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0 引言
长江中下游地区是长江经济带的核心区域,是长三角一体化发展战略、长江中游城市群发展战略的实施区域,是长江大保护与长江黄金水道的核心区域,在我国经济社会发展和生态环境保护中具有重要的战略地位。长江中下游干流河道(图1)是中下游地区的行洪、航运、生态通道,是水资源与岸线利用的载体,河道遍布过江隧道、桥梁、港口、取排水、闸站、穿江管道、跨江电缆等国民经济基础设施,是保障区域水安全和经济社会高质量发展的重要战略支撑。
近百年来长江中下游不同河型河道(表1)演变复杂,中游荆江河段经历了漫流、单一顺直、曲流的演变过程,城陵矶以下河道通过沙洲并岸并洲等过程由网状变成分汊河道,如团风河段、铜陵河段、芜裕河段陈家洲汊道、镇扬河段等。河型是否变化、如何变化将直接影响到河势控制与河流功能稳定。以三峡水库为核心的长江上游梯级水库群陆续投运加之流域水土保持的加强,中下游河道年均输沙量减幅达93%,径流过程坦化,导致河道由相对平衡态转为长历时、长距离持续冲刷[1];2003—2021年期间宜昌—徐六泾河段已累计冲刷达49.5亿m3,沿程平均冲刷深度1.1~3.2 m,其中最大冲刷深度>20 m。由于长江中下游河道沿程实施大量的河道治理工程,20 a来总体河势基本稳定,但干流河道持续强冲刷已引起不同河型演化,弯曲河道由原来的凹冲凸淤变为凸冲凹淤,随之出现“撇弯切滩”现象(图2(a)),主流弯曲半径减小、顶冲点下移,19个弯道中有15个发生撇弯切滩;分汊河型三峡水库蓄水以来双汊河道普遍出现长汊衰退(图2(b)),多汊河道出现短支汊发育,37个汊段有26个出现短汊发展[2]。在强冲刷背景下这些不同河型演化带来了很多问题,急弯段主流弯曲半径减小致使顶冲点下移,导致崩岸或已有护岸水毁,威胁防洪安全;双汊河道长汊衰退致使原涵闸泵站取水困难、港口码头前沿水深不足,影响供水和岸线利用;多汊河道短支汊发育,引起局部河段河势调整,航槽不稳,影响通航安全。
表1 长江中下游河道基本情况Table 1 Basic situation of mainstream channel of the middle and lower reaches of Yangtze River |
| 序号 | 河段范围 | 二级河段 | 河段长 度/km | 河型 | 备注 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 宜昌—枝城 | 宜昌—云池 云池—枝城 | 60.8 | 顺直微弯 弯曲分汊 | ||
| 2 | 枝城— 城陵矶 | 枝城—藕池口 | 171.7 | 含江心洲弯曲 | 上荆江 | |
| 藕池口—城陵矶 | 175.5 | 蜿蜒(弯曲) | 下荆江 | |||
| 3 | 城陵矶—武汉 | 275.1 | 藕节状分汊 | |||
| 4 | 武汉—湖口 | 272.0 | 鹅头型或 弯曲型分汊 | |||
| 5 | 湖口—大通 | 228.0 | 分汊 | |||
| 6 | 大通—江阴 | 431.4 | 藕节状分汊 | |||
| 7 | 江阴以下 | 江阴—徐六泾 徐六泾—长江口 | 278.6 | 弯曲多 分汊型 | 近长江口段 长江口河段 | |
根据长江科学院研究成果,三峡水库淤积平衡年限将超过300 a[3],在百年尺度上仍将维持冲刷态势,将引起河势调整甚至河型转化,影响河流功能的发挥。据初步统计,2003—2022年水利、航道部门通过三峡后续、航道整治、崩岸应急治理等项目已累计投入资金>800亿元,然而由于河流自动调整的复杂性,局部河段河势调整仍较大,其演变趋向长期发展可能会导致更大范围的河型转化。在此背景下,维持河势的稳定需要深入认识河流演变规律,并制定相应长期策略。因此,本文对河型转化机制、冲刷条件下长江中下游河道不同河型演化规律及预测、河型转化的影响及治理对策进行系统总结评述,提出研究展望,以期为支撑长江经济带高质量发展、黄金水道建设、长江大保护实施等提供技术支撑。
1 河型转化的驱动机制
1.1 河型成因
我国学者在20世纪60年代对弯曲河流成因进行研究[4-5],在此基础上20世纪80—90年代又对长江中下游分汊河道形成条件进行了研究[6]。方宗岱[7]分析了洪峰流量变差系数和相对来沙量等对河型形成的影响。尹学良[8]、许炯心[9]认为水沙组合及其变化过程决定了河道断面形态与河型。河型成因还需考虑地壳升降、断面形态、能坡、河床组成以及河岸与河床可动性等多个因素[10]。余文畴[11]认为加大河长耗散富余能量并与相对较大的含沙量相适应是下荆江弯曲河型形成条件,而节点是长江中下游分汊河型形成的重要原因[12]。尤联元[13]认为分汊河床形成是河床为使水流能耗最小进行自动调整的过程。江心洲型河流只是弯曲型河流在一定条件下对应于特定范围的含沙量及流量变幅时的扭曲形态[14]。李志威等[15]认为相对输沙率(来沙量与输沙能力之比)、相对河岸侵蚀切应力(近岸水流应力与河岸临界抗冲切应力之比)和河谷地形控制(如节点和宽度)是决定河型的3个最主要的因素。
冲积河流自动调整从而形成不同河型,河流及地貌学家已在河型成因方面开展了大量工作,河型成因的理论和假说很多,包括地貌临界假说、河流最小能耗率假说、稳定性理论、随机理论、突变理论、统计分析等[16],各种理论的共同特点是对实际现象进行抽象化和概化分析,并且河型影响因素之间互相交织,主次关系未有明确认识,今后应进一步开展理论研究,为当前基于假说的河型成因奠定较为坚实的数学基础。
1.2 河型分类和判别
河型分类和判别是探讨河型转化的前提。Leopold等[17]根据平面形态特征将河型划分为顺直、弯曲、辫状,Miall[18]将河流分为顺直、曲流、辫状以及网状四类,Rust[19]引入弯曲度和辫指数,进一步区分了网状河流和辫状河流。钱宁[20]依据平面形态和运动特征将河型划分为顺直、弯曲、分汊和游荡四类。陈宝冲[21]根据平面形态、稳定性等指标,将河型划分为9类。宋晓龙和白玉川[22]基于河流阻力用阈值曲线将河流系统分成单流路型、稳定多流路型、不稳定多流路型3类。Woolf和Balzary[23]基于河流相对沉积速率提出了一种基于沉积过程的分类方案。王随继等[24]为了统一地貌、水利以及沉积学界的分类,依据平面形态和沉积物特征将河型分为直流、曲流、分汊、辫状和网状等5类。余文畴[25]根据宽长比以及进出口法线转折角建立河型分区图,进一步细分了弯道、分汊河型。谢鉴衡[26]根据平面形态和演变特性将河流分为顺直(边滩平移型)、弯曲(蜿蜒型)、分汊(交替消长型)和散乱(游荡型)四类。还有研究[27]将河流划分为离散的组合及层次,层次1基于河道地形、类型、样式及规模将河流分为9种类型,层次2通过更细致的描述将其细分为40多种类型。河型判别方面,有研究用水力参数和河床形态指标判别河型转化趋势[28],或将河型判别参数表示为与阻力因子与河道相对粗糙度因子相关的无量纲形式[29],还有研究根据输沙平衡程度建立河型判别模糊聚类计算方法[30]。许炯心[31]认为弯曲度>1.3时为弯曲河流,网状河流多为稳定的多汊河道,河道比降较小,河岸抗冲性强,而辫状河流虽然为多汊,但是河道比降大、河岸抗冲性差。Yan等[32]提出了一种基于粗糙集理论的河型判别方法,准确地区分直型、曲流、分汊和辫状4种河流,但简化后判别准则有81条。
河流自身的复杂性导致了河型分类的多样性,目前河型的分类判别方法包括坡降与流量判别法、河床稳定性判别法、水沙与河床边界条件判别法等[33],各有优缺点。由于河流是动态变化的系统,不能仅依赖某一种河型判别指标,有必要结合演化特征进一步细化量化河型亚类划分及判别指标。
1.3 河型转化
河型转化一直是河流学界研究的热点和难点。Graf[34]采用尖点突变模型描述了顺直、蜿蜒和游荡分汊3种河型相互转化过程,并从水流功率和边岸物质抗冲性定性解释了转化的复杂性。徐国宾和练继建[35]认为耗散结构与混沌态在河型转化过程中交替出现,可能形成不同的河型。河型转化机理的探讨中影响较大的还有“比降决定论”[36]。倪晋仁等[37]指出,控制河型时空转化的因素有10余个,包括流量大小及频率、悬沙与推沙输沙量、含沙量、来沙级配组成、基岩岸坡、植被根系固结、海平面、江湖关系等,涉及水沙条件、地质边界以及侵蚀基准面等,还有研究从水流能量角度解释河型转化机制[38]。刘警阳等[39]阐明了植被密度对河型转换的控制作用,搭建了松花江干流中下游河型的空间转化模式。王随继等[40]基于辫状、曲流和网状河的河型转化实例,归纳了6种时间演化模式和5种空间转化模式。
水库下游河道河型是否发生转化,主要取决于清水下泄的过程、历时长短和复杂多样的区域边界条件。美国Rio Grande河建坝后由多汊转化为单汊[41],密西西比河上游修建大坝后河口三角洲萎缩,意大利Arno River建坝后由游荡型转化为交替边滩的弯曲型[42],法国Middle Garonne河受裁弯和水库运行影响由辫状或分汊河道转变为弯曲河道[43];小浪底水库运用后,黄河下游游荡型河道有向弯曲或限制性弯曲转化的趋势[44];丹江口水库运用后汉江中下游分汊河道支汊淤塞、由多汊变为少汊或单一河道[45]。三峡水库建成后,韩其为等[46]认为下荆江弯曲河型能维持,而凹岸形成的傍岸心滩等成型淤积体是朝并岸发展后维持单一河型还是有形成分汊河型的趋势有待进一步观测[47]。张俊勇等[48]通过概化水槽试验得出不同的流量过程塑造的河道形态不同,甚至导致不同的河型。许炯心[49]采用自然模型复演了游荡河流上修建水库之后下游河床演变过程,但因影响因素众多,河型转化过程在不同流域或同一流域的不同河段之间存在显著差异。研究已表明年内径流过程重分配、来沙量及组成突变、主流摆动、汊道长度与主河道长度比值是导致各河型异常响应的成因[50-51],但其背后的水力学、地貌动力学机制尚无系统认识。河型转化控制因素间相互影响关联,如何确定各因素影响的权重,识别促使河型转化的主控因子及临界指标,揭示河型转化的水力学、地貌动力学机制是亟需解决的问题。
2 长江中下游不同河型演化规律及预测
2.1 不同河型演化规律
许炯心[57]发现丹江口水库下游丹江口至钟祥段弯曲河型频繁切滩导致弯曲系数逐渐减小,分汊河型洲滩数、汊道减少,由多汊逐渐向单一河道发展。2003年以来持续冲刷条件下长江中下游顺直型河道演变虽存在一定局部调整,但河道形态总体没有重大改变[58]。受流量过程变化及来沙减小等影响,加之凹岸受限,弯曲河道演变特征为凸岸边滩冲刷后退、凹岸淤积,与自然条件下“凹冲凸淤”形成鲜明对比[59],不少弯道以“渐进”或“突变”方式发展[60],“撇弯切滩”现象频繁发生[61];对于分汊河道,洲头低滩均呈现萎缩[62],但微弯分汊与弯曲分汊的江心洲滩变化不同[63],汊河则表现为“主长支消”和“主消支长”并存的分异性规律[64],比降较大的汊道或短汊趋于发展[65]。
值得注意的是,受护岸护滩工程约束,长江中下游在强冲刷条件下并未发生裁弯、并岸等明显河型转化,冲淤变化主要集中于心滩、边滩、深槽等局部位置,加之长江中下游河道边界组成空间分布极不均一,人工护岸沿程不连续布设,天然及人工矶头间隔突出挑流,通江湖泊及支流水系影响局部侵蚀基面,在持续冲刷下局部调整的累积效应是否会驱使河型发生转化仍待进一步研究。
2.2 河型演化预测方法
早期河型演化预测多基于概化水槽、室内小河试验等方法,模拟单因素变化下河型转化过程及趋向[66-67]受场地及模型比尺限制,难以对长河段大尺度平面形态转化过程进行模拟及预测。在“七五”“八五”“九五”期间,长江科学院、中国水利水电科学研究院等单位采用数学模型计算了三峡建库后坝下游长河段冲淤过程[68-69],“十一五”“十二五”期间,国内多家研究单位进一步优化数学模型[70-71]。然而高精度二维水沙数学模型及预测侧重于典型河道的滩槽形态变化,针对大尺度长距离且边界不连续约束的模型研究较少,如在二维数学模型引入河岸侵蚀模型或建立考虑岸滩崩塌变形的三维水沙模型模拟崩岸[72⇓-74],但主要应用在水槽或短时序具体河段。还有采用理论模型、元胞自动机模型等模拟河型转化过程[75],或者根据超能耗率推导出河型稳定判别式预测河流调整方向[76],肖毅等[77]根据尖点突变模式,通过判定冲积河流的河型稳定状态对其调整方向作出预测,这些预测在精准度及适用性方面尚存在一定局限。
目前对长江中下游河道中长期冲淤预测往往采用一维水沙数学模型,但限于模型本身的局限性,难以预测不同河型演化趋势,二维、三维水沙模型短河段短期模拟预测效果较好,但受限于计算结果发散、效率不高等问题。随着上游梯级水库群不断运用,长江中下游河道仍将长期处于动态调整之中,需融合一维、二维水沙数学模型与河床演变自动调整理论,构建长时段河型转化预测方法,即采用改进的一维水沙模型,预测长江中下游河道百年尺度沿程水沙、形态等的变化过程,基于变分法的河床演变自动调整理论分析,并利用综合性判别指标,判断不同河型转化的时空关键节点,考虑二次流和崩岸作用,改进平面二维水沙数学模型,精准预测非连续约束边界条件下河型转化的关键过程,开展百年尺度河型转化趋向预测,突破复杂边界组成条件下大范围、长时段河型转化模拟技术瓶颈。
3 长江中下游河型转化的影响及治理对策
3.1 河型转化的影响
河型转化将直接影响河流防洪、通航、供水安全、岸线利用以及治理等。因此,深刻认识不同河型演变的影响效应是支撑治河长期决策、保障河流功能稳定的重要依据。韩其为[83]认为小浪底水库下游游荡型河道向稳定分汊、甚至向顺直微弯河型转化,将影响到河势控制、河道整治、防洪工程等。长江武汉蛇山青山段在明代江面十分开阔,至清代中期后西汊道为主河道,右汊道不断萎缩,到1899年右汊入口被堵,沙洲与右岸陆地相联,洲滩并岸后的陆地开始被开发利用,渐成城区[84]。受黄河夺淮的影响,从1570年开始淮河下游由向东独流入海逐渐演变为南下入江并成为长江一条支流,改变了长江镇扬河段原有的河槽特征和水流结构,洲滩冲淤、岸线进退随之发生变化[85]。河势演变不仅包含渐变过程,也包含突变过程,河势突变往往带来河型转化的突变。历史上黄河下游游荡型河道局部或整体河势在短时间内频繁大幅度的调整,近百年来下荆江先后在古长堤(1887年)、尺八口(1908年)、河口(1910年)及碾子湾(1949年)发生了4处自然裁弯,对防洪、通航安全以及河道整治工程等产生了深远的影响,同时带来了区域水资源与水生态环境等方面的问题。河势、河型突变给河流防洪、供水安全及河流治理带来了重大挑战,但如果在某些情况下适当加以利用,可有效提高河道整治工程的控导能力,增强河势稳定性[86],如为了减轻长江中游荆江河段的防洪压力,实施的下荆江中洲子(1966年)和上车湾(1968年)两处人工裁弯工程,取得了显著的防洪、航运等方面的效益[87]。
3.2 长江中下游河道治理对策
为探寻长江中下游治理的长期策略,研究人员围绕治理思路和对策等开展了大量的工作。治理思路方面,20世纪80年代以前以“守点顾线”的河势控制理念来确保堤的防洪安全,因而经济和实用是研究工作的出发点。1989年后,沿江经济发展迅速,河道综合整治需求上升,河道治理从以河势控制为主转变为河势控制、河道综合整治及崩岸治理并举[88]。2003年三峡工程蓄水运用后坝下游河道冲刷问题日渐突出,“清水下泄”条件下长江中下游河床普遍冲刷、部分河道增宽、可能向增汊的方向发展,有学者提出了稳定分汊河势、适度减少支汊、合理利用洲滩的整治原则[89]。卢金友和朱勇辉[90]认为新水沙条件下为保障江、湖综合服务功能的充分发挥,应从江、湖两利视角出发,研究提出治理的方向。治理对策方面,应尽快全面加固现有护岸工程,使其能继续发挥对河势的控制作用[91],并持续开展坝下游河道整治与崩岸治理、水库优化调度、河道监测与分析研究[92],完善多目标协同建设和管理,统筹洪中枯水治理,塑造优良河势[93]。张曼等[94]提出了增加水库防洪能力、加快蓄滞洪区建设、优化梯级水库汛期运行方式等对策,基于生态系统治理,李云生等[95]提出了既注重流域层面的系统治理又兼顾区域层面的差异化治理对策。
长江中下游干流河道经过多年治理,在稳定河势、保障防洪安全、促进航运发展、强化岸线保护等方面发挥了巨大的作用,有力地支撑了沿江经济社会发展。然而,受上游水利枢纽陆续投运、人类活动等因素叠加影响,长江中下游不同河型演化的复杂性增大,新形势下保证河流功能稳定的多目标协同治理难度增加,因此需要在掌握长江中下游河道演变规律、河型转化机制及趋势的基础上,系统提出维护河道功能稳定的治理对策。
4 展望
受河道比降动态调整、水动力特性变化、河道边界条件等多重因素的控制,长江中下游长河段冲刷特征非常复杂,已有研究在短时间尺度内冲刷特征预测等方面已取得大量成果。鉴于长江中下游河道仍将长期处于动态调整中,以下几个问题尚待进一步研究。
(1)持续冲刷条件下长江中下游河型时空演化趋向。三峡工程等运用后长江中下游河道河势不断调整,平面形态变化复杂,对其演化趋向仍缺乏清晰的认识。为精准认识不同河型的演变规律、制定河道治理措施,应在当前弯曲、分汊河型分类的基础上进一步细化河型亚类,根据三峡建库前后长期的原型资料,分析非连续约束边界条件下长江中下游弯曲、分汊河型的主要形态参数变化对水沙条件等影响因素的响应模式,识别不同河型演化的关键控制因子。
(2)冲刷条件下长江中下游河道河型转化机理。受气候变化、上游控制性水利水电工程蓄水拦沙及流域水土保持减沙影响,长江中下游各动力因子及边界因子等均发生持续的、显著的、多层次的变化。目前有关冲刷条件下河型转化机制的研究多以探讨某一特定河型对单一因素变化的响应特征为主,仍缺乏普遍性的认识及理论支撑,河型转化涉及时空尺度较大,冲刷过程中长江中下游河道纵向冲刷调整对河型转化的作用机制有待进一步揭示,需深入研究水沙过程、侵蚀基准面、节点约束等控制因素的驱动机制,综合判断河型转化的可能性,定量识别河型转化的临界条件。
(3)长江中下游长河段长时间尺度河型转化预测。三峡水库运用后长江中下游长河段由过去的相对平衡、缓慢沉积的演变过程调整为以冲刷为主。目前中长期冲淤预测中采用一维水沙数学模型难以预测不同河型演化趋势,而二维、三维水沙模型局限于短河段短期模拟预测。下一步应融合一维、二维水沙数学模型与河床演变自动调整理论,构建长时段河型转化预测方法,开展百年尺度河型转化趋向预测,突破复杂边界条件下大范围、长时段河型转化模拟技术瓶颈,为提出维护不同河型河道功能稳定的治理对策提供科学依据。