(jī)制3個(gè)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述。在彎曲河道成因研究中，概述了水沙變化、河床比降等對彎曲河道形成發(fā)育過程的影響;在彎曲河道水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，概述了水面橫比降、橫向環(huán)流和流速分布以及泥沙的榆移問題等對水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響;在彎曲河道演化機(jī)制中，概述了彎曲河道演化過程中出現(xiàn)的撇彎切灘現(xiàn)象。通過對以往研究的系統(tǒng)梳理發(fā)現(xiàn)，彎曲河道在形成過程中受水沙及邊界條件的影響較大，目前對大尺度彎曲河道形成機(jī)制的影響因素的作用強(qiáng)度及水沙條件變化后彎曲河道非典型演變特性的研究成果較少，為進(jìn)一步闡釋彎曲河道的形成及演變機(jī)制等方面的問題，對彎曲河道的咸因及演變機(jī)制研究進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：河道演變，彎曲河道，環(huán)流，榆沙帶，泥沙分選，撇彎切灘

中圖法分類號(hào)：TV147文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.02.003

彎曲河流廣泛存在于各大河流之中，它具有兩個(gè)典型的特點(diǎn)：迂回曲折的外形和蜿蜒蠕動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征。在自然界變化萬千的河床形態(tài)中，這類河流是分布最為廣泛的。有相關(guān)的統(tǒng)計(jì)資料表明，無論河流尺度大小（不同河寬和分布范圍），還是地處山區(qū)或者平原，河流均可發(fā)育成彎曲河流，自然界幾乎不存在長度超過10倍河寬的順直河段?？v觀世界大江大河，如美國的紅河（Red River）、阿巴拉契科拉（Apalachieolo）河、密西西比（Mississippi）河，加拿大的斯闊米什（Squamish）河、比頓（Beatton）河、勞倫斯（Lawrence）河，瑞典的克拉爾（Klaralven）河以及我國海河流域的南運(yùn)河，淮河流域的汝河、沙河和潁河，黃河流域的渭河，長江流域的漢江下游河段和下荊江河段等，都是典型的彎曲河流，其中我國長江下荊江河段有“九曲回腸”之稱。

開展彎曲河道成因及其演化機(jī)制研究可為河道治理、港口興建、引水防沙、改善航運(yùn)等方面提供技術(shù)支撐。蜿蜒河流的長期演變規(guī)律、河流地形沉積問題等課題一直受到國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注。自20世紀(jì)30年代起，眾多國內(nèi)外學(xué)者通過野外觀測研究、物理模型試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值模擬等方法對彎曲河道的形成條件、水沙運(yùn)動(dòng)特性及演變規(guī)律等進(jìn)行了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果。但鑒于彎曲河流演變的復(fù)雜性，為下一步深入開展彎曲河道形成機(jī)制及水沙變化條件下河道演變特性研究，有必要對相關(guān)問題進(jìn)行系統(tǒng)梳理。

1 彎曲河道成因研究

在自然狀態(tài)下，彎曲河流的橫向遷移是一個(gè)緩慢的漸變過程，時(shí)間尺度較長，而在自然裁彎發(fā)生時(shí)，又是一個(gè)快速發(fā)展的過程，時(shí)間尺度較短，這使得在野外對其全演變周期進(jìn)行連續(xù)觀測有很大的難度。鑒于此，眾多學(xué)者采用了在室內(nèi)水槽塑造彎曲河道的方法對其形成和演變過程進(jìn)行試驗(yàn)研究工作。實(shí)踐情況表明，通過室內(nèi)水槽來塑造出彎曲度較高且形態(tài)相對穩(wěn)定的彎曲河道，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)方面仍然具有較大難度，難以全面解釋彎曲河道的形成機(jī)制。國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)，探究了不同因素對河道發(fā)育過程的影響，取得的主要成果見表1。

從已有的研究成果來看，彎曲河道形成的影響因素可分為以下幾類：水流因素、泥沙因素、河床底坡因素、植物因素和其他因素。

1.1水流因素

水流作用因素主要與水流流速大小、變幅、方向和水流在彎道的進(jìn)口條件有關(guān)。J.F.Friedkin試驗(yàn)表明，不同的有效流量條件都有與之相適應(yīng)的不同彎曲河道。尹學(xué)良試驗(yàn)表明，在恒定流時(shí)，河道在發(fā)育過程中一般不會(huì)有高灘出現(xiàn)，難以形成彎曲河道。洪笑天認(rèn)為，要塑造出彎曲形態(tài)理想、發(fā)育良好的彎曲河道，需要有洪、中、枯不同流量級的交替沖淤作用。C.A.Braudrickt、F.Visconti和洪笑天的研究有類似的現(xiàn)象。C.A.Braudrick認(rèn)為在彎曲河道的塑造過程中，需要流量的變化，而在彎道塑造成形后，不再需要流量的變化;F.Visconti認(rèn)為變化的流量更容易塑造出彎曲河道。關(guān)于上游來流的進(jìn)口條件對下游河道發(fā)育過程的影響情況，諸多學(xué)者持有不同的觀點(diǎn)。J.F.Friedkin認(rèn)為上游來流的入射角對于彎道的形狀和尺寸具有關(guān)鍵影響，實(shí)驗(yàn)室塑造出的彎道形狀和尺寸由流量、比降和進(jìn)口水流入射角共同決定。尹學(xué)良則認(rèn)為，上游來流的進(jìn)口條件對下游河道的發(fā)育過程影響很小。張俊勇研究與J.F.Friedkin較為一致，表明上游來流進(jìn)口條件對彎道的形成有重要的影響，其影響程度與河床條件有關(guān)，要塑造出彎曲河道，上游來流人流角需大于O°。Van Dijk認(rèn)為上游的擾動(dòng)和河漫灘的形成，是彎曲河道形成和維持的重要條件。

1.2 泥沙因素

泥沙作用因素的不同，主要取決于進(jìn)口泥沙級配、床沙組成等。J.F.Friedkin實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，要成功塑造出彎曲河道，床沙組成中至少要含有30%的細(xì)顆粒泥沙。E.C.Smith通過實(shí)驗(yàn)成功塑造了彎曲度達(dá)到2.0的彎曲河道，其研究表明，添加足夠的低密度細(xì)顆粒材料，可以成功塑造出高度彎曲的自然小河。J.Peakall和K.P.Dulal實(shí)驗(yàn)表明塑造彎曲河道必須要有足夠的黏性物質(zhì)，且認(rèn)為細(xì)顆粒泥沙就能產(chǎn)生足夠的黏性作用。K.P.Dulal認(rèn)為黏性物質(zhì)含量達(dá)到20%即可形成中、高度彎曲的河道。在VanDijk實(shí)驗(yàn)中，持續(xù)加入了含量為25%的黏性物質(zhì)，成功地塑造出了彎曲河道，證實(shí)了K.P.Dulal的觀點(diǎn)。C.A.Braudrick實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)顆粒泥沙在某些特殊部位（如凸岸邊灘上游、凸岸邊灘彎頂下游）的淤積作用，可以維持凸岸的增長，這對于彎曲河道的形成至關(guān)重要。尹學(xué)良實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)顆粒泥沙對于彎道形成過程的作用明顯，在大水期間加入細(xì)顆粒懸移質(zhì)所塑造出來的彎道與天然彎曲河道特征較為相似，若未加入細(xì)顆粒懸移質(zhì)，則易形成游蕩型河道。洪笑天研究則表明，能否形成彎曲河道，與河道內(nèi)泥沙的運(yùn)動(dòng)形式有關(guān)，若河道內(nèi)泥沙運(yùn)動(dòng)以推移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)為主，則難形成彎曲河道，若以懸移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)為主，則有可能形成彎曲河道。張瑞瑾認(rèn)為，形成彎曲河道的有利條件有：①河谷較寬廣，河流有回旋的余地;②河岸較低且多為二元結(jié)構(gòu)，其表層多為黏土或黏壤土，不易沖刷，而底層多為沙土，較易沖刷。

1.3 河床底坡因素

河床底坡因素不同，主要包括河床的橫、縱底坡情況。J.F.Fd。dkin認(rèn)為，比降的增大，同增大流量的作用效果相似。尹學(xué)良認(rèn)為，河床的底坡會(huì)影響水流的輸沙能力，縱底坡不同，水流的造床作用也就不同，要塑造出彎曲河道，河床的比降應(yīng)該處于一個(gè)合適的范圍（介于形成單股無汊和發(fā)生淤積的比降之間）。洪笑天認(rèn)為，河床的橫縱底坡對塑造彎曲河道存在影響，不宜過大或過小。E.C.Schumm的研究表明，在同流量條件下，順直河道的底坡坡度一般大于彎曲河道，底坡坡度的不同會(huì)導(dǎo)致河型的差異。E.C.Smith的研究則表明，要塑造出彎曲河道，要有一定的縱向底坡，恰當(dāng)?shù)牡灼轮饕Q于河床材質(zhì)，河床材質(zhì)存在差異，相應(yīng)的較適宜的縱底坡范圍隨之變化。

1.4 植物因素

以往研究表明，植物因素對河流演化的影響作用主要在于：增強(qiáng)了泥沙的抗剪和抗拉強(qiáng)度，增強(qiáng)了河岸的穩(wěn)定性，植物阻力作用減小了近岸流速，抑制了河岸的崩塌，在一定程度上增加了河道的穩(wěn)定性，使得河道向窄深發(fā)展。有關(guān)學(xué)者對此開展了大量研究，并取得了一定的認(rèn)識(shí)。K.Gran研究表明，河道植物可改變河道水流的方向并影響河道形態(tài)，其影響程度與植被的密度有關(guān)。M.Tal研究表明，植被的存在可減小河道展寬速率并阻止發(fā)生彎道裁彎，使彎曲河道凹凸岸沖淤相對平衡。M.ChurCh認(rèn)為，植物只是河道發(fā)育過程中的附加因素而非控制性因素，控制因素仍然是水沙因素。J.Peakdll也認(rèn)為對于彎曲河道的成功塑造，植物作用并不是必要因素，只要有細(xì)顆粒泥沙能產(chǎn)生足夠的黏性即可。

1.5 其他因素

其他因素主要指人為因素及河道邊界條件影響，常見的有護(hù)岸護(hù)灘工程和整流建筑物。這些人為因素對于河道演變過程有顯著的影響，可以較大程度地改變水流結(jié)構(gòu)，控制河勢，穩(wěn)定岸線，使得河道格局不再發(fā)生較為明顯的變化。從河床邊界條件來看，河道中存在的天然磯頭、河床河岸的分層組成結(jié)構(gòu)、河谷的寬廣程度，均對河道演變過程有一定程度的影響。

2 彎曲河道水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究

彎曲河道水沙運(yùn)動(dòng)與彎曲河道河床演變、河道整治等關(guān)系密切，對此，有關(guān)學(xué)者開展了大量研究工作，取得不少有意義的成果，主要分為兩個(gè)方面，即彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2.1彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從已有的研究成果來看，關(guān)于彎曲河道水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究主要可以分為三大方面：彎道水面橫比降問題、橫向環(huán)流問題及彎道流速分布問題。諸多學(xué)者提出了理論計(jì)算公式，研究成果匯總見表2-4。

2.2 彎曲河道泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律

從已有的研究成果來看，關(guān)于彎曲河道泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，主要包括泥沙的起動(dòng)流速、泥沙輸移、推移質(zhì)輸沙帶和泥沙分選等問題。

2.2.1 彎曲河道的泥沙起動(dòng)流速

關(guān)于泥沙起動(dòng)流速的計(jì)算，自20世紀(jì)60年代起，就有諸多學(xué)者經(jīng)過大量的研究得出了形式不一的計(jì)算公式，如竇國仁公式、張瑞瑾公式、唐存本公式、沙玉清公式和韓其為公式等，這些成果對其后的理論研究均有很大影響。彎曲河道的泥沙起動(dòng)由于受到橫向環(huán)流的影響，其起動(dòng)所需的近底流速不同于一般的順直河道。本文列出了張紅武“和王平義提出的適用于彎曲河道泥沙起動(dòng)流速計(jì)算的公式，見表5。

2.2.2 彎曲河道泥沙榆移問題

彎曲河道的泥沙輸移問題，主要可以概括為泥沙的橫向輸移問題、推移質(zhì)輸沙帶問題和泥沙分選問題。

彎曲河道泥沙的橫向輸移是在環(huán)流的作用下產(chǎn)生的。在彎道環(huán)流作用下，環(huán)流上部的泥沙運(yùn)動(dòng)至凹岸，環(huán)流下部的泥沙運(yùn)動(dòng)至凸岸，由于含沙量沿垂線分布是不均勻的，彎道橫向輸沙與水體的橫向封閉流動(dòng)不同，橫向輸沙是不平衡的。關(guān)于彎道橫向輸沙的計(jì)算，丁君松、孫東坡和李志威等做了一些有價(jià)值的研究。

彎道橫向輸沙與含沙量和橫向流速沿垂線分布的情況有關(guān)。丁君松根據(jù)羅佐夫斯基的橫向流速公式，再結(jié)合張瑞瑾提出的沿垂線分布的含沙量公式（也可以是從擴(kuò)散理論求得的公式），導(dǎo)出了單位寬度內(nèi)的橫向輸沙率公式：

孫東坡對其導(dǎo)出的環(huán)流流速公式加以修正后，導(dǎo)出了與丁君松類似的單位寬度內(nèi)橫向輸沙率公式：

彎道推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)有四大顯著特點(diǎn)：①推移質(zhì)的同岸輸移大于異岸輸移;②輸沙成帶，推移質(zhì)在橫向斷面分布并不遍布整個(gè)河寬，而是集中成一個(gè)或兩個(gè)條帶向下游輸移，主輸沙帶位于凸岸邊灘一側(cè);③形成橫向底坡;④出現(xiàn)橫向床沙分選。對彎曲河道推移質(zhì)輸沙帶進(jìn)行精確預(yù)報(bào)，具有極其重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。蔡金德和王平義依據(jù)弗勞德數(shù)最大的位置即為強(qiáng)烈輸沙帶所在的位置，導(dǎo)出了彎曲河道內(nèi)強(qiáng)烈輸沙帶的曲線方程：

彎道泥沙分選是指泥沙在橫向輸移過程中，受到彎道環(huán)流的影響，致使彎道凹、凸岸泥沙和邊灘上、下游部分泥沙粗細(xì)不一。許棟對諸多學(xué)者關(guān)于泥沙分選現(xiàn)象的研究情況進(jìn)行了概述，見表6。

此外，關(guān)于泥沙分選的問題，楊樹青的研究發(fā)現(xiàn)，隨著凹岸沖刷和凸岸淤積，粗顆粒泥沙逐漸淤積到凸岸，細(xì)顆粒泥沙則隨水流主流線不斷向前運(yùn)動(dòng)，凹岸泥沙逐漸變細(xì)，且細(xì)顆粒分布帶與水流動(dòng)力軸線分布基本一致。縱觀前人已有的研究成果，尚無一個(gè)完整的理論體系將引起泥沙分選的所有因素考慮進(jìn)去，彎道泥沙分選問題有待更進(jìn)一步地深入研究。

3 彎曲河道演變規(guī)律研究

彎曲河道演變規(guī)律主要包括河道床面形態(tài)變化規(guī)律和河灣的橫向擺動(dòng)規(guī)律。本文在以往研究的基礎(chǔ)之上，對目前大尺度彎曲河道在演變過程中出現(xiàn)撇彎切灘現(xiàn)象進(jìn)行了梳理。

撇彎是指主流撇開凹岸深泓，改走河槽中部或凸岸邊灘，形成新的深泓并造成原凹岸深泓的淤積。切灘是指在一個(gè)彎道內(nèi)，主流拋開凹岸，改走凸岸，將凸岸邊灘沖開，形成新的深泓。

談廣鳴在對監(jiān)利河段切灘演變進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)是下游上車灣裁彎引起了上游監(jiān)利河段的裁彎，這與水流與河床的相互作用過程中一般是上游對下游影響較大的規(guī)律不同。通過室內(nèi)概化試驗(yàn)對產(chǎn)生切灘的原因和條件進(jìn)行了分析，認(rèn)為只有在上下游水流條件發(fā)生較大變化時(shí)，才有可能引起本河段主流向凸岸大幅度擺動(dòng)，進(jìn)而引起灘面劇烈沖刷而切灘。談廣鳴在對黃莊至澤口河段撇彎切灘演變原因的分析中，又進(jìn)一步分析了流量級變化、洪水流量過程改變和來沙條件變化對撇彎切灘的影響。張俊勇對丹江口水庫建成后下游的撇彎切灘現(xiàn)象進(jìn)行了初步分析，認(rèn)為變化的水流條件是產(chǎn)生撇彎切灘的重要原因之一，撇彎切灘的實(shí)質(zhì)是河道向最佳彎道形態(tài)調(diào)整的過程。覃蓮超以漢江中下游相關(guān)實(shí)測資料，研究了水流動(dòng)力軸線變化與切灘撇彎之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)河灣的水流動(dòng)力軸線彎曲半徑R₀與河灣的彎曲半徑R的比值大于1.0時(shí)，河灣就有可能發(fā)生切灘撇彎，當(dāng)該比值小于或等于1.0時(shí)，一般不會(huì)發(fā)生切灘撇彎;并認(rèn)為水流條件改變及河勢的變化會(huì)造成河灣形態(tài)與水流動(dòng)力軸線走向變化，從而引起切灘撇彎。李寧波對長江荊江段七弓嶺彎道主流撇彎的原因進(jìn)行了探究，研究表明七弓嶺彎道主流撇彎主要和來水來沙量及其過程、河道型態(tài)及河床地質(zhì)、江湖關(guān)系等因素有關(guān)。

4 結(jié)論及展望

通過梳理以往研究成果，對彎曲河道相關(guān)的基礎(chǔ)研究取得了一定的認(rèn)識(shí)。以往研究從宏觀角度出發(fā)，探索了彎曲河道成因，描述了彎曲河道演變規(guī)律的影響因素，發(fā)現(xiàn)水沙條件及邊界變化是引起撇彎切灘的主要原因，但對于各個(gè)影響因素在彎曲河道形成及演變過程中的影響程度仍未取得一致性認(rèn)識(shí)。此外，影響彎曲河道演變的因素有很多，如水沙條件、地質(zhì)地形條件及人為因素，以往關(guān)于河道演變相關(guān)規(guī)律的研究，大多處于定性描述的層面而難以實(shí)現(xiàn)定量的分析。對于數(shù)值模擬的方法，是在進(jìn)行大量簡化近似之后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因而數(shù)模計(jì)算的結(jié)果，往往存在一定程度的誤差，難以實(shí)現(xiàn)對河道演變的長期精準(zhǔn)預(yù)測;對于物理模型還未能做到充分的相似，在開展彎曲河道研究中存在局限。

因此，關(guān)于河道演變，要實(shí)現(xiàn)對各影響因素所起到的作用強(qiáng)度的定量分析，應(yīng)加強(qiáng)各影響因素與河道演變之間復(fù)雜的耦合關(guān)系研究，增加對新的水沙及邊界條件下天然彎曲河道的水沙運(yùn)動(dòng)特性的研究，重新確定以往理論成果的適應(yīng)條件。應(yīng)增加大尺度河流原型觀測，采用大量實(shí)測資料對模型進(jìn)行驗(yàn)證，提高模擬精確性。