第1章绪论
1.1 研究背景与意义
1.1.1 研究背景
黄河源区位于青藏高原东北部的唐乃亥水文站以上流域范围，涉及青海、四川、甘肃三省，总面积约 13.2km2，年均径流量约 200亿 m3，年均输沙量约 1000万 t，是黄河流域主要产流区和水源涵养区，也是我国西部极为重要的生态安全屏障。黄河源区发源于巴颜喀拉山北麓各姿各雅山的约古宗列曲，其水系格局分布属于树枝型(图 1.1)，从扎陵湖和鄂陵湖东边流出后，左侧的主要支流为优尔曲、西柯曲、东柯曲、曲什安河、切木曲和大河坝河等，这些河流大部分发源于阿尼玛卿山。沿程右侧主要支流有喀日曲、多曲、勒那曲、热曲、柯曲、达日河、沙曲、贾曲、白河、黑河、兰木错曲、泽曲、巴曲、芒拉河等，这些河流主要发源于巴颜喀拉山和岷山。总体而言，黄河源区的河网水系发达，冲积河流的类型多样，形态特征变化大。
图 1.1 黄河源流域主要水系分布
黄河源区干支流沿程河流地貌和侵蚀类型丰富，冲积河道的平面形态具有多样性，干流沿程发生多次河型空间转化，如玛曲河段的辫状-分汊-网状-弯曲-辫状河道(Blue et al.， 2013; Li et al.， 2013; Yu et al.， 2013， 2014; Brierley et al.， 2016; Liu and Wang， 2017)。黄河源区冲积河谷的地势较平坦，如玛多源头区、黄南草原、甘南草原和若尔盖盆地，其高寒草原、草甸和泥炭广泛分布，弯曲河流如兰木错曲、吉曲、贾曲、白河、黑河、泽曲、麦曲、哈曲、格曲等。这些河流及其支流在玛多-达日、若尔盖盆地、黄南草原和甘南草原组成主要的弯曲河群(李志威等，2016)。这些弯曲河群河岸主要为草地、草甸或泥炭组成的二元结构，上层为根土复合体，下层为非黏性卵石夹砂层或粉砂层。这些尺度不同的弯曲河流平面形态蜿蜒迂回，弯曲度很高，自然裁弯形成的牛轭湖比比皆是，这是青藏高原河流昀美的自然景观之一(图 1.2)。这些弯曲河流在凹岸侵蚀和凸岸淤积的驱动下，弯道经历微弯—弯曲—裁弯—微弯的周期性演变过程，其中自然裁弯在弯曲河流长期演变中发挥关键作用。
(a)若尔盖黑河支流麦曲 (b)黄南草原的兰木错曲图 1.2 黄河源区典型弯曲河流
根据近 10年野外观测和遥感影像解译，黄河源区草甸型和泥炭型弯曲河流横向迁移由悬臂式崩岸与侵蚀驱动，裁弯模式以颈口裁弯为主，但颈口裁弯的发生依赖河岸物质组成和来水来沙条件。采用遥感影像和原位监测，捕捉逼近裁弯的 .形弯道和识别颈口裁弯事件是目前具有可行性的观测方法，进而采用野外观测与水槽实验相结合的方法，研究颈口裁弯前后的河道形态调整、水动力变化、河床冲淤过程和裁弯触发机理，是揭示黄河源区弯曲河流周期性演变和临界突变事件的一个关键科学问题。弯曲河流发生颈口裁弯之后，逐渐形成牛轭湖，其进出口淤积过程以及与新河道的水文连通性和生源物质交换是值得研究的科学问题。同时，对于黄河源区若尔盖泥炭地发育数量众多的弯曲河流，其中上游弯道流经泥炭湿地，凹岸侵蚀、凸岸淤积和牛轭湖沉积对流域有机碳来源与迁移具有重要影响，是可指示泥炭湿地环境特征的一个重要生源要素，但是目前对于这个区域弯曲河流有机碳输移仍缺少系统的监测与深入研究。
1.1.2 研究意义
弯曲河流是地球表面分布昀广和形态优美的冲积河型，具有蜿蜒曲折的平面形态、周期性的演变过程和冲积环境的普遍适应性。弯曲河流广泛发育于不同的气候带，包括洪泛平原、青藏高原、热带雨林、极地冻土和沙漠干旱区，甚至在冰原、深海、火星也有弯道形成的痕迹或遗迹( Howard， 2009; Matsubara et al.， 2015; Li et al.， 2019)。弯曲河流的蜿蜒趋向性是在凹岸侵蚀和凸岸淤积的横向推拉作用下，弯道经历微弯—弯曲—裁弯—微弯的周期性演变。自然裁弯在弯道演变中扮演降低整体形态复杂度、启动新一轮周期演变和形成牛轭湖的关键角色。自然裁弯可分为颈口裁弯( neck cutoff)和斜槽裁弯( chute cutoff)，目前自然裁弯的发生条件、裁弯过程和触发机理仍是弯曲河流动力学的难点( Hooke， 2013)。
弯曲河流的横向迁移和纵向蠕动的速率较缓慢且空间差异较大，对于不同滨河植被条件下不同尺度弯道，其速率的差异更大( Hickin and Nanson， 1975; Nicoll and Hickin， 2010; Li et al.， 2017)。因此，野外观测连续河湾的形态演变需要长时间原位观测或多源遥感影像监测，具有代表性的是 Hooke(1995， 2004)对英格兰北部的 Bollin River和 Dane River的长期跟踪观测与研究， Gay等(1998)对 Power River弯道裁弯过程的长期跟踪观测与研究，以及我国学者对渭河下游和黄河下游自然裁弯的观测分析(庞炳东 ， 1986; 刘晶等， 2017;江青蓉等， 2020)。1957～1964年，我国荆江河床实验站对下荆江弯曲河段开展了系统的弯道水流泥沙测验工作，同时为改善荆江航道条件和减轻防洪压力，下荆江的蜿蜒河段分别于 1967年和 1969年完成了中洲子和上车湾的人工裁弯工程、 1972年沙滩子发生自然颈口裁弯，以及进行了相应的原型观测与数据分析(潘庆燊等 ， 1978)，而且谢鉴衡( 1963)为下荆江的人工裁弯取直工程提出了水力计算及河床变形计算方法。这些早期的野外观测和实例研究，对认识弯曲河流动力学和自然裁弯打下了坚实的基础。
相对于野外观测，弯道水槽实验的难度小、成本低、可操作性强，国内外学者研究弯曲河流演变时，多选择以弯道自然模型实验或比尺模型实验作为突破口。因此，弯道水槽的实验成果相当丰富，至今弯道河床演变的水槽实验仍不断涌现。然而，边滩较难固定和漫滩水流冲刷的不确定性，使室内模拟弯曲小河并非易事，直接实现颈口裁弯则更是一个不小的挑战。早期， Friedkin(1945)在水槽中模拟弯曲小河发育和演变，只得到深泓线弯曲的微弯型河道，而且维持河床稳定的实验历时较短。唐日长( 1963)通过下层铺纯沙，上层加黏土，种草固定边滩防止切滩，概化模拟了下荆江弯曲河道形成与演变。尹学良( 1965)、Schumm和 Khan(1971)在水流中成功添加黏土并在实验中模拟了弯曲小河。近 20年，随着测控仪器与水槽设备更新升级，弯曲河流演变的水槽实验再次兴起，并为认识弯曲河流演变机理注入新活力，如 Braudrick等(2009)种植苜蓿芽以固定边滩和河岸， van Dijk等 (2012)在粉砂中添加石英粉， Han和 Endreny(2014)添加二氧化硅和滑石粉， Song等(2016)、Yang等(2018)也成功塑造正弦派生的弯曲小河。可见，添加黏性细颗粒和种植草本植物是水槽实验塑造近似自然弯曲河流的关键要素，但是较难考虑水流和泥沙相似的比尺效应。
作者采用长期野外考察与观测、实测资料分析、概化模型实验及力学理论分析相结合的方法，开展黄河源区弯曲河流演变过程与机理的系统研究。以近 10年黄河源区的野外考察为基础，识别并提出黄河源区弯曲河群的空间分布、形态特征与边界条件，结合原型观测、理论分析和数值模拟系统揭示了草甸型-泥炭型弯曲河流崩岸特点、过程与机理，建立了典型弯曲河流颈口裁弯事件及相对时间序列。通过野外实验人工加速颈口裁弯并观测新河道和原弯道演变过程，发现黄河源区崩岸是触发颈口裁弯的主导机制。采用概化模型实验，研究了恒定流量、阶梯流量和植被作用下颈口裁弯发生、新河道发展和原弯道淤积过程。识别了典型河曲带内牛轭湖分布与形态特征，建立了牛轭湖进口段推移质淤积的理论模型和出口段悬移质淤积的数值模型，揭示影响牛轭湖淤积的主控因子。基于连续多年河流有机碳采样与测验分析，揭示了典型弯曲河流不同地貌单元对有机碳输移的影响规律。
这些研究成果在理论上定量揭示了黄河源区弯曲河流悬臂式崩岸和颈口裁弯机理，在原型观测和室内实验方面，提出了多种野外观测和室内概化实验方法，这不仅有利于加深认识黄河源区弯曲河流演变规律，而且有助于完善弯曲河流形态动力学的研究体系，并为黄河源区弯曲河流滨河湿地和泥炭沼泽的生态保护提供科学参考。
1.2 研究现状及存在的问题
1.2.1 弯曲河流平面形态与演变
通常可认为，弯曲河流是由一系列弯道段和与之相衔接的顺直过渡段组成的。弯曲河流具有蜿蜒趋向性，是通过凹岸冲刷崩塌和凸岸淤积外延，使得整个河流横向蜿蜒和纵向蠕动，即朝着弯曲度变大的方向演变，直至达到临界条件发生自然裁弯。由于弯曲河流蜿蜒蠕动的速率较慢且不同河流的差异较大( Hickin and Nanson， 1975; Nicoll and Nanson， 2010; Li et al.， 2017)，野外观察河湾演变需要长时间追踪观测。法国工程师 Fargue在 20世纪初针对加隆河的长期野外观测，提出了河湾形态与演变的五条定律，为从事航道整治的工程师提供指南，他还精辟地指出“弯曲是河流的属性”和“顺直段只是两个弯曲段之间的连接”。 1957～1964年，我国荆江河床实验站对长江下荆江河段开展了较完整的弯道水流泥沙测验工作(如来家铺弯道)，对弯道水流动力轴线、水面纵横比降、横向环流、泥沙输移特性和弯道河床演变规律开展了观测研究。这些野外观察工作，对推动我国弯曲河流的河床演变研究起到了基础性作用。
目前，一般以河道中心线来概化弯曲河流的平面形态。例如，描述规则河湾的河道中心线的理论曲线， Ferguson(1973， 1976)总结的 Fargue的螺旋线、圆弧、正弦波、von Schelling曲线、 Ferguson曲线、正弦派生曲线以及 Kinoshita曲线。应用昀为广泛的理论曲线为 Langbein和 Leopold(1966)根据昀小方差理论提出的正弦派生曲线和 Kinoshita(1961)在正弦派生曲线基础上考虑弯道的偏斜度和丰盈度提出的 Kinoshita曲线。Parker(1976)对弯道发展进行稳定性分析，提出与正弦派生曲线相似的曲线，只是形式较复杂。由于弯曲河流河湾的内在不对称和偏斜性(Carson and Lapointe， 1983)，正弦派生曲线只适用于描述规则对称而且中等弯曲度的弯道，而 Kinoshita曲线可描述不规则且不对称的连续弯道，适用性更广泛。为了模型制作方便， Abad和 Garcia(2009)在室内水槽修建了 Kinoshita连续弯道，Song等(2016)、Yang等(2018)采用正弦派生曲线的连续弯道，开展了系统的弯道水流泥沙与河床变形实验研究。
弯曲河流的平面形态根据河道流路，可确定的几何参数有弧长、波长、波幅、弧角、河道宽度和曲率半径，还有无量纲参数，包括弯曲度( sinuosity)和弯道曲率(curvature)。
(1.1)
(1.2)
b 式中，S和 C分别为弯曲度和弯道曲率； L为河道中心线的弧长； .为波长；r为曲率半径； b为河道宽度。Ikeda等(1981)运用摄动线性分析法求出河湾流路方程，并推导得到波长表达式如下：
(1.3)
式中，D为水深； w为河宽； f为摩擦系数。
针对弯曲河流平面形态的研究，第一种方法是统计大量弯曲河流的平面几何参数，寻找形态参数的一般性统计规律，如高弯曲度的河湾显著地偏向上游发育(李志威等， 2011; Guo et al.， 2019)。Hickin(1974)建立了 Beatton River的曲率半径与河宽的经验关系： r/w=2.11。Brice(1974)依据美国 10条弯曲河流的 125个河湾段，将河湾形态分成 4个类(简单对称、简单不对称、复式对称和复式不对称)和 16个亚类。为了解决自动测量形态参数的问题， An
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