蜿蜒河流演变动力过程及其研究进展Word文档下载推荐.docx

1、题进行分解和整理并详细论述蜿蜒河流演变动力过程研究的进展情况 （ ，Googe arth）1 lE图 蜿蜒河流的平面形态下荆江河段图片来自 Fig, 1 Planar shape of meandering river （ Lower Jingjiang River，image from Google Earth） 1 蜿蜒河流演变动力过程研究的意义 ，近百年来人们对蜿蜒河流演变动力过程持续研究的动机主要有两个一是人们渴望从数学和物理，; 的角度对河弯演变这种复杂的自然现象进行探索和解释即河弯理论研究的科学意义另外蜿蜒河流演 、。变动力过程的研究具有非常广泛的工业环境和工程应用价值 ，当水流流

2、过顺 直 的 天 然 渠 道 时即使渠道和水流都非常均匀一 段 时 间 过 后渠道也会发生弯 ,2,，; 、曲这种现象产生的原因至今仍未得到很好的解释蜿蜒河流内部的水流泥沙运动及宏观地河道运 ，。动极为复杂蕴含着深层次的数学和物理机制吸引着人们从机理方面对该问题展开科学探索 ，、在应用方面首先跨河桥梁沿河公路铁路等工程设施的建设以及城镇村庄的选址和规划需要 收稿日期: 2009 -01 -04 （ 51009105 ） ; （ 2011 SS03 ）基金项目国家自然科学基金项目水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室开放基金项目 : （ 1980 ,） ， E-ma: xudong tu, edu

3、, cn。ilj作者简介许栋男山东省单县人讲师博士主要从事水力学及河流动力学方面的研究 : 。 E-mail: ychbai tju, edu, cn通讯作者白玉川 ; ，、人们对蜿蜒河流的未来可能发生的横向摆动做出预测其次水利工程建设河流整治工程河道裁弯工 程以及城市人工河流的设计等也要求人们对弯曲河道的演变规律进行研究当涉及到河流长期健康及 ，、河流生态环境问题时蜿蜒河流演变机理的研究变得尤为重要另外古河弯所形成的丰富的油气资源,3, 、。矿产资源也吸引着人们对蜿蜒河流的长期演变规律河流地形沉积问题进行研究2 蜿蜒河流演变动力过程研究理论范畴、，作为河流动力学的一个分支蜿蜒河流演变动力过程

4、的研究是一个水动力学泥沙运动力学沉积 ，学地貌学等多学科交叉的跨学科课题不同学科研究的时间和空间尺度各不相同且相互交叉本文 ，2 。将主要的相关问题按时间和空间尺度的不同大致分为四个研究层次如图 图 2 蜿蜒河流演变动力过程研究的层次及其时间和空间尺度Fig, 2 Levels of researches on meandering river dynamic development and corresponding temporal and spatial scales ，. ?弯道泥沙运动河床演变和河岸的移动都是泥沙颗粒运动的宏观表现泥沙输运的不平衡是河 流演变的根源对泥沙运动规律的研究

5、属于泥沙运动力学的范畴弯曲河道中的泥沙运动规律与顺直 ，、河道中有所不同其中推移质泥沙的起动规律运动形式输移方向泥沙粒径的分选规律以及悬移质挟 ，。 ，沙能力等都受到了弯道中二次环流以及复杂的紊流结构的影响泥沙颗粒的几何尺度一般较小研究 弯道中泥沙运动的规律需要从微观的三维水流运动结构着手 . : ，?蜿蜒河流纵向演变纵向演变是指河流床面形态的变化该层次主要研究河床的冲淤状态属 于河流泥沙工程学的 范 畴受 二次环流等因素的影响弯曲河道中床面形 态最为显著的特征 是 边 滩 （ ） （ ） ，又称点沙坝位于凸岸附近与深槽位于凹岸附近的交错分布二者的分布与当地河道曲率直接相 ,4,; （ ） 、

6、，关此外河道中还存在与河道曲率无关的交错浅滩又称自由沙坝沙垄等成形淤积体共同构成弯 、道内复杂的床面形态认识天然状态下蜿蜒河流床面形态特征对于我们计算河床阻力判断水流流路 ，以及深泓线变化等具有十分重要的意义另外当水利工程修建后将打破河流的天然平衡状态并在 若干年后达到新的平衡我们需要对未来几年甚至几十年内工程附近河段的河床变化做出预测与河 ，道的横向摆动相比在受到外界干扰后河流纵向变形达到准平衡状态所需的时间一般较短而空间尺 ，度则局限在受工程影响较强烈的局部河段在实际的工程应用中对于河床演变的预测一般采用沿水 ，深积分的二维浅水方程作为控制方程值得注意的是由于弯道中水流离心力等因素的影响水

7、流的静 压分布假定在急弯河道内并不合理可能因此而带来较大的计算误差 ，。 ?蜿蜒河流横向演变横向演变是指河流平面形态的演变即河流的横向摆动该层次主要研究 蜿蜒河势的成因及河弯横向演变规律属于河流演变学的范畴蜿蜒河流的横向演变主要体现为河流 、，凹岸的崩退凸岸的淤长以及裁弯取直现象另外蜿蜒河流在横向摆动的同时还有整体向下游迁移的 。 ，; 趋势当河流的径流过程较平稳时蜿蜒河流横向演变过程中河宽一般维持不变而当径流发生大幅度 ，。的变化时蜿蜒河流在横向演变的同时河宽同时发生调整以形成与新的流量相适应的断面河相关系，一般来说河流横向演变的时间尺度远大于纵向演变因此理论研究中通常认为床面形态始终处于与

8、 ，流量相适应的准平衡状态对于局部河段的工程应用例如跨河桥梁处弯道的摆动可以从河道的平面 ，二维水流运动方程出发结合崩岸模型建立河岸移动速率和近岸流速之间的关系预测河岸在工程使 ，用年限内的可能出现的移动对于蜿蜒河流整体形态的长期演变可以将二维控制方程进一步简化建 立河岸移动速率与当地河道曲率之间的关系此时研究的空间和时间尺度可达数千公里和数百年 . : ，、?河曲带地形沉积对于冲积性蜿蜒河流河道的长期摆动迂回和迁移将会在地球表面留下深 ，、刻的烙印形成河曲带沉积此时河流不仅是向下游输送水流和泥沙的通道而且是塑造平原刻画地 、貌的一种重要动力该层次研究属于河流沉积学地貌学的学科范畴蜿蜒河流沉积

9、包括牛轭湖沉积、，自然堤沉积粘土塞沉积等多种形式沉积问题研究的时间尺度一般长达数万年甚至更长其研究与河 ，流的横向演变密切相关首先河流的横向演变是地形沉积的基础只有河道经过的地方才会形成河流 ; ，、。，沉积其次沉积将会改变河流所经之处的地形高度河岸土体粘性等反过来影响河流的横向摆动 ，值得注意的是虽然不同的学科对蜿蜒河流演变动力过程的研究各有侧重但是其研究内容并不能 ，完全分割开来例如只有正确地认识弯道中的水流泥沙运动机理才有可能将三维的控制方程合理地 ， ，。向二维和一维进行简化作为更大尺度问题的研究基础另外许多复杂的水沙问题是在多种因素耦合 ，、作用下形成的研究过程中应予以重视其中包括蜿

10、蜒河流中水流和床面的耦合作用床面形态与平面 形态的耦合作用以及河流演变与地形沉积的耦合作用等 3蜿蜒河流演变动力过程理论研究进展、，中国古代风水学家们考察并描绘了中国境内主要山脉的形势位置和走向最早认识到了蜿蜒河流的; “”; ，“变迁规律西汉末年贾让提出用游荡两字来形容黄河的演变特征到了清代人们已认识到黄河夏季走 ，”“”“，”，滩冬季行湾初冬和春季皆扫湾回溜侵刷堤根这一河道平面变化的规律体现了对河弯演变规律 19 的初步认识这些认识传承至今仍然属于地貌学的常识内容对蜿蜒河流演变问题真正的科学研究从 ，世纪初人们对蜿蜒河流的野外勘察和测量以及相关的河工模型试验算起至今已有一百多年的历史人们

11、、。对蜿蜒河流的研究从野外勘测理论研究数值模拟试验研究等方面取得了长足的进展 3. 1 弯道水流泥沙运动机理研究进展 ，、水流是推动泥沙运动的动力与顺直河道相比弯道中的水流存在水面横比降流速重分布和二次 ，。环流现象二次环流 指 的 是 与 河轴垂直的横 向 水 流它 与 沿 河 轴 方 向 的 主 流 相 互 叠 加形 成 螺 旋 流 ,4,5,。 （ 1933 ） ，动马卡维耶夫直接利用雷诺方程导出了轴对称水流条件下的运动方程式为弯道环流的 ,6,7,8, 。 （ 1957 ） 、Rouse （ 1959 ） 、Schlichting （ 1968 ） 近似理论解奠定了基础罗索夫斯基等在静

12、压假定前 ，提下导出了弯道的水流运动方程和连续方程给出了二次环流计算的理论公式形成了关于二次环流 ,9 ，10, 。 Johannesson Parker（ 1989 ） ，。的早期经典理论和 指出二次环流是引起主流流速重分布的重要原因,11, （ 1993 ） ，张红武对多个河弯概化模型进行了水流运动规律试验研究和理论探讨提出了形式简单且较,12,13,14,15, KkkawaYeh。、i、为实用的环流流速垂线分布公式此外王平义谈立勤蔡金德等刘焕芳 ,16,17,18,19,20,Kennedy、Chang、Albers Steffler、Odgaard、Blanckaert Vriend

13、、Thorne 和 和 和 和 ,21, Zevenbergen 、等利用理论推导试验统计等方法从弯道水流的二次环流结构能量耗散床面剪切力等多种角度研究了弯道中的水流特性共同构成了弯道水力学的基本理论体系 ，与顺直河流相比弯道中泥沙运动的一个显著特点就是存在泥沙横向输移现象另外在泥沙横向 ,22,，输移过程中受弯道水流影响河流凸岸的泥沙较细而凹岸的较粗边滩上游部分的泥沙比下游部分 ,23,，。 Allen（ 1970 ） ，的要粗形成泥沙粒径的横向分选最早建立了描述泥沙分选机理的理论模型将泥沙 Brdge i颗粒所受 水 下 有 效 重 力 的 分 力 与 二 次 环 流 的 拖 曳 力相平衡

14、建立了泥 沙 分 选的计算 方 程,22,（ 1982 ） ; ，将泥沙颗粒横 向 力 的平衡 与 经验弯道地形相 结 合计 算 泥 沙 垂 直 于 河 道 方 向 的 横 向 分 选,24, Odgarrd （ 1981 ） ; ，假 定 弯道 床面中所有泥沙颗粒都 处 于 临界起动 状 态建 立 了 泥 沙 静 态 分 选 模 型,25,Parker Andrews（ 1985 ） 和 通过对可动床面地形和泥沙粒径概率密度函数进行线性求解研究了推移质 26,; Ikeda（ 1989 ） ，泥沙的分选现象研究了均一曲率明渠中床沙平衡状态下的泥沙分选指出泥沙分选的 ,27,; Wormlea

15、ton （ 2005 ） 主要动力是粗颗粒泥沙的重力与水流作用力比值大于细颗粒泥沙等利用大型水 ，槽试验研究了二次环流对弯道中床沙分选的影响目前仍然没有一个完整的模型将引起泥沙分选的 ，所有因素全部考虑进去弯道泥沙分选问题需要进一步深入的理论研究3. 2 蜿蜒河流纵向变形研究进展，河流纵向变形主要指床面形态的变化它是河流动力学的基本内容也是目前大多数河流泥沙数学 ，模型要解决的主要问题由于蜿蜒河道内水流结构复杂相应的河床变形也非常复杂二者相互耦合为我们带来了具有挑战性的科学课题，单纯从弯道水力学的角度研究河弯内的水流结构及床面形态问题是远远不够的河弯中的很多现 ,28, 。 Bendegom

16、（ 1947 ） ，象是在水流和床面耦合作用下形成的荷兰工程师 从一个平整的床面开始对弯 Engelund 曲河道中的床面变形进行了 计 算这 可 能 是 最 早 的 关 于 弯 道 床 面 变 形 和 稳 定 性 的 研 究,29,（ 1974 ） ，采用摄动方法从理论上研究了弯道中的水流与床面形态特点得到了弯道水流和床面形态的 ，: v = v+ v h、，u = u+ u、线性理论解其基本思想为将弯道中的水流流速水深等变量进行摄动展开如 珔珋 珔珔= h + h ，u，v; u ，v ，h ，h 其中 珔珋分别为基本流流速和水深为因弯曲引起的相对于基本流的变化其中 ,29, “”，。 E

17、ngelund（ 1974 ） 即通常所说的超深就是水深由于河道弯曲而超出平均水深的部分的研究方法 ,30,31,，Ikeda Parker （ 1981 ） ，Vriend （ 1987 ） ，Smith 后来被很 多 的 河 弯 理 论 研 究 者 沿 用 和 发 展如 和 ,32,33,（ 1984 ） ，Johannesson Parker（ 1988 ） 。 ，和 等在摄动方法应用过程中方程无量纲化后根据实际物 ,32,29, ，Smith（ 1984 ） Engelund （ 1974 ） 理图景正确地确定变量的量级非常重要将 基本方程中因弯曲引起 ,32, ,29, ，。 Smi

18、th （ 1984 ） Engelund （ 1974 ） 的动量变化由二阶量改为一阶量得到了不同的结论和 的模型都 ,33, ，Johannesson Parker （ 1988 ） ，忽略了环流作用下的基本流重分布问题和 考虑了该因素并解释了二次 环流强度与河道曲率之间存在的相位滞后现象 ，、弯道中水流与床面的相互作用非常复杂相互作用的结果包括点沙坝和深槽自由沙坝超深现象 ,12,，。 和共振现象等不同的沙坝形态可以统称为成型淤积体为了揭示弯道中水流与床面的相互作用的 ,34, ，Blonddeaux Seminara （ 1985 ） ; ，内在机理和 考 虑 水 沙 耦 合 作 用建

19、立 了 沙 坝河 弯 的 统 一 理 论,35,Johannesson Parker（ 1989 ） ，和 增加了对流速沿垂线分布的考虑并将基本方程分解为与曲率相关的点 ，、，沙坝问题和与曲率无关的自由沙坝问题最终给出了河弯中流速水深和床面地形的线性理论解该理 ,36 ，37,，Howard （ 1984 ，1992 ） ，Sun 论体系较为完 善提出后 被广泛应用于河弯 运 动 过程的 数 值 模 拟如 ,38 ，39,1,（ 1996 ，2001 ） ，（ 2008 ） 。许栋等 3. 3 蜿蜒河流横向演变研究进展蜿蜒河流研究的目的之一就是预测河弯的横向摆动目前最为行之有效的方法就是从河道

20、形态的 ，1999 2003 历史演变数据出发研究和预测河道的演变如美国国家科学院交通运输研究学会从 年到 年 利用航片和地图进行的河弯迁徙预测这种方法要以大量实测资料为依据理论模型是预测河弯演变 的另一强大工具目前最常采用的方法就是将近岸流速与河岸侵蚀速率关联起来预测河岸的 运 动,30, Ikeda Parker（ 1981 ） ，和 在小波幅河弯条件下得到了河弯形态运动的微分方程通过对方程的稳定性，分析计算出了河弯的稳定波长和最不稳定波长认为顺直河流将沿最不稳定波长开始发生弯曲而在 稳定波长的条件下河弯将匀速向下游迁移而无横向变形该理论中对河弯运动的线性和非线性分析 ,29,，Engel

21、und（ 1974 ） ，具有开创性然而由于采用 的经验弯道床面地形来考虑二次流的影响模型较为粗 ,40,41,34,。 Parker （ 1983 ） ，Beck （ 1983 ） ，Blondeaux Seminara （ 1985 ） ，Johannesson Parker糙和 和 ,35,42,37,43,（ 1989 ） ，Parker Andrews （ 1986 ） ，Howard （ 1992 ） ，Seminara Tubino （ 1992 ） ，Lancaster 和 和 ,44 ，45,46,（ 1998 ，2002 ） 。 （ 2002 ） ，等发展了该模型王兆印等利

22、用水流移床力和河道运动学的概念从推动 、河道摆动的整体效果考虑了水流 变 化 对 河 弯 运 动 的 作 用概 念 较 为 清 晰 合 理孙 昭 华李 义 天 等 ,47,（ 2007 ） 、，则将水沙变异引起的河流系统响应归结为一定地质地貌及原始河床边界条件下水沙条件 ，的某方面特征变化对系统特征的影响理论研究是认识河流弯曲演变规律的最根本的途径受认识水 ，。平限制这方面的研究还需要一个长期的过程 近岸流速与河岸侵蚀 速率 之间的关系称为河岸侵蚀模型它 是 河 弯 理论的重要组成部分早 期 ,48,ckn Nanson（ 1975 ） Hii，和 将蜿蜒河流凹岸法线向移动速度与弯道曲率联系起

23、来能够较方便地计算 ,30, ， keda Parker （ 1981 ） 。I弯道的横向弯曲发展但不能预测河弯向下游方向的迁移和 采用河岸侵蚀速 ，u率与近岸摄动流速 成比例的线性河岸侵蚀模型具有清晰合理的物理背景被广泛应用于河弯理论,34,19,49,，Bondeaux Semnara（ 1985 ） ，Odgaard（ 1986 ） ，Edwards（ 2002 ） li。分析中如 和 等另外还有从土坡 ,50,，Rodrguez Garca （ 2000 ） ，Chitale 稳定性出发建立的针对 粘性和 无 粘性土 质的河岸侵蚀模型如 和 ,51,52, ,53,（ 2003 ） ，

24、Chen Duan（ 2006 ） （ 1989 ） ，。和 的模型具有对河岸崩塌更为细致的力学描述倪晋仁 ，指出现行河相关系研究中人们所探索的第四封闭方程实质上就是关于水流冲蚀能力和河道边界抗冲 蚀能力之对比值与宽深比的关系 3. 4 河流地貌与河流沉积学研究进展 ，水流是地貌风化作用的重要因素在冲积平原上当一条蜿蜒河流在演变过程中移过一片区域后、，会通过点沙坝沉积牛轭湖沉积自然堤沉积粘土塞作用决口扇沉积等形式刻画所经过的地形而这、，种地形通过土质抗冲性地形坡降等因素又反过来影响未来河弯的发展从而形成相互作用相互影响 ，: 、的复杂动力过程因此完整的河弯演变模型应包括三部分内容弯道水流模型河

25、岸侵蚀模型和地形 沉积模型 地形沉积模型主要 描 述 河 道 移 动 后 对 所 经 区 域 地 形 的 影 响属 于 地 貌 学 及 河 流 沉 积 学 的 内 容,54,55,56,57, Bridge（ 1975 ） ，Jackson（ 1976 ） ，Allen（ 1978 ） ，Willis（ 1989 ） 较早地建立了河弯迁移与沉积结 构的耦合模型模型中主要考虑了理想化的单个河弯内的点沙坝的分层沉积理论研究和野外勘测表 ，明悬移质中的粗沙的沉积速度随着离开主河道距离的增大而减小河弯中的地形沉积速度随着地形年 ,37,，Howard（ 1992 ） ，龄的增大而减小认为这主要是由于老

26、地形一般高于新地形且离开河道的距离较远 ， ，、。造成的并据此将沉积速率表达为相对地形高度细沙沉积速度和特征扩散长度的函数目前河流沉 积学的研究正在向深层次综合化和定量化方向发展 4 蜿蜒河流横向演变过程数值模拟研究进展，对蜿蜒河流横向演变的预测和演变过程的模拟可以从沿水深积分的平面二维浅水方程出发结合 一定的河岸侵蚀模型来实现其基本过程为计算水流运动计算河床和河岸运动更新河道形态更 ?,58, 、（ 2002 ） 新水流运动如夏军强王光谦将正交曲线坐标系下的平面二维水沙数学模型和粘性河 ?，、。 岸的冲刷模型结合模拟了游荡型及蜿蜒型河道内的水流运动及河床河岸变形随着计算机硬件以及 ,59,，

27、Olsen（ 2003 ） 计算方法的不断发展近年来有不少研究者尝试利用三维模型进行河弯模拟如 利用有 ，限体积法计算三维水流运动并利用动网格技术模拟河流边界在水流作用下的运动整套数学模型在高 ,60, ，; Clevis Tucker （ 2006 ） 性能计算机上运行逼真地再现了河弯演变的全过程和 等采用类似的方法对 ，河弯演变和地形沉积进行了三维数值模拟二维和三维的数学模型具有较清晰的物理图景能够模拟 、，蜿蜒河流的横向演变河宽的变化甚至河流的分汊较适用于局部河段的模拟但由于计算量较大仅不 适用于大尺度长时间的模拟 ，对于大型蜿蜒河流整体形态的长期演变可以在河宽不变等假定下将二维控制方程

28、进一步简化建立 ,37, ，。（ 1992） Johannesson Howard 了河岸移动速率与当地河道曲率之间的关系模拟河弯的演变如 采用 和 ,35,30, Parker（ 1989） Ikeda Parker（ 1981 ） ，的弯道水流理论模型以及 和 的线性河岸侵蚀模型模拟等宽蜿蜒 ,39, ，; Sun （ 2001 ） 河流河道中心线的运动另外加入地形沉积演变模型模拟了河弯和地形耦合发展的过程,35, Johannesson Parker （ 1989 ） ; Paul Sun ，采用 和 的 模 型建 立 了考虑床沙分选的河弯演变数学模型和 ,38,30,（ 1996） I

29、keda Parker（ 1981） ，采用 和 理论建立了相似的模型在沉积模型中考虑了点沙坝沉积和裁弯 ,1, ，; （ 2008 ） 取直两种因素研究了牛轭湖中粘土塞对河弯演变的影响以及河曲带的形成过程许栋采用类似 ，的方法建立了河弯演变和地形沉积耦合作用模型并通过模拟研究了蜿蜒河流对稳定河弯波长的选择效 ，应此类模型能够模拟河流大尺度长周期的演变较适于河流地貌问题的研究 ,61, ，。 Liverpool Edwards（ 1995 ） 此外近年来出现了一些模拟蜿蜒河流形态演变的新方法如 和 等基 本随机过程理论进行研究较好地模拟出了河流弯曲的形态但不能模拟河弯随时间不断变化的过程,62,63 ，64, Raina（ 2004 ） ，Coulthard（ 2006 ，2007 ） ，将细胞元模型引入到了河流演变的模拟中细胞元模型中，河流的河道由离散分布的众多细胞元构成这种方法充分地体现了河流自我调整的自组织过程能够较 好模拟河流弯曲分汊甚至游荡特性5 结论，作为自然界中最为常见的河流形态之一