非平衡态河床演变的理论与方法

冲积河流的河床自动调整原理给出了非平衡态河床调整的方向，即当水沙条件发生改变时，河流将通过冲淤调整使河床朝着与来水来沙相适应的平衡状态发展，但目前还缺少描述非平衡态河床调整过程的理论和方法。因此，本项目拟采用理论研究和实测资料分析相结合的手段，以黄河等冲积河流的河床形态变量为对象，分析非平衡态河床演变过程中的滞后响应特点和机理，特别是在外部扰动不断变化情况下河床演变的复杂响应过程特点和机理；研究非平衡态河床演变中不同河床形态变量的调整模式，建立描述非平衡态河床演变过程的概化模型和计算方法；选择冲积河流非平衡态河床演变的典型实例问题，对建立的概化模型和计算方法进行检验。本项目研究成果对于深化对非平衡态河床演变规律的认识，发展非平衡态的河床演变学理论具有重要的学术意义和实用价值。

由于流域水沙条件的不断变化，使得河床处在不断的变化之中，平衡状态只是河床演变的发展目标或一个短暂状态。特别是人类活动对河流的干扰程度不断加剧使得河流处于长期的大幅度调整变化中，河流上各种河流生态恢复和重建措施也对河流产生了深刻影响。因此，开展非平衡态的河床演变研究，是江河治理及河流生态环境建设的重要需求，也是河床演变学科发展的前沿方向。. 传统的河床演变研究多是围绕河流平衡状态展开的，缺少描述非平衡态河床调整过程的理论和方法，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模拟河床的复杂调整过程，具有较强的经验性、任意性，也无助于对机理认识。本项目以黄河等冲积河流为对象，以非平衡态河床演变中存在的滞后响应现象为主线，分析了不同河床形态变量的滞后响应特点，建立了描述非平衡态河床演变过程的模型和计算方法，并选择典型实例问题对建立的模型和计算方法进行了检验。主要成果如下： . （1）基于河床演变的自动调整原理，根据变率模型，即河床在受到外部扰动后的调整速率与河床当前状态和平衡状态之间的差值成正比的基本规律，建立了描述非平衡态河床演变过程的滞后响应模型和计算方法，包括通用积分、单步解析、多步叠加三种计算模式,分别适用于不同的条件。. （2）滞后响应模型不仅能够描述河床演变对水沙条件的滞后响应过程，还能够反映前期水沙条件对河床演变的累积影响（前期影响）特性，揭示了河床滞后响应的本质在于前期水沙条件通过初始边界条件对当前河床演变的深刻影响。滞后响应模型具有较好的理论基础，克服了采用滑动平均、加权平均或几何平均来考虑前期累积影响的经验性和任意性。. （3）模型用于模拟不同河床演变的动态调整过程，包括三门峡水库泥沙淤积过程、潼关高程变化及其造成的小北干流和渭河下游淤积过程，黄河内蒙古及下游河段平滩流量变化过程，科罗拉多河胡佛大坝和戴维斯坝建成后的下游河床冲刷过程，美国圣海伦斯火山爆发导致的图特河北汊河道重新发育过程等。结果发现，各种复杂过程的模拟结果与实测值符合很好，表明滞后响应模型的不同计算模式均能较好的模拟河道在不同扰动因素下引起的调整过程，模型具有广泛的应用前景。. 总之，圆满完成项目任务，发表期刊论文5篇，其中SCI论文2篇、EI论文2篇，吴保生教授于2011年获得第十届钱宁泥沙科学技术奖，培养博士3名。