第1章 概述

1.1 河流水沙與河流系統研究概述

20世紀80年代以前，國內對于河流的研究，多關注于河流水沙基本理論、河床演變規律，以及相關的防洪、河道治理等問題。20世紀90年代以后，隨著社會經濟的發展，水電開發和工業化進程的不斷推進，河流污染和生態環境問題逐步引起人們的關注，河流系統功能的概念應運而生。河流系統是指河道中相互聯系的水、沙、河床以及生態系統之間形成的復雜體系。河流系統中的物理、化學、生物等各種過程涉及了地貌學、河床演變學、河流動力學、沉積學、水文水環境、生態學等多個學科。

1.1.1 河流水沙理論研究概述

河流水沙基本理論包括河流動力學和河床演變學在內的泥沙研究，它的母體在歐美各國為水力學，屬于技術科學范疇；而在前蘇聯則被視為地球物理學的一部分，屬于基礎科學范疇。隨著經濟的發展，水利工程和港口航道工程的建設日趨增多，泥沙問題越來越突出，這對泥沙運動理論研究提供了良好的機遇。國內自20世紀50年代便開始河流水沙基本理論研究，張瑞瑾^[12]、沙玉清^[3]、錢寧^[45]、竇國仁^[67]、韓其為^[89]等老一代科學家為泥沙學科的發展奠定了基礎。王兆印^[10]等對20世紀90年代中期以前歐美各國的泥沙研究進展作了詳細的敘述。王光謙^[11]簡要說明了泥沙學科的特點，介紹了我國泥沙研究取得的重要成果，討論了泥沙學科未來的發展趨勢，并在流域泥沙方面開展了深入研究。周志德^[12]在總結20世紀泥沙研究發展概況時，認為在20世紀上半葉逐步積累的基礎上，作為一個標志性成果，1950年漢斯·愛因斯坦提出了第一個泥沙運動力學理論體系；在20世紀下半葉進入百家爭鳴時代，20世紀70年代以來又根據大量實測資料，利用計算機進行回歸分析得到阻力和輸沙率公式，而不拘泥于發展新的理論。

20世紀80年代以來，隨著大江大河治理和大型水電工程開發的推動，逐步發展與完善了泥沙學科^[13-18]，基本理論體系不斷完善和豐富。

1.泥沙的沉降特性

泥沙沉速是研究泥沙運動特性的基礎。Stokes提出了關于圓球顆粒在無限水體中運動的水流阻力公式，張瑞瑾、竇國仁、岡恰洛夫、沙玉清等學者對泥沙沉降規律都進行過深入研究。

2.泥沙的起動特性

泥沙起動是泥沙運動理論中最基本的問題之一。沙莫夫（1959）、唐存本（1963）、張瑞瑾（1961）、竇國仁（1960）分別導出了天然均勻沙起動流速公式。張瑞瑾認為細顆粒之間的黏聚力是由顆粒間的吸著水與薄膜水不傳遞靜水壓力引起的，從而推導出了均勻散粒泥沙與黏性細泥沙在內的統一的起動流速公式。盧金友（1991）根據長江泥沙實測資料，提出了長江不同種類泥沙的起動流速計算公式。

3.水流挾沙力

水流挾沙力是指在一定的來水來沙條件下單位水體所能挾帶和輸運的懸移質中的床沙質數量。在解決工程泥沙問題時，水流挾沙力規律是必然要遇到的難題之一。在數學模型中計算河床變形時，要根據挾沙力計算的結果來判斷河道的沖淤特性。因此水流挾沙能力一直是工程界和學術界研究的熱點問題之一，受到學者們的普遍關注。

關于水流挾沙力，已從不同理論和假設進行了大量研究，取得了豐富的研究成果。張瑞瑾（1961）整理了大量的長江、黃河、渠道及水槽實驗資料后，基于“制紊假說”，得到了廣泛應用的懸移質挾沙力經驗公式。20世紀70年代，竇國仁從能量觀點出發，導出了懸移質全沙的水流挾沙力公式，并利用長江和黃河各水文站測驗資料及水槽資料進行了驗證。楊志達（1973）從單位水流功率的理論模式入手，建立了包括沙質推移質在內的水流挾沙力公式。王士強（1992）從床沙、推移質、懸移質相互交換、相互銜接的物理圖形出發，在力學分析、隨機分析及紊動擴散分析基礎上，提出推移質、懸移質和全沙統一的非均勻沙挾沙力公式，計算結果與實測值符合良好。近期余明輝（1999）等以“制紊假說”為理論基礎，考慮渾水相對黏滯性、上游來水來沙條件和床沙級配等因素對水流挾沙力的不同影響，建立了非均勻沙分組挾沙力公式。

對非均勻沙分組挾沙力級配的計算，也有考慮懸移質來沙級配的韓其為方法（1980），也有考慮水流條件和床沙級配的李義天方法（1987）等。

總的說來，以上工作或是對原有公式的改進，或是將顆粒運動的必然性和隨機性相結合進行推導，或者從兩相流能量方程出發，得出水流挾沙規律。固液兩相流理論是研究泥沙運動的基礎，劉士和教授（2007）基于兩相流理論建立了低濃度挾沙水流運動數學模型。由于兩相紊流的結構十分復雜，目前還沒有比較成熟的理論能夠描述其變化規律，因此在推導時往往要作一些近似處理。因此挾沙力規律還需要更深入的探討。

4.推移質運動

自法國的Du Boys在1879年提出第一個推移質輸沙率公式以來，據不完全統計，目前各種推移質輸沙率公式已超過50個。天然河流一般為非均勻沙，對于非均勻沙推移質輸沙率的計算有兩種方法：一是采用代表粒徑計算總的輸沙率；二是分不同的粒徑級分別計算出各級粒徑的輸沙率。韓其為（1984）開展泥沙運動統計理論研究，得出非均勻沙運動統計規律；竇國仁（1960）用平均流速為主要指標，導出均勻沙的推移質輸沙率公式，其應用也較廣泛；劉興年（1999）從試驗與原型觀測出發，對寬級配非均勻推移質運動規律進行了系統的研究；盧金友（2009）根據原型觀測與水槽試驗，提出了適用于長江上游河流的推移質輸沙率公式。

總之，泥沙科學經歷了幾十年的積累，隨著國民經濟的發展，水利工程和航道工程的建設，泥沙問題越來越受關注，這對于學科發展提供了很好的機遇和條件。水流泥沙數學模型的發展推動著泥沙基本理論研究的進步，目前水庫淤積模擬已具備了較高的模擬精度，但壩下游沖刷模擬受理論不成熟和河床組成復雜等因素影響，模擬精度仍不夠，泥沙模擬技術的提高有待進一步對泥沙內在運動規律的探索。

1.1.2 河流系統研究概述

長期以來，國內外學者在防洪安全、河勢穩定、航道暢通、生態環境保護等問題的研究上進行了深入研究，積累了豐富的經驗，但統一以河流系統功能的概念研究河流系統的各種行為和資源屬性卻是近20年來的新生事物。河流的水流泥沙過程具有多種屬性，對于河流地貌系統、生態系統的穩定均起著至關重要的作用。首先，水流是塑造河床的直接動力，泥沙則是改變河床形態的物質基礎。其次，河流地貌過程直接決定了棲息地分布和多樣性，而且徑流過程的多種屬性（總徑流量、變化幅度、變化周期、各流量級的頻率分布、洪水出現時機、持續時間、流量過程變化率等）對于棲息地形態保持、泥沙與養料輸移、稀釋污染、維持河床基質組成、淹沒灘地及緩流區起著不同的作用，流量事件（漲水、落水、洪峰、春汛等）也是一些生態事件的觸發因子（如一些魚類的洄游、產卵），這些對于生態多樣性和完整性的維持起著重要作用。

20世紀90年代以來，受全球氣候變化和河流上游修建水庫、流域內水土保持、采砂等人類活動的影響，長江、黃河等大江大河來水量有所偏小，但來沙量明顯減少。圍繞水沙條件變化情況下的水沙輸移、河道演變、防洪、泥沙調度、生態環境等問題，國內開展了大量的研究，主要包括以下幾個方面。

1.人類活動影響下的水沙輸移規律

水沙輸移過程是河床塑造的基本動力，但目前對水沙輸移規律，尤其是沖刷條件下調整規律仍存在認識上的不足。為此，多位學者開展了有關含沙量恢復過程與機理的研究。含沙量恢復的研究涉及到河流動力學中水流挾沙力、床沙交換、泥沙恢復飽和系數等基本概念，也直接影響到長河段水沙數學模型中輸沙模式，目前的研究對于機理認識有一定的幫助，但由于問題本身的復雜性，其中仍有一些假定或經驗系數，需作進一步的研究。

2.水沙變化與河床演變響應機理

關于水沙變化與河床演變響應機理，中外學者從各種角度做了大量工作。隨著水庫下游沖刷演變、河型轉化現象的普遍出現，國內外學者逐漸開始對此展開調查研究，對工程影響下的演變過程取得了大量的實測資料。對水庫下游再造床過程的問題，地學界和水利學界從觀測資料分析、試驗模擬等多個方面開展了研究，探討了河谷區域自然條件和水沙條件對水庫下游河道沖淤變化、河相關系調整、河床地貌再造等方面的影響。從現有研究來看，由于對天然河流演變機理的認識尚未十分明了，水庫下游河勢變化趨勢從理論上預測也是比較困難的，目前主要依賴于原型資料的分析和河床沖淤演變的模擬預測。

3.水沙變化條件下的防洪問題

水沙變化對防洪的影響體現在以下幾個方面：一是河床沖淤變化對洪水位的影響；二是洪水遭遇組合的規律變化；三是由于河勢變化引起近岸河床的沖刷進而影響堤防安全。在國內外水庫等工程的下游，水沙變化后河床變形對洪水位產生影響的現象均較常見。如法國Garonne河由于上游修水庫及河道渠化、人為采砂，下游河道下切展寬嚴重，河槽容量加大，漫灘次數減少但灘面糙率加大，大洪峰傳播速度較建庫前大大減緩。河床變形的影響引起廣泛的重視，但目前的研究多限于單因素和單河段。關于大范圍內的洪水模擬，大多是針對比較穩定的河床邊界，僅僅限于對水流過程的描述而較少考慮河床變形。

4.水沙變化條件下的水庫調度優化問題

在多沙河流上修建大型水利樞紐工程，水庫泥沙淤積問題是面臨的關鍵技術問題，目前一般采用“蓄清排渾”的運用方式。但隨著近年大江大河來沙顯著減少，這一傳統運用方式也在實際應用中不斷優化完善，如三峽水庫試驗性蓄水以來，考慮到壩下游供水需求增加、防洪還存在薄弱環節等因素，嘗試進行了提前蓄水、中小洪水調度、汛限水位浮動等不同優化調度方案。由于上游來沙減少再加之水庫的攔沙作用，將引起壩下游發生長距離的沖刷和枯水位下降，進而影響河道岸坡穩定與沿岸取水。因此，水庫調度方式需根據新的需求和新的情況，不斷進行調整優化。

5.水沙變化條件下的生態環境問題

水沙調節后河流生態環境問題包括對生態環境狀態評估、生態環境需水量估算等方面。如Bunn總結了水沙變化后對河流生態環境可能產生的各種影響；Sparks、Ward等討論了流量過程變化對生態棲息地以及生物多樣性的重要作用。國內外關于生態需水量的研究是河流研究的熱點問題。此外，河流沿岸污染物排放和火（核）電廠溫水排放，也對河流生態環境帶來一定影響，尤其是大量排放口密集排放，形成數公里的污染帶，破壞水環境并影響供水安全。