1、河流泥沙研究進展及發展趨勢李義天 孫昭華（武漢大學，水資源與水電工程科學國家重點實驗室，湖北 武漢430072）摘要：河流流泥沙研研究包括括泥沙運運動力學學、河床演演變學及及以此為為基礎的的河流模模擬，是是水利、地地學及生生態環境境等學科科的重要要基礎之之一。近近些年來來各大流流域中出出現的多多種泥沙沙相關問問題，使使泥沙研研究擴展展到區域域及流域域泥沙及及工程及及環境泥泥沙問題題等方面面。由于于河流泥泥沙研究究的許多多理論還還有待完完善，而而江河治治理開發發實踐中中遇到的的實際問問題異常常復雜，現現有理論論和方法法還難以以使所有有問題得得到圓滿滿解決。因而，今后在繼續深入研究泥沙基本理論的同

2、時，應加強水沙變異條件下河床演變規律的研究，并從流域整體的角度，擴展研究的時間尺度、空間尺度，分析泥沙輸移的規律及其造成的環境影響，探索水沙調控的理論與技術。關鍵詞：河河流泥沙沙 研究究進展 發展趨趨勢Revieew aand perrspeectiive of rivver seddimeent ressearrchYitiaan LLi Zhaaohuua SSun(Statte kkey labboraatorry oof wwateer rresoourcce aand hyddroppoweer eengiineeerinng sscieencee, WWuhaan Uniiverr

3、sitty, 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 preedic

4、ct 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, iinteeracc

5、tioons 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 ssolv

6、ved 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 reegim

7、me, 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運運動力學學和河床床演變學學1-4。前前者主要要研究泥泥沙在水水流中的的輸運過過程和挾挾沙水流流的運動動規律，后后者則主主要研究究水流和和泥沙共共同作用用下沖積積河流形形態的變變化規律律。無論論是在自自然條件件下，還還

8、是受人人工干擾擾明顯的的河流，水水流是挾挾帶泥沙沙的基本本動力條條件，而而泥沙又又通過改改變河床床邊界作作用于水水力要素。在在高含沙沙水流中中，泥沙沙顆粒還還直接影影響水流流的各種種特性。因因此，水水流和河河床以泥泥沙為紐紐帶形成成相互作作用的統統一體，是是河流地地貌中最最活躍的的動力因因子。人人們在生生產實踐踐中，一一方面要要避免河河流所造造成的各各種災害害，諸如如洪水泛泛濫、崩崩岸改道道，另一一方面又又要對河河流進行行治理開開發，諸諸如修建建水庫、整整治航道道，這些些都與泥泥沙運動動及河床床演變息息息相關關。除此此之外，在在已開發發的河流流上，各各種水利利工程造造成的河河道萎縮縮、災害害加

9、重、濕濕地退化化等負效效應也都都與泥沙沙運動及及河床演演變密切切聯系。因因此，河河流泥沙沙是水利利、地學學及生態態環境等等學科的的重要基基礎學科科之一。近期以來，隨著江河水資源利用和水能開發力度的加大，江河治理實踐中面臨著與泥沙輸移相關的新現象、新問題，不斷推動著河流泥沙研究的發展。本文對河流泥沙研究的進展與發展趨勢進行簡要綜述。2河流泥沙沙研究范范疇2.1河流流泥沙基本本理論研研究泥沙運動涉涉及侵蝕蝕、輸運運、沉積積等地貌貌過程，各各種過程程涉及的的時空尺尺度變化化范圍極極大。在在一些情情況下必必須考慮慮地質構構造的上上升、下下降等大大尺度、長長時期的的過程，有有時又必必須考慮慮泥沙起起動、

10、懸懸移等微微尺度和和瞬時的的過程。正正是由于于這些特特點，河河流泥沙沙研究包包含了從從宏觀到到微觀多多方面的的物理現現象，依依據對象象尺度的的不同，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異，可可將泥沙沙基本理理論分為為泥沙運運動力學學和河床床演變學學。河流流泥沙動動力學的的研究范范疇包括括：泥沙沙顆粒的的基本性性質、泥泥沙起動動與沉降降、河道道水流特特性以及及泥沙對對水流的的影響、床床面形態態及阻力力、水流流與泥沙沙輸移機機理及其其定量描描述等1,55。河河床演變變學的研研究范疇疇則包括括：河床床調整所所遵循的的基本原原理、河河型分類類、河流流幾何形形態與水水力泥沙沙條件之之間關

11、系系、人類類作用下下河床再再調整作作用等2,33。人人們對河河床演變變過程的的認識，通通常是從從野外實實際查勘勘及觀測測開始的的，對資資料的綜綜合分析析使人們們逐步形形成了對對具體河河段和整整個河流流以至不不同河流流之間河床床演變現現象的規規律性認認識，但這種種規律性性認識大大部分只只具有定定性性質質，許多多情況下下難以滿滿足工程程實踐的的要求，由由此就出出現對河河床演變變的定量量預測，也也就是所所謂的河河流模擬擬技術6。河河流模擬擬是在對對微觀水水流、泥泥沙運動動深入認認識基礎礎上，建建立描述述水沙運運動及河河床變形形的控制制方程，從從而模擬擬出宏觀觀河床變變形隨時時間的發發展。2.2河流流

12、泥沙研研究內容容的擴展展長期以來，河河流泥沙沙研究致致力于泥泥沙沖刷刷、搬運運和沉積積規律，圍圍繞著這這個中心心取得了了大量成成果。但但必須同同時看到到，隨著著生產力力發展，人人類對河河流的依依賴越來來越強，對對河流的的干擾也也日益增增多，人人口、資資源、環環境之間間的矛盾盾成為制制約流域域可持續續發展的的主要因因素。隨隨著人口口密度增增加，生生態環境境破壞，水水體污染染加劇，特特別是流流域內各各種大型型工程的的興建，使使流域環環境發生生了不同同于自然然條件下下的劇烈烈變化，與與此同時時，人們們對流域域內洪水水等災害害的防治治、生態態系統的的維持提提出了更更高的要要求，對對流域內內水資源源開發

13、利利用與調調配成為為必然的的趨勢，這些挑戰使得江河治理只能向建立全流域的水沙調控體系發展。與此相應，需要針對流域開發中出現的新現象、新問題、新需求，從理論上改進水利工程的規劃原則，從機理上分析各種現象的出現原因、發展趨勢，從技術上發展和改進已有的模擬方法、調控措施，從而為水沙調控提供科技支撐。在此背景下，河流泥沙研究必須擴大其研究范疇，才能適應科技和經濟、社會發展的需求。實際上，近些年來各大流域中出現的多種泥沙相關的問題，已經超出了傳統泥沙基本理論研究的范疇，主要可以歸結為以下幾個方面：（1）區域域及流域域泥沙問問題泥沙既是水水流主要要挾帶物物質又是是地表塑塑造者，泥泥沙沖淤淤與河道道、湖泊泊

14、形態的的變化息息息相關關，因而而影響著著防洪、航航運、生生態棲息息地等條條件的變變化。在在宏觀尺尺度上，由由于泥沙沙作為間間接因子子，大范范圍內河河流邊界界的改變變，引發發的洪災災、環境境惡化越越來越受受到人們們的重視視。近期以來，我我國各流流域洪災災最顯著著的特征征主要有有：普遍遍出現流流量小，水水位高，危危害重，損損失大的的現象，并并成逐年年加重趨趨勢。119966年黃河河花園口口洪峰流流量僅相相當于119588年的1/3，而而水位卻卻超過了了19558年約約1m，堤堤壩處處處出險，沿沿岸防洪洪非常緊緊張；119966年湖南南沅江和和資水的的流量都都比19969年年小，水水位卻分分別比11

15、9699年高1.5mm和0.88m；19996年長江城陵陵磯和螺螺山兩水水文站的的洪峰流流量都小小于19954年年，漢口口水位又又低于119544年，而而城陵磯磯和螺山山兩水文文站的水水位比119544年分別別高1.05mm和1.000m；19998年長江洪洪水，漢漢口水位位比19954年年低，螺螺山流量量比19954年年小約1140000m33/s的情情況下，螺山洪水位卻超過1954年近1.8m。年復一年，江河災害頻發，災害范圍越來越廣，災害損失越來越大。以往大洪水引發大災，而今大小洪水都致大災。事實說明，除人類活動影響及防洪意識、防洪管理和防洪工程建設方面尚存欠缺外，自然因素中加劇江河洪水

16、災害的直接原因是泥沙淤積。對于大多數人而言，洪水的危害是十分嚴重的，但泥沙的影響常常被掩蓋和忽視，事實上在很多情況下泥沙輸移是引起河道行洪能力下降的主要因素。除了對洪水水的影響響，大范范圍內的的泥沙沖沖淤促成成水體面面積的變變化、地地下潛水水位的升升降，對對航運、農農業生產產、生態態環境甚甚至區域域氣候均均產生影影響。泥泥沙沖淤淤具有一一定的隱隱蔽性，且且具有累累積性，當當前的變變化可能能與長時時期內的的泥沙輸輸移存在在關聯，甚甚至與地地質構造造活動存存在聯系系。長期期以來，人人們多關關注于短短時期、局局部范圍圍的泥沙沙沖淤，對對流域內內泥沙的的來源、去去向不夠夠了解，對對區域內內沖淤發發展的

17、趨趨勢及其其后果缺缺乏估計計，因此此無法調調控流域域內的泥泥沙輸移移以避免免其危害害。甚至至在很長長時間內內，以上上問題還還未被人人們所意意識到，例例如長江江中下游游大量湖湖泊淤積積的同時時，人類類的盲目目圍墾起起到了推推波助瀾瀾的作用用。黃河河下游斷斷流、泥泥沙淤積積加劇的的事實，與與上游梯梯級開發發和沿岸岸大量引引水造成成下游輸輸沙水量量不足有有關。大大量事實實表明，泥泥沙研究究在充當當解決生生產實踐踐中泥沙沙問題的的技術工工具的同同時，也也應當是是指導流流域規劃劃和宏觀觀管理的的技術基基礎。對對于黃河河治理，需需要上、中中、下游游統一治治理，逐逐步形成成“攔、排排、放、調調、挖”處理和和

18、利用泥泥沙的方方略。對對于長江江中游的的洪水災災害，需需要處理理好江湖湖之間的的泥沙沖沖淤分配配。針對對這些問問題的研研究已經經初步展展開，泥泥沙研究究范圍和和研究尺尺度的擴擴展實際上上已是一一種必然然趨勢。（2）工程程及環境境泥沙問問題我國的水能能資源蘊蘊藏量十十分豐富富，可開開發的水水能資源源約3.8億千千瓦，居居世界首首位，目目前已開開發的僅僅14%左右。同時，我我國水資資源存在在時空分分布不均均的特點點，利用用水庫和和跨流域域調水工工程對水水資源的的時空分分布進行行調節十十分必要要。大量量水利工工程修建建將為人人類帶來來巨大的的經濟利利益，但但這些工工程對水水沙過程程的調節節及流域域環

19、境的的影響值值得關注注。水庫庫對泥沙沙的攔截截不可避避免，但但庫區和和變動回回水區的的淤積會會不會影影響當地地的防洪洪和航運運？如何何制訂科科學的運運行規則則以延長長水庫壽壽命？在在大量水水庫形成成工程群群體之后后，又如如何協調調它們之之間的水水、沙量調調節？在在變化的的流域環環境下，水水沙過程程是否穩穩定，會會不會威威脅水利利工程安安全和效效益？天天然徑流流過程被被改變、大大量泥沙沙被攔截截在水庫庫中后，中中下游河河道將發發生長時時期的嚴嚴重沖刷刷，防洪洪大堤是是否安全全？河道道是否萎萎縮或擺擺動？湖湖泊是否否會消亡亡？河口口海岸是是否因入入海沙量量減少而而侵蝕退退縮？生生態系統統是否因因河

20、床沖沖刷和徑徑流過程程改變而而失去生生存條件件？這些些都是關關系到水水利工程程成敗及及流域經經濟發展展的關鍵鍵問題。世界范圍內內的大量量事實表表明，由由于以上上問題未未引起充充分重視視，大河河流域的的開發中中留下不不少教訓訓。許多多流域，如如密西西西比河、科羅拉多河、尼羅河、萊茵河等雖然以水資源開發為中心取得了矚目的成績，但同時也引發了許多意想不到的水文活力消退、生態環境失衡等不良響應。歐洲萊茵河采取渠化工程，主支流上修建的一系列堰壩截斷了泥沙供應，洪水期河道沖刷造成兩岸地下水位下降和航道惡化，德國工程師只好人工喂沙，每年花費大量錢財7。非洲尼羅河修建了世界著名的阿斯旺(Aswan)大壩，建壩

21、后雖然改善了灌溉、防洪條件，但對下游徑流和輸沙過程的改變，造成下游河床沖刷、河道蜿蜒擺動、河道斷流、尼羅河三角洲后退、海水入侵、海岸侵蝕等，隨之帶來河口濕地退化、生態環境破壞。為減免不利影響，不得不實施海岸防護工程及其它補救措施8。美國密西西比河，修建了大量水壩及整治工程，枯水徑流的不足帶來河口環境的惡化，如海岸侵蝕、濕地喪失等，每年喪失土地約4047hm2。為了解決這些問題，密西西比河下游不得不實施調水工程：將渾水調到三角洲，以便提供泥沙和營養物質，維持淡水草本沼澤和減少咸水入侵9。造成以上各各種現象象的深層層原因，是是對河流流系統中中水、沙沙、河床床、生態態環境之之間的整整體聯系系和互相相

22、影響的的機理認認識不足足，導致致河流系系統中出出現意想想不到的的現象和和負面效效應。世世界各國國河流開開發歷史史和經驗驗教訓表表明，當當人們意意識到各各種工程程對河流流環境的的影響時時，往往往河流功功能已受受到明顯顯損傷，對對河流系系統自然然、生態態環境的的修復和和重建是是十分困困難甚至至不可能能的，防患患與未然然勝于任任何補救救措施10，而保保持工程程與環境境相協調調的關鍵鍵，仍在在于泥沙沙問題的的合理解解決。其其中一些些是泥沙沙基本理理論研究究的主要要內容，如如水庫淤淤積問題題、下游游的再造造床作用用等，然然而更多多的是要要在傳統統基本理理論研究究基礎上上有所擴擴充，如如水庫減減淤問題題，

23、需要要在水庫庫淤積規規律和水水資源調調度的基基礎上，考考慮水沙沙的綜合合調度和和發電、減減淤、航航運等多多目標優優化；下下游的河河型轉化化和河勢勢調整問問題，考考慮的是是長河段段的長期期變形，以以及不同同類型河河段河勢勢調整的的一般性性規律，而而不是針針對具體體某一河河段的短短期變化化；泥沙運運動與河河床演變變對河流流環境的的影響，不不僅要考考慮沙量量及其顆顆粒特征征在水體中中污染物物遷移轉轉化過程程中的作作用，還還要重視視水沙過過程調節節引起的的河湖洲洲灘面積積、形態態變化對對生態系系統穩定定性、多多樣性的的影響。這一方面要將研究的尺度擴大，更加重視流域的整體性，另一方面要將泥沙研究與相近的

24、水問題和環境問題研究相結合，致力于新問題的解決。泥沙運動在在流域環環境變化化中的紐紐帶作用用使得泥泥沙研究究成為流流域水問問題和環環境問題題研究的的中心環環節之一一。當前前，水資資源開發發和調節節已成為為一種趨趨勢，人人類活動動干擾下下流域環環境的變變化也不不可避免免，河流流泥沙研研究在繼繼續探索索天然情情況下各各種規律律和機理理的同時時，應考考慮為經經濟和社社會發展展服務，將將研究重重心適當當傾向于于工程和和環境的的相互作作用，保保持人水水和諧。3河流泥沙沙研究進進展3.1河流流泥沙基基本理論論研究進展展3.1.11泥沙運運動基本本理論研研究進展展泥沙運動基基本理論論研究一一直是河河流泥沙沙

25、研究較較為活躍躍的分支支，也一一直處于于國際領領先的水水平。近近年來圍圍繞三峽峽等大型型工程組組織了重重大科技技攻關，大大大推進進了泥沙沙動力學學研究發發展111。一一般泥沙沙運動規規律、水水流挾沙沙力的研研究，已已由均勻勻沙或混混合沙的的水流挾挾沙力發發展到非非均勻沙沙的分組組水流挾挾沙力；起動流流速的研研究，已已由散粒粒體的均均勻沙起起動流速速發展到到非均勻勻沙、含含粘性細細顆粒和和級配范范圍寬的的粗顆粒粒起動流流速；推推移質輸輸沙率在在檢驗及及發展前前人已有有公式方方面取得得了進展展，對寬級配配推移質質輸沙特特性及輸輸沙率也也開展了了深入研研究；沙沙波運動動對阻力力的影響響也已獲獲得可資

26、資用的成成果。將將泥沙運運動看成成一種隨隨機現象象，利用用概率論論及力學學分析相相結合的的辦法進進行研究究，已逐逐步發展展成為研研究泥沙沙運動力力學的重重要分支支122。從當前的研研究現狀狀來看，雖雖然一些些新理論論、新概概念被引引入，但但基本理理論的研研究基本本上仍處處于對已已有模式式的修正正階段。例例如關于于泥沙起起動規律律，考慮慮了沙粒粒形狀因因素、起起動概率率和起動動力矩概概率分布布、床面面粗化及及隱暴作作用，以以及粘性性細顆粒粒成團起起動等方方面因素素。在寬寬級配推推移質運運動參數數和輸沙沙率公式式建立方方面，討討論了暴暴露度、粗粗化程度度影響參參數、有有關切應應力、交交換概率率和隱

27、蔽蔽參數。這這些修正正考慮因因素更加加全面，但但缺乏實實測資料料檢驗，距距離真正正實踐應應用尚有有距離。正正因為如如此，工工程實踐踐中多數數情況下下參數的的率定仍仍主要依依靠經驗驗。例如如對于水水庫下游游的河床床沖刷，多位學者開展了有關含沙量恢復過程與機理的研究，涉及水流挾沙力、床沙交換、泥沙恢復飽和系數等基本概念13,14，這些研究對于機理認識有一定的幫助，但由于問題本身復雜性，其中存在不少假定或經驗系數，有待于天然資料的檢驗。3.1.22河床演演變規律律研究進進展河床演變的的學科性性質決定定了它應應當是從從工程技技術的角角度，考考慮河流流在較長長期內但但又不是是歷史時時期的調調整過程程。因

28、為為在具體體研究中中分工過過細，所所承擔的的任務往往往只涉涉及一個個河段或或者一個個地區，工工程技術術人員容容易注意意局部河河段而忽忽略流域域整體，容容易看到到眼前而而忽略較較長期的的變化。正正是由于于這個原原因，實實際中關關于河床床演變的的研究成成果往往往是關于于某個具具體河段段的資料料分析，而而針對某某一類型型普遍現現象的討討論及規規律總結結不多。在在學科發發展的過過程中，關關于普遍遍規律的的總結主主要體現現在河流流自調整整機理、河河型分類類、各類類河型演演變特性性、河相相關系、水水庫下游游再造床床作用等等方面15-25。沖積河流自自調整作作用是河河床演變變各種現現象的基基礎，盡盡管人們們

29、早已認認識到河河床具有有某種平平衡傾向向性，但但對如何何描述河河床調整整所遵循循的內在在機理卻卻十分困困難，現現階段仍仍只能限限于最小小能耗率率、河床床最小活活動性、隨隨機理論論等各種種假說2,33。河河床演變變影響因因素之間間存在復復雜的作作用機制制，同時時河床演演變現象象在宏觀觀上也表表現出一一定的規規律性。從從當前的的研究來來看，對對河床演演變的研研究一般般可以分分為兩類類，一類類是從內內在的動動力機制制出發，試試圖說明明河流上上發生某某種演變變現象的的內在原原因，偏偏重于對對內在動動力機理理的詮釋釋；另一一類是從從宏觀的的現象中中分析規規律性的的東西，試試圖從原原因和對對應的結結果中總

30、總結規律律，說明明某種現現象出現現所伴隨隨的外部部條件或或必要條條件。在在機理研研究存在在困難的的時候，利利用大量量資料總總結河床床演變規規律的工工作取得得了進展展。幾十十年來的的治河實實踐一方方面受到到各種河河型演變變的理論論的指導導，同時時也利用用所積累累的資料料不斷檢檢驗了各各種河型型演變的的一般規規律。但但是，原原理上認認識的不不足限制制了對河河床演變變規律的的探索：描述河河床水力力幾何形形態的河河相關系系方程組組不封閉閉，使得得水沙變變化后河河床形態態調整難難以預測測；河型型存在和和維持的的條件認認識不足足，對水水沙條件件變化后后河型的的轉化難難以估計計。3.1.33河流模擬擬技術研

31、研究進展展河流模擬包包括實體體模型與與數值模模型兩大大類，前前者主要要基于相相似理論論，后者者則以水水沙運動動及河床床變形方方程為依依據。在在實體模模型方面面，自220世紀紀50年年代我國國開始從從國外引引入模型型相似理理論，隨隨后我國國學者在在模型比比尺變態態、模型型沙選取取、寬級級配非均均勻沙沙沙模擬、泥泥沙起動動相似、沉沉降相似似等方面面不斷提提出了新新的理論論和方法法，形成成了一整整套河工工模型的的相似理理論、設設計方法法和實驗驗技術6。針針對高含含沙河流流水沙運運動和河河床變形形的特點點，高含含沙水流流模型相相似律和和相似技技術不斷斷改進26,27。幾十年來來,河工工模型試試驗在黃河

32、三三門峽工工程與小小浪底工工程、長江葛葛洲壩工工程與三三峽工程程、以及其其它大江江大河的的河道整整治工程程中發揮揮了重要要作用，積積累了豐豐富經驗驗。水沙數學模模型的研研究可以以分為兩兩個方面面，一是是水流和和泥沙運運動規律律的研究究，如阻阻力、挾挾沙力等等問題的的研究28,29，該類類問題的的解決是是數學模模型能夠夠反映實實際情況況的根本本保證；另一類類是計算算方法的的研究，關系到模型計算的速度、精度以及模型是否具有應用價值的問題30,31。隨著模型算法和計算模式的不斷改進，二維甚至三維的精細模擬已成為可能，即使是一維水沙模擬，也已由單一河段恒定流水沙模擬發展到復雜河網非恒定流水沙模擬。由于

33、水沙數學模型既可以模擬局部范圍的精細水沙運動，又能夠預測大范圍的長期河床變形，近些年來在生產實踐中發揮了越來越重要的作用，而且還作為一種工具促進了泥沙運動基本理論問題的深入研究。相對于實體模型，數學模型最大的優點在于可以模擬大范圍問題，目前已成為定量預測長河段、長期河床變形的唯一有效手段。由當前的現狀來看，沖淤模擬歷時長、計算量大與模型計算速度慢之間的矛盾仍是制約數學模型用于工程實踐的主要因素，特別隨著計算區域擴大，計算量將呈級數增加。這一方面是由于非恒定水流運動模擬的計算速度慢，另一方面也是由于非恒定泥沙輸移模擬經驗性強，許多環節需要試算，計算效率低。綜合來看，雖然河流泥沙研究的歷史不長，但

34、在人們治水治沙的實踐中，對水流中泥沙運動規律的認識不斷深入，對河床演變規律的總結不斷提高，解決了江河整治、水利工程建設以及生產實踐中的大量泥沙問題，諸如水庫泥沙，航道整治與維護，渠首防沙、橋墩沖刷、堤岸防護、工業取水與泥沙處理等問題。在實際問題解決過程中，定性分析和定量預測等各種手段相結合，推動泥沙運動基本理論、河道水流特性、河床演變規律以及河流模擬技術等各方面均取得了一定進展。但同時也應該看到，由于河流泥沙研究是新興學科，許多理論還有待完善，而江河治理開發實踐中遇到的實際問題異常復雜，現有理論和方法還難以使所有問題得到圓滿解決。以三峽水庫下游沖刷為例，河床沖刷發展歷程關系到江湖關系變化、河床

35、沖刷深度、河口沙量變化等方面的調整，影響著工程對防洪、航運、生態等方面影響的評價，然而由于當前對非飽和輸沙機理認識仍然不足，目前還難以給出較可靠的定量預測，與此類似的問題還有下游河型的轉化，典型河段河勢的調整等。這些問題的存在表明，關于泥沙運動基本理論、河床演變原理以及模擬手段的研究，在今后一段時間內仍將是河流泥沙研究的重點內容。3.2河流流泥沙研研究的新新進展3.2.11區域泥泥沙輸移移規律與與調控機機理尺度較大的的區域或或者整個個流域內內的泥沙沙輸移，影影響著河河湖地貌貌的演化化，因而而從長期期的宏觀觀尺度影影響著流流域內環環境穩定定和安全全，這些些變化通通常是經經過長時時期才顯顯現出來來

36、，是一一種自然然的演變變進程，譬譬如歷史史上長江江中游云云夢澤、彭彭蠡澤等等大湖的的淤積湮湮滅，以以及與此此相伴隨隨的洞庭庭湖、鄱鄱陽湖的的出現。隨著社會進步，人們的生產生活與這些自然進程發生著各種聯系，一方面泥沙淤積造成的河床變化可能對人類產生威脅，如洪水泛濫、改道等，另一方面人類可能加速或延緩這些進程，黃河河床的迅速抬高與堤防對兩岸分淤的限制不無關系，長江中游荊江河道的裁彎也對三口洪道的淤積萎縮起了加速作用。人們對于流流域泥沙沙過程的的干擾長長時期內內處于盲盲目無序序的狀態態，其原原因除了了對自然然的泥沙沙輸移與與地貌演演化進程程缺乏認認識之外外，更重重要的是是對人類類活動對對此造成成的影

37、響響無法估估計332。隨隨著生產產力的提提高，人人類對流流域環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論指指導以預預測水沙沙輸移規規律改變變后的各各種效應應，另一一方面需需要變盲盲目干擾擾為主動動調控，避避免泥沙沙輸移造造成的災災害，甚至變變害為利利。流域域范圍內內大量水水利工程程的修建建，更是是為人類類對水沙沙輸移的調調控提供供了可能能性。因因此，泥泥沙工作作者的任任務一方方面是研研究天然然、人類類干擾情情況下的的流域泥泥沙輸移移特性，預預測由此此引起的的效應，另另一方面面是研究究泥沙輸輸移的調調控理論論和實現現方法。針對流域泥泥沙輸移移特性變變化的研研究在國國內外紛紛紛展開

38、開，有的的研究還同同時提出出了相應應的調控控對策。密密西西比比河各大大支流相相繼開發發導致中中下游沙沙量輸移移特征發發生變化化，造成成河漫灘灘、河口口淤積量量減少，濕濕地面積積退縮，不不同年代代入海沙沙量來源源組成比比例也發發生調整整，美國國學者等等對此開開展了系系列研究究333,344，美國陸陸軍工兵兵團還對對此開展展了調水水試驗：將渾水水調往河河口三角角洲，利利用泥沙沙維護河河口淡水水草本沼沼澤的穩穩定99。在在國內的的研究中中，關于于荊江洞洞庭湖區區洪水位位變化與與泥沙輸輸移關系系的探討討比較活活躍，不不同學者者從洪災災加劇與與泥沙淤淤積量、淤淤積部位位之間的的關系35，江湖湖關系調調整

39、所導導致的洪洪水量在在江湖之之間的重重新分配配366等方方面開展展了大量量分析，并并提出了了治理對對策。黃河水水沙異源源，中游游河口鎮鎮-龍門門區間的的多沙粗粗沙區是是下游淤淤沙的主主要來源源，許多多學者提提出了在在中游大大量修筑筑淤地壩壩的治理理措施。針針對黃河河小浪底底水庫下下游伊洛洛河、沁沁河與上上游來水水來沙在在時間上上的不協協調，黃黃河水利利委員會會提出利利用多個個水庫調調水調沙沙，使不不同來源源的水沙沙組合成成比較協協調的關關系，從從而減少少下游的的淤積37。以上事事實表明明，國內內外大河河流域的的治理理理念不斷斷進步，科科技水平平越來越越高，流流域開發發過程中中的水沙沙調控從從被

40、動、盲盲目變為為積極、有有序，該該方面今今后仍是是泥沙研研究的熱熱點之一一。3.2.22流域水水沙模擬擬對水沙輸移移效應的的準確模模擬是探探索水沙沙輸移與與河床變變形作用用機制、開開展規律律研究的的重要輔輔助工具具，也是是水沙調調控的基基礎。在在工程實實踐中，無無論是以以相似原原理為基基礎的物物理模型型，還是是以數理理方程和和數值方方法為基基礎的數數學模型型，對于于短時期期、小范范圍的水水沙輸移移及河床床變形模模擬，都都能取得得滿意的的效果。然然而，流流域或區區域水沙沙調控涉涉及更多多的是較較大范圍圍的水沙沙輸移以以及較長長時間尺尺度的河河床形態態變化，為為了在現現有技術術條件下下使模型型能夠

41、達達到以上上要求，必必然要在在幾個方方面做出出特殊處處理：為為了滿足足實驗或或計算時時間方面面的需求求，要對對來水來來沙過程程進行概概化；為為了減少少建模難難度，必必然要在在保留原原型主要要特點的的基礎上上對復雜雜的邊界界條件進進行近似似；為了了克服大大范圍難難以整體體建模的的缺點，一一般是分分區處理理，各區區之間通通過特殊殊方式進進行連接接。這些些處理方方式雖然然可以降降低建模模的難度度，但處處理不當當，卻可可能使模模型喪失失與原型型的相似似性，其其模擬結結果將失失去意義義。例如如，長期期的河床床變形將將對洪水水位產生生明顯影影響，但但若為了了縮短計計算時間間而對來來水來沙沙過程進進行簡化化

42、，將使使洪水過過程對河河床變形形的影響響難以體體現，從從而影響響模擬結結果的合合理性；又如，相相互聯通通的水系之間間水量分分匯、沙沙量不斷斷交換，若若針對各各區域分分別建模模必然將將破壞原原型的整整體性，使使其精度度遭受破破壞。正正是由于于以上原原因，目目前對洪洪水調度度、水庫庫調度的的研究，往往往定位位于較短短的時間間段，從從而可以以在忽略略河床變變形影響響的前提提下，使使計算得得到簡化化，但這這也必然然使模型型喪失了了長期預預測的功功能。除除了模型型自身的的特點之之外，為為使模擬擬效果合合理，必必須要有有大量的的知識和和經驗對對其中的的各種計計算模式式、參數數進行檢檢驗和修修正，這這意味著

43、著典型年年選取是是否合理理，基礎礎數據庫庫是否完完備也是是決定模模擬效果果的重要要因素之之一。近些年來，國國內外學學者不斷斷改進計計算方法法和計算算模式，在在長河段段沖淤模模擬，蓄蓄滯洪區區洪水模模擬等方方面取得得了進展展38,39，區域域之間水水沙交換換模式不不斷改進進，計算算速度、精精度不斷斷得到提提高。然然而，區區域或流流域的水水沙模擬擬涉及水水庫淤積積、水資資源調度度、河道道水沙輸輸移、河河床調整整等多方方面內容容，中間間計算單單元復雜雜，包括括水庫、河河道、河河網、湖湖泊等等等，很難難用統一一的方程程或模式式概括，如如何克服服多重時時間、空空間尺度度造成的的困難，同同時保持持模擬的的

44、精度，是是今后該該方面應應該重點點關注的的問題。3.2.33交叉學學科泥沙沙研究河流系統中中的物理理、化學學、生物物等各種種過程涉涉及了泥泥沙動力力學、河河床演變變學、地地貌學、沉沉積學、水水文水環環境、生生態學等等多個學學科。因因此，對對河流環環境的維維護需要要多學科科綜合、跨跨學科交交叉開展展研究。水流對泥沙沙的輸移移是在一一定的河河谷地貌貌背景下下，沿程程的淤積積，特定定河型的的形成都都與此密密切相關關。同時時，泥沙沙的沖淤淤過程也也伴隨著著對河流流地貌的的改變。因因此從宏宏觀上研研究區域域范圍內內的泥沙沙問題，必必然會引引入地學學研究的的思路和和方法，特特別是隨隨著流域域整體概概念在泥

45、泥沙研究究中逐漸漸得到重重視，泥泥沙研究究與地學學的交叉叉越來越越多，也也越來越越廣泛。近近幾十年年來，河河流地貌貌學研究究已不再再將目光光局限于于水系與與河谷地地貌的歷歷史過程程與形態態描述，也也開始關關注河床床地貌的的現代過過程，并并試圖從從動力學學的角度度解釋河河流地貌貌的形成成機制40；水利利工作者者多從數數學、物物理方向向，探討討河流演演變的動動力機制制，力圖圖向能夠夠定量描描述甚至至數學模模擬的方方向發展展，研究究的范圍圍也不再再僅僅局局限于研研究短河河段、短短時段中中的泥沙沙運動所所導致的的河床變變形，轉轉而從流流域整體體影響來來考慮河河床演變變過程。出出于江河河治理和和大型工工

46、程論證證的需要要，河流流工作者者對我國國主要河河流進行行了廣泛泛而深入入的研究究，水利利與地學學界之間間取長補補短、相相互滲透透，提高高了研究究能力。在河流生態態學領域域，由于于水利工工程對水水沙調節節引起的的生態環環境惡化化現象普普遍出現現，人們們逐漸意意識到河河流水文文過程、地地貌過程程對生態態系統的的深遠影影響，研研究尺度度也從小小的棲息息地群落落上升至至區域或或流域的的宏觀整整體狀態態399,400。早早期對河河流生態態多樣性性和完整整性的研研究多關關注于靜靜態的河河流環境境，近些些年來徑徑流及河河濱帶動動態變化化造成的的地貌多多樣性在在相關研研究中得得到了充充分重視視，從單單純對生生

47、態系統統的研究究，轉向向地貌-生態系系統的研研究441。生生態需水水量概念念的提出出，將研研究尺度度從棲息息地或單單個種群群轉向整整個生態態系統的的維持，而而且研究究目標從從水量需需求轉化化為流量量過程的的需求。維維持河流流的輸沙沙能力，保保持河道道形態特特性是其其中的重重點研究究內容之之一444。對對生態系系統狀態態的評估估從小區區域內種種群結構構、群落落物種多多樣性，向向流域整整體的方方向發展展433，地地貌、水水力等因因素本身身的多樣樣性也在在其中逐逐漸得到到考慮44。隨著工農業業發展，各各大河流流均出現現水質惡惡化。泥泥沙顆粒粒對重金金屬、有有機物存存在著吸吸附和解解吸作用用，因此此水

48、體污污染也使使得水體體中的懸懸浮泥沙沙、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為載體體在水中中遷移，所所以，對對水環境境中污染染物遷移移轉化的的研究，必必須考慮慮泥沙運運動的影影響。鑒鑒于環境境中泥沙沙問題的的普遍性性，在傳傳統的泥泥沙動力力學研究究泥沙顆顆粒遷移移運動的的基礎上上，與相相關的環環境科學學相結合合，研究究污染物物的遷移移降解規規律，必必然將推推動泥沙沙科學、環環境科學學向前發發展，并并且豐富富泥沙科科學的研研究內容容。4.河流泥泥沙研究究發展趨趨勢在當前情況況下，從從學科的的發展趨趨勢來看看，泥沙沙基本理理論仍需需繼續投投入力量量進行深深入研究究，特別別是非飽飽

49、和非均均勻沙的的運動特特性，非非均勻床床沙交換換機理、粗粗化過程程等，這這些與清清水沖刷刷情況下下含沙量量的恢復復密切相相關，也也直接關關系著泥泥沙數學學模型中中對河床床沖刷的的描述模模式，是是當前亟亟待解決決的基礎礎問題。但但是，考考慮到基基本理論論研究對對實驗儀儀器、測測量手段段依賴較較強，因因此在短短期內取取得全面面地重大大突破的的可能性性不大。這這就造成成了生產產需求和和理論發發展之間間的矛盾盾。在無無法從機機理上描描述這些些過程的的情況下下，通過過實測資資料總結結規律，并并建立經經驗關系系，或者者在現有有理論基基礎上加加以修正正，使之之更符合合實際情情況，仍仍是解決決工程泥泥沙問題題

50、比較有有效的手手段，也也有利于于銜接理理論和實實踐之間間的脫節節。河床演變理理論研究究近些年年來進展展緩慢。這這是由于于在河床床演變一一般性原原理無法法取得突突破性進進展的情情況下，該該領域的的研究一一直以來來致力于于對局部部河段短短時期的的演變分分析，以以及解決決生產實實際中的的工程問問題，而而忽視了了對一般般性規律律的總結結，特別別是對水水沙條件件發生較較大改變變后河床床調整規規律的總總結。統統計理論論與力學學分析相相結合，從從不同河河流的大大量實測測資料中中總結一一般性的的規律，是是河床演演變的主主要研究究手段。它它可以在在基本理理論無法法取得突突破的同同時，避避開復雜雜的作用用機制，從

51、從宏觀上上建立經經驗關系系，甚至至建立定定量化的的經驗模模型。當當今積累累的大量量河床演演變資料料，包括括水庫下下游水沙沙條件原原始測量量數據，水水庫下游游縱、橫橫斷面調調整發展展過程，局局部河勢勢變化分分析等等等，為總總結提煉煉河床演演變一般般規律提提供了條條件。而而DEMM數據、現現代的GGIS技技術則為為從宏觀觀尺度上上研究河河床演變變提供了了技術支支持。可可以預見見，在對對已有資資料和成成果重新新總結和和集成的的同時，補補充必要要的實驗驗研究，河河床演變變理論可可望在近近期內取取得較大大突破。考慮到我國國各大江江河洪水水形勢依依然嚴峻峻的事實實，關于于宏觀尺尺度泥沙沙輸移規規律的研研究

52、仍將將以揭示示泥沙沖沖淤對洪洪水位的的影響為為主，特特別是類類似于長長江荊江江洞庭湖湖區這樣樣的復雜雜區域。由由于我國國下階段段將面臨臨水電工工程建設設的熱潮潮，泥沙沙輸移規規律將發發生較明明顯的變變化，一一方面需需要在保保證效益益的前提提下，長長期保持持水庫庫庫容，另另一方面面要能夠夠避免下下游出現現不利的的沖淤局局面。因因此以水水庫工程程或工程程群體為為對象的的水沙調調控亟需需理論支支持。然然而當前前對流域域或區域域內宏觀觀上的泥泥沙輸移移規律仍仍存在認認知上的的不足，調調控方面面多是一一些初步步的設想想和思路路，深入入的研究究不多。關關于水庫庫等工程程對水沙沙過程的的調控，盡盡管針對對單

53、庫的的研究已已有一些些，其目目標多是是考慮水水庫的長長期利用用、發電電效益等等，而很很少考慮慮下游沖沖淤的調調控。洪洪水對于于泥沙輸輸移起著著重要作作用，利利用對水水沙組合合的調節節，改變變河道淤淤積形態態以避免免洪水形形勢惡化化也是值值得探索索的問題題。干支支流上大大量水庫庫興建形形成水庫庫群體之之后，工工程群體體如何相相互協作作以調控控水沙，此此方面的的理論尚尚屬空白白。因此此，以區區域或流流域為整整體建立立相應的的調控理理論將是是下一階階段研究究的主要要任務。此此過程中中，需要要將傳統統的各種種泥沙模模型相集集成，通通過提出出新的算算法、改改進計算算模式，使使綜合集集成后模模型的計計算速

54、度度能夠得得到大幅幅提高，從從而克服服尺度、相相容性等等方面的的問題，形形成流域域泥沙模模型，為為相關研研究提供供有力的的技術平平臺。學科交叉研研究是將將來的必必然趨勢勢。由于于過去缺缺乏交流流和滲透透，各學學科大量量的相關關研究成成果有待待集成，因因此現階階段僅需需在現有有各學科科相關理理論的基基礎上補補充必要要的研究究，即可可使交叉叉領域的的一些問問題得到到解決。這這一方面面的內容容也是有有望通過過少量的的工作而而取得較較大進展展方向之之一。例例如，通通過研究究泥沙顆顆粒和污污染物吸吸附、解解吸以及及此過程程中污染染物的降降解過程程，即可可在現有有泥沙數數學模型型基礎上上，模擬擬污染物物在

55、渾水水中的遷遷移和轉轉化過程程。對于于水沙條條件變化化后河流流生態的的變化，只需吸收水環境、生態等領域中水文、水力、泥沙、河流地貌等因素對生態影響的已有成果，并能夠根據環境的需求提出對這些因素的控制范圍，即可建立水沙過程與環境之間的聯系，甚至能夠對水沙過程實施科學調控。綜合來看，我國未來幾十年之內將興起水電開發的熱潮，而且跨流域調水也將逐步實施，河流系統面臨各方面的改變，保持流域社會、經濟、環境協調發展是將來的主要任務。因此，從滿足國家戰略需求的角度，研究水沙條件變化后河流系統各方面的調整，以及人類對此應該采取的調控措施，將是今后一段時期內河流泥沙研究的戰略目標，而從學科發展的角度，與此相關的

56、內容，也都是近期內可能取得突破的領域。5.結論河流泥沙研研究仍屬屬發展中中學科，許許多基礎礎理論仍仍不成熟熟，在泥沙沙基本理理論方面面開展深深入探索索將是今今后河流流泥沙研研究的重重點內容容之一。同時，隨著近期江河水資源利用和水能開發力度的加大，江河治理實踐中面臨著與泥沙輸移相關的新現象、新問題，不斷推動著河流泥沙研究的發展，今后在繼續深入研究泥沙基本理論的同時，應在以下幾方面拓展河流泥沙研究的深度和廣度： = 1 * GB3 水沙條件發生較大變化后，河床演變的一般性規律，并借助水沙模擬技術，逐步從定性上升到定量； = 2 * GB3 從流域或區域整體的角度，擴展研究的時間尺度、空間尺度，分析

57、泥沙輸移的規律及其造成的環境影響，探索人工調控水沙輸移的理論與技術； = 3 * GB3 人類活動對河流干擾日益增大，負面效應也逐漸顯現，逐步開展泥沙學科與地學、水環境、生態環境等學科的交叉研究，為相關的管理和防護提供理論依據，保持人水和諧。參考文獻張瑞瑾.河河流泥沙沙動力學學.北京京:中國國水利水水電出版版社.220022謝鑒衡.河河床演變變及整治治,北京京:水利利水電出出版社,19990錢寧,張仁仁,周志志德.河河床演變變學,北北京:科科學出版版社,119899錢寧,王兆兆惠.泥泥沙運動動力學,北京:科學出出版社,19883王興奎,邵邵學軍,李丹勛勛.河流流動力學學基礎.北京:中國水水利水

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