非饱和输沙条件下典型分汊型河道几何形态调整变分数理研究

Mechanism of anabranching channel geometric adjustment is one of trans-discipline research topics and also a hot scientific question in both fluvial morphology and river dynamics. Grasping the mechanism of anabranching channel geometric adjustment under the conditions of variable incoming water and sediment bears theoretic and realistic significance in understanding fluvial processes and guiding scientific training of anabranching channels. Due to its great complexity, studies on this topic are still dominated with empirical analyses, lacking convincing theoretical support. The equilibrium theory for alluvial channel flow is based on the variational principle. With the aim of discussing the applicable scope and conditions of the equilibrium theory on anabranching channel geometric adjustment under the condition of unsaturated sediment transport, typical anabranching channel downstream the Three Gorges being selected, this research will firstly analyze the dynamic responses of anabranching geometry to variable incoming flow-sediment processes and channel boundary conditions based on measured data, filed observations and generalized model test. Secondly, combined with variational theoretical analysis, it will study the mechanism of anabranching channel geometric adjustment under the condition of unsaturated sediment transport. Finally, the trend of channel geometric adjustment of typical anabranching reach in middle and lower Yangtze River will be also discussed. The potential outputs of this research will broaden the knowledge of anabranching river fluvial processes, and be helpful to comprehensive management of the anabranching reaches.

分汊型河流的形态调整机理是河流地貌学和河流动力学的一个交叉研究领域和热点问题，认识水沙变异条件下非平衡态分汊型河流的形态调整机理，对理解分汊型河流演变规律，指导分汊型河流的科学治理具有重要理论和现实意义。由于问题的复杂性，有关的认识仍以经验性为主，缺乏坚实的理论支撑。以探讨建立在河道形态自动调整变分原理基础之上的冲积河流平衡理论在非饱和输沙条件下分汊型河道几何形态调整过程中的适用条件和范围为目的，本研究以三峡工程坝下游典型分汊河道为对象，采用实测资料分析、野外调查、概化模型试验相结合的方法，分析分汊型河道几何形态与水沙动力、河床边界条件的动态响应过程，结合变分数理分析的理论方法，研究非饱和输沙条件下分汊型河道的几何形态调整机理。最后对长江中下游典型分汊型河道几何形态调整的趋势进行预测。项目成果将拓展对分汊型河流河床演变规律的认识，为分汊型河流的综合治理提供决策参考。

认识水沙变异条件下非平衡态分汊型河流的形态调整机理，对理解分汊型河流演变规律，指导分汊型河流的科学治理具有重要理论和现实意义。本研究以三峡工程坝下游典型分汊河道为对象，采用实测资料分析、野外调查、概化模型试验相结合的方法，研究了分汊型河道形态调整与水沙动力、河床边界条件的响应过程，结合变分数理分析的理论方法，探讨了冲积河流平衡理论在非平衡态分汊型河流向平衡调整过程中的适用性，并预测了长江中下游典型分汊型河道几何形态调整的趋势，取得主要研究成果如下：.（1）三峡工程蓄水运用以来，坝下游河道挟沙水流表现为明显的非饱和输沙特性；分汊型河道总体处于冲刷态势，但主支汊格局基本保持稳定。不同类型分汊河道形态调整表现出一定的差异性，具体表现为：对卵石夹沙河床弯曲分汊河型由蓄水初期枯水河槽刷深为主向近期河道展宽为主转变；沙质型弯曲分汊型河道主支汊均出现不同程度的冲刷状态，主汊冲刷幅度相对较大，未受护岸工程防护的江心洲局部位置常处于冲刷崩退展宽状态。鹅头型分汊河道形态调整受上游河势调整进口主流走向、改变节点挑流作用的影响。冲刷条件下沙质型分汊河道断面形态调整过程的概化试验研究结果表明：在试验非饱和输沙条件下，断面宽深比总体呈现增大的趋势。.（2）分汊河道形态调整的变分分析结果表明：分汊河道整体最大输沙能力随分汊数的增多而减少，对应最大输沙能力的河道总体宽深比增大；当分汊河道总宽度增加时，河道整体的输沙能力相应减小，与三峡工程蓄水运用后坝下游河道来沙量显著减小相适应，可避免河道过度冲刷，表明冲积河流平衡理论仍适用于指导非平衡分汊型河道形态的向平衡调整过程研究。.（3）典型分汊河道演变趋势预测结果表明：卵石夹沙分汊型、沙质弯曲分汊型、沙质鹅头型分汊河道，预计仍将保持现有主支汊格局。.本项目相关研究可丰富分汊型河流演变规律的理论基础，同时可为分汊河道的整治规划提供决策参考，具有科学意义和实践价值。