搜索
河流泥沙研究进展及发展趋势李义天孙昭华（武汉大学，水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072）摘要：河流泥沙研究包括泥沙运动力学、河床演变学及以此为基础的河流模拟，是水利、地学及生态环境等学科的重要基础之一。近些年来各大流域中出现的多种泥沙相关问题，使泥沙研究扩展到区域及流域泥沙及工程及环境泥沙问题等方面。由于河流泥沙研究的许多理论还有待完善，而江河治理开发实践中遇到的实际问题异常复杂，现有理论和方法还难以使所有问题得到圆满解决。因而，今后在继续深入研究泥沙基本理论的同时，应加强水沙变异条件下河床演变规律的研究，并从流域整体的角度，扩展研究的时间尺度、空间尺度，分析泥沙输移的规律及其造成的环境影响，探索水沙调控的理论与技术。关键词：河流泥沙研究进展发展趋势ReviewandperspectiveofriversedimentresearchYitianLiZhaohuaSun(Statekeylaboratoryofwaterresourceandhydropowerengineeringscience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Asthefoundmantaltheoryofhydraulicengineering,geomorphologyscienceandhydro-environment，riversedimentresearchisdevelopedtorevealtheruleofsedimenttransportandtounderstandorpredictfluvialprocesses.Thegoalsofriversedimentresearchhavebeenbroadenedinrecentyearsduetosedimentrelatedproblemsappearedinrivermanagementoflargebasins,whichincludessedimentproblemofregionorbasinscale,interactionsbetweenhydraulicprojectsandenvironment.Sincethebasictheoriesunderlyingsedimentmovementandfluvialprocessstillneedtobeimproved,thesedimentproblemaroseinengineeringpracticeofriverexploitationcannotbesolvedperfectlywithcurrentknowledgeandtechnology.Consequently,itisarguedthatmoreeffortsshouldbemadeinsomekeyproblemsbesidesbasictheoreticalresearches,suchaschannelresponsestochangesofflowandsedimentregime,rulesonlargescalesedimenttransportationandregulationsondischargeandsedimentprocesses.Keyword:riversedimentresearch;review1引言河流泥沙研究包括泥沙运动力学和河床演变学[1-4]。前者主要研究泥沙在水流中的输运过程和挟沙水流的运动规律，后者则主要研究水流和泥沙共同作用下冲积河流形态的变化规律。无论是在自然条件下，还是受人工干扰明显的河流，水流是挟带泥沙的基本动力条件，而泥沙又通过改变河床边界作用于水力要素。在高含沙水流中，泥沙颗粒还直接影响水流的各种特性。因此，水流和河床以泥沙为纽带形成相互作用的统一体，是河流地貌中最活跃的动力因子。人们在生产实践中，一方面要避免河流所造成的各种灾害，诸如洪水泛滥、崩岸改道，另一方面又要对河流进行治理开发，诸如修建水库、整治航道，这些都与泥沙运动及河床演变息息相关。除此之外，在已开发的河流上，各种水利工程造成的河道萎缩、灾害加重、湿地退化等负效应也都与泥沙运动及河床演变密切联系。因此，河流泥沙是水利、地学及生态环境等学科的重要基础学科之一。近期以来，随着江河水资源利用和水能开发力度的加大，江河治理实践中面临着与泥沙输移相关的新现象、新问题，不断推动着河流泥沙研究的发展。本文对河流泥沙研究的进展与发展趋势进行简要综述。2河流泥沙研究范畴2.1河流泥沙基本理论研究泥沙运动涉及侵蚀、输运、沉积等地貌过程，各种过程涉及的时空尺度变化范围极大。在一些情况下必须考虑地质构造的上升、下降等大尺度、长时期的过程，有时又必须考虑泥沙起动、悬移等微尺度和瞬时的过程。正是由于这些特点，河流泥沙研究包含了从宏观到微观多方面的物理现象，依据对象尺度的不同，以及由此引起的研究思路、方法等方面的差异，可将泥沙基本理论分为泥沙运动力学和河床演变学。河流泥沙动力学的研究范畴包括：泥沙颗粒的基本性质、泥沙起动与沉降、河道水流特性以及泥沙对水流的影响、床面形态及阻力、水流与泥沙输移机理及其定量描述等[1,5]。河床演变学的研究范畴则包括：河床调整所遵循的基本原理、河型分类、河流几何形态与水力泥沙条件之间关系、人类作用下河床再调整作用等[2,3]。人们对河床演变过程的认识，通常是从野外实际查勘及观测开始的，对资料的综合分析使人们逐步形成了对具体河段和整个河流以至不同河流之间河床演变现象的规律性认识，但这种规律性认识大部分只具有定性性质，许多情况下难以满足工程实践的要求，由此就出现对河床演变的定量预测，也就是所谓的河流模拟技术[6]。河流模拟是在对微观水流、泥沙运动深入认识基础上，建立描述水沙运动及河床变形的控制方程，从而模拟出宏观河床变形随时间的发展。2.2河流泥沙研究内容的扩展长期以来，河流泥沙研究致力于泥沙冲刷、搬运和沉积规律，围绕着这个中心取得了大量成果。但必须同时看到，随着生产力发展，人类对河流的依赖越来越强，对河流的干扰也日益增多，人口、资源、环境之间的矛盾成为制约流域可持续发展的主要因素。随着人口密度增加，生态环境破坏，水体污染加剧，特别是流域内各种大型工程的兴建，使流域环境发生了不同于自然条件下的剧烈变化，与此同时，人们对流域内洪水等灾害的防治、生态系统的维持提出了更高的要求，对流域内水资源开发利用与调配成为必然的趋势，这些挑战使得江河治理只能向建立全流域的水沙调控体系发展。与此相应，需要针对流域开发中出现的新现象、新问题、新需求，从理论上改进水利工程的规划原则，从机理上分析各种现象的出现原因、发展趋势，从技术上发展和改进已有的模拟方法、调控措施，从而为水沙调控提供科技支撑。在此背景下，河流泥沙研究必须扩大其研究范畴，才能适应科技和经济、社会发展的需求。实际上，近些年来各大流域中出现的多种泥沙相关的问题，已经超出了传统泥沙基本理论研究的范畴，主要可以归结为以下几个方面：（1）区域及流域泥沙问题泥沙既是水流主要挟带物质又是地表塑造者，泥沙冲淤与河道、湖泊形态的变化息息相关，因而影响着防洪、航运、生态栖息地等条件的变化。在宏观尺度上，由于泥沙作为间接因子，大范围内河流边界的改变，引发的洪灾、环境恶化越来越受到人们的重视。近期以来，我国各流域洪灾最显著的特征主要有：普遍出现流量小，水位高，危害重，损失大的现象，并成逐年加重趋势。1996年黄河花园口洪峰流量仅相当于1958年的1/3，而水位却超过了1958年约1m，堤坝处处出险，沿岸防洪非常紧张；1996年湖南沅江和资水的流量都比1969年小，水位却分别比1969年高1.5m和0.8m；1996年长江城陵矶和螺山两水文站的洪峰流量都小于1954年，汉口水位又低于1954年，而城陵矶和螺山两水文站的水位比1954年分别高1.05m和1.00m；1998年长江洪水，汉口水位比1954年低，螺山流量比1954年小约14000m3/s的情况下，螺山洪水位却超过1954年近1.8m。年复一年，江河灾害频发，灾害范围越来越广，灾害损失越来越大。以往大洪水引发大灾，而今大小洪水都致大灾。事实说明，除人类活动影响及防洪意识、防洪管理和防洪工程建设方面尚存欠缺外，自然因素中加剧江河洪水灾害的直接原因是泥沙淤积。对于大多数人而言，洪水的危害是十分严重的，但泥沙的影响常常被掩盖和忽视，事实上在很多情况下泥沙输移是引起河道行洪能力下降的主要因素。除了对洪水的影响，大范围内的泥沙冲淤促成水体面积的变化、地下潜水位的升降，对航运、农业生产、生态环境甚至区域气候均产生影响。泥沙冲淤具有一定的隐蔽性，且具有累积性，当前的变化可能与长时期内的泥沙输移存在关联，甚至与地质构造活动存在联系。长期以来，人们多关注于短时期、局部范围的泥沙冲淤，对流域内泥沙的来源、去向不够了解，对区域内冲淤发展的趋势及其后果缺乏估计，因此无法调控流域内的泥沙输移以避免其危害。甚至在很长时间内，以上问题还未被人们所意识到，例如长江中下游大量湖泊淤积的同时，人类的盲目围垦起到了推波助澜的作用。黄河下游断流、泥沙淤积加剧的事实，与上游梯级开发和沿岸大量引水造成下游输沙水量不足有关。大量事实表明，泥沙研究在充当解决生产实践中泥沙问题的技术工具的同时，也应当是指导流域规划和宏观管理的技术基础。对于黄河治理，需要上、中、下游统一治理，逐步形成“拦、排、放、调、挖”处理和利用泥沙的方略。对于长江中游的洪水灾害，需要处理好江湖之间的泥沙冲淤分配。针对这些问题的研究已经初步展开，泥沙研究范围和研究尺度的扩展实际上已是一种必然趋势。（2）工程及环境泥沙问题我国的水能资源蕴藏量十分丰富，可开发的水能资源约3.8亿千瓦，居世界首位，目前已开发的仅14%左右。同时，我国水资源存在时空分布不均的特点，利用水库和跨流域调水工程对水资源的时空分布进行调节十分必要。大量水利工程修建将为人类带来巨大的经济利益，但这些工程对水沙过程的调节及流域环境的影响值得关注。水库对泥沙的拦截不可避免，但库区和变动回水区的淤积会不会影响当地的防洪和航运？如何制订科学的运行规则以延长水库寿命？在大量水库形成工程群体之后，又如何协调它们之间的水、沙量调节？在变化的流域环境下，水沙过程是否稳定，会不会威胁水利工程安全和效益？天然径流过程被改变、大量泥沙被拦截在水库中后，中下游河道将发生长时期的严重冲刷，防洪大堤是否安全？河道是否萎缩或摆动？湖泊是否会消亡？河口海岸是否因入海沙量减少而侵蚀退缩？生态系统是否因河床冲刷和径流过程改变而失去生存条件？这些都是关系到水利工程成败及流域经济发展的关键问题。世界范围内的大量事实表明，由于以上问题未引起充分重视，大河流域的开发中留下不少教训。许多流域，如密西西比河、科罗拉多河、尼罗河、莱茵河等虽然以水资源开发为中心取得了瞩目的成绩，但同时也引发了许多意想不到的水文活力消退、生态环境失衡等不良响应。欧洲莱茵河采取渠化工程，主支流上修建的一系列堰坝截断了泥沙供应，洪水期河道冲刷造成两岸地下水位下降和航道恶化，德国工程师只好人工喂沙，每年花费大量钱财[7]。非洲尼罗河修建了世界著名的阿斯旺(Aswan)大坝，建坝后虽然改善了灌溉、防洪条件，但对下游径流和输沙过程的改变，造成下游河床冲刷、河道蜿蜒摆动、河道断流、尼罗河三角洲后退、海水入侵、海岸侵蚀等，随之带来河口湿地退化、生态环境破坏。为减免不利影响，不得不实施海岸防护工程及其它补救措施[8]。美国密西西比河，修建了大量水坝及整治工程，枯水径流的不足带来河口环境的恶化，如海岸侵蚀、湿地丧失等，每年丧失土地约4047hm2。为了解决这些问题，密西西比河下游不得不实施调水工程：将浑水调到三角洲，以便提供泥沙和营养物质，维持淡水草本沼泽和减少咸水入侵[9]。造成以上各种现象的深层原因，是对河流系统中水、沙、河床、生态环境之间的整体联系和互相影响的机理认识不足，导致河流系统中出现意想不到的现象和负面效应。世界各国河流开发历史和经验教训表明，当人们意识到