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水 利 学 报

２０２２年 １１月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １１期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１１ － １３５０ － １１

基于冲积系统趋衡响应模型的河床冲刷研究与预测

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景 唤 １，２ ，张红武 ，王彦君 １，２ ，王永强 １，２ ，钟德钰 ３
（１．长江水利委员会长江科学院 水资源与生态环境湖北省重点实验室，湖北 武汉 ４３００１０；
２．长江水利委员会长江经济带保护与发展战略研究中心，湖北 武汉 ４３００１４；
３．清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 １０００８４）

摘要：运用河流辩证法原理分析非平衡态河流的演变趋势，可见水沙或边界变化等扰动引发的系统偏差普遍表现
出时空衰减的特性，在趋于新平衡态的过程中，水流与河床的相互作用总是使偏差朝减小的方向调整，遵循 “趋
衡性” 或 “趋衡响应原理”。据此假定扰动发生概率符合泊松分布及单个扰动响应强度满足指数衰减率，给出冲
击系统趋衡响应模型的初步形式，基于美国多座水库下游河道实测数据的规律性检验表明，冲积系统对扰动的响
应强度随时空推移呈非线性衰减趋势，体现了河流演变的时空趋衡性。在此基础上，选取泥沙起动难度与水流强
度反映影响床面泥沙运动状态的两个矛盾方面，以两者之比作为定量描述趋衡衰减系数的动力学参量，率定相关
系数后模型即有定量预测水库下游河道河床累计冲刷深度的功能。进而，运用基于三门峡水库下游实测资料率定
后的模型对黄河中游古贤水库修建后下游河道的沿程冲刷及潼关高程下降引起的渭河下游河道溯源冲刷过程进行
预测。结果表明，龙门和潼关的计算河床累计冲刷深度分别为 １．８４ｍ和 １．４３ｍ；潼关高程下降引起的渭河下游溯
源冲刷河段长度约为 ２５０ｋｍ，华县、渭南溯源冲刷深度分别为 ０．５４ｍ和 ０．２５ｍ。研究成果为冲积河流非平衡态
时空调整过程的预测提供了新思路，具有较大工程应用价值。
关键词：冲积系统；趋衡响应模型；黄河；时空调整；沿程冲刷；溯源冲刷；古贤水库
文献标识码：Ａ
中 图 分 类 号 ： Ｔ Ｖ １ ４ ３ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０３７２

１ 研究背景

上游来水来沙条件、河床边界条件及下游侵蚀基准面是影响冲积河流河床演变的主要因素 ［１ － ２］ 。
在河流上修建水库之后，工程的拦沙调蓄作用使进入下游河道的水沙过程发生显著变化，河流因得不
到足够的泥沙补充而发生长距离持续冲刷，自上而下造成干流河道河床高程及特征水位显著下降，甚
至会在支流中诱发自下而上的溯源冲刷，改变河道的防洪减灾局面。
关于冲积河流尤其是水利枢纽下游河道的沿程冲刷发展特性，以往学者开展了大量研究。例如，
程晓陶等 ［３］ 以二维非恒定流与不平衡输沙理论为基础，探索了洪水演进过程中黄河下游花园口 － 孙口
河段的滩槽冲淤特性；张红武等 ［４］ 通过模型试验开展了小浪底水库拦沙期下游游荡性河段的演变趋势
研究，并运用一维水沙数值模型对小浪底水库运用初期其下游河道的冲淤过程进行了预测，发现工程
设计水沙系列下黄河下游河道将产生自上而下的冲刷，冲刷量沿程呈显著衰减趋势 ［５］ 。陈建国等 ［６ － ７］
基于实测资料对小浪底水库拦沙运用后黄河下游河道沿程冲刷下河槽形态的调整趋势展开了深入探
讨。安催花等 ［８］ 运用实测资料分析、水沙数值模拟等方法，给出了黄河下游河道未来来水情势及现有
工程联合调控下的平衡输沙阈值，为下游河道的减淤治理提供了依据。

收稿日期：２０２２ － ０５ － １２；网络首发日期：２０２２ － １０ － ２７
网络首发地址：ｈｔｔｐ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１０２５．２０２５．００１．ｈｔｍｌ
基金项 目： 复 杂 调 水 工 程 全 生 命 周 期 风 险 分 析 与 管 控 关 键 技 术 （ＨＮＹＪＪＨ?ＪＳ?ＦＷＫＹ ２０２１００４）； 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目
（ ２０１６ＹＦＣ０４０２５００）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（ＣＫＳＦ２０２１４８６）；国家自然科学基金项目（５２００９１４５）
作者简介：景唤（１９９３ － ），博士，主要从事河流动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：２５７４５１５４２５＠ｑｑ．ｃｏｍ
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