河流分類方法研究及河流形態(tài)學(xué)概論

董耀華 汪秀麗

摘要：學(xué)術(shù)界對河流分類分級分段等展開了充分研究，但缺乏系統(tǒng)分析及統(tǒng)一認(rèn)識?；诹饔?、水系和干流河道河流形態(tài)3要素，提出了獨立與非獨立河流分類方法;對世界范圍內(nèi)55條獨立河流與長江非獨立支流水系分別進行了分類應(yīng)用研究和綜合排序;初步構(gòu)建了河流形態(tài)學(xué)。研究成果包括：① 獨立河流遵循河口優(yōu)先原則，河流形態(tài)復(fù)雜性可劃歸為復(fù)合流域水系與復(fù)雜干流河道;基于河長與流域面積約0.5次方的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了流域特征長度、流域綜合面積和河流彎曲指數(shù)3個河流形態(tài)特性指標(biāo)。② 流域綜合面積排序世界前十位的河流是亞馬孫河、尼羅河、剛果河、鄂畢河、葉尼塞河、長江、勒拿河、密西西比河、尼日爾河、阿穆爾河;歸納總結(jié)的長江流域河流水系“譜系”河流數(shù)量為1，4，9，24，49，63，374，381。③ 河流形態(tài)學(xué)包括河流分類、分級及分段“基石”研究和干流河道形態(tài)研究。研究河流分類及增設(shè)河流形態(tài)學(xué)可填補河流地貌學(xué)與河床演變學(xué)之間的研究空白，逐步形成河流“幾何（河流形態(tài)學(xué)）-運動（河床演變學(xué)）-動力特性（河流動力學(xué)）”的研究體系。

關(guān) 鍵 詞：河流分類; 獨立河流; 河流形態(tài)學(xué); 流域; 水系; 干流河道; 河口優(yōu)先原則; 流域綜合面積; 河道形態(tài)

中圖法分類號： TV143

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.001

0 引 言

Walling等[1]通過收集整理世界上145條河流水沙資料，調(diào)查分析了世界河流徑流與輸沙的變化趨勢，然而這些河流的代表性與可比性還未可知。這就引申出河流的界定與分類問題。董耀華等[2-6]以長江和世界十大江河為研究對象，對河流分級與河流分段進行了系統(tǒng)研究，若要將相關(guān)理論及方法推廣應(yīng)用于其他河流，則需要河流的明確定義;同時從河流形態(tài)研究拓展上，也有河流分類的研究要求，因此提出了河流分類分級分段方法與河流形態(tài)學(xué)系統(tǒng)研究的需求。

伍光和等[7]曾對河流進行了“寬泛”的定義——降水或由地下涌出地表的水匯集在地面低洼處，在重力作用下經(jīng)常地或周期地沿流水本身造成的洼地流動，按注入地分為內(nèi)流河和外流河，其中內(nèi)流河注入內(nèi)陸湖泊或沼澤，或因滲透、蒸發(fā)而消失于荒漠中，外流河則注入海洋。內(nèi)流河與外流河之和無法涵蓋包括支流水系在內(nèi)的所有河流，而且對河流的整體形態(tài)關(guān)注也不夠。施成熙[8]基于河流的地面和地下水源，將河流劃分為雨源、雨雪混合源、冰雪混合源等3種河流類型，這種河流分類方法僅依據(jù)河流的水源動力，比較片面，而且難以操作。

本文采納伍光和等[7]的河流定義，基于流域、水系和干流河道河流形態(tài)3要素，初步提出可將所有河流劃分為獨立河流與非獨立河流兩大類型——將集水流域閉合、劃分水系[2]全部匯入干流河道且最終注入非河流地理系統(tǒng)（如海洋、沼澤、濕地、湖泊等）的河流定義為獨立河流;其他河流為非獨立河流。相較于內(nèi)流與外流河分類，獨立河流的物理意義更加嚴(yán)格，非獨立河流的涵蓋范圍更加“寬泛”——獨立河流的所有支流水系均屬于非獨立河流，所有非獨立河流均屬于內(nèi)流河。

獨立與非獨立河流之間顯著差異之一是遵循不同的優(yōu)先原則。獨立河流遵循河口優(yōu)先原則，主要表現(xiàn)為：河流冠名、河流地理位置、干流河道、徑流、輸沙量等河流自然屬性確定的優(yōu)先權(quán)，以及河流水沙配置、治理保護、開發(fā)利用等河流社會功能確定的優(yōu)先權(quán)。非獨立河流遵循匯入干流河道優(yōu)先原則，主要表現(xiàn)為：匯入干流河道的侵蝕基準(zhǔn)面控制及最高河流分級數(shù)特性等。

綜上所述，筆者提出本文主要研究內(nèi)容：① 開展獨立河流分類研究應(yīng)用，收集整理世界55條大江大河或代表性的獨立河流，分析河長與流域面積相關(guān)關(guān)系，提出河流形態(tài)特性指標(biāo)，開展世界大江大河排序研究;② 開展非獨立河流分類研究應(yīng)用，以長江支流水系為例，復(fù)核河長與流域面積相關(guān)關(guān)系，分析河流形態(tài)特性指標(biāo)適用性，研究長江支流水系綜合排序，歸納總結(jié)長江流域河流水系“譜系”;③ 開展河流形態(tài)學(xué)概論研究，提出河流形態(tài)學(xué)學(xué)科定位，初步構(gòu)建學(xué)科主要研究內(nèi)容，概述學(xué)科研究進展并進行展望等。

1 世界大江大河分類研究

1.1 獨立河流形態(tài)特性分析

基于互聯(lián)網(wǎng)資料，收集整理了世界55條大江大河或代表性獨立河流的流域面積、河長等相關(guān)數(shù)據(jù)（見表1）。獨立河流形態(tài)復(fù)雜性可劃歸為兩類——復(fù)合流域水系與復(fù)雜干流河道。復(fù)合流域水系包括復(fù)合流域（如恒河-布拉馬普特拉河、墨累-達令河）與復(fù)合水系（如珠江-東江、西江與北江（見圖1（a））、圣勞倫斯河-五大湖區(qū)）。復(fù)雜干流河道包括復(fù)雜河源（如密西西比-密蘇里河、亞馬孫河）、復(fù)雜河口（如尼羅河、萊茵河）與復(fù)雜干流（如阿拉伯河-幼發(fā)拉底河、底格里斯河（見圖1（b））、拉普拉塔河-巴拉那河）。

1.2 河流形態(tài)特征指標(biāo)構(gòu)建

采用回歸分析方法，建立了世界55條獨立河流的河長與流域面積之間的相關(guān)關(guān)系（見圖2）：

L=315.203A0.491? R2=0.769（1）

式中：L為河長，km;A為流域面積，萬km2。

分析表明：獨立河流的河長與流域面積之間存在約0.5次方的相關(guān)關(guān)系，即河長與流域面積的0.5次方量級相當(dāng)。借鑒楊立信[9]采用年調(diào)水量W（m3/a）與調(diào)水線路長度L（km）乘積的綜合指標(biāo)定義調(diào)水工程規(guī)模，提出可采用流域特征長度與河長乘積的流域綜合面積指標(biāo)衡量河流大小。由此可構(gòu)建3個新的表征河流形態(tài)的特性指標(biāo)：流域特征長度（A0.5）、流域綜合面積（A0.5L）和河流彎曲指數(shù)（L/A0.5）。

1.3 世界大江大河綜合排序

分別采用河長、流域面積和流域綜合面積等3個指標(biāo)對世界55條獨立河流進行了前十位綜合排序（見表2）。在流域綜合面積排序的同時，給出了相應(yīng)的流域特征長度和河流彎曲指數(shù)，前十位河流分別是亞馬孫河、尼羅河、剛果河、鄂畢河、葉尼塞河、長江、勒拿河、密西西比河、尼日爾河、阿穆爾河;長江河長排序第三，流域面積未進入前十位，流域綜合面積排序第六。綜合分析表明：流域綜合面積綜合了河長與流域面積2個河流形態(tài)特征，指標(biāo)“量綱和諧”，排序結(jié)果合理可信，值得推薦。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

2 長江河流水系分類研究

2.1 長江支流水系綜合排序

首先對長江非獨立支流水系的河長與流域面積的相關(guān)關(guān)系進行復(fù)核。

（1） 以流域面積1 000 km2或河長50 km為初選原則，主要基于“中國河湖大典（長江卷）”[10]等參考文獻，收集整理了長江流域581條支流水系的流域面積、河長等數(shù)據(jù)資料，回歸分析了流域面積小于1萬km2支流水系的河長與流域面積的相關(guān)關(guān)系，并同時給出了“最小單元河流”取值線（流域面積不小于2 000 km2或河長不小于100 km）[2]（見圖3（a））。

L=264.57A0.4835? R2=0.7076（2）

（2） 基于長江流域（不含太湖）滿足“最小單元河流”的374條分級河流，再次復(fù)核河長與流域面積的相關(guān)關(guān)系，并給出了24條重要河流水系的閾值線（流域面積不小于3萬km2或河長不小于500 km）[3]（見圖3（b））。

L=282.406A0.472? R2=0.813（3）

復(fù)核分析表明：長江支流水系的河長與流域面積之間也存在約0.5次方的相關(guān)關(guān)系，采用流域特征長度、流域綜合面積和河流彎曲指數(shù)等3個特性指標(biāo)來表征長江非獨立支流水系的形態(tài)特性也是適用的。

基于河長、流域面積和流域綜合面積，對長江支流水系也進行了綜合排序（見表3）。給出了3組排序的閾值和支流水系，漢江河長和流域綜合面積排序第一，嘉陵江流域面積排序第一。

2.2 長江流域河流水系“譜系”

匯總長江支流水系綜合排序、長江流域水系劃分與河流分級研究[2-3]，以及長江流域綜合規(guī)劃[11]等相關(guān)研究成果，歸納總結(jié)了河流數(shù)量分別為1，4，9，24，49，63，374和581的長江流域河流水系“譜系”（見表4）。

3 河流形態(tài)學(xué)概論

以本文河流分類和以往河流分級[2-3]、河流分段[4-5]等研究成果為“基石”，倡導(dǎo)在水力學(xué)及河流動力學(xué)（二級學(xué)科）下增設(shè)“河流形態(tài)學(xué)”（三級學(xué)科）。研究河流分類及增設(shè)河流形態(tài)學(xué)可填補河流地貌學(xué)與河床演變學(xué)之間的研究空白，逐步形成河流“幾何（河流形態(tài)學(xué)）-運動（河床演變學(xué)）-動力特性（河流動力學(xué)）”的研究體系，并以新學(xué)科視角協(xié)調(diào)和評判河流地貌學(xué)、河床演變學(xué)及河流動力學(xué)等相關(guān)研究。

河流形態(tài)學(xué)可初步定位為：基于流域、水系和干流河道河流形態(tài)3要素，研究獨立和非獨立河流現(xiàn)狀形態(tài)的基礎(chǔ)及基礎(chǔ)應(yīng)用科學(xué)。學(xué)科主要研究內(nèi)容包括兩大方面：基于流域、水系和干流河道的河流分類、分級及分段“基石”研究;基于干流河道平面、剖面及斷面形態(tài)的河道形態(tài)研究（見表5）。

目前河流形態(tài)學(xué)的大量研究成果（如河勢理論、河型分類、河道比降和河道形態(tài)等）散見于河流地貌學(xué)、河床演變學(xué)與河流動力學(xué)等研究之中，現(xiàn)將若干方面的研究進展及展望概述如下。

（1） 河流分類、分級及分段研究。

深入與拓展研究包括：① 強化新理論與定量指標(biāo)研究，如李華曄等[12]采用分形理論研究河流水系特性，認(rèn)為部分河段在某種程度上包含整體水系特性;又如河流2段（山區(qū)與平原河段）[13]、3段（Schumm河流分區(qū)理論[14]）和5段（河流5區(qū)分段法[5]）分段方法及理論有待統(tǒng)一和協(xié)調(diào)。② 加強世界河流形態(tài)特性比較研究，如大江大河河流分級數(shù)、分段方法及綜合排序等比較研究。③ 加強河流分類、分級及分段交叉研究，如優(yōu)化“分段河道不分級、分級河道不分段”思想[3]。

（2） 河勢線研究。

董耀華[6]提出了“靜態(tài)”和“動態(tài)”河勢的劃分思想，表征河道平面形態(tài)的河勢線基于“靜態(tài)”河勢思想?；诤觿菥€和Hermite插值函數(shù)生成的河勢貼體正交網(wǎng)格可應(yīng)用于河道平面二維數(shù)學(xué)模型，一、二維河流模型“無縫”嵌套，以及河長精準(zhǔn)計算等研究[15]。最新認(rèn)識包括：基于全球氣候模型（GCM）“降尺度”應(yīng)用于區(qū)域氣候模擬[16]的“逆向思維”;“升尺度”模式下的河勢線可表征和代替干流河道形態(tài);基于河勢線的“變線”程度，可對自然與人類河流工程影響提出新排序：河流襲奪[13]>裁彎工程>大壩水庫>河道主支汊易位>支汊封堵>圍灘工程>跨河橋梁>碼頭工程等。

（3） 河型分類研究。

河型分類屬于河道平面形態(tài)研究內(nèi)容，目前國內(nèi)河型分類通常采用Leopold方法[17]（順直、彎曲和辮狀）或錢寧方法[13，18]（順直、彎曲、分汊和游蕩），它們均屬于河流形態(tài)與河床演變“混合”分類方法。Brice[19]提出的河型分類方法（單一與分汊河道）僅基于干流河道形態(tài)特性，具有概念單一、方法簡易、與河流分段和河勢線銜接較好等優(yōu)勢。Nanson和黃河清采用并發(fā)展了Brice河型分類法[20]（見圖4）;董耀華等[20]也曾推介過Brice-Nanson分類方法，值得深入研究和應(yīng)用。

（4） 河道比降研究。

河道比降J是河道剖面形態(tài)最具活力的指標(biāo)。在Lane[21]平衡關(guān)系式（見圖5）和張海燕[22]河流最小能耗理論（γQJ最小）中，比降是主控因子之一;Watson等[23]在研究密西西比河支流亞祖河治理方案時，特別強調(diào)的河道縱向“下切點”或“下切段”（Knickpoint/Knickzone），也與比降“突變”密切相關(guān)。

（5） 其他河道形態(tài)研究。

① 水庫形態(tài)研究：水庫形態(tài)對于水庫淤積形態(tài)、分布、過程均有顯著影響，費祥俊[24]總結(jié)認(rèn)為湖泊型水庫泥沙淤積重心偏上，河道型水庫淤積重心偏低。

② 岸線利用模式研究：董耀華等[25]在進行河湖岸線洲灘利用對河湖功能影響研究時，初步提出了基于自然與社會功能的“點-線-面”河湖岸線利用模式分類。

③ 斷面寬深比研究：壩下游河道沖刷是以沖深（窄深化）還是展寬（寬淺化）為主，一直備受爭議，董耀華[26]曾定量分析過葛洲壩樞紐工程下游河道窄深化的演變趨勢。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

4 結(jié) 論

（1） 基于流域、水系和干流河道河流形態(tài)3要素，初步提出了獨立與非獨立河流分類方法，將集水流域閉合、劃分水系全部匯入干流河道且最終注入非河流地理系統(tǒng)（如：海洋、沼澤、濕地、湖泊等）的河流定義為獨立河流。獨立河流的所有支流水系均屬于非獨立河流，所有非獨立河流均屬于內(nèi)流河;獨立河流遵循河口優(yōu)先原則，非獨立河流遵循匯入干流河道優(yōu)先原則。

（2） 收集整理了世界55條大江大河或代表性獨立河流，其河流形態(tài)的復(fù)雜性可劃歸為復(fù)合流域水系與復(fù)雜干流河道兩類;回歸分析了河長與流域面積之間約0.5次方的相關(guān)關(guān)系，構(gòu)建了流域特征長度、流域綜合面積和河流彎曲指數(shù)等3個新的河流形態(tài)特性指標(biāo);基于河長、流域面積和流域綜合面積，對世界河流進行了前十位綜合排序，流域綜合面積排序前十位河流分別是亞馬孫河、尼羅河、剛果河、鄂畢河、葉尼塞河、長江、勒拿河、密西西比河、尼日爾河、阿穆爾河，流域綜合面積排序值得推薦。

（3） 以長江支流水系為非獨立河流實例，復(fù)核了河長與流域面積約0.5次方的相關(guān)關(guān)系和流域綜合面積等指標(biāo)的適用性?；诤娱L、流域面積和流域綜合面積，對長江支流水系也進行了綜合排序，漢江河長和流域綜合面積排序第一，嘉陵江流域面積排序第一。歸納了長江流域河流水系“譜系”，河流數(shù)量分別為1，4，9，24，49，63，374，581。

（4） 研究河流分類及增設(shè)河流形態(tài)學(xué)可填補河流地貌學(xué)與河床演變學(xué)之間的研究空白，逐步形成河流“幾何（河流形態(tài)學(xué)）-運動（河床演變學(xué)）-動力特性（河流動力學(xué)）”研究體系。河流形態(tài)學(xué)可初步定位為：基于流域、水系和干流河道河流形態(tài)3要素，研究獨立和非獨立河流現(xiàn)狀形態(tài)的基礎(chǔ)及基礎(chǔ)應(yīng)用型科學(xué)，主要研究內(nèi)容包括河流分類、分級及分段“基石”研究和干流河道形態(tài)研究。概述了在河流分類、分級及分段，河勢線，河型分類，河道比降及其他河道形態(tài)等方面的研究進展，并進行了展望。

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（編輯：胡旭東）

董耀華，

男，1966年生，正高級工程師（二級），現(xiàn)任長江水利委員會長江科學(xué)院副總工程師;英國南安普敦大學(xué)（1年）、法國地質(zhì)礦產(chǎn)研究所（2月）、美國加州圣迭戈州立大學(xué)（2月）訪問學(xué)者，長科院學(xué)位評定委員會委員、碩士生導(dǎo)師、博士后工作站合作導(dǎo)師;水利學(xué)會泥沙專委會副秘書長，水利部水資源論證評審專家，水力發(fā)電工程學(xué)會水文泥沙專委會會員，國際水利與環(huán)境工程學(xué)會（IAHR）會員，《長江科學(xué)院院報》編委，《人民長江》《水利水電快報》編委會特聘專家。

從事河流泥沙與治河防洪專業(yè)、水力學(xué)及河流動力學(xué)科“治河、治江、治水”科研及實踐30余年，主持、負(fù)責(zé)或主要參加60余項科研項目，發(fā)表期刊和會議論（譯）文108篇。榮獲大禹水利科學(xué)技術(shù)獎，湖北省科技進步獎，長江委科學(xué)技術(shù)獎，長江三峽工程泥沙研究先進工作者，湖北省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文，湖北省水利學(xué)會優(yōu)秀論文，湖北省優(yōu)秀碩士論文指導(dǎo)老師等科研學(xué)術(shù)獎勵22項。

Study on river classification method and overview of river morphology science

DONG Yaohua1，WANG Xiuli2

（1.Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of the Middle and Lower Yangtze River of MWR，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2.Library of Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：

Up to now，the academic community has conducted sufficient researches on river classification and segmentation，but there is still a lack of systematic analysis and unified understanding.In this paper，based on three river morphology elements of watershed basin，drainage network and mainstream channel，independent rivers and non-independent rivers as a method of river classification were firstly proposed.Then，comprehensive lists were ranked respectively for 55 independent rivers worldwide and for non-independent tributaries or drainage networks of the Yangtze River while a pedigree was summarized for all rivers or drainages of the Yangtze River.Finally，the river morphology science was preliminarily established and discussed.The research results were as follows：（1） Independent rivers follow principle of estuary priority while complexity of river morphology can be classified into compound watershed or drainage and complex mainstream channel.Based on approximate 0.5 power correlationship between river length and river basin area，3 characteristic indexes of river morphology，namely river featured length，compositive river basin area and river curved indicator were proposed.（2） By index of compositive river basin area，the top 10 rivers worldwide are Rivers of Amazon，Nile，Congo，Ob，Yenise，Yangtze，Lena，Mississppi，Niger and Amur.

While river numbers of summarized pedigree for all rivers or drainages of the Yagtze River are 1，4，9，24，49，63，374 and 581.

（3） The river morphology science should include cornerstone researches of river classification，stream-order gradation and river segmentation，and researches on morphology of river channel.Study on river classification and establishment of river morphology science enable to fill researching gap between sciences of river geomorphology and fluvial processes，and gradually form researching system on river features of geometry-kinematics-dynamics corresponding to river morphology，fluvial processes and river mechanics.

Key words：

river classification;independent river;river morphology science;watershed;drainage network;mainstream channel;estuary priority principle;compositive river basin area;morphology of river channel966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6