游荡型河道河势突变调整机制研究

The change of river regime in a wandering reach shows unique characteristics: main channel switches with time and flow direction varies very often. Those changing processes may be gradual, or sudden. Sudden change means a massive change in a short time. Because the sudden change of river regime is discontinuous, those traditional methods on fluvial processes are difficult to interpret the mechanism of sudden change of river regime. Through data collection from filed observation and physical modelling experiments, this project will choose typical variables which show non-linear characteristic with time as research factors. Using these factors, we build a nonlinear oscillation equation to reflect the sudden change processes of river regime, explore the mechanism of sudden change of river regime influenced by the driving force of water and sediment flow, the resistance force of channel boundaries, and the initial state of river regime. Then selecting an appropriate mode of sudden change in the catastrophe theory, we set a theoretical model for the sudden change of river regime in a wandering reach and propose a critical index for sudden change. This model will be identified reasonable and acceptable by physical modelling experiments. Finally, the theoretical model will be applied to evaluate the controlling effects on river regime of river training works which have been built or will be built in the wandering reach in the Lower Yellow River, propose technical measures for predicting, preventing or leading the occurrence of sudden change of river regime. This research will be helpful to expand research domains of fluvial processes study, and be valuable for the designs and applications of river training works in a theoretical and practical sense.

游荡型河道河势演变具有主流摆动不定、流势多变等特点。这种演变既包括渐变，也包括突变过程—即河势短时间内大幅度的调整。河势突变具有不连续性，传统的河床演变学分析方法难以有效刻划其发生的内在机制。本项目拟通过系统收集原型观测资料和大型河工模型试验资料，提炼游荡型河道发生河势突变的数据信息，厘定具有典型非线性特征的状态变量；继而针对选定的状态变量，采用非线性振荡方程模拟河势突变调整过程，揭示河势突变对水沙驱动力、边界阻抗作用和河流初始状态的响应机制；选择适当的突变模式，建立河势突变调整理论模型，提出河势突变发生的临界条件，并通过系列自塑模型试验验证该理论模型的合理性。最后，应用理论模型评价黄河下游游荡型河段上已建和拟建河道整治工程对河势稳定的控制作用，提出预测、防止和引导河势突变发生的技术措施。本研究有助于丰富河床演变学理论研究的内容，同时对河道整治工程设计与实践都具有重要的理论意义和实用价值。

游荡型河道的河势演变既包含渐变过程，也包含突变过程。传统的游荡型河道河势演变研究，多注重对平衡状态和渐变过程的描述，对河势从一个平衡态向另一个平衡态突然跃迁的过程，既缺乏明确的数学表达形式，更缺乏基于力学机制的深入认识。而这种理论上的缺失使目前的河道整治工程设计无法定量评估河势突变发生的可能，应用工程手段进行河势控制的效果仍存在较大的不确定性，强烈依赖于工程经验与河工模型试验的结果。本项目采用非线性振荡方程阐释游荡型河道河势突变的非线性特征，选择尖点突变模式阐明游荡型河道从一个平衡态向另一个平衡态发生跃迁时的河势突变规律，提出河势突变的临界条件，为工程实践提供科学的河势突变预测方法，为河床演变学科发展拓展新的研究思路。项目取得的主要研究成果包括：.（1）基于对原型河势观测资料的统计分析，厘定了反映河势突变调整的状态变量（河宽、深泓点迁移幅度、主流线摆幅、河湾中心角与弧长等）和控制变量（水沙条件、河道整治工程、河床物质结构等），揭示了状态变量与控制变量时空分布的非线性特征。.（2）以黄河下游游荡型河道为对象，选用物理上描述非线性振荡过程的方程来反映周期性水沙驱动力、边界阻抗作用的影响及由此引发的河流自动调整效应，揭示了游荡型河道河势突变发生的物理机制，确定了突变模式下河势演变的控制变量与状态参量。.（3）选用尖点突变模式，建立河势突变调整理论模型，提出具有普适意义的河势突变临界条件。继而利用物理模型试验，开展系列游荡型河道河势突变调整概化模型试验，对河势突变调整的理论模型和临界条件进行检验，论证了模型的合理性。.（4）将河势突变调整理论模型应用于黄河下游典型断面，评价已建河道整治工程对河势的稳定控制作用；对黄河下游典型游荡型河段，预测河势突变发生的可能位置，提出防止或引导突变发生的工程措施。