冲积河流线性理论在分汊河流演变过程中的应用研究

冲积河流河床演变是一个复杂的非线性自调整过程，长期以来由于缺乏可信的理论支持，对这一过程的认识目前依然以经验性为主。以检验由申请人和合作者在2006年基于单一顺直河道演变机理分析的基础上建立的冲积河流线性理论在分汊河流河床演变中的应用性为目的，本研究将首先开展理论分析与实际勘测结果的对比研究，明晰影响冲积河流线性理论实际应用的主要因素，同时针对分汊型河流的地貌演变特征，分析不同江心洲形态可能对河道输沙的影响，确定河道输沙达到平衡时的水动力与河道边界组成条件及江心洲形态。最后，构建基于线性理论的分汊河道沿程变化渐变流运动数理模型和相应的数值模拟平台，分析三峡工程修建后可能引起的长江中下游河道形态的调整幅度与方向。

在面上基金项目的资助下，申请人与团队成员密切合作，对冲积河流线性理论及其相应的河流平衡特性进行了进一步完善，系统检验了影响平衡状态的主要因素及其贡献，开展了理论计算结果与长江中下游典型河段过水断面实测形态的对比研究，并针对长江中下游分汊河道中常见江心洲的地貌形态特征，构建了水动力学分析模型，利用基于河道形态变分的分析方法确定了江心洲达到稳定平衡形态时的水动力条件，评估了江心洲稳定形态对不同分流分沙组合的响应。此外，本研究还建立了基于冲积河流线性理论的分汊河道河床演变数学模型，并检验了其在长江中下游河床演变中的实际应用性。通过四年的研究工作，完成了研究计划拟定的工作任务，取得的研究成果主要包括：.（1）证实了冲积河流线性理论在大江大河中的实际应用性。针对目前存在众多半经验的推移质挟沙力公式的情况，本研究选取国际上较为通用的Meyer-Peter and Muller推移质输沙率公式和对其进行修正后的另外三个输沙公式，包括一个基于线性理论建立的推移质输沙率公式，利用冲积河流线性理论计算得到的河道静态平衡形态与长江中下游河段实测数据进行对比，结果表明，采用基于冲积河流线性理论修正的Meyer-Peter and Muller公式给出了的理论结果与实际观测最为相符。.（2）利用线性理论确定了决定江心洲平衡形态的主要水动力条件。根据长江中下游弯曲分汊段江心洲的实际形态，将江心洲概化为等腰三角形体，利用基于河道形态变分的分析方法，确定了分汊河道达到静态平衡时的水动力条件，即流程短的一汊的分沙比需略大于该汊的分流比。在此基础上，选取长江中下游监利、天兴洲、戴家洲、江心洲、梅子洲五个江心洲检验理论分析结果，发现理论计算的洲体形态与实测结果之间的相对误差在+/-10%以内。.（3）建立了分汊河流河床演变数学模型。利用基于冲积河流线性理论构建了分汊河流河床演变数学模型，然后根据长江中游汉口-黄石河段2002-2004年的水沙资料和2002年的实测地形，对模型的应用性进行了检验，结果表明，水位过程的计算值偏离实测值的范围在±3%之间，河段冲淤性质的计算结果与实测情况一致，但冲淤量存在一定差异，相对误差在20%以内。