三峽水庫下游河道演變與生態(tài)治理研究進(jìn)展

姚仕明，胡呈維，渠 庚

(1.長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

長江流域面積180萬km2， 是我國水資源配置的戰(zhàn)略性水源地和水電開發(fā)主要基地，是連接?xùn)|、中、西部的“黃金水道”以及珍稀水生物的自然寶庫，在我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位。而長江中下游沿江兩岸是國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的精華地帶，重中之重。近些年來，在自然條件和人類活動(dòng)(特別是大型水利工程簇群調(diào)度應(yīng)用)的雙重影響下，進(jìn)入長江中下游的沙量大幅減少，“清水”下泄使得長江中下游干流沖刷范圍不斷擴(kuò)大，沖刷向下游發(fā)展明顯，河床沖淤變化劇烈、頻繁，這勢(shì)必影響長江中下游地區(qū)的防洪、河勢(shì)、航運(yùn)、生態(tài)與環(huán)境以及河流的綜合服務(wù)功能的正常發(fā)揮，同時(shí)也對(duì)長江中下游河道整治理論與技術(shù)提出了新的要求。因此，對(duì)長江中下游河道水沙輸移規(guī)律、河道演變規(guī)律以及河道生態(tài)治理技術(shù)3個(gè)方面進(jìn)行研究，對(duì)于促進(jìn)長江流域生態(tài)文明建設(shè)、長江大保護(hù)、長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)和黃金水道建設(shè)乃至全國的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義。本文在廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)上述3個(gè)方面的研究成果進(jìn)行論述，并結(jié)合當(dāng)前研究工作中的不足，提出了未來研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方向與內(nèi)容，供該領(lǐng)域未來研究工作參考。

2 三峽水庫下游河道基本情況

2.1 河道形態(tài)特征

三峽水庫下游河道上起宜昌，下迄長江河口原50號(hào)燈標(biāo)，全長約1 893 km(圖1)。宜昌—湖口為長江中游，全長約955 km，湖口以下是下游，長約938 km。

圖1 長江流域Fig.1 Map of the Yangtze River basin

三峽水庫下游河道可劃分為宜枝河段、荊江河段、城陵磯—湖口河段、湖口—徐六涇河段以及長江口河段。

宜昌—枝城河段為過渡段，經(jīng)此河段，長江從山區(qū)河流過渡到?jīng)_積平原河流。宜枝河段兩岸受低山、丘陵和階地控制，河岸抗侵蝕能力強(qiáng)。枝城至城陵磯河段稱為荊江，以藕池口為界分為上、下荊江。上荊江河段彎道較多，彎道內(nèi)多有江心洲，受邊界條件和歷年拋石護(hù)岸工程的控制，總體河勢(shì)基本穩(wěn)定[1]。下荊江為典型的蜿蜒型河道，河道兩岸抗侵蝕能力差，橫向擺動(dòng)大，裁彎和切灘撇彎現(xiàn)象十分頻繁。經(jīng)多年整治已演變?yōu)橄拗菩詮澢拥?，總體河勢(shì)得到初步控制，但局部河勢(shì)變化仍較劇烈[2]。城陵磯—湖口段總體河型為兩岸邊界條件限制較強(qiáng)的微彎型或彎曲型分汊河道，單一河道主流走向基本穩(wěn)定，汊道段主支汊地位較為穩(wěn)定[3]。湖口—徐六涇段為江心洲發(fā)育、汊道眾多的藕節(jié)狀分汊型河道，灘槽沖淤演變較為劇烈，主支汊分流比也隨之調(diào)整，少數(shù)主支汊發(fā)生易位，河床演變強(qiáng)度較大[4]。長江口河段受徑流、潮流和風(fēng)暴潮等動(dòng)力因素的影響，且河道較寬，河槽內(nèi)大小灘地密布，汊道交織，河床穩(wěn)定性較差，河勢(shì)變化復(fù)雜[5]。

2.2 河道治理情況

為保障長江中下游河勢(shì)穩(wěn)定和防洪安全，開展了以河勢(shì)控制工程與護(hù)岸工程為主的河道治理工作[6-8]。1998年長江發(fā)生流域性大洪水后，1999—2003年長江水利委員會(huì)組織實(shí)施了長江重要堤防隱蔽工程，累計(jì)護(hù)岸總長436 km。2003年三峽水庫運(yùn)行以來，為積極應(yīng)對(duì)“清水下泄”對(duì)中下游防洪、河勢(shì)等方面帶來的影響，2003—2013年長江中下游河道完成治理長度約594 km。2016年以來，開展了宜昌—湖口段及湖口以下江西、安徽、江蘇三省崩岸重點(diǎn)治理工作。截至2018年，長江中下游崩岸治理項(xiàng)目已完成護(hù)岸近200 km。長江中下游河勢(shì)控制工程的實(shí)施基本穩(wěn)定了中下游河勢(shì)[9]。

此外，為了充分發(fā)揮長江中下游“黃金水道”的航運(yùn)功能，我國對(duì)長江中下游干流礙航河段實(shí)施了大規(guī)模的航道治理工程[10]，如2000年以來實(shí)施的長江口深水航道一、二、三期工程、荊江河段航道整治工程昌門溪至熊家洲段工程、武漢至安慶6 m航道整治工程、長江南京以下12.5 m深水航道建設(shè)一、二期工程、馬南水道航道整治工程、東流水道航道整治二期工程等。多年的航道整治建設(shè)解決了長江干線主要礙航問題，Ⅲ級(jí)以上高等級(jí)航道全部建成，通過能力與貨運(yùn)量大幅度提升。

3 三峽水庫下游河道水沙輸移規(guī)律研究

3.1 來水來沙總量及其組成變化特性

長江中下游河道來水來沙總量均有減少，但減少程度有所不同。三峽水庫蓄水運(yùn)用后宜昌、枝城、螺山、漢口、大通站年均徑流量和懸移質(zhì)輸沙量均有所減少，懸移質(zhì)輸沙量約減少66.7%～92.2%，減幅較大，但徑流量減少幅度并不顯著，約為4.8%～7.9%[11]。三峽水庫建成運(yùn)行使得水庫下游水流含沙量降低，河床沿程沖刷補(bǔ)給，荊江河段年均輸沙量沿程增加，這與三峽水庫建成運(yùn)行前年均輸沙量沿程遞減形成鮮明對(duì)比；由于洞庭湖、鄱陽湖與漢江等水系匯流及床面沖刷補(bǔ)給等影響，三峽水庫運(yùn)用后，城陵磯站下游河段在年均輸沙量沿程增加，但年平均含沙量沿程變化不大[12]。

長江中下游河道來水來沙組成復(fù)雜，徑流量主要來自長江上游、兩湖水系及支流漢江，共計(jì)占大通站的84.5%，中下游其他區(qū)間來流占15.5%。三峽水庫蓄水運(yùn)行前后，長江中下游來水組成沒有明顯改變，但來沙組成發(fā)生了明顯變化[13-14]。三峽水庫蓄水運(yùn)行(2003—2016年)以來，入庫沙量約為3 816萬t，僅占蓄水前入庫沙量的7.8%[15]。此外，金沙江下游的向家壩和溪洛渡水電站分別于2012年和2013年開始運(yùn)行，進(jìn)、出三峽水庫的沙量也隨之減少，2013—2016年宜昌站年均輸沙量約1 290萬t，僅占三峽水庫蓄水前年均輸沙量的2.6%?？梢灶A(yù)見，在長江上游生態(tài)建設(shè)工程、水土保持工程與一系列干支流水庫建成運(yùn)行的影響下，進(jìn)、出三峽水庫的泥沙量會(huì)長期維持在相對(duì)較低的水平，長江中下游河湖系統(tǒng)演變也會(huì)因此受到影響[11]。

3.2 懸移質(zhì)泥沙輸移特性

不平衡輸沙現(xiàn)象在沖積河流中下游十分普遍，河床往往會(huì)通過自動(dòng)調(diào)整作用使河床逐漸趨于輸沙平衡狀態(tài)[16-18]。三峽水庫建成運(yùn)用后產(chǎn)生“清水下泄”會(huì)引起長江中下游河道發(fā)生長距離不平衡輸沙[19]。

目前關(guān)于長江中下游懸移質(zhì)泥沙輸移特性的研究，主要基于長江中下游沖刷發(fā)展的觀測(cè)與分析。由于天然河流中的泥沙往往為非均勻沙，且不同粒徑組懸移質(zhì)泥沙的含沙量與沿程恢復(fù)特性存在較大差異，因此僅掌握全沙的輸沙規(guī)律還不足以闡明壩下游懸移質(zhì)泥沙不平衡輸沙規(guī)律，因此，研究時(shí)大多根據(jù)不同粒徑懸移質(zhì)泥沙的輸移特性，以粒徑0.125 mm將其分為細(xì)沙(粒徑d<0.125 mm)和粗沙(d>0.125 mm)兩組，研究懸移質(zhì)泥沙的輸沙量時(shí)空的變化特點(diǎn)。盧金友和姚仕明[11]分析了三峽水庫蓄水前后長江中下游代表水文站懸移質(zhì)泥沙資料，發(fā)現(xiàn)三峽水庫蓄水前，宜昌站、枝城站、沙市站、監(jiān)利站、螺山站、漢口站、大通站粗沙含量分別為9.0%、6.9%、9.8%、9.6%、13.5%、7.8%、7.8%；而三峽水庫蓄水后，2003—2015年，上述7站粗沙含量分別為5.6%、15.4%、26.6%、35.1%、23.0%、20.7%、7.7%，即三峽水庫運(yùn)用以來，除宜昌站、大通站外，其他各站的粗沙所占比例較自然條件下顯著增加，這主要是河床沖刷補(bǔ)給、懸移質(zhì)與床沙交換及兩岸支流入?yún)R等的影響造成[11]。郭小虎等[20]研究了荊江河段懸移質(zhì)含沙量恢復(fù)程度，結(jié)果表明三峽水庫下游粒徑>0.125 mm的泥沙主要在荊江河段恢復(fù)到飽和狀態(tài)，而細(xì)沙恢復(fù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到飽和。馮雪等[21]對(duì)于這一問題進(jìn)一步研究，提出了懸移質(zhì)恢復(fù)效率這一概念(河段內(nèi)某粒徑組沙的河床沖淤量與進(jìn)入河段的該粒徑組懸沙量的比值)，定量研究了荊江段1994—2017 年非均勻懸移質(zhì)恢復(fù)效率。研究發(fā)現(xiàn)三峽工程運(yùn)用后，不同粒徑組懸移質(zhì)泥沙恢復(fù)效率絕對(duì)值顯著增大，其中粗沙的恢復(fù)效率絕對(duì)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)沙，這主要因?yàn)榍G江段床沙組成中粗沙部分含量大，而細(xì)沙含量小。

總體來看，盡管當(dāng)前研究對(duì)三峽水庫下游不同粒徑組懸移質(zhì)泥沙輸移規(guī)律取得了一定的認(rèn)識(shí)，但目前研究成果對(duì)不同粒徑組懸沙的恢復(fù)程度及其與來水來沙條件的關(guān)系還存在不足，特別對(duì)懸移質(zhì)輸移量與其恢復(fù)距離的預(yù)測(cè)結(jié)果也與實(shí)際情況仍存在一定差距，今后的研究應(yīng)在這些方面予以重視。

3.3 推移質(zhì)泥沙輸移特性

推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)作為河床演變的一部分，直接影響河道的沖淤變化與洲灘演變。自然條件下，三峽水庫下游河道懸移質(zhì)輸沙量巨大，對(duì)河床的塑造具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而推移質(zhì)輸沙量僅占河道總輸沙量的0.5%～1.5%[22]。隨著長江干支流水庫陸續(xù)建設(shè)與投入運(yùn)行，大部分推移質(zhì)泥沙留在庫內(nèi)，導(dǎo)致臨近水庫河段的推移質(zhì)年均輸沙量也大幅度減少，但因河床沿程沖刷補(bǔ)給推移質(zhì)輸沙量占總輸沙量的比例會(huì)顯著增加[23-24]，其對(duì)河床的塑造作用會(huì)日益凸顯。

推移質(zhì)輸沙率的計(jì)算一直都是河流動(dòng)力學(xué)的研究重點(diǎn)，學(xué)者們基于各種物理模型，提出了眾多的推移質(zhì)輸沙率公式，計(jì)算結(jié)果也是千差萬別。錢寧和萬兆惠[25]曾將國外主要的推移質(zhì)輸沙率公式分為四大類：①基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立(以Meyer-Peter公式為代表)；②基于物理基本概念建立(以Bagnold公式為代表)；③基于概率論及力學(xué)相結(jié)合的方法建立(以Einstein為代表)；④基于Einstein或Bagnold的某些重要概念，并輔助以量綱分析、實(shí)測(cè)資料以及一定的推理而建立(以Engelund、Yalin為代表)。國內(nèi)部分學(xué)者在推移質(zhì)輸沙率計(jì)算公式方面也開展了相關(guān)研究，取得有益的研究成果，如韓其為和何明民[26]采用統(tǒng)計(jì)理論研究出推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)及其輸沙機(jī)理；姚仕明等[23]基于推移質(zhì)輸沙率實(shí)測(cè)資料在推移質(zhì)輸沙率與流量之間建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系式，并對(duì) Engelund-Hansen 和 Einstein 推移質(zhì)輸沙率公式進(jìn)行了檢驗(yàn)與修正。

總的來說，推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)很大程度上受到床面附近紊動(dòng)的影響，因此推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)具有明顯的隨機(jī)性。同時(shí)，推移質(zhì)顆粒運(yùn)動(dòng)又具有一定的確定性[27]。正是由于推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)兼有不確定性與確定性使得定量描述推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常復(fù)雜。而現(xiàn)有的推移質(zhì)輸沙率公式是基于各種假設(shè)推導(dǎo)得到的。因此，即使針對(duì)同一種情況，采用不同的推移質(zhì)輸沙率公式可能得到差異較大的計(jì)算結(jié)果，這也成為了泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)中目前尚未得到很好解決的難題之一。

3.4 水沙通量變化趨勢(shì)

長江上游干支流水庫群的調(diào)蓄雖然沒有改變進(jìn)入中下游江湖系統(tǒng)的徑流量總量與其比例組成，但水庫下游的徑流過程發(fā)生了較大變化，主要表現(xiàn)為高洪水期洪峰流量的削減、中水期時(shí)間的延長以及枯水期流量的增加。

對(duì)于來沙量來說，自然條件下長江上游年平均輸沙量達(dá)5億t，在進(jìn)入中下游江湖系統(tǒng)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位。但長江上游干支流水庫群的建成運(yùn)行使得大量泥沙留在庫內(nèi)，減少了進(jìn)入長江中下游江湖系統(tǒng)的泥沙總量，年平均泥沙量在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)基本位置在1 000萬t左右，與洞庭湖四水、漢江仙桃站相當(dāng)，鄱陽湖五河約600萬t[13]。此外，兩湖的調(diào)蓄與水土保持工程的不斷實(shí)施也使得進(jìn)入長江中下游江湖系統(tǒng)的沙量繼續(xù)減少[7]。今后，長江上游、兩湖水系及漢江累積進(jìn)入中下游江湖系統(tǒng)的年平均沙量會(huì)長期維持在3 600萬t左右的水平，僅為自然條件下宜昌站年平均輸沙量的7.2%。但是，在長江流域城區(qū)域遭遇特殊水文年時(shí)，進(jìn)入長江中下游河道的年輸沙量可能會(huì)超過或低于這個(gè)水平[11]。

4 水沙變化條件下三峽水庫下游河道演變規(guī)律

4.1 三峽水庫下游河道演變總體特征

三峽水庫蓄水以來下游干流河道演變有以下特征：

(1)維系和控制河勢(shì)的洲灘發(fā)生較大幅度沖蝕，局部河段河勢(shì)調(diào)整幅度有所加大[28-29]，如沙市河段、東流河段、貴池河段江心洲(灘)持續(xù)沖刷萎縮；三峽水庫蓄水前河勢(shì)較穩(wěn)定的彎道段灘槽以“漸進(jìn)”或“突變”方式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，如下荊江調(diào)關(guān)彎道、荊江門彎道、七弓嶺彎道在蓄水前的幾十年內(nèi)灘槽形態(tài)變化較小，主流緊貼凹岸下行[30]，新水沙條件下這些急彎段出現(xiàn)了凸岸邊灘崩退、主流撇彎的演變現(xiàn)象[31]。

(2)近岸河床沖刷下切對(duì)現(xiàn)有護(hù)岸工程的穩(wěn)定構(gòu)成威脅，已護(hù)工程薄弱段和未守護(hù)段崩岸強(qiáng)度和尺度明顯加大，其中迎流頂沖段表現(xiàn)尤為突出[32]，如2017年11月8日，揚(yáng)中河段指南村江岸發(fā)生崩岸險(xiǎn)情，形成了岸線崩長約540 m、最大坍進(jìn)尺度約190 m的崩窩。

(3)江心灘、邊灘成型淤積體有沖有淤，總體表現(xiàn)為沖刷，對(duì)汊道分流態(tài)勢(shì)、航槽穩(wěn)定帶來不利影響[2]。如近期東流河段老虎灘右汊、鎮(zhèn)揚(yáng)河段世業(yè)洲左汊分流比大幅增加可能引起航槽移位，鄂黃河段戴家洲、安慶河段潛洲高灘前沿依附的心灘受水流沖刷切割出現(xiàn)交錯(cuò)或散亂的不良淺灘，引起分流區(qū)主航槽航深不足。

4.2 不同河型河道演變特點(diǎn)

4.2.1 順直型河道演變

長江中下游順直河道眾多，如界牌河段、天星洲河段、八姓洲河段等。順直河流的形態(tài)特征主要為深淺相間的河床縱剖面和兩岸交錯(cuò)分布的邊灘[33]。交錯(cuò)邊灘對(duì)枯水、枯水河槽主流線的方向均有很大影響，同時(shí)也決定了河岸的侵蝕位置。因此，當(dāng)前關(guān)于順直河道演變的成果主要集中于順直河道交錯(cuò)邊灘的形成機(jī)理[34]、演變特性[35]以及水沙輸移特性[36]等方面，研究方法以數(shù)值模擬、水槽試驗(yàn)為主，或針對(duì)某些河段進(jìn)行具體分析。在數(shù)值模擬方面研究方面，多對(duì)順直河道交錯(cuò)邊灘的形成過程進(jìn)行模擬[37-38]。在水槽試驗(yàn)研究方面，常通過改變水沙邊界條件，對(duì)順直河道邊灘發(fā)育過程進(jìn)行一定的影響性研究[39]。

近年來，長江上游干支流水庫的建成運(yùn)行對(duì)沖積性河流的河道演變與水沙輸移規(guī)律產(chǎn)生了較為明顯的影響，引發(fā)下游河道劇烈的再造床過程，如上荊江較為順直的沙市河段上段在三峽水庫蓄水運(yùn)用后，兩岸邊灘發(fā)生明顯沖刷，灘槽形態(tài)也發(fā)生明顯改變；界牌河段河床總體朝窄深方向發(fā)展：高程低于平灘水位的潛洲或?yàn)┟?，斷面趨于寬淺；高程高于平灘水位的江心洲，斷面趨于窄深[40]，對(duì)航運(yùn)、取水和防洪安全帶來了一定的影響?？傮w來說，順直河道演變規(guī)律研究成果較彎曲型河道和分汊型河道來說相對(duì)較少，主要原因是在許多河型分類體系中，順直河道都被當(dāng)作一種河型轉(zhuǎn)化過程中暫時(shí)的過渡形態(tài)，其存在并不穩(wěn)定。

4.2.2 彎曲型河道演變

彎曲型河道中的水流一般呈現(xiàn)低水傍岸，高水居中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，彎道演變一般呈現(xiàn)凹岸沖刷、凸岸淤積等變化特點(diǎn)。隨著三峽工程的建成運(yùn)行，長江中下游彎道演變呈現(xiàn)出新特點(diǎn)：沙質(zhì)彎道河道原有的凸岸邊灘淤積，凹岸深槽沖深的演變規(guī)律發(fā)生較大變化[41-44]，部分彎道，特別是急彎段，出現(xiàn)較為顯著的、帶有某種趨向性的沖淤調(diào)整，不少彎道以“漸進(jìn)”或“突變”方式發(fā)展，例如在三峽水庫蓄水運(yùn)用后，下荊江(圖2)調(diào)關(guān)—萊家鋪急彎段、尺八口水道、碾子灣水道等彎道的凸岸邊灘逐步?jīng)_刷，凹岸側(cè)甚至已淤出心灘，這與三峽水庫蓄水前彎道“凹沖凸淤”[45-47]的一般規(guī)律有明顯差異。盡管三峽水庫蓄水運(yùn)用前，“凸沖凹淤”現(xiàn)象也偶有發(fā)生，但在蓄水后則呈現(xiàn)群發(fā)性。

圖2 荊江河段河勢(shì)Fig.2 Regime of the Jingjiang River reach

對(duì)于三峽水庫建成運(yùn)行后長江中下游彎曲河道演變的新特點(diǎn)，許多專家學(xué)者劃分出了不同的切灘模式，并對(duì)彎曲河型發(fā)育的不同模式[48-50]以及撇彎切灘的機(jī)理進(jìn)行了探討[51-53]。部分學(xué)者研究認(rèn)為彎道演變出現(xiàn)“凸沖凹淤”現(xiàn)象主要是河道邊界條件改變引起[54]：由于長江中下游大量護(hù)岸工程的實(shí)施，彎道凹岸側(cè)河道發(fā)展受到限制，因而水流轉(zhuǎn)而沖刷凸岸。然而三峽中下游的大規(guī)模護(hù)岸工程大多在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)實(shí)施，而群發(fā)性的“凸沖凹淤”現(xiàn)象在三峽工程建成運(yùn)行后才出現(xiàn)，已有研究成果無法完全解釋這一現(xiàn)象。也有部分研究認(rèn)為彎曲河型凸沖凹淤現(xiàn)象的主要原因是水庫蓄水后來沙條件變化：三峽水庫下游嚴(yán)重次飽和含沙水流作用造成彎道凸岸邊灘沖刷[55]，引起長江中下游河床粗化，中小洪水下推移質(zhì)數(shù)量增加，進(jìn)一步使得彎道凹岸水流流路受阻，主流因此偏向凸岸，沖刷邊灘。但是水庫攔沙的影響往往作用于彎道的全斷面，因此這種觀點(diǎn)不足以解釋“凸沖凹淤”現(xiàn)象只出現(xiàn)的彎道斷面的局部位置。還有部分研究認(rèn)為彎道“凸沖凹淤”現(xiàn)象的主要是由于彎道環(huán)流作用、水流動(dòng)力軸線擺動(dòng)以及特大洪水強(qiáng)力沖刷等水流動(dòng)力特性變化引起[56-58]。盡管這些成果體現(xiàn)了水動(dòng)力條件對(duì)塑造彎道河床的重要作用，但三峽水庫建成運(yùn)行改變了長江中下游洪水特性，如特大洪水不復(fù)存在，流量持續(xù)時(shí)間也發(fā)生改變，因此無法解釋三峽水庫建成運(yùn)行后長江中下游彎道“凸沖凹淤”現(xiàn)象與水流動(dòng)力特性變化之間的關(guān)系。

由此可以看出，當(dāng)前關(guān)于三峽水庫下游彎曲河道演變的研究成果，都反映出水沙條件變化是導(dǎo)致三峽水庫下游彎曲河道演變新特點(diǎn)的主要原因。但本質(zhì)上，彎道的演變與水沙條件的變化之間是一種互饋耦合關(guān)系。因此，今后的研究可采用物理模型試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)彎曲河道演變過程與水沙條件之間進(jìn)行耦合機(jī)制進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)手段，復(fù)演水沙變化條件下的彎道演變過程，驗(yàn)證已有的結(jié)論，以更全面地認(rèn)識(shí)三峽水庫下游彎道的演變過程。

4.2.3 分汊型河道演變

長江中下游分汊河道可分為順直分汊、微彎分汊和彎曲型分汊三類。長江中下游分汊河道演變最為顯著的特征是主支汊易位，呈現(xiàn)“原地易位”和“移位交替”2種模式[59]：“原地易位”模式中，分汊河道平面位置基本不變，僅分流比大小發(fā)生改變，一般發(fā)生于順直分汊型和微彎分汊型河道，如天興洲汊道；“移位交替”模式中，支汊通過平面位移和斷面沖刷擴(kuò)大而成為主汊，一般發(fā)生于彎曲型分汊河道，如烏龜洲汊道、陸溪口汊道、羅湖洲汊道(圖3)、戴家洲汊道等。

圖3 羅湖洲汊道“周期性移位”交替模式Fig.3 Periodic alteration of Luohu sandbar branchover years

隨著三峽水庫建成運(yùn)用，長江中下游分汊河道演變呈現(xiàn)出新特點(diǎn)。首先，三峽水庫運(yùn)行后，中枯水以下支汊河槽不斷沖刷發(fā)展，長江中游宜昌—湖口河段內(nèi)的分汊河段支汊不斷沖深發(fā)展，這與原先的“塞支強(qiáng)干”觀點(diǎn)并不完全相符。朱玲玲等[60]統(tǒng)計(jì)了長江中游16個(gè)典型的分汊河段的支汊分流比，發(fā)現(xiàn)16個(gè)分汊河段中支汊分流比增加的河段有12個(gè)，即大部分支汊都沖刷發(fā)展，且支汊發(fā)展的程度以順直分汊段最大，其次是微彎分汊段以及彎曲分汊段。其次，三峽水庫建成運(yùn)用后，長江中游分汊河道內(nèi)江心洲以沖刷為主，且中低灘的萎縮明顯。此外，筆者統(tǒng)計(jì)了三峽水庫建成運(yùn)用后長江中下游一些典型分汊河道的分流比，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)三峽水庫建成運(yùn)用后，對(duì)于分流比相差懸殊的分汊河道，發(fā)生主支汊易位的可能性很小，主支汊地位在較長時(shí)間內(nèi)可以得到維持，如梅子洲汊道、燕子窩汊道及太平洲汊道等；對(duì)于分流比相差不大，且為順直或微彎的分汊型河道，主支汊易位仍有可能發(fā)生，如成德洲汊道、戴家洲汊道、鵝眉洲汊道等。

圖4 三峽水庫建成運(yùn)用前后長江中下游不同類型分汊河道分流比對(duì)比Fig.4 Comparison of split ratio among different types of branching channels in the middle and downstreamYangtze River before and after the operation of Three Gorges Reservior

由于長江中下游分汊河道演變的復(fù)雜性及其對(duì)長江中下游防洪、航運(yùn)等方面的重要影響，分汊河道演變因素及機(jī)制一直是河床演變研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前對(duì)于該問題的研究通常采用實(shí)測(cè)資料分析、理論分析及模型預(yù)測(cè)等方法，從水沙過程、邊界條件及能量損失等角度探討分汊河道維持和演變成因[61-64]。此外對(duì)汊道段河床穩(wěn)定性、節(jié)點(diǎn)挑流作用、分汊口門礙航淺灘及主支汊交替周期等方面也有相應(yīng)的研究[65-66]。這些工作較為宏觀地闡述了分汊河道的水沙輸移及河床演變特征?？傮w來說，進(jìn)口水沙條件以及邊界條件的改變是分汊河道主支汊交替的主要驅(qū)動(dòng)因子[67]，且每類因子均可細(xì)分為若干形式。若水沙或邊界特征周期性發(fā)生破壞，則分汊河道演變特征會(huì)發(fā)生顯著調(diào)整，如朱玲玲等[60]研究認(rèn)為三峽水庫建成運(yùn)行后，長江中下游分汊河道河勢(shì)的局部調(diào)整是由于輸沙量減少、主支汊河床組成的差異以及局部河床邊界條件的變化。

對(duì)于三峽水庫建成運(yùn)行后，長江中下游分汊河道演變新特點(diǎn)的產(chǎn)生原因，已有大量研究成果。由于長江上游干支流水庫的建設(shè)運(yùn)行，清水下泄使得壩下游河道長期處于不飽和狀態(tài)，因此，在有關(guān)長江中下游分汊河道演變機(jī)制的研究中，應(yīng)突出嚴(yán)重次飽和含沙水流長期作用的影響。如王洪楊[68]以三峽水庫運(yùn)用下長江中下游彎曲分汊河道演變?yōu)楸尘?，研究了次飽和水沙作用下長江中下游彎曲分汊河道的水沙運(yùn)動(dòng)與河床演變的耦合機(jī)制，并對(duì)彎曲分汊河道的演變趨勢(shì)進(jìn)行了一定的預(yù)測(cè)。但由于分汊河道主支汊交替這一物理現(xiàn)象涉及到眾多因素，其中包括水沙條件的變化(如彎道環(huán)流、底沙輸移等)以及邊界條件的改變(如岸線崩退等)，且各因素間交錯(cuò)復(fù)雜，研究單一因素的變化不足以揭示長江中下游彎曲分汊河道演變機(jī)制，而全盤考慮所有因素的影響難度較大。因此，目前大多數(shù)成果主要針對(duì)長江中下游一些典型分汊河道進(jìn)行特定分析[40，69-70]，對(duì)于研究成果的共性規(guī)律和個(gè)性差異缺乏系統(tǒng)的歸納，應(yīng)用于具體河道治理的工程實(shí)踐還需進(jìn)一步提升。

5 三峽水庫下游河道生態(tài)治理

三峽工程及上游水庫群聯(lián)合運(yùn)行后，長江流域水沙出現(xiàn)變異，泥沙量驟降陡增，泥沙重分配顯著，長江中下游河勢(shì)發(fā)生顯著調(diào)整，影響河勢(shì)穩(wěn)定、防洪安全、航道穩(wěn)定、岸灘利用和涉水工程運(yùn)行安全，因此，開展長江中下游河道整治技術(shù)研究具有重要意義。

護(hù)岸與護(hù)灘工程(圖5)是河道整治技術(shù)中的常見工程措施，也一直是防止堤岸與洲灘沖刷，保護(hù)江、河防洪安全和河勢(shì)穩(wěn)定的有效措施。傳統(tǒng)護(hù)岸工程一般采用連續(xù)性或間斷性護(hù)岸形式，分為丁壩護(hù)岸和平順式護(hù)岸[71-73]；護(hù)灘工程包括魚骨壩(調(diào)整型護(hù)灘工程)和軟體排、網(wǎng)墊和透水框架等(守護(hù)型護(hù)灘工程)。盡管護(hù)岸與護(hù)灘工程的實(shí)施使河道得到一定程度的控制，但由于某些河段河勢(shì)變化較為劇烈，工程實(shí)施后并非一勞永逸[74-75]，如長江中下游局部河段河勢(shì)持續(xù)調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致部分已實(shí)施工程將難以適應(yīng)近岸河床的累積性沖刷，從而威脅到工程的自身安全及其功能的正常發(fā)揮。此外，傳統(tǒng)的護(hù)岸與護(hù)灘工程常采用一些人工材料，包括鋼筋混凝土或砌石等滲透性或半滲透性材料。這些工程的實(shí)施破壞了水陸生態(tài)系統(tǒng)的自然連接屬性，孤立了整個(gè)守護(hù)部分，使其成為一個(gè)與外界沒有物質(zhì)和能量交換的封閉體系，不僅破壞了動(dòng)植物的生存環(huán)境，也損壞了河岸與洲灘的部分生態(tài)功能。

圖5 護(hù)岸與護(hù)灘工程Fig.5 Bank protection and shoal protection projects

5.1 河道生態(tài)治理

近年來，人們逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)河道治理方法雖能實(shí)現(xiàn)河道安全功能，但忽視了河流生態(tài)系統(tǒng)的自身需求。河道治理工程的建設(shè)不僅要符合工程設(shè)計(jì)原理，也應(yīng)從生態(tài)系統(tǒng)角度考慮其對(duì)生態(tài)因子的影響。因此，河流生態(tài)治理的概念被提出[76]。河道生態(tài)治理是通過一定的手段和方法將其受損功能恢復(fù)到一定的狀態(tài)，使其同時(shí)滿足河流自身發(fā)展規(guī)律以及人類社會(huì)發(fā)展需求。

河流生態(tài)治理技術(shù)主要包括水質(zhì)生態(tài)修復(fù)技術(shù)、水量生態(tài)修復(fù)技術(shù)、河道形態(tài)修復(fù)技術(shù)以及流域生態(tài)修復(fù)技術(shù)等。水質(zhì)修復(fù)主要采用多種手段與方法(如穩(wěn)定塘、人工濕地、生態(tài)浮床、底泥疏浚等方法等)改善受污染水體的水質(zhì)，目前研究成果多集中在各種技術(shù)的研發(fā)和效果分析[77]。水量生態(tài)修復(fù)是采用河湖連通、生態(tài)調(diào)度以及生態(tài)輸(調(diào))水等方式補(bǔ)充河流水量，改善水生生物的生存環(huán)境，研究重點(diǎn)為輸水、調(diào)度及連通方式。特別是河湖水系連通已成為國家江河治理的重大需求，實(shí)施了眾多工程，然而河湖水系連通的相關(guān)理論與技術(shù)研究仍處于探索階段[78-81]。河道形態(tài)修復(fù)技術(shù)是指對(duì)河道的幾何形態(tài)(橫斷面與平面形態(tài)等)加以改造，以恢復(fù)河道的形態(tài)的多樣性。相關(guān)研究主要關(guān)注河道幾何形態(tài)與濱水帶的形態(tài)設(shè)計(jì)，以及護(hù)岸形式及材料的優(yōu)化等，如近些年發(fā)展起來的生態(tài)護(hù)岸技術(shù)，已在長江天興洲護(hù)灘工程、東流水道老虎灘高灘守護(hù)工程、沙市三八灘應(yīng)急守護(hù)工程中得到了應(yīng)用。這些整治工程采用了含有聚合物的沙土固化劑來直接固化河沙成型砌塊的試驗(yàn)性工程，工程生態(tài)效果較好。然而，對(duì)于河勢(shì)變化劇烈河段的水下岸坡，生態(tài)護(hù)岸技術(shù)的應(yīng)用受到一定的限制[82-83]。流域生態(tài)修復(fù)主要是對(duì)河流整個(gè)流域，包括河流源頭到河口的所有水文單元，進(jìn)行修復(fù)，是一個(gè)集工程與非工程措施的綜合技術(shù)。如王思凱等[84]借鑒萊茵河綜合治理方案提出了長江流域生態(tài)治理的方案。

總的來說，當(dāng)前河道生態(tài)治理方面的研究仍多注重理論層面的構(gòu)架分析，今后需進(jìn)一步加強(qiáng)河道生態(tài)治理方法研究，研發(fā)可兼顧防洪、航運(yùn)及生態(tài)等目標(biāo)的河道生態(tài)治理新技術(shù)，在受損河道邊坡生境修復(fù)與堤岸生態(tài)改造等方面加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)。

5.2 航道生態(tài)治理

長江航道內(nèi)淺灘眾多，通航環(huán)境十分復(fù)雜，制約因素多。長江上游干支流水庫的建成運(yùn)行深刻改變了水庫下游航道的水沙條件和演變，長江中下游河段廣泛出現(xiàn)了河床下切、壩下水位持續(xù)降低以及灘槽穩(wěn)定性下降等問題[85-86]，顯著改變了水庫下游分汊河道的灘槽格局，航道條件難以長期穩(wěn)定[87]。

航道治理是改善航道條件、提高通過能力的根本途徑。針對(duì)長江中下游航道出現(xiàn)的上述新特點(diǎn)、新問題，眾多學(xué)者陸續(xù)開展了大量研究工作，初步揭示了航道礙航機(jī)理，新技術(shù)、新成果不斷涌現(xiàn)，包括長河段航道治理原則以及整治設(shè)計(jì)參數(shù)確定的方法[88]、不同類型河道的航道治理措施與方法、適用于強(qiáng)沖刷條件下的“固灘穩(wěn)槽”方法。此外，明確了通航主汊道選擇原則，建立了分汊河道通航主汊引導(dǎo)恢復(fù)技術(shù)[89-90]；提出了一系列具有適應(yīng)河床變形能力、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、促進(jìn)淤積等功能的航道治理建筑物新結(jié)構(gòu)，對(duì)通航能力提高顯著[91-92]。

盡管這些航道技術(shù)在一定程度上解決了新水沙條件下長江中下游航道出現(xiàn)的新問題，但從生態(tài)影響角度，傳統(tǒng)航道治理工程建設(shè)可能在一定程度上改變河流局部自然環(huán)境及生態(tài)格局。特別是黨的十九大報(bào)告將建設(shè)生態(tài)文明納入了中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)，因此，生態(tài)航道建設(shè)將是長江航道未來的發(fā)展方向。生態(tài)航道是在生態(tài)學(xué)、水生態(tài)學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，在這方面歐美國家起步較早[93-94]，早在1965年，德國就開始采用種植植被的方式對(duì)萊茵河進(jìn)行生態(tài)護(hù)岸[95]。直到21世紀(jì)初，我國內(nèi)河航道生態(tài)建設(shè)與保護(hù)的理念才開始形成[96-97]，在此之后，我國長江生態(tài)航道建設(shè)發(fā)展迅速。在生態(tài)航道理論層面，逐步建立了包含空間、過程和功能3方面的長江生態(tài)航道理論框架與評(píng)價(jià)體系[98-101]，在此基礎(chǔ)上針對(duì)長江中下游干流不同河段(中游強(qiáng)沖刷段、下游多分汊段)河流系統(tǒng)功能，建立了生態(tài)航道評(píng)價(jià)方法體系，構(gòu)建了評(píng)價(jià)模型并進(jìn)行評(píng)價(jià)；在生態(tài)航道技術(shù)方面，提出一系列包括新型治理結(jié)構(gòu)和環(huán)保施工技術(shù)等，新型治理結(jié)構(gòu)一般具有良好的透水性，有的還具有一定的生境營造功能，可以有效避免傳統(tǒng)航道治理結(jié)構(gòu)對(duì)河流自然環(huán)境產(chǎn)生的破壞——硬化河床、阻礙物質(zhì)交換、破壞生物生境等問題。生態(tài)航道治理結(jié)構(gòu)包括新型生態(tài)護(hù)岸、綠色疏浚、疏浚泥沙綜合利用、生境重建、河流生態(tài)修復(fù)和治理[102-103]，以及中小河流采用的生態(tài)混凝土現(xiàn)澆網(wǎng)格、土工格柵、鋼絲網(wǎng)石籠墊等護(hù)灘護(hù)岸整治建筑物結(jié)構(gòu)等綠色生態(tài)護(hù)灘結(jié)構(gòu)等[104-105]。例如，在長江12.5 m深水航道建設(shè)工程中，生態(tài)排被應(yīng)用于狼山沙潛堤高灘。通過鋪設(shè)生態(tài)排，保護(hù)了原有生態(tài)綠地，擴(kuò)大了植物生長面積，起到了生態(tài)修復(fù)的作用[102]。

綜上所述，當(dāng)前生態(tài)航道治理研究已經(jīng)在基礎(chǔ)理論框架與治理技術(shù)方面取得了一定的發(fā)展。在當(dāng)前新水沙條件、長江大保護(hù)以及長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)等多重背景下，生態(tài)航道治理在今后的研究中應(yīng)統(tǒng)籌考慮防洪、航運(yùn)、發(fā)電、供水、生態(tài)等多目標(biāo)需求，進(jìn)一步完善生態(tài)航道基礎(chǔ)理論框架；加強(qiáng)生態(tài)航道治理工程所需的結(jié)構(gòu)、材料、工藝及細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與技術(shù)；加強(qiáng)航道生態(tài)監(jiān)測(cè)分析體系的構(gòu)建與航道生態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制。

6 結(jié) 語

隨著以三峽工程為核心的長江上游水庫群的建成運(yùn)行，水庫下游河道水沙情勢(shì)發(fā)生了較大變化，引起長江中下游不同河型調(diào)整顯著，這對(duì)河道防洪、航運(yùn)、岸灘保護(hù)與利用等具有重要影響，同時(shí)也對(duì)長江中下游河道(航道)整治理論與技術(shù)提出了新的要求。本文從三峽工程運(yùn)用以來長江中下游水沙輸移規(guī)律、河道演變規(guī)律及河道生態(tài)治理技術(shù)3個(gè)方面，總結(jié)了當(dāng)前一些有代表性的研究成果。但由于研究對(duì)象本身的復(fù)雜性，給這幾方面研究帶來了一定的困難。今后研究應(yīng)結(jié)合多學(xué)科理論和方法，加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：

(1)長江中下游河道水沙輸移與生物通量變化規(guī)律研究方面，應(yīng)注意研究多因素影響下長江水沙來源及時(shí)空分布規(guī)律，以及三峽工程等控制性水庫建成后中下游干支流水沙情勢(shì)與生物通量變化的時(shí)空特征及變化趨勢(shì)。

(2)長江中下游河道演變規(guī)律方面，需進(jìn)一步研究長江中下游河道演變與水沙輸移互饋耦合機(jī)理，以及水沙變異條件下長江中下游河道重塑機(jī)制方面的研究，研究中應(yīng)關(guān)注長江中下游不同河型的河勢(shì)變化規(guī)律，進(jìn)一步明晰新水沙變化對(duì)長江中下游重點(diǎn)河段演變效應(yīng)。

(3)河道生態(tài)治理技術(shù)方面，需進(jìn)一步研發(fā)適用于長江干流的、既滿足防洪、航運(yùn)、涉水工程安全運(yùn)行需求，又與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的河道生態(tài)治理新技術(shù)。研究應(yīng)特別注意從河道生境出發(fā)，著重研究河道整治工程措施和非工程措施相結(jié)合的方法，盡可能多地創(chuàng)造對(duì)生物有利的生境；航道生態(tài)治理技術(shù)方面，需要在新水沙條件下，兼顧防洪、航運(yùn)、發(fā)電、供水、生態(tài)等多目標(biāo)需求，深入開展長江生態(tài)航道基礎(chǔ)理論與整體框架研究，完善生態(tài)航道評(píng)價(jià)方法體系方法。進(jìn)一步研發(fā)生態(tài)友好型航道治理工程所需的結(jié)構(gòu)、材料、工藝及細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法與技術(shù)。加強(qiáng)航道生態(tài)監(jiān)測(cè)分析體系的構(gòu)建與航道生態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)制，有效促進(jìn)航道治理與生態(tài)環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)融合。