河流动力学及泥沙研究进展及发展趋势2750.docx

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：河流流泥沙研研究包括括泥沙运运动力学学、河床演演变学及及以此为为基础的的河流模模拟，是是水利、地地学及生生态环境境等学科科的重要要基础之之一。近近些年来来各大流流域中出出现的多多种泥沙沙相关问问题，使使泥沙研研究扩展展到区域域及流域域泥沙及及工程及及环境泥泥沙问题题等方面面。由于于河流泥泥沙研究究的许多多理论还还有待完完善，而而江河治治理开发发实践中中遇到的的实际问问题异常常复杂，现现有理论论和方法法还难以以使所有有问题得得到圆满满解决。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：河河流泥沙沙 研究究进展 发展趋趋势Revieew aand perrspeectiive of rivver seddimeent ressearrchYitiaan LLi Zhaaohuua SSun(Statte kkey labboraatorry oof wwateer rresoourcce aand hyddroppoweer eengiineeerinng sscieencee, WWuhaan Uniiverrsitty, Wuhhan 43000722, CChinna)Abstrractt: AAs tthe fouundmmanttal theeoryy off hyydraauliic eengiineeerinng, geoomorrphoologgy sciiencce aand hyddro-envviroonmeent，rriveer ssediimennt rreseearcch iis ddeveelopped to revveall thee ruule of seddimeent traanspportt annd tto uundeersttandd orr preedicct fluvviall prroceessees. The goaals of rivver seddimeent ressearrch havve bbeenn brroaddeneed iin rreceent yeaars duee too seedimmentt reelatted proobleems apppearred in rivver mannageemennt oof llargge bbasiins, whhichh inncluudess seedimmentt prrobllem of reggionn orr baasinn sccalee, iinteeracctioons bettweeen hhydrraullic proojeccts andd ennvirronmmentt. SSincce tthe bassic theeoriies undderllyinng ssediimennt mmoveemennt aand fluuviaal pproccesss stiill neeed tto bbe iimprroveed, thee seedimmentt prrobllem aroose in enggineeeriing praactiice of rivver expploiitattionn caannoot bbe ssolvved perrfecctlyy wiith currrennt kknowwleddge andd teechnnoloogy. Conssequuenttly, itt iss arrgueed tthatt moore efffortts sshouuld be madde iin ssomee keey pprobblemms bbesiidess baasicc theeoreeticcal ressearrchees, succh aas cchannnell reespoonsees tto cchanngess off fllow andd seedimmentt reegimme, rulles on larrge scaale seddimeent traanspporttatiion andd reegullatiionss onn diischhargge aand seddimeent proocesssess.Keywoord: riiverr seedimmentt reeseaarchh; rreviiew1引言河流泥沙研研究包括括泥沙运运动力学学和河床床演变学学1-4。前前者主要要研究泥泥沙在水水流中的的输运过过程和挟挟沙水流流的运动动规律，后后者则主主要研究究水流和和泥沙共共同作用用下冲积积河流形形态的变变化规律律。无论论是在自自然条件件下，还还是受人人工干扰扰明显的的河流，水水流是挟挟带泥沙沙的基本本动力条条件，而而泥沙又又通过改改变河床床边界作作用于水水力要素。在在高含沙沙水流中中，泥沙沙颗粒还还直接影影响水流流的各种种特性。因因此，水水流和河河床以泥泥沙为纽纽带形成成相互作作用的统统一体，是是河流地地貌中最最活跃的的动力因因子。人人们在生生产实践践中，一一方面要要避免河河流所造造成的各各种灾害害，诸如如洪水泛泛滥、崩崩岸改道道，另一一方面又又要对河河流进行行治理开开发，诸诸如修建建水库、整整治航道道，这些些都与泥泥沙运动动及河床床演变息息息相关关。除此此之外，在在已开发发的河流流上，各各种水利利工程造造成的河河道萎缩缩、灾害害加重、湿湿地退化化等负效效应也都都与泥沙沙运动及及河床演演变密切切联系。因因此，河河流泥沙沙是水利利、地学学及生态态环境等等学科的的重要基基础学科科之一。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河流泥沙沙研究范范畴2.1河流流泥沙基本本理论研研究泥沙运动涉涉及侵蚀蚀、输运运、沉积积等地貌貌过程，各各种过程程涉及的的时空尺尺度变化化范围极极大。在在一些情情况下必必须考虑虑地质构构造的上上升、下下降等大大尺度、长长时期的的过程，有有时又必必须考虑虑泥沙起起动、悬悬移等微微尺度和和瞬时的的过程。正正是由于于这些特特点，河河流泥沙沙研究包包含了从从宏观到到微观多多方面的的物理现现象，依依据对象象尺度的的不同，以以及由此此引起的的研究思思路、方方法等方方面的差差异，可可将泥沙沙基本理理论分为为泥沙运运动力学学和河床床演变学学。河流流泥沙动动力学的的研究范范畴包括括：泥沙沙颗粒的的基本性性质、泥泥沙起动动与沉降降、河道道水流特特性以及及泥沙对对水流的的影响、床床面形态态及阻力力、水流流与泥沙沙输移机机理及其其定量描描述等1,55。河河床演变变学的研研究范畴畴则包括括：河床床调整所所遵循的的基本原原理、河河型分类类、河流流几何形形态与水水力泥沙沙条件之之间关系系、人类类作用下下河床再再调整作作用等2,33。人人们对河河床演变变过程的的认识，通通常是从从野外实实际查勘勘及观测测开始的的，对资资料的综综合分析析使人们们逐步形形成了对对具体河河段和整整个河流流以至不不同河流流之间河床床演变现现象的规规律性认认识，但这种种规律性性认识大大部分只只具有定定性性质质，许多多情况下下难以满满足工程程实践的的要求，由由此就出出现对河河床演变变的定量量预测，也也就是所所谓的河河流模拟拟技术6。河河流模拟拟是在对对微观水水流、泥泥沙运动动深入认认识基础础上，建建立描述述水沙运运动及河河床变形形的控制制方程，从从而模拟拟出宏观观河床变变形随时时间的发发展。2.2河流流泥沙研研究内容容的扩展展长期以来，河河流泥沙沙研究致致力于泥泥沙冲刷刷、搬运运和沉积积规律，围围绕着这这个中心心取得了了大量成成果。但但必须同同时看到到，随着着生产力力发展，人人类对河河流的依依赖越来来越强，对对河流的的干扰也也日益增增多，人人口、资资源、环环境之间间的矛盾盾成为制制约流域域可持续续发展的的主要因因素。随随着人口口密度增增加，生生态环境境破坏，水水体污染染加剧，特特别是流流域内各各种大型型工程的的兴建，使使流域环环境发生生了不同同于自然然条件下下的剧烈烈变化，与与此同时时，人们们对流域域内洪水水等灾害害的防治治、生态态系统的的维持提提出了更更高的要要求，对对流域内内水资源源开发利利用与调调配成为为必然的的趋势，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）区域域及流域域泥沙问问题泥沙既是水水流主要要挟带物物质又是是地表塑塑造者，泥泥沙冲淤淤与河道道、湖泊泊形态的的变化息息息相关关，因而而影响着着防洪、航航运、生生态栖息息地等条条件的变变化。在在宏观尺尺度上，由由于泥沙沙作为间间接因子子，大范范围内河河流边界界的改变变，引发发的洪灾灾、环境境恶化越越来越受受到人们们的重视视。近期以来，我我国各流流域洪灾灾最显著著的特征征主要有有：普遍遍出现流流量小，水水位高，危危害重，损损失大的的现象，并并成逐年年加重趋趋势。119966年黄河河花园口口洪峰流流量仅相相当于119588年的1/3，而而水位却却超过了了19558年约约1m，堤堤坝处处处出险，沿沿岸防洪洪非常紧紧张；119966年湖南南沅江和和资水的的流量都都比19969年年小，水水位却分分别比119699年高1.5mm和0.88m；19996年长江城陵陵矶和螺螺山两水水文站的的洪峰流流量都小小于19954年年，汉口口水位又又低于119544年，而而城陵矶矶和螺山山两水文文站的水水位比119544年分别别高1.05mm和1.000m；19998年长江洪洪水，汉汉口水位位比19954年年低，螺螺山流量量比19954年年小约1140000m33/s的情情况下，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。除了对洪水水的影响响，大范范围内的的泥沙冲冲淤促成成水体面面积的变变化、地地下潜水水位的升升降，对对航运、农农业生产产、生态态环境甚甚至区域域气候均均产生影影响。泥泥沙冲淤淤具有一一定的隐隐蔽性，且且具有累累积性，当当前的变变化可能能与长时时期内的的泥沙输输移存在在关联，甚甚至与地地质构造造活动存存在联系系。长期期以来，人人们多关关注于短短时期、局局部范围围的泥沙沙冲淤，对对流域内内泥沙的的来源、去去向不够够了解，对对区域内内冲淤发发展的趋趋势及其其后果缺缺乏估计计，因此此无法调调控流域域内的泥泥沙输移移以避免免其危害害。甚至至在很长长时间内内，以上上问题还还未被人人们所意意识到，例例如长江江中下游游大量湖湖泊淤积积的同时时，人类类的盲目目围垦起起到了推推波助澜澜的作用用。黄河河下游断断流、泥泥沙淤积积加剧的的事实，与与上游梯梯级开发发和沿岸岸大量引引水造成成下游输输沙水量量不足有有关。大大量事实实表明，泥泥沙研究究在充当当解决生生产实践践中泥沙沙问题的的技术工工具的同同时，也也应当是是指导流流域规划划和宏观观管理的的技术基基础。对对于黄河河治理，需需要上、中中、下游游统一治治理，逐逐步形成成“拦、排排、放、调调、挖”处理和和利用泥泥沙的方方略。对对于长江江中游的的洪水灾灾害，需需要处理理好江湖湖之间的的泥沙冲冲淤分配配。针对对这些问问题的研研究已经经初步展展开，泥泥沙研究究范围和和研究尺尺度的扩扩展实际上上已是一一种必然然趋势。（2）工程程及环境境泥沙问问题我国的水能能资源蕴蕴藏量十十分丰富富，可开开发的水水能资源源约3.8亿千千瓦，居居世界首首位，目目前已开开发的仅仅14%左右。同时，我我国水资资源存在在时空分分布不均均的特点点，利用用水库和和跨流域域调水工工程对水水资源的的时空分分布进行行调节十十分必要要。大量量水利工工程修建建将为人人类带来来巨大的的经济利利益，但但这些工工程对水水沙过程程的调节节及流域域环境的的影响值值得关注注。水库库对泥沙沙的拦截截不可避避免，但但库区和和变动回回水区的的淤积会会不会影影响当地地的防洪洪和航运运？如何何制订科科学的运运行规则则以延长长水库寿寿命？在在大量水水库形成成工程群群体之后后，又如如何协调调它们之之间的水水、沙量调调节？在在变化的的流域环环境下，水水沙过程程是否稳稳定，会会不会威威胁水利利工程安安全和效效益？天天然径流流过程被被改变、大大量泥沙沙被拦截截在水库库中后，中中下游河河道将发发生长时时期的严严重冲刷刷，防洪洪大堤是是否安全全？河道道是否萎萎缩或摆摆动？湖湖泊是否否会消亡亡？河口口海岸是是否因入入海沙量量减少而而侵蚀退退缩？生生态系统统是否因因河床冲冲刷和径径流过程程改变而而失去生生存条件件？这些些都是关关系到水水利工程程成败及及流域经经济发展展的关键键问题。世界范围内内的大量量事实表表明，由由于以上上问题未未引起充充分重视视，大河河流域的的开发中中留下不不少教训训。许多多流域，如如密西西西比河、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。造成以上各各种现象象的深层层原因，是是对河流流系统中中水、沙沙、河床床、生态态环境之之间的整整体联系系和互相相影响的的机理认认识不足足，导致致河流系系统中出出现意想想不到的的现象和和负面效效应。世世界各国国河流开开发历史史和经验验教训表表明，当当人们意意识到各各种工程程对河流流环境的的影响时时，往往往河流功功能已受受到明显显损伤，对对河流系系统自然然、生态态环境的的修复和和重建是是十分困困难甚至至不可能能的，防患患与未然然胜于任任何补救救措施10，而保保持工程程与环境境相协调调的关键键，仍在在于泥沙沙问题的的合理解解决。其其中一些些是泥沙沙基本理理论研究究的主要要内容，如如水库淤淤积问题题、下游游的再造造床作用用等，然然而更多多的是要要在传统统基本理理论研究究基础上上有所扩扩充，如如水库减减淤问题题，需要要在水库库淤积规规律和水水资源调调度的基基础上，考考虑水沙沙的综合合调度和和发电、减减淤、航航运等多多目标优优化；下下游的河河型转化化和河势势调整问问题，考考虑的是是长河段段的长期期变形，以以及不同同类型河河段河势势调整的的一般性性规律，而而不是针针对具体体某一河河段的短短期变化化；泥沙运运动与河河床演变变对河流流环境的的影响，不不仅要考考虑沙量量及其颗颗粒特征征在水体中中污染物物迁移转转化过程程中的作作用，还还要重视视水沙过过程调节节引起的的河湖洲洲滩面积积、形态态变化对对生态系系统稳定定性、多多样性的的影响。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。泥沙运动在在流域环环境变化化中的纽纽带作用用使得泥泥沙研究究成为流流域水问问题和环环境问题题研究的的中心环环节之一一。当前前，水资资源开发发和调节节已成为为一种趋趋势，人人类活动动干扰下下流域环环境的变变化也不不可避免免，河流流泥沙研研究在继继续探索索天然情情况下各各种规律律和机理理的同时时，应考考虑为经经济和社社会发展展服务，将将研究重重心适当当倾向于于工程和和环境的的相互作作用，保保持人水水和谐。3河流泥沙沙研究进进展3.1河流流泥沙基基本理论论研究进展展3.1.11泥沙运运动基本本理论研研究进展展泥沙运动基基本理论论研究一一直是河河流泥沙沙研究较较为活跃跃的分支支，也一一直处于于国际领领先的水水平。近近年来围围绕三峡峡等大型型工程组组织了重重大科技技攻关，大大大推进进了泥沙沙动力学学研究发发展111。一一般泥沙沙运动规规律、水水流挟沙沙力的研研究，已已由均匀匀沙或混混合沙的的水流挟挟沙力发发展到非非均匀沙沙的分组组水流挟挟沙力；起动流流速的研研究，已已由散粒粒体的均均匀沙起起动流速速发展到到非均匀匀沙、含含粘性细细颗粒和和级配范范围宽的的粗颗粒粒起动流流速；推推移质输输沙率在在检验及及发展前前人已有有公式方方面取得得了进展展，对宽级配配推移质质输沙特特性及输输沙率也也开展了了深入研研究；沙沙波运动动对阻力力的影响响也已获获得可资资用的成成果。将将泥沙运运动看成成一种随随机现象象，利用用概率论论及力学学分析相相结合的的办法进进行研究究，已逐逐步发展展成为研研究泥沙沙运动力力学的重重要分支支122。从当前的研研究现状状来看，虽虽然一些些新理论论、新概概念被引引入，但但基本理理论的研研究基本本上仍处处于对已已有模式式的修正正阶段。例例如关于于泥沙起起动规律律，考虑虑了沙粒粒形状因因素、起起动概率率和起动动力矩概概率分布布、床面面粗化及及隐暴作作用，以以及粘性性细颗粒粒成团起起动等方方面因素素。在宽宽级配推推移质运运动参数数和输沙沙率公式式建立方方面，讨讨论了暴暴露度、粗粗化程度度影响参参数、有有关切应应力、交交换概率率和隐蔽蔽参数。这这些修正正考虑因因素更加加全面，但但缺乏实实测资料料检验，距距离真正正实践应应用尚有有距离。正正因为如如此，工工程实践践中多数数情况下下参数的的率定仍仍主要依依靠经验验。例如如对于水水库下游游的河床床冲刷，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。3.1.22河床演演变规律律研究进进展河床演变的的学科性性质决定定了它应应当是从从工程技技术的角角度，考考虑河流流在较长长期内但但又不是是历史时时期的调调整过程程。因为为在具体体研究中中分工过过细，所所承担的的任务往往往只涉涉及一个个河段或或者一个个地区，工工程技术术人员容容易注意意局部河河段而忽忽略流域域整体，容容易看到到眼前而而忽略较较长期的的变化。正正是由于于这个原原因，实实际中关关于河床床演变的的研究成成果往往往是关于于某个具具体河段段的资料料分析，而而针对某某一类型型普遍现现象的讨讨论及规规律总结结不多。在在学科发发展的过过程中，关关于普遍遍规律的的总结主主要体现现在河流流自调整整机理、河河型分类类、各类类河型演演变特性性、河相相关系、水水库下游游再造床床作用等等方面15-25。冲积河流自自调整作作用是河河床演变变各种现现象的基基础，尽尽管人们们早已认认识到河河床具有有某种平平衡倾向向性，但但对如何何描述河河床调整整所遵循循的内在在机理却却十分困困难，现现阶段仍仍只能限限于最小小能耗率率、河床床最小活活动性、随随机理论论等各种种假说2,33。河河床演变变影响因因素之间间存在复复杂的作作用机制制，同时时河床演演变现象象在宏观观上也表表现出一一定的规规律性。从从当前的的研究来来看，对对河床演演变的研研究一般般可以分分为两类类，一类类是从内内在的动动力机制制出发，试试图说明明河流上上发生某某种演变变现象的的内在原原因，偏偏重于对对内在动动力机理理的诠释释；另一一类是从从宏观的的现象中中分析规规律性的的东西，试试图从原原因和对对应的结结果中总总结规律律，说明明某种现现象出现现所伴随随的外部部条件或或必要条条件。在在机理研研究存在在困难的的时候，利利用大量量资料总总结河床床演变规规律的工工作取得得了进展展。几十十年来的的治河实实践一方方面受到到各种河河型演变变的理论论的指导导，同时时也利用用所积累累的资料料不断检检验了各各种河型型演变的的一般规规律。但但是，原原理上认认识的不不足限制制了对河河床演变变规律的的探索：描述河河床水力力几何形形态的河河相关系系方程组组不封闭闭，使得得水沙变变化后河河床形态态调整难难以预测测；河型型存在和和维持的的条件认认识不足足，对水水沙条件件变化后后河型的的转化难难以估计计。3.1.33河流模拟拟技术研研究进展展河流模拟包包括实体体模型与与数值模模型两大大类，前前者主要要基于相相似理论论，后者者则以水水沙运动动及河床床变形方方程为依依据。在在实体模模型方面面，自220世纪纪50年年代我国国开始从从国外引引入模型型相似理理论，随随后我国国学者在在模型比比尺变态态、模型型沙选取取、宽级级配非均均匀沙沙沙模拟、泥泥沙起动动相似、沉沉降相似似等方面面不断提提出了新新的理论论和方法法，形成成了一整整套河工工模型的的相似理理论、设设计方法法和实验验技术6。针针对高含含沙河流流水沙运运动和河河床变形形的特点点，高含含沙水流流模型相相似律和和相似技技术不断断改进26,27。几十年来来,河工工模型试试验在黄河三三门峡工工程与小小浪底工工程、长江葛葛洲坝工工程与三三峡工程程、以及其其它大江江大河的的河道整整治工程程中发挥挥了重要要作用，积积累了丰丰富经验验。水沙数学模模型的研研究可以以分为两两个方面面，一是是水流和和泥沙运运动规律律的研究究，如阻阻力、挟挟沙力等等问题的的研究28,29，该类类问题的的解决是是数学模模型能够够反映实实际情况况的根本本保证；另一类类是计算算方法的的研究，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河流流泥沙研研究的新新进展3.2.11区域泥泥沙输移移规律与与调控机机理尺度较大的的区域或或者整个个流域内内的泥沙沙输移，影影响着河河湖地貌貌的演化化，因而而从长期期的宏观观尺度影影响着流流域内环环境稳定定和安全全，这些些变化通通常是经经过长时时期才显显现出来来，是一一种自然然的演变变进程，譬譬如历史史上长江江中游云云梦泽、彭彭蠡泽等等大湖的的淤积湮湮灭，以以及与此此相伴随随的洞庭庭湖、鄱鄱阳湖的的出现。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。人们对于流流域泥沙沙过程的的干扰长长时期内内处于盲盲目无序序的状态态，其原原因除了了对自然然的泥沙沙输移与与地貌演演化进程程缺乏认认识之外外，更重重要的是是对人类类活动对对此造成成的影响响无法估估计332。随随着生产产力的提提高，人人类对流流域环境境改造能能力日益益增大。因因此，一一方面迫迫切需要要理论指指导以预预测水沙沙输移规规律改变变后的各各种效应应，另一一方面需需要变盲盲目干扰扰为主动动调控，避避免泥沙沙输移造造成的灾灾害，甚至变变害为利利。流域域范围内内大量水水利工程程的修建建，更是是为人类类对水沙沙输移的调调控提供供了可能能性。因因此，泥泥沙工作作者的任任务一方方面是研研究天然然、人类类干扰情情况下的的流域泥泥沙输移移特性，预预测由此此引起的的效应，另另一方面面是研究究泥沙输输移的调调控理论论和实现现方法。针对流域泥泥沙输移移特性变变化的研研究在国国内外纷纷纷展开开，有的的研究还同同时提出出了相应应的调控控对策。密密西西比比河各大大支流相相继开发发导致中中下游沙沙量输移移特征发发生变化化，造成成河漫滩滩、河口口淤积量量减少，湿湿地面积积退缩，不不同年代代入海沙沙量来源源组成比比例也发发生调整整，美国国学者等等对此开开展了系系列研究究333,344，美国陆陆军工兵兵团还对对此开展展了调水水试验：将浑水水调往河河口三角角洲，利利用泥沙沙维护河河口淡水水草本沼沼泽的稳稳定99。在在国内的的研究中中，关于于荆江洞洞庭湖区区洪水位位变化与与泥沙输输移关系系的探讨讨比较活活跃，不不同学者者从洪灾灾加剧与与泥沙淤淤积量、淤淤积部位位之间的的关系35，江湖湖关系调调整所导导致的洪洪水量在在江湖之之间的重重新分配配366等方方面开展展了大量量分析，并并提出了了治理对对策。黄河水水沙异源源，中游游河口镇镇-龙门门区间的的多沙粗粗沙区是是下游淤淤沙的主主要来源源，许多多学者提提出了在在中游大大量修筑筑淤地坝坝的治理理措施。针针对黄河河小浪底底水库下下游伊洛洛河、沁沁河与上上游来水水来沙在在时间上上的不协协调，黄黄河水利利委员会会提出利利用多个个水库调调水调沙沙，使不不同来源源的水沙沙组合成成比较协协调的关关系，从从而减少少下游的的淤积37。以上事事实表明明，国内内外大河河流域的的治理理理念不断断进步，科科技水平平越来越越高，流流域开发发过程中中的水沙沙调控从从被动、盲盲目变为为积极、有有序，该该方面今今后仍是是泥沙研研究的热热点之一一。3.2.22流域水水沙模拟拟对水沙输移移效应的的准确模模拟是探探索水沙沙输移与与河床变变形作用用机制、开开展规律律研究的的重要辅辅助工具具，也是是水沙调调控的基基础。在在工程实实践中，无无论是以以相似原原理为基基础的物物理模型型，还是是以数理理方程和和数值方方法为基基础的数数学模型型，对于于短时期期、小范范围的水水沙输移移及河床床变形模模拟，都都能取得得满意的的效果。然然而，流流域或区区域水沙沙调控涉涉及更多多的是较较大范围围的水沙沙输移以以及较长长时间尺尺度的河河床形态态变化，为为了在现现有技术术条件下下使模型型能够达达到以上上要求，必必然要在在几个方方面做出出特殊处处理：为为了满足足实验或或计算时时间方面面的需求求，要对对来水来来沙过程程进行概概化；为为了减少少建模难难度，必必然要在在保留原原型主要要特点的的基础上上对复杂杂的边界界条件进进行近似似；为了了克服大大范围难难以整体体建模的的缺点，一一般是分分区处理理，各区区之间通通过特殊殊方式进进行连接接。这些些处理方方式虽然然可以降降低建模模的难度度，但处处理不当当，却可可能使模模型丧失失与原型型的相似似性，其其模拟结结果将失失去意义义。例如如，长期期的河床床变形将将对洪水水位产生生明显影影响，但但若为了了缩短计计算时间间而对来来水来沙沙过程进进行简化化，将使使洪水过过程对河河床变形形的影响响难以体体现，从从而影响响模拟结结果的合合理性；又如，相相互联通通的水系之间间水量分分汇、沙沙量不断断交换，若若针对各各区域分分别建模模必然将将破坏原原型的整整体性，使使其精度度遭受破破坏。正正是由于于以上原原因，目目前对洪洪水调度度、水库库调度的的研究，往往往定位位于较短短的时间间段，从从而可以以在忽略略河床变变形影响响的前提提下，使使计算得得到简化化，但这这也必然然使模型型丧失了了长期预预测的功功能。除除了模型型自身的的特点之之外，为为使模拟拟效果合合理，必必须要有有大量的的知识和和经验对对其中的的各种计计算模式式、参数数进行检检验和修修正，这这意味着着典型年年选取是是否合理理，基础础数据库库是否完完备也是是决定模模拟效果果的重要要因素之之一。近些年来，国国内外学学者不断断改进计计算方法法和计算算模式，在在长河段段冲淤模模拟，蓄蓄滞洪区区洪水模模拟等方方面取得得了进展展38,39，区域域之间水水沙交换换模式不不断改进进，计算算速度、精精度不断断得到提提高。然然而，区区域或流流域的水水沙模拟拟涉及水水库淤积积、水资资源调度度、河道道水沙输输移、河河床调整整等多方方面内容容，中间间计算单单元复杂杂，包括括水库、河河道、河河网、湖湖泊等等等，很难难用统一一的方程程或模式式概括，如如何克服服多重时时间、空空间尺度度造成的的困难，同同时保持持模拟的的精度，是是今后该该方面应应该重点点关注的的问题。3.2.33交叉学学科泥沙沙研究河流系统中中的物理理、化学学、生物物等各种种过程涉涉及了泥泥沙动力力学、河河床演变变学、地地貌学、沉沉积学、水水文水环环境、生生态学等等多个学学科。因因此，对对河流环环境的维维护需要要多学科科综合、跨跨学科交交叉开展展研究。水流对泥沙沙的输移移是在一一定的河河谷地貌貌背景下下，沿程程的淤积积，特定定河型的的形成都都与此密密切相关关。同时时，泥沙沙的冲淤淤过程也也伴随着着对河流流地貌的的改变。因因此从宏宏观上研研究区域域范围内内的泥沙沙问题，必必然会引引入地学学研究的的思路和和方法，特特别是随随着流域域整体概概念在泥泥沙研究究中逐渐渐得到重重视，泥泥沙研究究与地学学的交叉叉越来越越多，也也越来越越广泛。近近几十年年来，河河流地貌貌学研究究已不再再将目光光局限于于水系与与河谷地地貌的历历史过程程与形态态描述，也也开始关关注河床床地貌的的现代过过程，并并试图从从动力学学的角度度解释河河流地貌貌的形成成机制40；水利利工作者者多从数数学、物物理方向向，探讨讨河流演演变的动动力机制制，力图图向能够够定量描描述甚至至数学模模拟的方方向发展展，研究究的范围围也不再再仅仅局局限于研研究短河河段、短短时段中中的泥沙沙运动所所导致的的河床变变形，转转而从流流域整体体影响来来考虑河河床演变变过程。出出于江河河治理和和大型工工程论证证的需要要，河流流工作者者对我国国主要河河流进行行了广泛泛而深入入的研究究，水利利与地学学界之间间取长补补短、相相互渗透透，提高高了研究究能力。在河流生态态学领域域，由于于水利工工程对水水沙调节节引起的的生态环环境恶化化现象普普遍出现现，人们们逐渐意意识到河河流水文文过程、地地貌过程程对生态态系统的的深远影影响，研研究尺度度也从小小的栖息息地群落落上升至至区域或或流域的的宏观整整体状态态399,400。早早期对河河流生态态多样性性和完整整性的研研究多关关注于静静态的河河流环境境，近些些年来径径流及河河滨带动动态变化化造成的的地貌多多样性在在相关研研究中得得到了充充分重视视，从单单纯对生生态系统统的研究究，转向向地貌-生态系系统的研研究441。生生态需水水量概念念的提出出，将研研究尺度度从栖息息地或单单个种群群转向整整个生态态系统的的维持，而而且研究究目标从从水量需需求转化化为流量量过程的的需求。维维持河流流的输沙沙能力，保保持河道道形态特特性是其其中的重重点研究究内容之之一444。对对生态系系统状态态的评估估从小区区域内种种群结构构、群落落物种多多样性，向向流域整整体的方方向发展展433，地地貌、水水力等因因素本身身的多样样性也在在其中逐逐渐得到到考虑44。随着工农业业发展，各各大河流流均出现现水质恶恶化。泥泥沙颗粒粒对重金金属、有有机物存存在着吸吸附和解解吸作用用，因此此水体污污染也使使得水体体中的悬悬浮泥沙沙、底泥泥不同程程度地受受到污染染。由于于污染物物以泥沙沙为载体体在水中中迁移，所所以，对对水环境境中污染染物迁移移转化的的研究，必必须考虑虑泥沙运运动的影影响。鉴鉴于环境境中泥沙沙问题的的普遍性性，在传传统的泥泥沙动力力学研究究泥沙颗颗粒迁移移运动的的基础上上，与相相关的环环境科学学相结合合，研究究污染物物的迁移移降解规规律，必必然将推推动泥沙沙科学、环环境科学学向前发发展，并并且丰富富泥沙科科学的研研究内容容。4.河流泥泥沙研究究发展趋趋势在当前情况况下，从从学科的的发展趋趋势来看看，泥沙沙基本理理论仍需需继续投投入力量量进行深深入研究究，特别别是非饱饱和非均均匀沙的的运动特特性，非非均匀床床沙交换换机理、粗粗化过程程等，这这些与清清水冲刷刷情况下下含沙量量的恢复复密切相相关，也也直接关关系着泥泥沙数学学模型中中对河床床冲刷的的描述模模式，是是当前亟亟待解决决的基础础问题。但但是，考考虑到基基本理论论研究对对实验仪仪器、测测量手段段依赖较较强，因因此在短短期内取取得全面面地重大大突破的的可能性性不大。这这就造成成了生产产需求和和理论发发展之间间的矛盾盾。在无无法从机机理上描描述这些些过程的的情况下下，通过过实测资资料总结结规律，并并建立经经验关系系，或者者在现有有理论基基础上加加以修正正，使之之更符合合实际情情况，仍仍是解决决工程泥泥沙问题题比较有有效的手手段，也也有利于于衔接理理