河流分类方法研究及河流形态学概论

董耀华 汪秀丽

摘要：学术界对河流分类分级分段等展开了充分研究，但缺乏系统分析及统一认识。基于流域、水系和干流河道河流形態3要素，提出了独立与非独立河流分类方法;对世界范围内55条独立河流与长江非独立支流水系分别进行了分类应用研究和综合排序;初步构建了河流形态学。研究成果包括：① 独立河流遵循河口优先原则，河流形态复杂性可划归为复合流域水系与复杂干流河道;基于河长与流域面积约0.5次方的相关关系，构建了流域特征长度、流域综合面积和河流弯曲指数3个河流形态特性指标。② 流域综合面积排序世界前十位的河流是亚马孙河、尼罗河、刚果河、鄂毕河、叶尼塞河、长江、勒拿河、密西西比河、尼日尔河、阿穆尔河;归纳总结的长江流域河流水系“谱系”河流数量为1，4，9，24，49，63，374，381。③ 河流形态学包括河流分类、分级及分段“基石”研究和干流河道形态研究。研究河流分类及增设河流形态学可填补河流地貌学与河床演变学之间的研究空白，逐步形成河流“几何（河流形态学）-运动（河床演变学）-动力特性（河流动力学）”的研究体系。

关 键 词：河流分类; 独立河流; 河流形态学; 流域; 水系; 干流河道; 河口优先原则; 流域综合面积; 河道形态

中图法分类号： TV143

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.001

0 引 言

Walling等[1]通过收集整理世界上145条河流水沙资料，调查分析了世界河流径流与输沙的变化趋势，然而这些河流的代表性与可比性还未可知。这就引申出河流的界定与分类问题。董耀华等[2-6]以长江和世界十大江河为研究对象，对河流分级与河流分段进行了系统研究，若要将相关理论及方法推广应用于其他河流，则需要河流的明确定义;同时从河流形态研究拓展上，也有河流分类的研究要求，因此提出了河流分类分级分段方法与河流形态学系统研究的需求。

伍光和等[7]曾对河流进行了“宽泛”的定义——降水或由地下涌出地表的水汇集在地面低洼处，在重力作用下经常地或周期地沿流水本身造成的洼地流动，按注入地分为内流河和外流河，其中内流河注入内陆湖泊或沼泽，或因渗透、蒸发而消失于荒漠中，外流河则注入海洋。内流河与外流河之和无法涵盖包括支流水系在内的所有河流，而且对河流的整体形态关注也不够。施成熙[8]基于河流的地面和地下水源，将河流划分为雨源、雨雪混合源、冰雪混合源等3种河流类型，这种河流分类方法仅依据河流的水源动力，比较片面，而且难以操作。

本文采纳伍光和等[7]的河流定义，基于流域、水系和干流河道河流形态3要素，初步提出可将所有河流划分为独立河流与非独立河流两大类型——将集水流域闭合、划分水系[2]全部汇入干流河道且最终注入非河流地理系统（如海洋、沼泽、湿地、湖泊等）的河流定义为独立河流;其他河流为非独立河流。相较于内流与外流河分类，独立河流的物理意义更加严格，非独立河流的涵盖范围更加“宽泛”——独立河流的所有支流水系均属于非独立河流，所有非独立河流均属于内流河。

独立与非独立河流之间显著差异之一是遵循不同的优先原则。独立河流遵循河口优先原则，主要表现为：河流冠名、河流地理位置、干流河道、径流、输沙量等河流自然属性确定的优先权，以及河流水沙配置、治理保护、开发利用等河流社会功能确定的优先权。非独立河流遵循汇入干流河道优先原则，主要表现为：汇入干流河道的侵蚀基准面控制及最高河流分级数特性等。

综上所述，笔者提出本文主要研究内容：① 开展独立河流分类研究应用，收集整理世界55条大江大河或代表性的独立河流，分析河长与流域面积相关关系，提出河流形态特性指标，开展世界大江大河排序研究;② 开展非独立河流分类研究应用，以长江支流水系为例，复核河长与流域面积相关关系，分析河流形态特性指标适用性，研究长江支流水系综合排序，归纳总结长江流域河流水系“谱系”;③ 开展河流形态学概论研究，提出河流形态学学科定位，初步构建学科主要研究内容，概述学科研究进展并进行展望等。

1 世界大江大河分类研究

1.1 独立河流形态特性分析

基于互联网资料，收集整理了世界55条大江大河或代表性独立河流的流域面积、河长等相关数据（见表1）。独立河流形态复杂性可划归为两类——复合流域水系与复杂干流河道。复合流域水系包括复合流域（如恒河-布拉马普特拉河、墨累-达令河）与复合水系（如珠江-东江、西江与北江（见图1（a））、圣劳伦斯河-五大湖区）。复杂干流河道包括复杂河源（如密西西比-密苏里河、亚马孙河）、复杂河口（如尼罗河、莱茵河）与复杂干流（如阿拉伯河-幼发拉底河、底格里斯河（见图1（b））、拉普拉塔河-巴拉那河）。

1.2 河流形态特征指标构建

采用回归分析方法，建立了世界55条独立河流的河长与流域面积之间的相关关系（见图2）：

L=315.203A0.491  R2=0.769（1）

式中：L为河长，km;A为流域面积，万km2。

分析表明：独立河流的河长与流域面积之间存在约0.5次方的相关关系，即河长与流域面积的0.5次方量级相当。借鉴杨立信[9]采用年调水量W（m3/a）与调水线路长度L（km）乘积的综合指标定义调水工程规模，提出可采用流域特征长度与河长乘积的流域综合面积指标衡量河流大小。由此可构建3个新的表征河流形态的特性指标：流域特征长度（A0.5）、流域综合面积（A0.5L）和河流弯曲指数（L/A0.5）。

1.3 世界大江大河综合排序

分别采用河长、流域面积和流域综合面积等3个指标对世界55条独立河流进行了前十位综合排序（见表2）。在流域综合面积排序的同时，给出了相应的流域特征长度和河流弯曲指数，前十位河流分别是亚马孙河、尼罗河、刚果河、鄂毕河、叶尼塞河、长江、勒拿河、密西西比河、尼日尔河、阿穆尔河;长江河长排序第三，流域面积未进入前十位，流域综合面积排序第六。综合分析表明：流域综合面积综合了河长与流域面积2个河流形态特征，指标“量纲和谐”，排序结果合理可信，值得推荐。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

2 长江河流水系分类研究

2.1 长江支流水系综合排序

首先对長江非独立支流水系的河长与流域面积的相关关系进行复核。

（1） 以流域面积1 000 km2或河长50 km为初选原则，主要基于“中国河湖大典（长江卷）”[10]等参考文献，收集整理了长江流域581条支流水系的流域面积、河长等数据资料，回归分析了流域面积小于1万km2支流水系的河长与流域面积的相关关系，并同时给出了“最小单元河流”取值线（流域面积不小于2 000 km2或河长不小于100 km）[2]（见图3（a））。

L=264.57A0.4835  R2=0.7076（2）

（2） 基于长江流域（不含太湖）满足“最小单元河流”的374条分级河流，再次复核河长与流域面积的相关关系，并给出了24条重要河流水系的阈值线（流域面积不小于3万km2或河长不小于500 km）[3]（见图3（b））。

L=282.406A0.472  R2=0.813（3）

复核分析表明：长江支流水系的河长与流域面积之间也存在约0.5次方的相关关系，采用流域特征长度、流域综合面积和河流弯曲指数等3个特性指标来表征长江非独立支流水系的形态特性也是适用的。

基于河长、流域面积和流域综合面积，对长江支流水系也进行了综合排序（见表3）。给出了3组排序的阈值和支流水系，汉江河长和流域综合面积排序第一，嘉陵江流域面积排序第一。

2.2 长江流域河流水系“谱系”

汇总长江支流水系综合排序、长江流域水系划分与河流分级研究[2-3]，以及长江流域综合规划[11]等相关研究成果，归纳总结了河流数量分别为1，4，9，24，49，63，374和581的长江流域河流水系“谱系”（见表4）。

3 河流形态学概论

以本文河流分类和以往河流分级[2-3]、河流分段[4-5]等研究成果为“基石”，倡导在水力学及河流动力学（二级学科）下增设“河流形态学”（三级学科）。研究河流分类及增设河流形态学可填补河流地貌学与河床演变学之间的研究空白，逐步形成河流“几何（河流形态学）-运动（河床演变学）-动力特性（河流动力学）”的研究体系，并以新学科视角协调和评判河流地貌学、河床演变学及河流动力学等相关研究。

河流形态学可初步定位为：基于流域、水系和干流河道河流形态3要素，研究独立和非独立河流现状形态的基础及基础应用科学。学科主要研究内容包括两大方面：基于流域、水系和干流河道的河流分类、分级及分段“基石”研究;基于干流河道平面、剖面及断面形态的河道形态研究（见表5）。

目前河流形态学的大量研究成果（如河势理论、河型分类、河道比降和河道形态等）散见于河流地貌学、河床演变学与河流动力学等研究之中，现将若干方面的研究进展及展望概述如下。

（1） 河流分类、分级及分段研究。

深入与拓展研究包括：① 强化新理论与定量指标研究，如李华晔等[12]采用分形理论研究河流水系特性，认为部分河段在某种程度上包含整体水系特性;又如河流2段（山区与平原河段）[13]、3段（Schumm河流分区理论[14]）和5段（河流5区分段法[5]）分段方法及理论有待统一和协调。② 加强世界河流形态特性比较研究，如大江大河河流分级数、分段方法及综合排序等比较研究。③ 加强河流分类、分级及分段交叉研究，如优化“分段河道不分级、分级河道不分段”思想[3]。

（2） 河势线研究。

董耀华[6]提出了“静态”和“动态”河势的划分思想，表征河道平面形态的河势线基于“静态”河势思想。基于河势线和Hermite插值函数生成的河势贴体正交网格可应用于河道平面二维数学模型，一、二维河流模型“无缝”嵌套，以及河长精准计算等研究[15]。最新认识包括：基于全球气候模型（GCM）“降尺度”应用于区域气候模拟[16]的“逆向思维”;“升尺度”模式下的河势线可表征和代替干流河道形态;基于河势线的“变线”程度，可对自然与人类河流工程影响提出新排序：河流袭夺[13]>裁弯工程>大坝水库>河道主支汊易位>支汊封堵>围滩工程>跨河桥梁>码头工程等。

（3） 河型分类研究。

河型分类属于河道平面形态研究内容，目前国内河型分类通常采用Leopold方法[17]（顺直、弯曲和辫状）或钱宁方法[13，18]（顺直、弯曲、分汊和游荡），它们均属于河流形态与河床演变“混合”分类方法。Brice[19]提出的河型分类方法（单一与分汊河道）仅基于干流河道形态特性，具有概念单一、方法简易、与河流分段和河势线衔接较好等优势。Nanson和黄河清采用并发展了Brice河型分类法[20]（见图4）;董耀华等[20]也曾推介过Brice-Nanson分类方法，值得深入研究和应用。

（4） 河道比降研究。

河道比降J是河道剖面形态最具活力的指标。在Lane[21]平衡关系式（见图5）和张海燕[22]河流最小能耗理论（γQJ最小）中，比降是主控因子之一;Watson等[23]在研究密西西比河支流亚祖河治理方案时，特别强调的河道纵向“下切点”或“下切段”（Knickpoint/Knickzone），也与比降“突变”密切相关。

（5） 其他河道形态研究。

① 水库形态研究：水库形态对于水库淤积形态、分布、过程均有显著影响，费祥俊[24]总结认为湖泊型水库泥沙淤积重心偏上，河道型水库淤积重心偏低。

② 岸线利用模式研究：董耀华等[25]在进行河湖岸线洲滩利用对河湖功能影响研究时，初步提出了基于自然与社会功能的“点-线-面”河湖岸线利用模式分类。

③ 断面宽深比研究：坝下游河道冲刷是以冲深（窄深化）还是展宽（宽浅化）为主，一直备受争议，董耀华[26]曾定量分析过葛洲坝枢纽工程下游河道窄深化的演变趋势。966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6

4 结 论

（1） 基于流域、水系和干流河道河流形态3要素，初步提出了独立与非独立河流分类方法，将集水流域闭合、划分水系全部汇入干流河道且最终注入非河流地理系统（如：海洋、沼泽、湿地、湖泊等）的河流定义为独立河流。独立河流的所有支流水系均属于非独立河流，所有非独立河流均属于内流河;独立河流遵循河口优先原则，非独立河流遵循汇入干流河道优先原则。

（2） 收集整理了世界55条大江大河或代表性独立河流，其河流形态的复杂性可划归为复合流域水系与复杂干流河道两类;回归分析了河长与流域面积之间约0.5次方的相关关系，构建了流域特征长度、流域综合面积和河流弯曲指数等3个新的河流形态特性指标;基于河长、流域面积和流域综合面积，对世界河流进行了前十位综合排序，流域综合面积排序前十位河流分别是亚马孙河、尼罗河、刚果河、鄂毕河、叶尼塞河、长江、勒拿河、密西西比河、尼日尔河、阿穆尔河，流域综合面积排序值得推荐。

（3） 以长江支流水系为非独立河流实例，复核了河长与流域面积约0.5次方的相关关系和流域综合面积等指标的适用性。基于河長、流域面积和流域综合面积，对长江支流水系也进行了综合排序，汉江河长和流域综合面积排序第一，嘉陵江流域面积排序第一。归纳了长江流域河流水系“谱系”，河流数量分别为1，4，9，24，49，63，374，581。

（4） 研究河流分类及增设河流形态学可填补河流地貌学与河床演变学之间的研究空白，逐步形成河流“几何（河流形态学）-运动（河床演变学）-动力特性（河流动力学）”研究体系。河流形态学可初步定位为：基于流域、水系和干流河道河流形态3要素，研究独立和非独立河流现状形态的基础及基础应用型科学，主要研究内容包括河流分类、分级及分段“基石”研究和干流河道形态研究。概述了在河流分类、分级及分段，河势线，河型分类，河道比降及其他河道形态等方面的研究进展，并进行了展望。

参考文献：

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（编辑：胡旭东）

董耀华，

男，1966年生，正高级工程师（二级），现任长江水利委员会长江科学院副总工程师;英国南安普敦大学（1年）、法国地质矿产研究所（2月）、美国加州圣迭戈州立大学（2月）访问学者，长科院学位评定委员会委员、硕士生导师、博士后工作站合作导师;水利学会泥沙专委会副秘书长，水利部水资源论证评审专家，水力发电工程学会水文泥沙专委会会员，国际水利与环境工程学会（IAHR）会员，《长江科学院院报》编委，《人民长江》《水利水电快报》编委会特聘专家。

从事河流泥沙与治河防洪专业、水力学及河流动力学科“治河、治江、治水”科研及实践30余年，主持、负责或主要参加60余项科研项目，发表期刊和会议论（译）文108篇。荣获大禹水利科学技术奖，湖北省科技进步奖，长江委科学技术奖，长江三峡工程泥沙研究先进工作者，湖北省自然科学优秀学术论文，湖北省水利学会優秀论文，湖北省优秀硕士论文指导老师等科研学术奖励22项。

Study on river classification method and overview of river morphology science

DONG Yaohua1，WANG Xiuli2

（1.Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of the Middle and Lower Yangtze River of MWR，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China; 2.Library of Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：

Up to now，the academic community has conducted sufficient researches on river classification and segmentation，but there is still a lack of systematic analysis and unified understanding.In this paper，based on three river morphology elements of watershed basin，drainage network and mainstream channel，independent rivers and non-independent rivers as a method of river classification were firstly proposed.Then，comprehensive lists were ranked respectively for 55 independent rivers worldwide and for non-independent tributaries or drainage networks of the Yangtze River while a pedigree was summarized for all rivers or drainages of the Yangtze River.Finally，the river morphology science was preliminarily established and discussed.The research results were as follows：（1） Independent rivers follow principle of estuary priority while complexity of river morphology can be classified into compound watershed or drainage and complex mainstream channel.Based on approximate 0.5 power correlationship between river length and river basin area，3 characteristic indexes of river morphology，namely river featured length，compositive river basin area and river curved indicator were proposed.（2） By index of compositive river basin area，the top 10 rivers worldwide are Rivers of Amazon，Nile，Congo，Ob，Yenise，Yangtze，Lena，Mississppi，Niger and Amur.

While river numbers of summarized pedigree for all rivers or drainages of the Yagtze River are 1，4，9，24，49，63，374 and 581.

（3） The river morphology science should include cornerstone researches of river classification，stream-order gradation and river segmentation，and researches on morphology of river channel.Study on river classification and establishment of river morphology science enable to fill researching gap between sciences of river geomorphology and fluvial processes，and gradually form researching system on river features of geometry-kinematics-dynamics corresponding to river morphology，fluvial processes and river mechanics.

Key words：

river classification;independent river;river morphology science;watershed;drainage network;mainstream channel;estuary priority principle;compositive river basin area;morphology of river channel966EFE25-E08C-4BF2-B537-570FA76483A6