河流泥沙动力学研究进展.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流河流泥沙动力学研究进展.精品文档.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Review and perspective of river sediment researchYitian Li Zhaohua Sun(State key laboratory of water resource and hydropower engineering science, Wuhan University, Wuhan 430072, China)Abstract: As the foundmantal theory of hydraulic engineering, geomorphology science and hydro-environment，river sediment research is developed to reveal the rule of sediment transport and to understand or predict fluvial processes. The goals of river sediment research have been broadened in recent years due to sediment related problems appeared in river management of large basins, which includes sediment problem of region or basin scale, interactions between hydraulic projects and environment. Since the basic theories underlying sediment movement and fluvial process still need to be improved, the sediment problem arose in engineering practice of river exploitation cannot be solved perfectly with current knowledge and technology. Consequently, it is argued that more efforts should be made in some key problems besides basic theoretical researches, such as channel responses to changes of flow and sediment regime, rules on large scale sediment transportation and regulations on discharge and sediment processes.Keyword: river sediment research; 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，当人们意识到各种工程对河流环境的影响时，往往河流功能已受到明显损伤，对河流系统自然、生态环境的修复和重建是十分困难甚至不可能的，防患与未然胜于任何补救措施10，而保持工程与环境相协调的关键，仍在于泥沙问题的合理解决。其中一些是泥沙基本理论研究的主要内容，如水库淤积问题、下游的再造床作用等，然而更多的是要在传统基本理论研究基础上有所扩充，如水库减淤问题，需要在水库淤积规律和水资源调度的基础上，考虑水沙的综合调度和发电、减淤、航运等多目标优化；下游的河型转化和河势调整问题，考虑的是长河段的长期变形，以及不同类型河段河势调整的一般性规律，而不是针对具体某一河段的短期变化；泥沙运动与河床演变对河流环境的影响，不仅要考虑沙量及其颗粒特征在水体中污染物迁移转化过程中的作用，还要重视水沙过程调节引起的河湖洲滩面积、形态变化对生态系统稳定性、多样性的影响。这一方面要将研究的尺度扩大，更加重视流域的整体性，另一方面要将泥沙研究与相近的水问题和环境问题研究相结合，致力于新问题的解决。泥沙运动在流域环境变化中的纽带作用使得泥沙研究成为流域水问题和环境问题研究的中心环节之一。当前，水资源开发和调节已成为一种趋势，人类活动干扰下流域环境的变化也不可避免，河流泥沙研究在继续探索天然情况下各种规律和机理的同时，应考虑为经济和社会发展服务，将研究重心适当倾向于工程和环境的相互作用，保持人水和谐。3河流泥沙研究进展3.1河流泥沙基本理论研究进展3.1.1泥沙运动基本理论研究进展泥沙运动基本理论研究一直是河流泥沙研究较为活跃的分支，也一直处于国际领先的水平。近年来围绕三峡等大型工程组织了重大科技攻关，大大推进了泥沙动力学研究发展11。一般泥沙运动规律、水流挟沙力的研究，已由均匀沙或混合沙的水流挟沙力发展到非均匀沙的分组水流挟沙力；起动流速的研究，已由散粒体的均匀沙起动流速发展到非均匀沙、含粘性细颗粒和级配范围宽的粗颗粒起动流速；推移质输沙率在检验及发展前人已有公式方面取得了进展，对宽级配推移质输沙特性及输沙率也开展了深入研究；沙波运动对阻力的影响也已获得可资用的成果。将泥沙运动看成一种随机现象，利用概率论及力学分析相结合的办法进行研究，已逐步发展成为研究泥沙运动力学的重要分支12。从当前的研究现状来看，虽然一些新理论、新概念被引入，但基本理论的研究基本上仍处于对已有模式的修正阶段。例如关于泥沙起动规律，考虑了沙粒形状因素、起动概率和起动力矩概率分布、床面粗化及隐暴作用，以及粘性细颗粒成团起动等方面因素。在宽级配推移质运动参数和输沙率公式建立方面，讨论了暴露度、粗化程度影响参数、有关切应力、交换概率和隐蔽参数。这些修正考虑因素更加全面，但缺乏实测资料检验，距离真正实践应用尚有距离。正因为如此，工程实践中多数情况下参数的率定仍主要依靠经验。例如对于水库下游的河床冲刷，多位学者开展了有关含沙量恢复过程与机理的研究，涉及水流挟沙力、床沙交换、泥沙恢复饱和系数等基本概念13,14，这些研究对于机理认识有一定的帮助，但由于问题本身复杂性，其中存在不少假定或经验系数，有待于天然资料的检验。3.1.2河床演变规律研究进展河床演变的学科性质决定了它应当是从工程技术的角度，考虑河流在较长期内但又不是历史时期的调整过程。因为在具体研究中分工过细，所承担的任务往往只涉及一个河段或者一个地区，工程技术人员容易注意局部河段而忽略流域整体，容易看到眼前而忽略较长期的变化。正是由于这个原因，实际中关于河床演变的研究成果往往是关于某个具体河段的资料分析，而针对某一类型普遍现象的讨论及规律总结不多。在学科发展的过程中，关于普遍规律的总结主要体现在河流自调整机理、河型分类、各类河型演变特性、河相关系、水库下游再造床作用等方面15-25。冲积河流自调整作用是河床演变各种现象的基础，尽管人们早已认识到河床具有某种平衡倾向性，但对如何描述河床调整所遵循的内在机理却十分困难，现阶段仍只能限于最小能耗率、河床最小活动性、随机理论等各种假说2,3。河床演变影响因素之间存在复杂的作用机制，同时河床演变现象在宏观上也表现出一定的规律性。从当前的研究来看，对河床演变的研究一般可以分为两类，一类是从内在的动力机制出发，试图说明河流上发生某种演变现象的内在原因，偏重于对内在动力机理的诠释；另一类是从宏观的现象中分析规律性的东西，试图从原因和对应的结果中总结规律，说明某种现象出现所伴随的外部条件或必要条件。在机理研究存在困难的时候，利用大量资料总结河床演变规律的工作取得了进展。几十年来的治河实践一方面受到各种河型演变的理论的指导，同时也利用所积累的资料不断检验了各种河型演变的一般规律。但是，原理上认识的不足限制了对河床演变规律的探索：描述河床水力几何形态的河相关系方程组不封闭，使得水沙变化后河床形态调整难以预测；河型存在和维持的条件认识不足，对水沙条件变化后河型的转化难以估计。3.1.3河流模拟技术研究进展河流模拟包括实体模型与数值模型两大类，前者主要基于相似理论，后者则以水沙运动及河床变形方程为依据。在实体模型方面，自20世纪50年代我国开始从国外引入模型相似理论，随后我国学者在模型比尺变态、模型沙选取、宽级配非均匀沙沙模拟、泥沙起动相似、沉降相似等方面不断提出了新的理论和方法，形成了一整套河工模型的相似理论、设计方法和实验技术6。针对高含沙河流水沙运动和河床变形的特点，高含沙水流模型相似律和相似技术不断改进26,27。几十年来,河工模型试验在黄河三门峡工程与小浪底工程、长江葛洲坝工程与三峡工程、以及其它大江大河的河道整治工程中发挥了重要作用，积累了丰富经验。水沙数学模型的研究可以分为两个方面，一是水流和泥沙运动规律的研究，如阻力、挟沙力等问题的研究28,29，该类问题的解决是数学模型能够反映实际情况的根本保证；另一类是计算方法的研究，关系到模型计算的速度、精度以及模型是否具有应用价值的问题30,31。随着模型算法和计算模式的不断改进，二维甚至三维的精细模拟已成为可能，即使是一维水沙模拟，也已由单一河段恒定流水沙模拟发展到复杂河网非恒定流水沙模拟。由于水沙数学模型既可以模拟局部范围的精细水沙运动，又能够预测大范围的长期河床变形，近些年来在生产实践中发挥了越来越重要的作用，而且还作为一种工具促进了泥沙运动基本理论问题的深入研究。相对于实体模型，数学模型最大的优点在于可以模拟大范围问题，目前已成为定量预测长河段、长期河床变形的唯一有效手段。由当前的现状来看，冲淤模拟历时长、计算量大与模型计算速度慢之间的矛盾仍是制约数学模型用于工程实践的主要因素，特别随着计算区域扩大，计算量将呈级数增加。这一方面是由于非恒定水流运动模拟的计算速度慢，另一方面也是由于非恒定泥沙输移模拟经验性强，许多环节需要试算，计算效率低。综合来看，虽然河流泥沙研究的历史不长，但在人们治水治沙的实践中，对水流中泥沙运动规律的认识不断深入，对河床演变规律的总结不断提高，解决了江河整治、水利工程建设以及生产实践中的大量泥沙问题，诸如水库泥沙，航道整治与维护，渠首防沙、桥墩冲刷、堤岸防护、工业取水与泥沙处理等问题。在实际问题解决过程中，定性分析和定量预测等各种手段相结合，推动泥沙运动基本理论、河道水流特性、河床演变规律以及河流模拟技术等各方面均取得了一定进展。但同时也应该看到，由于河流泥沙研究是新兴学科，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。以三峡水库下游冲刷为例，河床冲刷发展历程关系到江湖关系变化、河床冲刷深度、河口沙量变化等方面的调整，影响着工程对防洪、航运、生态等方面影响的评价，然而由于当前对非饱和输沙机理认识仍然不足，目前还难以给出较可靠的定量预测，与此类似的问题还有下游河型的转化，典型河段河势的调整等。这些问题的存在表明，关于泥沙运动基本理论、河床演变原理以及模拟手段的研究，在今后一段时间内仍将是河流泥沙研究的重点内容。3.2河流泥沙研究的新进展3.2.1区域泥沙输移规律与调控机理尺度较大的区域或者整个流域内的泥沙输移，影响着河湖地貌的演化，因而从长期的宏观尺度影响着流域内环境稳定和安全，这些变化通常是经过长时期才显现出来，是一种自然的演变进程，譬如历史上长江中游云梦泽、彭蠡泽等大湖的淤积湮灭，以及与此相伴随的洞庭湖、鄱阳湖的出现。随着社会进步，人们的生产生活与这些自然进程发生着各种联系，一方面泥沙淤积造成的河床变化可能对人类产生威胁，如洪水泛滥、改道等，另一方面人类可能加速或延缓这些进程，黄河河床的迅速抬高与堤防对两岸分淤的限制不无关系，长江中游荆江河道的裁弯也对三口洪道的淤积萎缩起了加速作用。人们对于流域泥沙过程的干扰长时期内处于盲目无序的状态，其原因除了对自然的泥沙输移与地貌演化进程缺乏认识之外，更重要的是对人类活动对此造成的影响无法估计32。随着生产力的提高，人类对流域环境改造能力日益增大。因此，一方面迫切需要理论指导以预测水沙输移规律改变后的各种效应，另一方面需要变盲目干扰为主动调控，避免泥沙输移造成的灾害，甚至变害为利。流域范围内大量水利工程的修建，更是为人类对水沙输移的调控提供了可能性。因此，泥沙工作者的任务一方面是研究天然、人类干扰情况下的流域泥沙输移特性，预测由此引起的效应，另一方面是研究泥沙输移的调控理论和实现方法。针对流域泥沙输移特性变化的研究在国内外纷纷展开，有的研究还同时提出了相应的调控对策。密西西比河各大支流相继开发导致中下游沙量输移特征发生变化，造成河漫滩、河口淤积量减少，湿地面积退缩，不同年代入海沙量来源组成比例也发生调整，美国学者等对此开展了系列研究33,34，美国陆军工兵团还对此开展了调水试验：将浑水调往河口三角洲，利用泥沙维护河口淡水草本沼泽的稳定9。在国内的研究中，关于荆江洞庭湖区洪水位变化与泥沙输移关系的探讨比较活跃，不同学者从洪灾加剧与泥沙淤积量、淤积部位之间的关系35，江湖关系调整所导致的洪水量在江湖之间的重新分配36等方面开展了大量分析，并提出了治理对策。黄河水沙异源，中游河口镇-龙门区间的多沙粗沙区是下游淤沙的主要来源，许多学者提出了在中游大量修筑淤地坝的治理措施。针对黄河小浪底水库下游伊洛河、沁河与上游来水来沙在时间上的不协调，黄河水利委员会提出利用多个水库调水调沙，使不同来源的水沙组合成比较协调的关系，从而减少下游的淤积37。以上事实表明，国内外大河流域的治理理念不断进步，科技水平越来越高，流域开发过程中的水沙调控从被动、盲目变为积极、有序，该方面今后仍是泥沙研究的热点之一。3.2.2流域水沙模拟对水沙输移效应的准确模拟是探索水沙输移与河床变形作用机制、开展规律研究的重要辅助工具，也是水沙调控的基础。在工程实践中，无论是以相似原理为基础的物理模型，还是以数理方程和数值方法为基础的数学模型，对于短时期、小范围的水沙输移及河床变形模拟，都能取得满意的效果。然而，流域或区域水沙调控涉及更多的是较大范围的水沙输移以及较长时间尺度的河床形态变化，为了在现有技术条件下使模型能够达到以上要求，必然要在几个方面做出特殊处理：为了满足实验或计算时间方面的需求，要对来水来沙过程进行概化；为了减少建模难度，必然要在保留原型主要特点的基础上对复杂的边界条件进行近似；为了克服大范围难以整体建模的缺点，一般是分区处理，各区之间通过特殊方式进行连接。这些处理方式虽然可以降低建模的难度，但处理不当，却可能使模型丧失与原型的相似性，其模拟结果将失去意义。例如，长期的河床变形将对洪水位产生明显影响，但若为了缩短计算时间而对来水来沙过程进行简化，将使洪水过程对河床变形的影响难以体现，从而影响模拟结果的合理性；又如，相互联通的水系之间水量分汇、沙量不断交换，若针对各区域分别建模必然将破坏原型的整体性，使其精度遭受破坏。正是由于以上原因，目前对洪水调度、水库调度的研究，往往定位于较短的时间段，从而可以在忽略河床变形影响的前提下，使计算得到简化，但这也必然使模型丧失了长期预测的功能。除了模型自身的特点之外，为使模拟效果合理，必须要有大量的知识和经验对其中的各种计算模式、参数进行检验和修正，这意味着典型年选取是否合理，基础数据库是否完备也是决定模拟效果的重要因素之一。近些年来，国内外学者不断改进计算方法和计算模式，在长河段冲淤模拟，蓄滞洪区洪水模拟等方面取得了进展38,39，区域之间水沙交换模式不断改进，计算速度、精度不断得到提高。然而，区域或流域的水沙模拟涉及水库淤积、水资源调度、河道水沙输移、河床调整等多方面内容，中间计算单元复杂，包括水库、河道、河网、湖泊等等，很难用统一的方程或模式概括，如何克服多重时间、空间尺度造成的困难，同时保持模拟的精度，是今后该方面应该重点关注的问题。3.2.3交叉学科泥沙研究河流系统中的物理、化学、生物等各种过程涉及了泥沙动力学、河床演变学、地貌学、沉积学、水文水环境、生态学等多个学科。因此，对河流环境的维护需要多学科综合、跨学科交叉开展研究。水流对泥沙的输移是在一定的河谷地貌背景下，沿程的淤积，特定河型的形成都与此密切相关。同时，泥沙的冲淤过程也伴随着对河流地貌的改变。因此从宏观上研究区域范围内的泥沙问题，必然会引入地学研究的思路和方法，特别是随着流域整体概念在泥沙研究中逐渐得到重视，泥沙研究与地学的交叉越来越多，也越来越广泛。近几十年来，河流地貌学研究已不再将目光局限于水系与河谷地貌的历史过程与形态描述，也开始关注河床地貌的现代过程，并试图从动力学的角度解释河流地貌的形成机制40；水利工作者多从数学、物理方向，探讨河流演变的动力机制，力图向能够定量描述甚至数学模拟的方向发展，研究的范围也不再仅仅局限于研究短河段、短时段中的泥沙运动所导致的河床变形，转而从流域整体影响来考虑河床演变过程。出于江河治理和大型工程论证的需要，河流工作者对我国主要河流进行了广泛而深入的研究，水利与地学界之间取长补短、相互渗透，提高了研究能力。在河流生态学领域，由于水利工程对水沙调节引起的生态环境恶化现象普遍出现，人们逐渐意识到河流水文过程、地貌过程对生态系统的深远影响，研究尺度也从小的栖息地群落上升至区域或流域的宏观整体状态39,40。早期对河流生态多样性和完整性的研究多关注于静态的河流环境，近些年来径流及河滨带动态变化造成的地貌多样性在相关研究中得到了充分重视，从单纯对生态系统的研究，转向地貌-生态系统的研究41。生态需水量概念的提出，将研究尺度从栖息地或单个种群转向整个生态系统的维持，而且研究目标从水量需求转化为流量过程的需求。维持河流的输沙能力，保持河道形态特性是其中的重点研究内容之一44。对生态系统状态的评估从小区域内种群结构、群落物种多样性，向流域整体的方向发展43，地貌、水力等因素本身的多样性也在其中逐渐得到考虑44。随着工农业发展，各大河流均出现水质恶化。泥沙颗粒对重金属、有机物存在着吸附和解吸作用，因此水体污染也使得水体中的悬浮泥沙、底泥不同程度地受到污染。由于污染物以泥沙为载体在水中迁移，所以，对水环境中污染物迁移转化的研究，必须考虑泥沙运动的影响。鉴于环境中泥沙问题的普遍性，在传统的泥沙动力学研究泥沙颗粒迁移运动的基础上，与相关的环境科学相结合，研究污染物的迁移降解规律，必然将推动泥沙科学、环境科学向前发展，并且丰富泥沙科学的研究内容。4.河流泥沙研究发展趋势在当前情况下，从学科的发展趋势来看，泥沙基本理论仍需继续投入力量进行深入研究，特别是非饱和非均匀沙的运动特性，非均匀床沙交换机理、粗化过程等，这些与清水冲刷情况下含沙量的恢复密切相关，也直接关系着泥沙数学模型中对河床冲刷的描述模式，是当前亟待解决的基础问题。但是，考虑到基本理论研究对实验仪器、测量手段依赖较强，因此在短期内取得全面地重大突破的可能性不大。这就造成了生产需求和理论发展之间的矛盾。在无法从机理上描述这些过程的情况下，通过实测资料总结规律，并建立经验关系，或者在现有理论基础上加以修正，使之更符合实际情况，仍是解决工程泥沙问题比较有效的手段，也有利于衔接理论和实践之间的脱节。河床演变理论研究近些年来进展缓慢。这是由于在河床演变一般性原理无法取得突破性进展的情况下，该领域的研究一直以来致力于对局部河段短时期的演变分析，以及解决生产实际中的工程问题，而忽视了对一般性规律的总结，特别是对水沙条件发生较大改变后河床调整规律的总结。统计理论与力学分析相结合，从不同河流的大量实测资料中总结一般性的规律，是河床演变的主要研究手段。它可以在基本理论无法取得突破的同时，避开复杂的作用机制，从宏观上建立经验关系，甚至建立定量化的经验模型。当今积累的大量河床演变资料，包括水库下游水沙条件原始测量数据，水库下游纵、横断面调整发展过程，局部河势变化分析等等，为总结提炼河床演变一般规律提供了条件。而DEM数据、现代的GIS技术则为从宏观尺度上研究河床演变提供了技术支持。可以预见，在对已有资料和成果重新总结和集成的同时，补充必要的实验研究，河床演变理论可望在近期内取得较大突破。考虑到我国各大江河洪水形势依然严峻的事实，关于宏观尺度泥沙输移规律的研究仍将以揭示泥沙冲淤对洪水位的影响为主，特别是类似于长江荆江洞庭湖区这样的复杂区域。由于我国下阶段将面临水电工程建设的热潮，泥沙输移规律将发生较明显的变化，一方面需要在保证效益的前提下，长期保持水库库容，另一方面要能够避免下游出现不利的冲淤局面。因此以水库工程或工程群体为对象的水沙调控亟需理论支持。然而当前对流域或区域内宏观上的泥沙输移规律仍存在认知上的不足，调控方面多是一些初步的设想和思路，深入的研究不多。关于水库等工程对水沙过程的调控，尽管针对单库的研究已有一些，其目标多是考虑水库的长期利用、发电效益等，而很少考虑下游冲淤的调控。洪水对于泥沙输移起着重要作用，利用对水沙组合的调节，改变河道淤积形态以避免洪水形势恶化也是值得探索的问题。干支流上大量水库兴建形成水库群体之后，工程群体如何相互协作以调控水沙，此方面的理论尚属空白。因此，以区域或流域为整体建立相应的调控理论将是下一阶段研究的主要任务。此过程中，需要将传统的各种泥沙模型相集成，通过提出新的算法、改进计算模式，使综合集成后模型的计算速度能够得到大幅提高，从而克服尺度、相容性等方面的问题，形成流域泥沙模型，为相关研究提供有力的技术平台。学科交叉研究是将来的必然趋势。由于过去缺乏交流和渗透，各学科大量的相关研究成果有待集成，因此现阶段仅需在现有各学科相关理论的基础上补充必要的研究，即可使交叉领域的一些问题得到解决。这一方面的内容也是有望通过少量的工作而取得较大进展方向之一。例如，通过研究泥沙颗粒和污染物吸附、解吸以及此过程中污染物的降解过程，即可在现有泥沙数学模型基础上，模拟污染物在浑水中的迁移和转化过程。对于水沙条件变化后河流生态的变化，只需吸收水环境、生态等领域中水文、水力、泥沙、河流地貌等因素对生态影响的已有成果，并能够根据环境的需求提出对这些因素的控制范围，即可建立水沙过程与环境之间的联系，甚至能够对水沙过程实施科学调控。综合来看，我国未来几十年之内将兴起水电开发的热潮，而且跨流域调水也将逐步实施，河流系统面临各方面的改变，保持流域社会、经济、环境协调发展是将来的主要任务。因此，从满足国家战略需求的角度，研究水沙条件变化后河流系统各方面的调整，以及人类对此应该采取的调控措施，将是今后一段时期内河流泥沙研究的战略目标，而从学科发展的角度，与此相关的内容，也都是近期内可能取得突破的领域。5.结论河流泥沙研究仍属发展中学科，许多基础理论仍不成熟，在泥沙基本理论方面开展深入探索将是今后河流泥沙研究的重点内容之一。同时，随着近期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，今后在继续深入研究泥沙基本理论的同时，应在以下几方面拓展河流泥沙研究的深度和广度：水沙条件发生较大变化后，河床演变的一般性规律，并借助水沙模拟技术，逐步从定性上升到定量；从流域或区域整体的角度，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，探索人工调控水沙输移的理论与技术；人类活动对河流干扰日益增大，负面效应也逐渐显现，逐步开展泥沙学科与地学、水环境、生态环境等学科的交叉研究，为相关的管理和防护提供理论依据，保持人水和谐。参考文献1. 张瑞瑾.河流泥沙动力学.北京:中国水利水电出版社.20022. 谢鉴衡.河床演变及整治,北京:水利水电出版社,19903. 钱宁,张仁,周志德.河床演变学,北京:科学出版社,19894. 钱宁,王兆惠.泥沙运动力学,北京:科学出版社,19835. 王兴奎,邵学军,李丹勋.河流动力学基础.北京:中国水利水电出版社.20026. 谢鉴衡.河流模拟,北京:水利水电出版社,19907. 王兆印.泥沙研究的发展趋势和新课题,地理学报.1998(3):245-2558. Grasser M.M., Gamal F.E. Aswan high dam: lessons learnt and on-going research, Water Power &Dam construction. 1994(1): 35-399. Donald E. Barbé. Effects on Dredging due to Diversions from the Lower Mississippi River. Journal of Waterway Port, Coastal and Ocean Engeering.2000,126(3):121-129.10. Muhar, S; Schmutz, S; Jungwirth, M. River restoration concepts-goals and perspectives. Hydrobiologia. 1995,303(3),183-194.11. 潘庆燊,杨国录,府仁寿.三峡工程泥沙问题研究.北京:中国水利水电出版社.199912. 韩其为,何明民.泥沙运动统计理论.北京:科学出版社.198413. 韩其为,何明民.恢复饱和系数初步研究,泥沙研究.1997(3):32-4014. 刘金梅,王士强,王光谦.冲积河流长距离冲刷不平衡输沙过程初步研究,水利学报.2002(2):47-5315. Lane E W. A study of the shape of channels formed by natural streams flowing in erodible material. M R D sediment series. No 9, U S Army Engineer Division, Missouri, Corps Engineers, Omaha, Nebraska,195716. Leopold L B, Wolman M G. River channel patterns: braided, meandering and straight. U.S. Geol. Surv. Prof. Pap. 282-B,19