第1章 河床演变的滞后响应

1.1 河床的非平衡演变过程

河流是自然界中水流和泥沙输送的主要通道，它一方面沿程从流域面上不断接受水和泥沙，另一方面又源源不断地把水和泥沙输向大海。在水和泥沙通过河道输往下游的过程中，河流通过泥沙的冲刷、输运和沉积，使河床不断发生冲淤变化。河流的冲淤调整并非盲目的，而是朝一定的平衡趋向发展，从微观上表现为水流挟沙力与含沙量的无限趋近，从宏观上则表现为河道形态向一定的水力几何形态发展。正是河流存在的这种“平衡趋向性”，为研究在水流作用下河床的形态特征及其变化规律提供了方便和可能，也是我们理解和把握各种复杂河床演变现象及其内在联系的一把钥匙。

冲积河流可以看作是一个具有物质和能量输入和输出的开放系统（Leopold和Langbein，1962；Knighton，1998）。在这一开放系统中，来水来沙是流域施加于河道的外部控制变量，河床的冲淤变化和河槽几何形态的调整则是内部变量对外部控制条件的响应，结果会使河槽形态朝着与来水来沙相适应的平衡状态发展（谢鉴衡，1982；钱宁等，1987）。这一概念既反映了河流特性取决于流域因素的观点，又强调了系统的自动调整作用。所谓冲积河流系统的自动调整作用（或称自动调整原理），是指冲积河流具有的“负反馈机制”或“平衡倾向性”，即当一个河段的上游来水来沙条件或下游边界条件发生改变时，河段将通过河床的冲淤调整，最终建立一个与改变后的水沙条件或下游边界条件相适应的新的平衡状态，结果使得来自上游的水量和沙量刚好能够通过河段下泄，河流保持一定的相对平衡。

由于流域来水来沙条件的不断变化，天然河流不断受到各种扰动的影响，河床无时无刻不处在变形和发展之中，平衡只是河床演变发展的一个阶段性目标或者一个短暂状态（Phillips，1992；Wu等，2012），河床的不变只是相对的，其变化是绝对和长期存在的。然而，冲积河流通过自动调整作用会朝着使变形停止或消失的方向发展，结果在一个较长时期内，作为平均情况而言，河流可以趋向或达到一定的相对平衡或动态平衡状态（钱宁等，1987）。在人类活动干扰相对较小，流域来水来沙条件总体上变化不大的情况下，河流相对平衡状态的存在，为人们认识和掌握河床演变规律带来了诸多方便，正因为如此，经典的河流地貌和河床演变学专著和教科书，如《Fluvial Processes in Geomorphology》（Leopold等，1964）、《The Fluvial System》（Schumm，1977）、《Engineering Analysis of Fluvial System》（Simons等，1982）、《河流泥沙工程学》（谢鉴衡，1982）、《河床演变学》（钱宁等，1987），主要关注的是河流平衡态的演变特性及描述方法，如河相关系和多种极值假说等。

随着社会经济的快速发展，人类活动对河流系统的干扰程度不断加剧，造成了水文稳态性的丧失，深刻改变了流域的来水来沙及河流的边界条件，破坏了河流自身原有的相对平衡状态，对河流系统产生前所未有的深远影响。如我国的长江和黄河，由于中上游水库修建对水沙的巨大调节作用，导致下游河道发生了大幅度的冲淤调整，河流长期处于强烈的非平衡状态中。此外，在一些中小河流上各种河流生态环境恢复和重建措施的不断实施，也必将对河床演变过程产生深刻影响。迫使人们不仅关注河流的相对平衡状态，更要关注河流的非平衡演变过程，以满足变化环境条件下的江河治理、河流保护及河流生态修复的需要。

在以往河床演变的研究和实践中，由于缺乏描述河流非平衡演变过程的理论和方法，往往只能采用指数衰减函数、幂函数、对数函数、多项式等非线性函数来描述。例如，Simon和Klimetz（2011）在分析1980年美国圣海伦斯火山爆发导致的图特河北汊（North Fork Toutle River）河道重新发育过程中，采用分段的指数衰减函数方法模拟了河床深泓高程的变化过程，虽然模拟结果很好，但分段模拟割裂了各段之间的联系，很难揭示河床交替冲淤调整的内在机理和发展趋势。由此可见，对于一个具体问题采用什么样的非线性函数来描述，往往具有较强的经验性、任意性，不仅很难确切反映河床交替冲淤的复杂调整过程，也无助于对所描述现象背后机理的认识。

河床自动调整原理是河床演变须遵循的最基本原则，它指出了非平衡态河床调整的方向和目标，对于非平衡态河床演变研究具有重要的指导意义。但存在的问题是，非平衡态河床的具体调整过程有哪些方式和特点？河道形态变量的演化过程遵循哪些原则和定律？可以采用什么样的理论方法和数学模型对河床的调整过程进行描述？这些都是河床演变学研究必须回答的重要科学问题，也是江河治理及河流生态修复研究中的前沿课题。