黑龍江河道演變及工程整治技術(shù)的研究

康 璐,向 波，張 婧，王 東，杜 康，童 欽

(1.西華大學(xué) 流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041；3.西華大學(xué) 流體機(jī)械及工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610039)

1 研究背景

黑龍江流域地處亞洲東北部，跨蒙古、中國(guó)、俄羅斯3個(gè)國(guó)家，屬于高緯度寒區(qū)河流，全長(zhǎng)5 498 km，流域面積為184.3×104km2。黑龍江干流年內(nèi)徑流變幅大，徑流以雨水補(bǔ)給為主、積雪融水為輔[1-2]。關(guān)于水沙變化，上、中游基本同步，年內(nèi)分布集中于汛期，年際變化呈減小趨勢(shì)[3]。黑龍江干流研究河段概況如圖1所示。

黑龍江干流島嶼眾多，受到國(guó)界河的政治因素制約，難以實(shí)現(xiàn)全面的水文監(jiān)測(cè)，已有的水文徑流數(shù)據(jù)系列較短，導(dǎo)致河道治理措施和技術(shù)缺少充分的理論依據(jù)，河岸及洲島的防護(hù)加固工程在設(shè)計(jì)和施工上受到限制。另一方面，受到俄方的工程干擾，岸坡坍塌、水土流失現(xiàn)象頻發(fā)，國(guó)土面積流失的風(fēng)險(xiǎn)大大提高[4-5]。同時(shí)，黑龍江流域歷史上爆發(fā)過(guò)多次全流域大洪水，加劇了干流沿線的岸邊崩塌，導(dǎo)致河勢(shì)急劇惡化。為了遏止岸崩、抵抗洪水、穩(wěn)定河勢(shì)[6]，專家學(xué)者們不斷對(duì)防洪技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新[7-8]，針對(duì)黑龍江這類高寒干流因地制宜地提出了河道治理措施[6,9]。

本文主要從河道演變規(guī)律、暴雨洪水研究、防護(hù)工程布置3個(gè)方面對(duì)近30年以來(lái)黑龍江河道演變及工程整治技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理分析，進(jìn)而對(duì)未來(lái)的研究方向提出建議。

2 研究熱點(diǎn)及趨勢(shì)

Web of Science(WOS)核心合集并未收錄關(guān)于黑龍江干流河道演變及工程整治技術(shù)的文獻(xiàn)，這大概是因?yàn)閲?guó)境界河的特殊屬性。本文將1990-2022年收錄于中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)的文獻(xiàn)作為數(shù)據(jù)源，以“黑龍江河道演變”和“黑龍江干流工程整治”為關(guān)鍵詞進(jìn)行篩選，刪除與主題無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)自1990年以來(lái)，相關(guān)文獻(xiàn)僅百余篇，與長(zhǎng)江、黃河相關(guān)研究文獻(xiàn)的萬(wàn)篇量級(jí)以及淮河、珠江相關(guān)研究文獻(xiàn)的千篇量級(jí)比較，相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。借用Citespace軟件對(duì)文獻(xiàn)計(jì)量信息進(jìn)行可視化分析，結(jié)果如圖2所示。

圖1 黑龍江干流研究河段概況示意圖(單位：km)

圖2 1990-2022年黑龍江干流河道演變及工程整治技術(shù)文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共線圖譜

黑龍江以及烏蘇里江作為中俄國(guó)界河，河道演變直接影響著國(guó)土面積的流失，只有充分認(rèn)識(shí)清楚河道演變的規(guī)律才能夠?yàn)閲?guó)土防護(hù)提供有力的依據(jù)。如圖 2所示，檢索顯示近30年研究文獻(xiàn)中出現(xiàn)的高頻詞匯有黑龍江干流、黑龍江、烏蘇里江、河道演變、國(guó)土防護(hù)。2000年之前，已經(jīng)開始對(duì)黑龍江河道演變規(guī)律有一些基本的認(rèn)識(shí)，主要是對(duì)某些特殊河段進(jìn)行成因分析。2000年之后，關(guān)于黑龍江干流及烏蘇里江的研究文獻(xiàn)數(shù)量明顯增加，尤其是數(shù)學(xué)模型和遙感技術(shù)的廣泛運(yùn)用，加強(qiáng)了對(duì)重點(diǎn)河段的河道演變及其治理方案的研究，并開始重視暴雨洪水的影響，國(guó)土防護(hù)布置方案(包括工程型式與材料等)進(jìn)一步細(xì)化。

3 河道演變規(guī)律

3.1 黑龍江干流

如圖 1所示，黑龍江干流上、中游我國(guó)境內(nèi)長(zhǎng)系列水文站較少，由上游向下游依次為洛古河、上馬廠、卡倫山水文站，以及2013年后增設(shè)的太平溝和撫遠(yuǎn)水文站，共計(jì)5個(gè)。因黑龍江干流水文資料系列較短且數(shù)據(jù)類型較少，導(dǎo)致黑龍江中、上游水沙時(shí)空分布、沿程泥沙級(jí)配等水沙特性的相關(guān)研究稀少。目前僅沈銘暉等[3]根據(jù)黑龍江上、中游的洛古河、上馬廠、卡倫山3個(gè)典型水文站1988-2008年的實(shí)測(cè)水沙資料，對(duì)黑龍江上中游上段河道的水沙動(dòng)力特性做了定量研究，該時(shí)段3個(gè)水文站的水沙變化如圖 3所示。分析圖 3可知，黑龍江水沙變化在上、中游基本同步，年內(nèi)分布集中于汛期，年際變化呈減小趨勢(shì)，輸沙量占全年九成以上。同時(shí)可確定黑龍江干流上洛古河、上馬廠和卡倫山3個(gè)水文站的造床流量分別為3 137、4 580和6 538 m3/s。該結(jié)果確定了塑造河流形態(tài)的水沙條件指標(biāo)，為黑龍江全干流的河道整治提供了理論參考。

黑龍江的右岸岸灘、洲島沖淤演變直接影響國(guó)土面積的流失，但是黑龍江的 “先天條件”不容樂(lè)觀。一是在柯式力的作用下，右岸侵蝕加劇[4]；二是岸邊植被稀少，土質(zhì)松散；三是高寒地區(qū)凌汛破壞不可抗拒；四是降雨年內(nèi)分配不均，7-8月份流量大，水流的動(dòng)能大。加之黑龍江中下游汊道眾多，彎道縱橫，彎道橫向環(huán)流現(xiàn)象顯著，致使黑龍江干流凹岸沖刷或崩岸頻發(fā)，低灘切割嚴(yán)重，洲島演變劇烈?，F(xiàn)有的公開文獻(xiàn)對(duì)于黑龍江干流洲島演變的研究主要基于系列較短的歷史實(shí)測(cè)資料，且資料收集年份多為20世紀(jì)80、90年代，或者是套繪河勢(shì)演變圖及典型河道斷面圖與近期資料進(jìn)行對(duì)比，再結(jié)合河流動(dòng)力學(xué)、河床演變學(xué)原理進(jìn)行現(xiàn)象描述或邏輯推理，得出黑龍江干流河道沖淤的定性分析結(jié)論，而缺少定量的研究成果去指導(dǎo)河道整治工程開展因地制宜的設(shè)計(jì)。

河道的沖淤一直是針對(duì)黑龍江干流的研究熱點(diǎn)。隨著信息采集技術(shù)的進(jìn)步，少量學(xué)者在遙感技術(shù)的支持下，利用數(shù)學(xué)模型模擬預(yù)測(cè)界河的變遷趨勢(shì)[10-12]。冷莉等[13]研究發(fā)現(xiàn)黑龍江干流沖淤變化及其強(qiáng)度總體呈現(xiàn)上游小于中游。王志興等[14]對(duì)中游松花江入口處進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，認(rèn)為此處沖淤變化強(qiáng)度大，且涉及面積廣。

河勢(shì)的穩(wěn)定性分析主要通過(guò)河相關(guān)系表征，用以描述來(lái)水來(lái)沙條件與河床地質(zhì)條件相適應(yīng)的均衡形態(tài)，具體指標(biāo)包含縱橫向穩(wěn)定性指標(biāo)、橫向可動(dòng)性指標(biāo)、彎曲度等。由于長(zhǎng)江、黃河的相關(guān)研究成果比較成熟，冷莉等[5,13]參考黃河、長(zhǎng)江的河相關(guān)系，得出黑龍江干流縱向穩(wěn)定、橫向欠穩(wěn)定的結(jié)論，并結(jié)合地形圖套繪和河流動(dòng)力基本理論對(duì)黑龍江干流上、中游多處大型汊道分布及其演變特點(diǎn)進(jìn)行了研究?，F(xiàn)有的研究多是針對(duì)黑龍江干流典型河段進(jìn)行分析，盡管典型河段的研究成果能夠?yàn)楹邶埥闪鞯暮拥姥葑円?guī)律提供一定參考，但是由于依據(jù)資料陳舊短缺、機(jī)理性的分析不夠深入，因而具有較強(qiáng)的局限性，難以為治河思路提供科學(xué)可靠的理論依據(jù)。

黑龍江黑河段的整治重點(diǎn)是彎道切割、江心島發(fā)育以及凹岸沖刷等問(wèn)題，圖4顯示了不同時(shí)期黑龍江干流中游臨江鎮(zhèn)典型江段的江心洲形態(tài)，由圖4可以直觀地觀察到彎道、江心島、凹岸的演化過(guò)程。隨著遙感技術(shù)的不斷成熟，潘世兵等[11]運(yùn)用遙感數(shù)據(jù)重點(diǎn)分析了黑河凹岸和江心洲的演變規(guī)律，并建立了數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)今后河道的沖刷速率。黑河段凹岸江段的岸邊線變化最為顯著，河道不斷沖刷，主流和汊道不斷發(fā)展；同時(shí)江心洲范圍擴(kuò)大、推移使得河道沖刷更為劇烈，塌岸嚴(yán)重，基于此，曹修玉等[15]分析了塌岸的成因，并提出了相應(yīng)的整治對(duì)策。

圖3 1988-2008年黑龍江干流洛古河、上馬廠、卡倫山水文站水沙年際變化[3]

圖4 黑龍江干流中游臨江鎮(zhèn)典型江段江心洲演化過(guò)程[11]

雪水溫江段作為黑龍江干流最典型的復(fù)雜分汊河段，必須加以控制，否則主支汊易位不僅會(huì)造成洲島變化，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致主流劇烈擺動(dòng)，引起中俄糾紛。宗原等[10]利用二維水沙數(shù)學(xué)模型模擬了無(wú)護(hù)岸條件下雪水溫江段20 a的沖淤變化，提出此處凹岸比較穩(wěn)定，但是河道主流在主汊與支汊之間擺動(dòng)劇烈。雪水溫江段 “大水淤積，小水沖刷”的河道演變特征導(dǎo)致河中段河勢(shì)穩(wěn)定性較差[16]。

哈魚島江段是黑龍江干流最典型的邊灘切割河段，江面寬廣遼闊，洲島、汊道發(fā)育，寬灘上存在大量交織散亂的汊道及串溝。但該江段相關(guān)研究的文獻(xiàn)報(bào)道十分有限，卜漢臣[17]對(duì)比了1957及1988年的地形圖岸線，認(rèn)為由于裁彎比較大，漫灘水流深，加之河岸土質(zhì)松散，導(dǎo)致低灘串溝發(fā)育，形成了新汊奪流，造成主江改道，致使國(guó)土產(chǎn)生爭(zhēng)議。

撫遠(yuǎn)水道上接黑龍江干流，下連烏蘇里江，是連接黑龍江與烏蘇里江的唯一水道，與黑龍江干流、烏蘇里江形成三角洲，三角洲內(nèi)部有兩島三汊交錯(cuò)分布，如圖5所示。

圖5 黑龍江撫遠(yuǎn)水道平面示意圖[19]

撫遠(yuǎn)水道河床基本處于略淤或沖淤平衡狀態(tài)，總體河勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定[18]。撫遠(yuǎn)三角洲內(nèi)部黑瞎子島呈現(xiàn)出 “一島兩國(guó)”的現(xiàn)狀，俄側(cè)汊道具有發(fā)展條件，但其植被茂盛，我國(guó)一側(cè)汊道更易發(fā)展成主流，因此研究三角洲內(nèi)的河道演變規(guī)律極為迫切。戴春勝[12]、盧玉海等[19]建立了數(shù)值模型對(duì)撫遠(yuǎn)江段演變進(jìn)行模擬，并預(yù)測(cè)未來(lái)?yè)徇h(yuǎn)水道的沖淤分布情況與河床演變趨勢(shì)。結(jié)果表明：受阿穆爾齊克河道的頂沖，撫遠(yuǎn)鎮(zhèn)處形成淘刷；大夾信子島北汊河床淤積，南汊少量沖刷；兩汊出口兩側(cè)沖岸條件成熟，島后存在潛在淤積區(qū)。

3.2 主要支流

如圖 1所示，黑龍江干流共有7條支流匯入，除了結(jié)雅河、布列亞河在俄羅斯境內(nèi)，其余支流全部位于中國(guó)境內(nèi)。其中，關(guān)于河道演變的相關(guān)研究以松花江最多，烏蘇里江其次，額木爾河、呼瑪河、遜畢拉河的相關(guān)研究十分有限，甚至為空白。

松花江屬于中國(guó)內(nèi)河，水文資料相對(duì)容易獲取，學(xué)者們通過(guò)整理分析松花江干流各水文站實(shí)測(cè)水文資料、套繪實(shí)測(cè)大斷面比較圖、套繪70年代地形圖與現(xiàn)狀衛(wèi)星地圖，對(duì)松花江泥沙運(yùn)動(dòng)及河道演變狀況進(jìn)行分析，圖6為1968與2003年松花江干流哈爾濱市區(qū)某河段河勢(shì)演變。松花江干流橫縱向總體相對(duì)穩(wěn)定[20]，但河段內(nèi)部分區(qū)域存在裁彎取直、沖刷塌岸等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響河勢(shì)[21]。松花江自同江匯入黑龍江，交匯處產(chǎn)生壅水，導(dǎo)致河床河勢(shì)穩(wěn)定性差，主要體現(xiàn)在河道與灘地的平面形態(tài)和沖淤等變化較大。王志興等[14]對(duì)松花江匯口江段進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，提出部分河段的岸堤有可能發(fā)生沖蝕，應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)。

學(xué)者們基于充足的輸沙、徑流、降雨等資料，采用小波分析法、累計(jì)曲線法、M-K次序分析法等對(duì)松花江的泥沙顆粒特性和水沙變化進(jìn)行分析[22-25]。研究發(fā)現(xiàn)，松花江干流河床質(zhì)為中細(xì)沙(0.005～0.6 mm)，下游較中上游床沙粒徑偏小[26]，且河道中泥沙大多為均質(zhì)細(xì)沙，不同水文期松花江干流河床質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配曲線如圖 7所示。故松花江是以推移質(zhì)造床為主、懸移質(zhì)為輔的少沙河流，水沙搭配基本協(xié)調(diào)，以徑流來(lái)沙為主。松花江干流江段和佳木斯江段的輸沙量增加趨勢(shì)緩慢，而哈爾濱站輸沙量減少趨勢(shì)顯著。其中哈爾濱段河勢(shì)總體穩(wěn)定，僅灘島迎流位置多有沖刷，島尾略有淤積，局部深點(diǎn)有淤平趨勢(shì)[27]。

圖6 1968與2003年松花江干流哈爾濱市區(qū)某河段河勢(shì)對(duì)比[20]

圖7 不同水文期松花江干流各河段河床質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配曲線[23]

烏蘇里江為中俄界河，整體以淤積變遷為主，下游侵蝕和淤積強(qiáng)度在整個(gè)變遷過(guò)程中最強(qiáng)[28]。我國(guó)一側(cè)地質(zhì)及洪水災(zāi)害頻發(fā)：塌岸退岸切灘嚴(yán)重、主流變動(dòng)頻繁、汊道不斷發(fā)展，導(dǎo)致國(guó)界線向中方偏移，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害和大面積國(guó)土流失。烏蘇里江岸線崩塌的主要原因包括江岸地勢(shì)低洼、岸坡抗沖能力低、洪水的沖擊等，同時(shí)河流常年還經(jīng)受冰排撞擊以及凍融循環(huán)的作用[29-30]?；谏鲜鏊队绊懸蛩?，孟令輝等[31]建立了烏蘇里江饒河段河岸穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，該成果可為類似河段塌岸地質(zhì)災(zāi)害的防治提供科學(xué)參考。

從以上分析來(lái)看，由于松花江、烏蘇里江兩條支流的水文資料相對(duì)容易獲取，目前有關(guān)黑龍江流域的研究多集中在這兩條支流。其中，松花江的河道演變以及水沙變化規(guī)律已較為清晰，而烏蘇里江的相關(guān)研究主要集中在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的原因以及如何整治河道、穩(wěn)定河勢(shì)方面。

綜上所述，由于黑龍江的國(guó)境河屬性，對(duì)其干流及主要支流地形的測(cè)量受限，致使大范圍地形資料短缺。所以黑龍江河道演變的精細(xì)研究難以開展，目前學(xué)者們主要根據(jù)水文數(shù)據(jù)和局部河段的地形資料進(jìn)行研究，因此關(guān)于長(zhǎng)河段、長(zhǎng)時(shí)間河道演變及水沙運(yùn)動(dòng)的研究成果十分有限。根據(jù)已有研究成果認(rèn)為，黑龍江干流縱向穩(wěn)定，橫向欠穩(wěn)定，水沙變化在上、中游基本同步，其年內(nèi)分布集中于汛期，年際變化呈減小趨勢(shì)，汛期輸沙量占全年的90%以上。在不理想的 “先天條件”制約下，河道中游右岸岸灘及洲島的沖淤變化較劇烈，而上游比中游的沖淤變化小。黑龍江各典型河段的河道演變特征存在顯著性差異，比如黑河段塌岸嚴(yán)重；雪水溫江段 “大水淤積，小水沖刷”；哈魚島江段低灘串溝發(fā)育；撫遠(yuǎn)水道圈河島南汊易淤積等。這均與黑龍江整體堤岸防護(hù)程度偏低有關(guān)，從而導(dǎo)致河道狀況不夠穩(wěn)定，所以及時(shí)采用有效的工程措施和技術(shù)手段來(lái)穩(wěn)定河道已刻不容緩。

4 暴雨洪水特征

對(duì)于防護(hù)程度偏低的黑龍江干流，暴雨洪水的沖擊對(duì)河道具有強(qiáng)烈的沖刷破壞作用。根據(jù)主要控制站的系列水文資料，可以總結(jié)出以下3點(diǎn)水文特性：(1)黑龍江干流為少沙河流，年內(nèi)與年際降雨分配不均，汛期多集中在7、8月份；(2)由于地處高緯度區(qū)，易發(fā)生冰塞、冰壩等引起河流壅水；(3)徑流以雨水補(bǔ)給為主，積雪融水為輔[32]，黑龍江干流流域上各水庫(kù)起到了良好的蓄洪補(bǔ)枯作用[33]。黑龍江流域大洪水多發(fā)生在7、8月份，分別在1958、1984和2013年爆發(fā)了全流域大洪水，沿線百姓受災(zāi)嚴(yán)重，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。除了區(qū)間來(lái)水，洪水主要來(lái)源是春季融雪和夏季降水形成的地表徑流，由于前兩次洪水發(fā)生時(shí)期的監(jiān)測(cè)技術(shù)不成熟，也缺乏相應(yīng)的研究，因而沒(méi)有數(shù)據(jù)資料記錄及文獻(xiàn)報(bào)道。

針對(duì)2013年黑龍江流域暴雨洪水的研究報(bào)道比較詳細(xì)[1-2,34]，表 1匯總了2013年黑龍江干流主要控制性水文站的洪水特征值[35]。此次暴雨洪水的成因主要是大氣環(huán)流異常，導(dǎo)致黑龍江流域降水量較常年同期偏多30%～40%[2]；同時(shí)，結(jié)雅河、布列亞河及松花江支流區(qū)間來(lái)水提高了黑龍江干流的洪水量級(jí)，所以在上述雙重作用疊加下，越往下游洪峰量越高，造成河道持續(xù)高水位，發(fā)展成為1961年后歷史第1位的特大暴雨洪水[34-36]。由于當(dāng)時(shí)黑龍江干流缺少水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)等調(diào)蓄工程，為了及時(shí)有效地控制此次洪水，俄方的結(jié)雅水庫(kù)、布列亞水庫(kù)采取了超常規(guī)調(diào)蓄運(yùn)行方式，對(duì)黑龍江干流洪水削峰、錯(cuò)峰作用顯著，保障了下游干流的安全[1]。

由于國(guó)境河具有一定的政治敏感性，常常難以實(shí)施傳統(tǒng)的工程措施，如修建水庫(kù)、堤防及設(shè)置蓄滯洪區(qū)等[37]，所以應(yīng)多利用非工程措施減少洪水災(zāi)害損失。基于黑龍江洪水量及洪峰大的特點(diǎn)，并結(jié)合流域特征，黑龍江的防洪抗災(zāi)技術(shù)得到不斷的總結(jié)和創(chuàng)新，防洪技術(shù)概況詳見(jiàn)表 2。

表1 2013年汛期黑龍江干流主要控制性水文站洪水特征值統(tǒng)計(jì)表[35]

表2 黑龍江防洪技術(shù)概況

通過(guò)歸納2013年以來(lái)黑龍江防洪技術(shù)的發(fā)展，總結(jié)其大致經(jīng)歷以下3個(gè)階段。

(1)“被動(dòng)”獲取階段。由于初期水文監(jiān)測(cè)技術(shù)不夠成熟和全面，黑龍江干流的水文計(jì)算方式多采用試算和間接計(jì)算，防護(hù)方案?jìng)?cè)重于保護(hù)。

(2)“主動(dòng)”獲取階段。該階段監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，鑒于洪水發(fā)生的隨機(jī)性，防洪技術(shù)越來(lái)越朝著自動(dòng)化、連續(xù)、無(wú)人值守的方向發(fā)展。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與編程語(yǔ)言、Excel、GIS技術(shù)、遙感平臺(tái)等結(jié)合起來(lái)監(jiān)測(cè)洪水水情變化，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)與洪水演進(jìn)同步，首先減少了人工需求，其次計(jì)算更為精確，最大程度地降低了人為誤差。

(3)“超前”獲取階段。黑龍江干流洪水災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，需要不斷提高洪水預(yù)報(bào)精度。首先對(duì)2013年大洪水做全面的分析調(diào)研，為后續(xù)黑龍江干流洪水研究提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)參考；再通過(guò)總結(jié)歸納歷次洪水調(diào)查，建立預(yù)報(bào)洪峰、確定洪水位的模型，最終采用自動(dòng)化的儀器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，迅速提供洪水?dāng)?shù)據(jù)，將災(zāi)害損失降至最低。

目前，現(xiàn)代科技已廣泛應(yīng)用于洪水管理領(lǐng)域，例如不斷加強(qiáng)防洪信息系統(tǒng)自動(dòng)化、提高數(shù)據(jù)精確程度，使相關(guān)洪水預(yù)警系統(tǒng)逐步完善，在一定程度上保障了水文氣象的預(yù)報(bào)精度及洪水管理效率。

5 防護(hù)工程布置

黑龍江汊道眾多、邊界物質(zhì)松散、河道蜿蜒曲折，低灘切割、凹岸沖刷、切島(洲)改道、邊岸坍塌災(zāi)害頻發(fā)[4,43]，土壤流失的風(fēng)險(xiǎn)較高，為防止國(guó)土面積減少必須對(duì)其進(jìn)行有效的工程防護(hù)，以穩(wěn)定江道流向，限制江汊發(fā)展。黑龍江干流的治理必須遵循河流演變的自然規(guī)律，因勢(shì)利導(dǎo)、因地制宜地提出河道河勢(shì)治理方案[44]。沖積型河流的河道控制工程一般分為防止沖刷坍岸整治線、防止切灘整治線以及穩(wěn)定主流控制汊道變化的整治線[43]，但是受限于黑龍江高寒氣候和國(guó)界河的客觀約束條件，資料匱乏，研究難以深入，導(dǎo)致河道治理理論和技術(shù)研究滯后，制約了河道治理工作的開展。

黑龍江屬于高緯度河流，冬季長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月，平均封凍期大于150 d，受其特殊的水流流量、河道形態(tài)和水文氣象條件的影響，上、中游極易發(fā)生凌汛災(zāi)害[45]。其中流冰、冰排對(duì)于護(hù)岸的撞擊不容忽視 (圖8(a))，同時(shí)，凍融循環(huán)造成的護(hù)岸破壞也是非常明顯(圖8 (b))，這些都會(huì)造成江岸坍塌。與低緯度河流相比，雖然治理的手段措施基本相同，但是受水動(dòng)力-凍脹/凍融耦合作用的影響，黑龍江防護(hù)材料的選擇需要考慮季凍區(qū)流域的特點(diǎn)[42]：一是應(yīng)具有較高的水力糙率，主要是減少冰排的沖擊作用。二是應(yīng)具有較強(qiáng)的耐久性，即材料要有一定的自愈能力。三是應(yīng)采用適應(yīng)凍脹變形的柔性防護(hù)[6]，以減少凌汛的影響。

圖8 黑龍江防護(hù)工程典型破壞形式[6]

基于黑龍江干流各河段的破壞類型和成因不同，一般采用將護(hù)岸布置與多種整治工程措施相結(jié)合的綜合防護(hù)治理措施。由于國(guó)境河流的政治敏感性，工程治理中多以護(hù)岸為主，難以采取削坡方案，而且為了防止基礎(chǔ)被掏空，造成護(hù)坡塊石脫落，其護(hù)腳應(yīng)深入到當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面以下，同時(shí)加強(qiáng)植被種植，減少水土流失和風(fēng)浪沖刷。為了加快施工速度，同時(shí)省工省料，黑龍江河道防護(hù)可以應(yīng)用模袋混凝土，筑堤土料建議在冬季備料[46]。鑒于已建工程冰壩作用破壞非常嚴(yán)重，建議使用拋石護(hù)岸的結(jié)構(gòu)型式[47]。目前黑龍江干流堤防工程多為砂性土原料，工程完工后的不均勻沉降易造成工程破壞?？梢?jiàn)分析堤防在汛期的破壞機(jī)理[48]以及提出適用于黑龍江干流砂性堤防的建設(shè)方案[49]十分必要。黑龍江河道防護(hù)治理措施總結(jié)如表 3所示。

結(jié)合前文中總結(jié)的黑龍江河道演變特征，發(fā)現(xiàn)該河道的破壞類型主要表現(xiàn)為沖刷塌岸、低灘切割。但是河道整治的工程型式受到限制，河道治理時(shí)不能修筑對(duì)河勢(shì)和水流流勢(shì)產(chǎn)生影響的控導(dǎo)工程，例如解決分流頂沖方向控制問(wèn)題，只能在分流口上游利用岸線導(dǎo)流控制流向，或在洲頭布置不同方向的魚嘴控制調(diào)整分流。因此，目前對(duì)于黑龍江的防護(hù)形式比較單一，最為有效的工程措施和技術(shù)主要是因地制宜地布置護(hù)岸，固岸固汊。對(duì)于易發(fā)生沖刷塌岸的河段，比如分水島頭、“S”彎道，無(wú)法采用壩式或墻式護(hù)岸，只能采用依岸貼坡的平順護(hù)岸[47]，避免額外修建壩體和擋墻而引起國(guó)際爭(zhēng)端。對(duì)于容易被切割的灘地，多通過(guò)布置護(hù)岸加固工程，覆蓋整個(gè)切割范圍邊沿，以此保護(hù)大片灘地的連續(xù)完整，同時(shí)加固邊界以保護(hù)汊道進(jìn)口不再發(fā)展，固岸保土。

表3 黑龍江干流防護(hù)治理措施匯總

6 結(jié) 論

黑龍江的河勢(shì)穩(wěn)定有重要的意義，但其河道演變研究滯后，治理水平不高。本文從河道演變規(guī)律、暴雨洪水研究、防護(hù)工程布置3個(gè)方面梳理了黑龍江河道演變及工程整治技術(shù)的研究成果，得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 黑龍江作為中俄國(guó)界河，河道政治屬性強(qiáng)，水文測(cè)量工作難度較大，目前的研究成果數(shù)據(jù)基礎(chǔ)較差；已有的研究成果多是定性分析或者粗略的定量估算，難以歸納總結(jié)出適合于黑龍江自身特點(diǎn)的河道演變及水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，理論和技術(shù)研究滯后制約了河道治理水平。

(2) 基于黑龍江暴雨洪水的洪峰量極高、高水位持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣的特點(diǎn)，結(jié)合高寒地區(qū)流域特征，黑龍江防洪抗災(zāi)技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段，即“被動(dòng)”獲取階段、“主動(dòng)”獲取階段和“超前”獲取階段。

(3) 與低緯度沖積型河流相比，黑龍江干流極易發(fā)生凌汛，流冰、冰排對(duì)于邊岸的撞擊以及凍融循環(huán)造成的沖刷作用十分顯著，所以防護(hù)材料的型式選擇需要更加貼合黑龍江流域的特點(diǎn)。同時(shí)，鑒于黑龍江作為國(guó)界河的敏感性，工程型式上也會(huì)受到限制，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化工程布置。

7 展 望

針對(duì)黑龍江河道演變研究滯后、河道治理程度較低、災(zāi)害防治水平不高等現(xiàn)狀，對(duì)今后的研究方向提出以下幾點(diǎn)展望：

(1) 黑龍江干流島嶼眾多，汊道密布，是典型的分汊型河流，但是現(xiàn)階段少有針對(duì)黑龍江典型分汊河段分流分沙的觀測(cè)，岸灘崩塌或洲灘消長(zhǎng)規(guī)律等研究也相當(dāng)匱乏。限于數(shù)據(jù)的保密性，可以考慮采用室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬及野外調(diào)查相結(jié)合的手段，重點(diǎn)對(duì)河道造床過(guò)程及洲灘、島嶼的沖刷、變形重塑過(guò)程進(jìn)行研究。

(2) 黑龍江復(fù)雜河道的洪水演進(jìn)受到復(fù)雜河型、支流匯流、蓄滯洪區(qū)調(diào)度運(yùn)行方式、冰凌等多方面因素疊加影響，但是目前缺少對(duì)于黑龍江長(zhǎng)距離復(fù)雜河道洪水疊加與演化規(guī)律的研究。受限于黑龍江干流長(zhǎng)距離以及復(fù)雜的來(lái)流條件，建議采用河道洪水演變模擬技術(shù)，重點(diǎn)關(guān)注高寒地區(qū)特有的封凍期和流冰期，定量識(shí)別基于兩岸控制性工程調(diào)度運(yùn)行方式下以及區(qū)間洪水匯入后的黑龍江干流洪水疊加演化規(guī)律。

(3) 目前高寒地區(qū)的河道防護(hù)型式多樣，但由于黑龍江河道演變相關(guān)成果較少，同時(shí)又受到高寒條件的約束，導(dǎo)致河道治理程度和災(zāi)害防治水平滯后?；谖覈?guó)側(cè)黑龍江干流不是單一河型，上段易受冰排撞擊，中、下段洪澇災(zāi)害頻發(fā)，建議選取典型河段進(jìn)行分段研究，同時(shí)基于模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬及已建工程實(shí)例的相互印證，歸納出適合于黑龍江不同典型河段自身特點(diǎn)的防洪安全與島嶼穩(wěn)定綜合治理技術(shù)。同時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)中俄合作，資源共享，共同推進(jìn)中俄界河的河道整治。

(4) 在上述研究和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)模擬和分析不同河段典型洪水演變規(guī)律及特點(diǎn)，結(jié)合歷史長(zhǎng)系列的氣象和水文資料以及未來(lái)氣候變化情景，預(yù)測(cè)未來(lái)黑龍江復(fù)雜河道洪水的演變趨勢(shì)和規(guī)律。根據(jù)我國(guó)新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)、國(guó)土安全和跨界河流防洪安全的需要，對(duì)重點(diǎn)典型河段提出綜合治理方案和措施，以穩(wěn)定岸灘島嶼、保障防洪安全。