弯曲河道成因及演化机制研究进展

渠庚 郑承太 赵占超 尹大聪

摘要：在总结前人研究成果的基础上，对弯曲河道咸因、水沙运动规律、河道演化机制3个方面的研究进展进行了概述。在弯曲河道成因研究中，概述了水沙变化、河床比降等对弯曲河道形成发育过程的影响;在弯曲河道水沙运动规律中，概述了水面横比降、横向环流和流速分布以及泥沙的榆移问题等对水沙运动规律的影响;在弯曲河道演化机制中，概述了弯曲河道演化过程中出现的撇弯切滩现象。通过对以往研究的系统梳理发现，弯曲河道在形成过程中受水沙及边界条件的影响较大，目前对大尺度弯曲河道形成机制的影响因素的作用强度及水沙条件变化后弯曲河道非典型演变特性的研究成果较少，为进一步阐释弯曲河道的形成及演变机制等方面的问题，对弯曲河道的咸因及演变机制研究进行了展望。

关键词：河道演变，弯曲河道，环流，榆沙带，泥沙分选，撇弯切滩

中图法分类号：TV147文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.02.003

弯曲河流广泛存在于各大河流之中，它具有两个典型的特点：迂回曲折的外形和蜿蜒蠕动的动态特征。在自然界变化万千的河床形态中，这类河流是分布最为广泛的。有相关的统计资料表明，无论河流尺度大小（不同河宽和分布范围），还是地处山区或者平原，河流均可发育成弯曲河流，自然界几乎不存在长度超过10倍河宽的顺直河段。纵观世界大江大河，如美国的红河（Red River）、阿巴拉契科拉（Apalachieolo）河、密西西比（Mississippi）河，加拿大的斯阔米什（Squamish）河、比顿（Beatton）河、劳伦斯（Lawrence）河，瑞典的克拉尔（Klaralven）河以及我国海河流域的南运河，淮河流域的汝河、沙河和颍河，黄河流域的渭河，长江流域的汉江下游河段和下荆江河段等，都是典型的弯曲河流，其中我国长江下荆江河段有“九曲回肠”之称。

开展弯曲河道成因及其演化机制研究可为河道治理、港口兴建、引水防沙、改善航运等方面提供技术支撑。蜿蜒河流的长期演变规律、河流地形沉积问题等课题一直受到国内外学者关注。自20世纪30年代起，众多国内外学者通过野外观测研究、物理模型试验、理论分析和数值模拟等方法对弯曲河道的形成条件、水沙运动特性及演变规律等进行了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。但鉴于弯曲河流演变的复杂性，为下一步深入开展弯曲河道形成机制及水沙变化条件下河道演变特性研究，有必要对相关问题进行系统梳理。

1 弯曲河道成因研究

在自然状态下，弯曲河流的横向迁移是一个缓慢的渐变过程，时间尺度较长，而在自然裁弯发生时，又是一个快速发展的过程，时间尺度较短，这使得在野外对其全演变周期进行连续观测有很大的难度。鉴于此，众多学者采用了在室内水槽塑造弯曲河道的方法对其形成和演变过程进行试验研究工作。实践情况表明，通过室内水槽来塑造出弯曲度较高且形态相对稳定的弯曲河道，在试验设计方面仍然具有较大难度，难以全面解释弯曲河道的形成机制。国内外学者通过室内水槽试验，探究了不同因素对河道发育过程的影响，取得的主要成果见表1。

从已有的研究成果来看，弯曲河道形成的影响因素可分为以下几类：水流因素、泥沙因素、河床底坡因素、植物因素和其他因素。

1.1水流因素

水流作用因素主要与水流流速大小、变幅、方向和水流在弯道的进口条件有关。J.F.Friedkin试验表明，不同的有效流量条件都有与之相适应的不同弯曲河道。尹学良试验表明，在恒定流时，河道在发育过程中一般不会有高滩出现，难以形成弯曲河道。洪笑天认为，要塑造出弯曲形态理想、发育良好的弯曲河道，需要有洪、中、枯不同流量级的交替冲淤作用。C.A.Braudrickt、F.Visconti和洪笑天的研究有类似的现象。C.A.Braudrick认为在弯曲河道的塑造过程中，需要流量的变化，而在弯道塑造成形后，不再需要流量的变化;F.Visconti认为变化的流量更容易塑造出弯曲河道。关于上游来流的进口条件对下游河道發育过程的影响情况，诸多学者持有不同的观点。J.F.Friedkin认为上游来流的入射角对于弯道的形状和尺寸具有关键影响，实验室塑造出的弯道形状和尺寸由流量、比降和进口水流入射角共同决定。尹学良则认为，上游来流的进口条件对下游河道的发育过程影响很小。张俊勇研究与J.F.Friedkin较为一致，表明上游来流进口条件对弯道的形成有重要的影响，其影响程度与河床条件有关，要塑造出弯曲河道，上游来流人流角需大于O°。Van Dijk认为上游的扰动和河漫滩的形成，是弯曲河道形成和维持的重要条件。

1.2 泥沙因素

泥沙作用因素的不同，主要取决于进口泥沙级配、床沙组成等。J.F.Friedkin实验发现，要成功塑造出弯曲河道，床沙组成中至少要含有30%的细颗粒泥沙。E.C.Smith通过实验成功塑造了弯曲度达到2.0的弯曲河道，其研究表明，添加足够的低密度细颗粒材料，可以成功塑造出高度弯曲的自然小河。J.Peakall和K.P.Dulal实验表明塑造弯曲河道必须要有足够的黏性物质，且认为细颗粒泥沙就能产生足够的黏性作用。K.P.Dulal认为黏性物质含量达到20%即可形成中、高度弯曲的河道。在VanDijk实验中，持续加入了含量为25%的黏性物质，成功地塑造出了弯曲河道，证实了K.P.Dulal的观点。C.A.Braudrick实验表明，细颗粒泥沙在某些特殊部位（如凸岸边滩上游、凸岸边滩弯顶下游）的淤积作用，可以维持凸岸的增长，这对于弯曲河道的形成至关重要。尹学良实验表明，细颗粒泥沙对于弯道形成过程的作用明显，在大水期间加入细颗粒悬移质所塑造出来的弯道与天然弯曲河道特征较为相似，若未加入细颗粒悬移质，则易形成游荡型河道。洪笑天研究则表明，能否形成弯曲河道，与河道内泥沙的运动形式有关，若河道内泥沙运动以推移质形式运动为主，则难形成弯曲河道，若以悬移质形式运动为主，则有可能形成弯曲河道。张瑞瑾认为，形成弯曲河道的有利条件有：①河谷较宽广，河流有回旋的余地;②河岸较低且多为二元结构，其表层多为黏土或黏壤土，不易冲刷，而底层多为沙土，较易冲刷。

1.3 河床底坡因素

河床底坡因素不同，主要包括河床的横、纵底坡情况。J.F.Fd。dkin认为，比降的增大，同增大流量的作用效果相似。尹学良认为，河床的底坡会影响水流的输沙能力，纵底坡不同，水流的造床作用也就不同，要塑造出弯曲河道，河床的比降应该处于一个合适的范围（介于形成单股无汊和发生淤积的比降之间）。洪笑天认为，河床的横纵底坡对塑造弯曲河道存在影响，不宜过大或过小。E.C.Schumm的研究表明，在同流量条件下，顺直河道的底坡坡度一般大于弯曲河道，底坡坡度的不同会导致河型的差异。E.C.Smith的研究则表明，要塑造出弯曲河道，要有一定的纵向底坡，恰当的底坡主要取决于河床材质，河床材质存在差异，相应的较适宜的纵底坡范围随之变化。

1.4 植物因素

以往研究表明，植物因素对河流演化的影响作用主要在于：增强了泥沙的抗剪和抗拉强度，增强了河岸的稳定性，植物阻力作用减小了近岸流速，抑制了河岸的崩塌，在一定程度上增加了河道的稳定性，使得河道向窄深发展。有关学者对此开展了大量研究，并取得了一定的认识。K.Gran研究表明，河道植物可改变河道水流的方向并影响河道形态，其影响程度与植被的密度有关。M.Tal研究表明，植被的存在可减小河道展宽速率并阻止发生弯道裁弯，使弯曲河道凹凸岸冲淤相对平衡。M.ChurCh认为，植物只是河道发育过程中的附加因素而非控制性因素，控制因素仍然是水沙因素。J.Peakdll也认为对于弯曲河道的成功塑造，植物作用并不是必要因素，只要有细颗粒泥沙能产生足够的黏性即可。

1.5 其他因素

其他因素主要指人为因素及河道边界条件影响，常见的有护岸护滩工程和整流建筑物。这些人为因素对于河道演变过程有显著的影响，可以较大程度地改变水流结构，控制河势，稳定岸线，使得河道格局不再发生较为明显的变化。从河床边界条件来看，河道中存在的天然矶头、河床河岸的分层组成结构、河谷的宽广程度，均对河道演变过程有一定程度的影响。

2 弯曲河道水沙运动规律研究

弯曲河道水沙运动与弯曲河道河床演变、河道整治等关系密切，对此，有关学者开展了大量研究工作，取得不少有意义的成果，主要分为两个方面，即弯曲河道水流运动规律和泥沙运动规律。

2.1弯曲河道水流运动规律

从已有的研究成果来看，关于弯曲河道水流运动规律的研究主要可以分为三大方面：弯道水面横比降问题、橫向环流问题及弯道流速分布问题。诸多学者提出了理论计算公式，研究成果汇总见表2-4。

2.2 弯曲河道泥沙运动规律

从已有的研究成果来看，关于弯曲河道泥沙运动规律的研究，主要包括泥沙的起动流速、泥沙输移、推移质输沙带和泥沙分选等问题。

2.2.1 弯曲河道的泥沙起动流速

关于泥沙起动流速的计算，自20世纪60年代起，就有诸多学者经过大量的研究得出了形式不一的计算公式，如窦国仁公式、张瑞瑾公式、唐存本公式、沙玉清公式和韩其为公式等，这些成果对其后的理论研究均有很大影响。弯曲河道的泥沙起动由于受到横向环流的影响，其起动所需的近底流速不同于一般的顺直河道。本文列出了张红武“和王平义提出的适用于弯曲河道泥沙起动流速计算的公式，见表5。

2.2.2 弯曲河道泥沙榆移问题

弯曲河道的泥沙输移问题，主要可以概括为泥沙的横向输移问题、推移质输沙带问题和泥沙分选问题。

弯曲河道泥沙的横向输移是在环流的作用下产生的。在弯道环流作用下，环流上部的泥沙运动至凹岸，环流下部的泥沙运动至凸岸，由于含沙量沿垂线分布是不均匀的，弯道横向输沙与水体的橫向封闭流动不同，横向输沙是不平衡的。关于弯道横向输沙的计算，丁君松、孙东坡和李志威等做了一些有价值的研究。

弯道横向输沙与含沙量和横向流速沿垂线分布的情况有关。丁君松根据罗佐夫斯基的横向流速公式，再结合张瑞瑾提出的沿垂线分布的含沙量公式（也可以是从扩散理论求得的公式），导出了单位宽度内的横向输沙率公式：

孙东坡对其导出的环流流速公式加以修正后，导出了与丁君松类似的单位宽度内横向输沙率公式：

弯道推移质运动有四大显著特点：①推移质的同岸输移大于异岸输移;②输沙成带，推移质在横向断面分布并不遍布整个河宽，而是集中成一个或两个条带向下游输移，主输沙带位于凸岸边滩一侧;③形成横向底坡;④出现横向床沙分选。对弯曲河道推移质输沙带进行精确预报，具有极其重要的实际应用价值。蔡金德和王平义依据弗劳德数最大的位置即为强烈输沙带所在的位置，导出了弯曲河道内强烈输沙带的曲线方程：

弯道泥沙分选是指泥沙在横向输移过程中，受到弯道环流的影响，致使弯道凹、凸岸泥沙和边滩上、下游部分泥沙粗细不一。许栋对诸多学者关于泥沙分选现象的研究情况进行了概述，见表6。

此外，关于泥沙分选的问题，杨树青的研究发现，随着凹岸冲刷和凸岸淤积，粗颗粒泥沙逐渐淤积到凸岸，细颗粒泥沙则随水流主流线不断向前运动，凹岸泥沙逐渐变细，且细颗粒分布带与水流动力轴线分布基本一致。纵观前人已有的研究成果，尚无一个完整的理论体系将引起泥沙分选的所有因素考虑进去，弯道泥沙分选问题有待更进一步地深入研究。

3 弯曲河道演变规律研究

弯曲河道演变规律主要包括河道床面形态变化规律和河湾的横向摆动规律。本文在以往研究的基础之上，对目前大尺度弯曲河道在演变过程中出现撇弯切滩现象进行了梳理。

撇弯是指主流撇开凹岸深泓，改走河槽中部或凸岸边滩，形成新的深泓并造成原凹岸深泓的淤积。切滩是指在一个弯道内，主流抛开凹岸，改走凸岸，将凸岸边滩冲开，形成新的深泓。

谈广鸣在对监利河段切滩演变进行分析时，发现是下游上车湾裁弯引起了上游监利河段的裁弯，这与水流与河床的相互作用过程中一般是上游对下游影响较大的规律不同。通过室内概化试验对产生切滩的原因和条件进行了分析，认为只有在上下游水流条件发生较大变化时，才有可能引起本河段主流向凸岸大幅度摆动，进而引起滩面剧烈冲刷而切滩。谈广鸣在对黄庄至泽口河段撇弯切滩演变原因的分析中，又进一步分析了流量级变化、洪水流量过程改变和来沙条件变化对撇弯切滩的影响。张俊勇对丹江口水库建成后下游的撇弯切滩现象进行了初步分析，认为变化的水流条件是产生撇弯切滩的重要原因之一，撇弯切滩的实质是河道向最佳弯道形态调整的过程。覃莲超以汉江中下游相关实测资料，研究了水流动力轴线变化与切滩撇弯之间的关系。研究发现，当河湾的水流动力轴线弯曲半径R₀与河湾的弯曲半径R的比值大于1.0时，河湾就有可能发生切灘撇弯，当该比值小于或等于1.0时，一般不会发生切滩撇弯;并认为水流条件改变及河势的变化会造成河湾形态与水流动力轴线走向变化，从而引起切滩撇弯。李宁波对长江荆江段七弓岭弯道主流撇弯的原因进行了探究，研究表明七弓岭弯道主流撇弯主要和来水来沙量及其过程、河道型态及河床地质、江湖关系等因素有关。

4 结论及展望

通过梳理以往研究成果，对弯曲河道相关的基础研究取得了一定的认识。以往研究从宏观角度出发，探索了弯曲河道成因，描述了弯曲河道演变规律的影响因素，发现水沙条件及边界变化是引起撇弯切滩的主要原因，但对于各个影响因素在弯曲河道形成及演变过程中的影响程度仍未取得一致性认识。此外，影响弯曲河道演变的因素有很多，如水沙条件、地质地形条件及人为因素，以往关于河道演变相关规律的研究，大多处于定性描述的层面而难以实现定量的分析。对于数值模拟的方法，是在进行大量简化近似之后的基础上进行的，因而数模计算的结果，往往存在一定程度的误差，难以实现对河道演变的长期精准预测;对于物理模型还未能做到充分的相似，在开展弯曲河道研究中存在局限。

因此，关于河道演变，要实现对各影响因素所起到的作用强度的定量分析，应加强各影响因素与河道演变之间复杂的耦合关系研究，增加对新的水沙及边界条件下天然弯曲河道的水沙运动特性的研究，重新确定以往理论成果的适应条件。应增加大尺度河流原型观测，采用大量实测资料对模型进行验证，提高模拟精确性。