前言

冲积河流的演变过程研究是一门发展中的科学，研究中的主要困难在于其物理过程涉及到的变量众多，而可以应用的力学和数学定律却不够，诸多问题还不能进行精确的分析和运算。由此导致传统的河床演变研究主要关注的是相对确定的河流平衡态的描述及其存在条件，如河相关系和各种各样的极值假说等，而对于复杂的河流动态调整过程的定量分析却很少，缺乏描述河流非平衡态调整过程的有效理论和方法。在河床演变研究的实践中，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，具有较强的经验性和任意性，不能确切反映河床特征变量复杂的调整过程和变化趋势，也无助于对河床演变机理的认识。非平衡态的河床演变过程问题，包括河床调整的方向、速率、方式及描述方法等，已成为困扰河床演变学发展的理论难题。

本书针对河床由非平衡状态向平衡状态调整的机理分析和过程描述，从河流系统的概念出发，基于河床演变的自动调整原理，根据河床在受到外界扰动后调整速率与其当前状态与平衡状态之间的差值成正比的规律即变率模型，提出了冲积河流河床演变的滞后响应理论和模型，包括通用积分、单步解析、多步递推三种模式。滞后响应模型可以看作是自动调整原理的一种数学描述方式，反映了河流特征变量以平衡状态为目标的具体发展过程，既阐明了前期水沙条件对河床演变累积影响（前期影响）的物理本质，又克服了采用滑动平均、加权平均或几何平均来反映前期影响的经验性和任意性，能够用于模拟长时间尺度的河流非平衡态调整过程。

将滞后响应模型应用于模拟不同条件下冲积河流的河床动态调整过程，包括黄河干、支流平滩面积和平滩流量的变化过程，三门峡水库库区的泥沙淤积过程，潼关高程变化过程及其抬升导致的小北干流和渭河下游淤积过程，黄河下游河道的侵蚀基准面升降及河床冲淤过程，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，三峡水库修建后洞庭湖区钉螺的垂向迁移过程等，各种复杂河床演变过程的模拟结果均令人满意。这表明滞后响应理论和模型具有广泛的适用性，深化了对河流非平衡演变过程的认识，丰富了河床演变的理论和方法。

本书提出的冲积河流滞后响应理论和模型源于作者对冲积河流河床演变中普遍存在的滞后响应现象的观测和认识，因此，对河床演变的滞后响应现象及其物理本质的分析是贯穿本书研究的关键。滞后响应是自然界中普遍存在的一种物理现象，本书所说的滞后响应指的是宏观尺度上的河床变形及几何形态调整滞后于水沙条件变化或其他外部扰动的河床演变现象，关注的重点是处于非平衡状态下的河床随时间的变化过程和特征，平衡状态或稳定状态只是其演变过程的一个阶段目标或短暂状态。正是因为这样，对河流非平衡态演变过程的理论研究和规律认识，既有赖于对河床滞后响应现象本质的深入了解和把握，也有赖于对河流平衡态理论的进一步拓展和提升。

本书第一作者的研究生李凌云、尚毅梓、谢金明、徐炳丰、李文文、张艳艳、许仁义、范念念、陈阿娟、贾望奇、王彦君等，博士后申红彬、王永强、刘可晶、邵文伟等，先后参加了本书的研究工作或以不同方式为本书的完成做出了贡献，李文文、张艳艳、李凌云分别参与了第8、第9、第10章的撰写工作，王彦君和邵文伟负责了书稿的校核工作，在此对他们表示由衷的感谢。本书相关研究和出版得到了国家重点基础研究发展计划（973计划）课题（2011CB403304）、国家“十一五”和“十二五”科技支撑计划课题（2006BAB06B04、2012BAB02B02）、国家自然科学基金面上和重点项目（50979042、51039004）的资助，在此表示感谢。

河流非平衡态演变过程的理论分析和应用研究是河床演变学的前沿问题，本书提出的河床演变滞后响应理论和模型只是河流非平衡态演变过程研究的一个开端，还有诸多问题有待进一步研究和提高，如不同时空尺度上的河流滞后响应特征和行为模式、泥沙运动微观力学机理与宏观河床演变过程的跨尺度沟通与融合、不同河道特征变量在演变过程中的相互约束与联系、河床调整速率参数的影响机理及数学表达方法等。此外，限于作者的水平，书中难免出现疏漏错误，敬请读者批评指正。

吴保生

2015年6月于清华园