第1章 概述
1.1 河流水沙与河流系统研究概述
20世纪80年代以前，国内对于河流的研究，多关注于河流水沙基本理论、河床演变规律，以及相关的防洪、河道治理等问题。20世纪90年代以后，随着社会经济的发展，水电开发和工业化进程的不断推进，河流污染和生态环境问题逐步引起人们的关注，河流系统功能的概念应运而生。河流系统是指河道中相互联系的水、沙、河床以及生态系统之间形成的复杂体系。河流系统中的物理、化学、生物等各种过程涉及了地貌学、河床演变学、河流动力学、沉积学、水文水环境、生态学等多个学科。
1.1.1 河流水沙理论研究概述
河流水沙基本理论包括河流动力学和河床演变学在内的泥沙研究，它的母体在欧美各国为水力学，属于技术科学范畴；而在前苏联则被视为地球物理学的一部分，属于基础科学范畴。随着经济的发展，水利工程和港口航道工程的建设日趋增多，泥沙问题越来越突出，这对泥沙运动理论研究提供了良好的机遇。国内自20世纪50年代便开始河流水沙基本理论研究，张瑞瑾[12]、沙玉清[3]、钱宁[45]、窦国仁[67]、韩其为[89]等老一代科学家为泥沙学科的发展奠定了基础。王兆印[10]等对20世纪90年代中期以前欧美各国的泥沙研究进展作了详细的叙述。王光谦[11]简要说明了泥沙学科的特点，介绍了我国泥沙研究取得的重要成果，讨论了泥沙学科未来的发展趋势，并在流域泥沙方面开展了深入研究。周志德[12]在总结20世纪泥沙研究发展概况时，认为在20世纪上半叶逐步积累的基础上，作为一个标志性成果，1950年汉斯·爱因斯坦提出了第一个泥沙运动力学理论体系；在20世纪下半叶进入百家争鸣时代，20世纪70年代以来又根据大量实测资料，利用计算机进行回归分析得到阻力和输沙率公式，而不拘泥于发展新的理论。
20世纪80年代以来，随着大江大河治理和大型水电工程开发的推动，逐步发展与完善了泥沙学科[13-18]，基本理论体系不断完善和丰富。
1.泥沙的沉降特性
泥沙沉速是研究泥沙运动特性的基础。Stokes提出了关于圆球颗粒在无限水体中运动的水流阻力公式，张瑞瑾、窦国仁、冈恰洛夫、沙玉清等学者对泥沙沉降规律都进行过深入研究。
2.泥沙的起动特性
泥沙起动是泥沙运动理论中最基本的问题之一。沙莫夫（1959）、唐存本（1963）、张瑞瑾（1961）、窦国仁（1960）分别导出了天然均匀沙起动流速公式。张瑞瑾认为细颗粒之间的黏聚力是由颗粒间的吸着水与薄膜水不传递静水压力引起的，从而推导出了均匀散粒泥沙与黏性细泥沙在内的统一的起动流速公式。卢金友（1991）根据长江泥沙实测资料，提出了长江不同种类泥沙的起动流速计算公式。
3.水流挟沙力
水流挟沙力是指在一定的来水来沙条件下单位水体所能挟带和输运的悬移质中的床沙质数量。在解决工程泥沙问题时，水流挟沙力规律是必然要遇到的难题之一。在数学模型中计算河床变形时，要根据挟沙力计算的结果来判断河道的冲淤特性。因此水流挟沙能力一直是工程界和学术界研究的热点问题之一，受到学者们的普遍关注。
关于水流挟沙力，已从不同理论和假设进行了大量研究，取得了丰富的研究成果。张瑞瑾（1961）整理了大量的长江、黄河、渠道及水槽实验资料后，基于“制紊假说”，得到了广泛应用的悬移质挟沙力经验公式。20世纪70年代，窦国仁从能量观点出发，导出了悬移质全沙的水流挟沙力公式，并利用长江和黄河各水文站测验资料及水槽资料进行了验证。杨志达（1973）从单位水流功率的理论模式入手，建立了包括沙质推移质在内的水流挟沙力公式。王士强（1992）从床沙、推移质、悬移质相互交换、相互衔接的物理图形出发，在力学分析、随机分析及紊动扩散分析基础上，提出推移质、悬移质和全沙统一的非均匀沙挟沙力公式，计算结果与实测值符合良好。近期余明辉（1999）等以“制紊假说”为理论基础，考虑浑水相对黏滞性、上游来水来沙条件和床沙级配等因素对水流挟沙力的不同影响，建立了非均匀沙分组挟沙力公式。
对非均匀沙分组挟沙力级配的计算，也有考虑悬移质来沙级配的韩其为方法（1980），也有考虑水流条件和床沙级配的李义天方法（1987）等。
总的说来，以上工作或是对原有公式的改进，或是将颗粒运动的必然性和随机性相结合进行推导，或者从两相流能量方程出发，得出水流挟沙规律。固液两相流理论是研究泥沙运动的基础，刘士和教授（2007）基于两相流理论建立了低浓度挟沙水流运动数学模型。由于两相紊流的结构十分复杂，目前还没有比较成熟的理论能够描述其变化规律，因此在推导时往往要作一些近似处理。因此挟沙力规律还需要更深入的探讨。
4.推移质运动
自法国的Du Boys在1879年提出第一个推移质输沙率公式以来，据不完全统计，目前各种推移质输沙率公式已超过50个。天然河流一般为非均匀沙，对于非均匀沙推移质输沙率的计算有两种方法：一是采用代表粒径计算总的输沙率；二是分不同的粒径级分别计算出各级粒径的输沙率。韩其为（1984）开展泥沙运动统计理论研究，得出非均匀沙运动统计规律；窦国仁（1960）用平均流速为主要指标，导出均匀沙的推移质输沙率公式，其应用也较广泛；刘兴年（1999）从试验与原型观测出发，对宽级配非均匀推移质运动规律进行了系统的研究；卢金友（2009）根据原型观测与水槽试验，提出了适用于长江上游河流的推移质输沙率公式。
总之，泥沙科学经历了几十年的积累，随着国民经济的发展，水利工程和航道工程的建设，泥沙问题越来越受关注，这对于学科发展提供了很好的机遇和条件。水流泥沙数学模型的发展推动着泥沙基本理论研究的进步，目前水库淤积模拟已具备了较高的模拟精度，但坝下游冲刷模拟受理论不成熟和河床组成复杂等因素影响，模拟精度仍不够，泥沙模拟技术的提高有待进一步对泥沙内在运动规律的探索。
1.1.2 河流系统研究概述
长期以来，国内外学者在防洪安全、河势稳定、航道畅通、生态环境保护等问题的研究上进行了深入研究，积累了丰富的经验，但统一以河流系统功能的概念研究河流系统的各种行为和资源属性却是近20年来的新生事物。河流的水流泥沙过程具有多种属性，对于河流地貌系统、生态系统的稳定均起着至关重要的作用。首先，水流是塑造河床的直接动力，泥沙则是改变河床形态的物质基础。其次，河流地貌过程直接决定了栖息地分布和多样性，而且径流过程的多种属性（总径流量、变化幅度、变化周期、各流量级的频率分布、洪水出现时机、持续时间、流量过程变化率等）对于栖息地形态保持、泥沙与养料输移、稀释污染、维持河床基质组成、淹没滩地及缓流区起着不同的作用，流量事件（涨水、落水、洪峰、春汛等）也是一些生态事件的触发因子（如一些鱼类的洄游、产卵），这些对于生态多样性和完整性的维持起着重要作用。
20世纪90年代以来，受全球气候变化和河流上游修建水库、流域内水土保持、采砂等人类活动的影响，长江、黄河等大江大河来水量有所偏小，但来沙量明显减少。围绕水沙条件变化情况下的水沙输移、河道演变、防洪、泥沙调度、生态环境等问题，国内开展了大量的研究，主要包括以下几个方面。
1.人类活动影响下的水沙输移规律
水沙输移过程是河床塑造的基本动力，但目前对水沙输移规律，尤其是冲刷条件下调整规律仍存在认识上的不足。为此，多位学者开展了有关含沙量恢复过程与机理的研究。含沙量恢复的研究涉及到河流动力学中水流挟沙力、床沙交换、泥沙恢复饱和系数等基本概念，也直接影响到长河段水沙数学模型中输沙模式，目前的研究对于机理认识有一定的帮助，但由于问题本身的复杂性，其中仍有一些假定或经验系数，需作进一步的研究。
2.水沙变化与河床演变响应机理
关于水沙变化与河床演变响应机理，中外学者从各种角度做了大量工作。随着水库下游冲刷演变、河型转化现象的普遍出现，国内外学者逐渐开始对此展开调查研究，对工程影响下的演变过程取得了大量的实测资料。对水库下游再造床过程的问题，地学界和水利学界从观测资料分析、试验模拟等多个方面开展了研究，探讨了河谷区域自然条件和水沙条件对水库下游河道冲淤变化、河相关系调整、河床地貌再造等方面的影响。从现有研究来看，由于对天然河流演变机理的认识尚未十分明了，水库下游河势变化趋势从理论上预测也是比较困难的，目前主要依赖于原型资料的分析和河床冲淤演变的模拟预测。
3.水沙变化条件下的防洪问题
水沙变化对防洪的影响体现在以下几个方面：一是河床冲淤变化对洪水位的影响；二是洪水遭遇组合的规律变化；三是由于河势变化引起近岸河床的冲刷进而影响堤防安全。在国内外水库等工程的下游，水沙变化后河床变形对洪水位产生影响的现象均较常见。如法国Garonne河由于上游修水库及河道渠化、人为采砂，下游河道下切展宽严重，河槽容量加大，漫滩次数减少但滩面糙率加大，大洪峰传播速度较建库前大大减缓。河床变形的影响引起广泛的重视，但目前的研究多限于单因素和单河段。关于大范围内的洪水模拟，大多是针对比较稳定的河床边界，仅仅限于对水流过程的描述而较少考虑河床变形。
4.水沙变化条件下的水库调度优化问题
在多沙河流上修建大型水利枢纽工程，水库泥沙淤积问题是面临的关键技术问题，目前一般采用“蓄清排浑”的运用方式。但随着近年大江大河来沙显著减少，这一传统运用方式也在实际应用中不断优化完善，如三峡水库试验性蓄水以来，考虑到坝下游供水需求增加、防洪还存在薄弱环节等因素，尝试进行了提前蓄水、中小洪水调度、汛限水位浮动等不同优化调度方案。由于上游来沙减少再加之水库的拦沙作用，将引起坝下游发生长距离的冲刷和枯水位下降，进而影响河道岸坡稳定与沿岸取水。因此，水库调度方式需根据新的需求和新的情况，不断进行调整优化。
5.水沙变化条件下的生态环境问题
水沙调节后河流生态环境问题包括对生态环境状态评估、生态环境需水量估算等方面。如Bunn总结了水沙变化后对河流生态环境可能产生的各种影响；Sparks、Ward等讨论了流量过程变化对生态栖息地以及生物多样性的重要作用。国内外关于生态需水量的研究是河流研究的热点问题。此外，河流沿岸污染物排放和火（核）电厂温水排放，也对河流生态环境带来一定影响，尤其是大量排放口密集排放，形成数公里的污染带，破坏水环境并影响供水安全。