李 明，胡春宏，方春明

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430040）

1 研究背景

能夠自由發(fā)展的沖積河流的河床，在水流長期作用下，有可能形成與所在河段具體條件相適應(yīng)的某種均衡狀態(tài)，在此均衡狀態(tài)下，河道形態(tài)指標(biāo)與水沙邊界條件等特征物理量之間的函數(shù)關(guān)系即為河相關(guān)系，長期以來，沖積河流河相關(guān)系是對(duì)其進(jìn)行演變分析與河道整治的重要依據(jù)[1]。驅(qū)動(dòng)河相關(guān)系形成的內(nèi)在物理機(jī)制是水沙過程的造床作用，因此，大型樞紐下游水沙變異后，其造床作用的變化直接決定河相關(guān)系的調(diào)整方向。

一般認(rèn)為，樞紐下游來水條件的變化主要表現(xiàn)為洪峰流量減少，枯水流量增大，徑流的年內(nèi)年際變幅減小，以及接近恒定流狀態(tài)的流量持續(xù)時(shí)間延長[2]；來沙條件的變化一般表現(xiàn)為樞紐建設(shè)期的增沙效應(yīng)以及建成后的減沙效應(yīng)[3-4]，后者是研究關(guān)注的重點(diǎn)。雖然樞紐對(duì)水沙條件的調(diào)節(jié)在定性上具有相對(duì)明顯的一致性，但樞紐修建后下游河道河相關(guān)系發(fā)生的調(diào)整變化卻千差萬別，以本文重點(diǎn)關(guān)注的橫斷面形態(tài)調(diào)整為例，樞紐下游的橫斷面調(diào)整基本都包含了下切的共性過程[5]，不過斷面寬度既有展寬的現(xiàn)象[6]，也有縮窄的現(xiàn)象[7]，還有先縮窄、后展寬的現(xiàn)象[8]，而且有的河流在建庫后橫向調(diào)整速度要小于建庫前[9]，也有河流出現(xiàn)了建庫后河道橫向調(diào)整速度較建庫前明顯增加的情況[10]。這主要是因?yàn)椋煌暮恿?、樞紐下游河段距壩址距離、水沙變異幅度、河床組成、河型等因素有明顯差異，河床演變的基本規(guī)律必然有不同的外在表現(xiàn)形式。

長江三峽水庫蓄水運(yùn)用后，水沙條件的劇變同樣也伴隨著造床作用的顯著調(diào)整，對(duì)此，當(dāng)前關(guān)注的重點(diǎn)主要是來沙減少后的沖刷效應(yīng)[11]，也有研究成果對(duì)不同流量級(jí)在荊江河段的沖刷效率開展了分析[12]。但是，長江中下游沙質(zhì)河段斷面形態(tài)的調(diào)整變化遠(yuǎn)非“沖刷”可以簡(jiǎn)單概括，即使是位于長江沙質(zhì)河段首端的太平口水道，在強(qiáng)烈沖刷的總體特征下，斷面形態(tài)仍會(huì)發(fā)生復(fù)雜的沖淤調(diào)整。由于斷面上的沖淤分布直接決定了航道條件的變化趨勢(shì)，分析研究斷面形態(tài)的變化特點(diǎn)以及新水沙條件所發(fā)揮的造床作用，對(duì)于長江干線“黃金水道”建設(shè)以及河道治理，均有十分重要的理論與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 三峽水庫壩下游河道斷面形態(tài)變化模式與斷面形心深度分析方法

2.1 壩下游河道橫斷面形態(tài)總體變化特征與調(diào)整模式三峽水庫蓄水運(yùn)用以后，壩下游河道沖刷十分劇烈，據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，截至2015年，從宜昌自上而下，宜枝河段、上荊江、下荊江、城漢河段、漢口至湖口河段的累積沖刷強(qiáng)度分別約為262萬、279萬、202萬、99萬和138萬m3/km，如圖1所示，相應(yīng)累積沖刷總量分別為1.59億、4.78億、3.54億、2.49億和4.08億m3。

圖1 三峽水庫蓄水運(yùn)行以來壩下游各河段累計(jì)沖淤強(qiáng)度變化

總體而言，距大壩較近的砂卵石河段在橫斷面形態(tài)的調(diào)整方面以可沖層的逐漸剝蝕為主要特點(diǎn)，而砂卵石河段以下的沙質(zhì)河段橫斷面形態(tài)調(diào)整則較為復(fù)雜，灘槽調(diào)整的方式與幅度多種多樣。通過歸納分析，壩下游河道在總體沖刷的過程中，斷面形態(tài)的調(diào)整變化可以分為三種模式（重點(diǎn)考察湖口以上河段）：①整體下切型，主要表現(xiàn)為斷面整體不均勻下切，橫向沖淤調(diào)整較為少見，如圖2（a）所示；②平移調(diào)整型，主要表現(xiàn)為斷面某一側(cè)大幅沖刷，而另一側(cè)有一定幅度的回淤，深槽的橫向調(diào)整有明顯的趨向性，如圖2（b）所示；③復(fù)合調(diào)整型，因其斷面變化復(fù)合了斷面上不同部位的沖淤調(diào)整，深槽的橫向調(diào)整沒有明顯的趨向性，該調(diào)整模式涵蓋了包括偏V型斷面在內(nèi)的多種斷面，其中部分?jǐn)嗝嬗贋_槽的現(xiàn)象較為明顯，如圖2（c）（d）所示。這三種調(diào)整模式在空間分布上有一定的差別，第一種模式主要出現(xiàn)在近壩砂卵石河段以及荊江中上段河寬較窄的河段，第二、三種模式主要出現(xiàn)在長江中下游的沙質(zhì)河段。

2.2 斷面形心深度分析法為克服寬深比指標(biāo)在刻畫受控型河道斷面形態(tài)變化上所存在的不足，準(zhǔn)確反映新水沙條件下長江中下游受控型河道的斷面變化特點(diǎn)，本文提出以斷面形心深度Hc與平均深度H的比值Hc/H（稱之為形心相對(duì)深度）來刻畫斷面形態(tài)的變化：Hc/H增大，說明形心深度相對(duì)加大，形心下沉；Hc/H減小，說明形心深度相對(duì)減小，形心上浮。這一指標(biāo)的優(yōu)勢(shì)在于，因形心體現(xiàn)了面積矩的作用，所以形心深度的變化能在一定程度上反映斷面沖淤的空間分布，深槽的沖、淤對(duì)應(yīng)了相對(duì)比值的增大、減??；相應(yīng)的，低矮灘地和淺水區(qū)的沖、淤則對(duì)應(yīng)了相對(duì)比值的減小、增大。

圖2 三峽水庫壩下游河道典型斷面變化

斷面形心深度Hc按如下方法進(jìn)行計(jì)算：首先將特定流量下的過水?dāng)嗝姘磾嗝婀?jié)點(diǎn)分割為多個(gè)條狀，在本文中，斷面節(jié)點(diǎn)間距約為20～30 m，每個(gè)條狀基本可以視為矩形，單個(gè)矩形條的0.5倍水深即為其形心深度，整個(gè)過水?dāng)嗝娴男涡纳疃劝聪率接?jì)算：

式中：hi為單個(gè)矩形條的平均深度；Ai為單個(gè)矩形條的面積。

雖然Hc/H值的增大可能對(duì)應(yīng)深槽的沖、或是低矮灘地和淺水區(qū)的淤兩種狀態(tài)，但均會(huì)引起灘槽差別加大，對(duì)這一斷面形態(tài)上灘槽梯度加大的調(diào)整過程，本文將其定義為斷面形態(tài)的銳化。為便于理解，比如對(duì)于V型斷面和W型斷面，斷面形態(tài)的銳化過程類似于將斷面形態(tài)做垂向拉伸。

反之，雖然Hc/H值的減小可能對(duì)應(yīng)深槽的淤、或是低矮灘地和淺水區(qū)的沖兩種狀態(tài)，但均會(huì)引起灘槽差別趨于消弭，對(duì)于這一斷面形態(tài)上灘槽梯度減小的調(diào)整過程，本文將其定義為斷面形態(tài)的坦化。同樣的，以V型斷面和W型斷面為例，其坦化過程基本等同于斷面形態(tài)向偏U型轉(zhuǎn)化。

選擇長江中游太平口水道（河段內(nèi)有沙市水文站）、界牌河段（河段內(nèi)有螺山水文站）作為典型河段對(duì)形心相對(duì)深度指標(biāo)加以應(yīng)用。兩個(gè)典型河段均為沙質(zhì)河床，太平口水道為微彎分汊河型，位于荊州市城區(qū)，緊鄰砂卵石河段，近年來因砂卵石河段泥沙補(bǔ)給逐漸減少，太平口水道來沙量也隨之逐年減少，河床逐漸粗化，三峽水庫運(yùn)行時(shí)，2003年前后床沙中值粒徑為0.20 mm，2015年汛后，床沙中值粒徑粗化至0.26 mm。界牌河段為順直分汊河型，位于城陵磯以下，其上游的荊江河段提供了較為豐富的泥沙補(bǔ)給，三峽水庫蓄水至今，床沙組成尚未出現(xiàn)明顯的單向粗化過程，床沙中值大致在0.16～0.19 mm之間波動(dòng)。為完整地展現(xiàn)Hc/H值的變化特點(diǎn)，首先對(duì)典型河段進(jìn)行了密集的斷面剖分（斷面間距約30～50 m），然后根據(jù)灘槽形態(tài)的具體特征，分區(qū)段計(jì)算區(qū)段內(nèi)各斷面Hc/H的平均值，并進(jìn)行分析。兩個(gè)典型河段的河勢(shì)及區(qū)段劃分如圖3所示。

2.3 典型河段斷面形態(tài)變化分析

2.3.1 太平口水道 三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，如圖4所示，太平口水道不同區(qū)段形心相對(duì)深度指標(biāo)Hc/H的變化有不同的特點(diǎn)，結(jié)合表1中的寬深比變化情況，可以較為清晰地勾畫斷面形態(tài)的變化特點(diǎn)：第①段Hc/H值相對(duì)穩(wěn)定，但寬深比持續(xù)減小，即斷面變化基本呈現(xiàn)為整體下切；第②、③、④段Hc/H值均先增大，再減小，形心先下沉、再上浮，即斷面形態(tài)先銳化、再坦化，相應(yīng)的寬深比先增大，再減小，說明斷面變化先以淤灘沖槽為主，而后又以沖灘為主；第⑤、⑥段的Hc/H值在三峽水庫蓄水運(yùn)用之初明顯減小，形心上浮，隨后Hc/H值逐漸增大，形心下沉，即斷面形態(tài)先坦化、再銳化，相應(yīng)的寬深比持續(xù)減小，說明斷面變化先以沖灘為主，而后以淤灘沖槽為主。

圖3 長江中游典型河段地理位置、河勢(shì)及區(qū)段劃分

圖4 太平口水道各區(qū)段Hc/H變化

表1 太平口水道寬深比統(tǒng)計(jì)（/H）

表1 太平口水道寬深比統(tǒng)計(jì)（/H）

說明：按流量24000 m3/s時(shí)的水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該級(jí)流量基本等同于太平口水道的平灘流量。

段號(hào)①段②段③段④段⑤段⑥段2004年3.223.523.673.404.235.432009年3.083.583.733.483.954.962012年2.943.313.673.363.964.722014年2.823.063.453.103.784.692016年2.732.913.342.953.774.51

上述指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析較好地定量刻畫了太平口水道演變過程，第①段位于太平口水道進(jìn)口，緊鄰砂卵石河段，且河寬不大，基本表現(xiàn)為斷面整體不均勻下切，為前文所述的第一類調(diào)整模式。第②、③、④段位于太平口心灘分汊段，該段先是心灘淤積，心灘兩側(cè)的南、北槽沖刷下切，斷面變化呈現(xiàn)為復(fù)合調(diào)整模式（第三類），與斷面形態(tài)指標(biāo)所反映的沖槽淤灘的銳化過程相對(duì)應(yīng)；隨后心灘沖刷萎縮，南、北槽趨于穩(wěn)定，此時(shí)斷面變化主要表現(xiàn)為整體不均勻下切，偏向?yàn)榈谝活愓{(diào)整模式，與沖灘為主的坦化過程相對(duì)應(yīng)。第⑤、⑥段位于三八灘分汊段，該段先是以三八灘大幅沖刷萎縮，南汊深泓北移為主要演變特征，斷面形態(tài)呈現(xiàn)為平移調(diào)整模式（第二類），與沖灘淤槽的坦化過程對(duì)應(yīng)；該段在三八灘相對(duì)穩(wěn)定后，南槽大幅沖深，而楊林磯邊灘與臘林洲灘尾大幅淤漲，斷面形態(tài)呈現(xiàn)為復(fù)合調(diào)整模式（第三類），與沖槽淤灘的銳化過程對(duì)應(yīng)。

2.3.2 界牌河段 三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，由圖5可見，界牌河段Hc/H值變化的規(guī)律性要好于太平口水道，基本上所有區(qū)段均表現(xiàn)為增加，形心整體下沉，斷面形態(tài)持續(xù)銳化；而界牌河段寬深比的變化幅度相對(duì)較小，部分區(qū)段寬深比減小，反映出斷面有所沖刷，如表2所示，兩者結(jié)合來看，界牌河段斷面形態(tài)變化總體上呈現(xiàn)淤灘沖槽的特點(diǎn)。

圖5 界牌河段各區(qū)段Hc/H變化

表2 界牌河段寬深比統(tǒng)計(jì)（/H）

表2 界牌河段寬深比統(tǒng)計(jì)（/H）

說明：按流量30000 m3/s時(shí)的水位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，該級(jí)流量基本等同于界牌河段的平灘流量。

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近年來，界牌河段螺山以上的右邊灘、螺山至界牌段的心灘、界牌以下的左邊灘持續(xù)淤積長高，深槽相應(yīng)有所沖深，斷面形態(tài)呈現(xiàn)為復(fù)合調(diào)整模式（第三類），對(duì)應(yīng)了斷面形態(tài)指標(biāo)所反映的沖槽淤灘的銳化過程。

從太平口水道、界牌河段的斷面形態(tài)統(tǒng)計(jì)分析可見，結(jié)合寬深比的變化，形心相對(duì)深度指標(biāo)Hc/H在反映斷面沖淤垂向分布方面有較好的性能。就典型河段內(nèi)所包含的三種斷面形態(tài)調(diào)整模式而言，整體下切模式可能因沖灘為主而出現(xiàn)斷面形態(tài)坦化，也可能灘槽均沖使得形心相對(duì)深度基本不變；平移調(diào)整模式可能因劇烈沖灘引發(fā)深槽回淤，出現(xiàn)斷面形態(tài)坦化；復(fù)合調(diào)整模式的斷面形態(tài)變化值得關(guān)注，兩個(gè)典型河段均出現(xiàn)了這一調(diào)整模式，且斷面形態(tài)均呈現(xiàn)出銳化特征，即傾向于沖深淤淺，甚至出現(xiàn)了淤灘造灘的現(xiàn)象。通過上述歸類以及相關(guān)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)，有助于結(jié)合水沙條件變化分析理解斷面形態(tài)調(diào)整機(jī)理。

3 三峽水庫蓄水運(yùn)用以來新水沙條件造床作用變化分析

3.1 來沙條件變化分析三峽水庫運(yùn)行后截?cái)嗔松嫌蔚慕^大部分來沙，壩下游河道水沙條件最根本的變化是來沙量的大幅減少（圖6），宜昌、沙市、漢口和大通4站近10年（2006—2015年）平均輸沙量較多年平均分別偏少94%、88%、73%和67%。由于壩下游水流挾帶的泥沙主要來自于河床床面的沖刷，壩下游各河段的來沙條件隨大壩距離遠(yuǎn)近的不同而不同，且會(huì)隨時(shí)間發(fā)生調(diào)整。因此，來沙條件的造床作用在不同河段、不同時(shí)段也是不同的，由圖6可見，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，壩下游沿程各站懸沙輸移量自上而下逐漸增加，同時(shí)均隨時(shí)間逐漸減小。

圖6 三峽水庫蓄水運(yùn)用前后壩下游各站懸移質(zhì)年平均輸沙量沿程變化

從河床演變的角度來看，來沙條件的變化主要關(guān)注粒徑較粗，能夠有效參與造床的造床質(zhì)。圖7顯示，三峽水庫蓄水運(yùn)用以后，沿程各站0.031 mm＜D≤0.125 mm粒徑組的泥沙輸移量較三峽工程蓄水以前大幅減少，且沿程自上而下增加，基本可以認(rèn)為該組泥沙沿程均處于沖刷狀態(tài)；D＞0.125 mm粒徑組的泥沙恢復(fù)程度總體較高，蓄水之初，監(jiān)利和漢口兩站基本恢復(fù)至蓄水前的平均水平，且沿程自上而下各站輸移量并非單向增加，而是有增減起伏，說明該組泥沙因沿程補(bǔ)給沙源充足，且粒徑偏粗，對(duì)水流條件較為敏感，發(fā)生在河床床面的沖淤交換較為劇烈。

圖7 三峽水庫蓄水運(yùn)用前后壩下游各站懸移質(zhì)分組年平均輸沙量沿程變化

與輸沙量大幅減少的外在表現(xiàn)相比，D＞0.125 mm粒徑組的泥沙沿程輸移量的變化在一定程度上能更好地表征沿程的來沙條件，一方面，結(jié)合圖1所反映的累計(jì)沖淤強(qiáng)度變化情況來看，壩下游各河段總體沖淤狀態(tài)與該組泥沙輸移量的大小密切相關(guān)，例如，宜昌至城陵磯河段是D＞0.125 mm粒徑組泥沙的主要恢復(fù)區(qū)間，河道是持續(xù)沖刷的；而城陵磯至湖口河段因D＞0.125 mm粒徑組泥沙的沿程輸移量有增有減，在蓄水初期，河道曾出現(xiàn)了沖淤交替的情況。另一方面，由于斷面形態(tài)的橫向調(diào)整實(shí)際上就是床沙質(zhì)的橫向沖淤，因此，斷面形態(tài)的調(diào)整模式與D＞0.125 mm粒徑組泥沙的沿程輸移量有著密切的關(guān)聯(lián)性，這在下文中將具體分析闡述。

3.2 來水條件變化分析一般認(rèn)為，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，長江干流各主要水位控制站年平均徑流量相對(duì)穩(wěn)定，壩下徑流過程總體呈略偏枯的狀態(tài)，如圖8所示。其中因蓄水運(yùn)用以來荊江三口分流量較蓄水前年均值偏小，僅監(jiān)利站徑流量較蓄水前微增。除監(jiān)利站外，壩下各站2003—2008年平均徑流量較蓄水前多年均值偏小4.9%～9.7%；2009—2015年平均徑流量較蓄水前多年均值偏小4.2%～7.8%。

相對(duì)而言，受上游來水條件變化及三峽水庫汛前消落、汛期調(diào)洪、汛后蓄水、枯水補(bǔ)枯等調(diào)節(jié)方式的共同影響，壩下游各站年內(nèi)徑流過程的變化較為顯著。由表3可見，與三峽水庫蓄水運(yùn)用前相比，宜昌站枯水期徑流量增加，汛期及汛后徑流量有所減少。尤其是進(jìn)入175 m蓄水運(yùn)行期后，年內(nèi)徑流過程的改變較為明顯，枯水期的1、2、3月徑流量增幅達(dá)40%以上，退水期9、10月徑流量減幅分別為21.4%、38.1%，反映出這一階段三峽水庫汛末蓄水量的增加以及枯水期流量補(bǔ)償能力的增強(qiáng)。

圖8 三峽水庫蓄水運(yùn)用前后壩下游各站年平均徑流量沿程變化

表3 三峽水庫蓄水運(yùn)用前后宜昌站各月平均徑流量變化統(tǒng)計(jì)

3.3 徑流造床能力變化分析徑流造床能力不僅與徑流過程自身各流量級(jí)的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，同時(shí)也與河床組成甚至是河床形態(tài)有關(guān)聯(lián)，造床流量作為刻畫徑流造床能力的指標(biāo)，實(shí)際上是對(duì)上述因素的綜合反映。根據(jù)研究對(duì)象河流的情況，具體的計(jì)算方法有多種，代表性的主要有如下兩大類：

（1）利用實(shí)測(cè)水位流量關(guān)系，根據(jù)平灘水位確定平灘流量，代表造床流量，這一類方法在灘槽分界較為明顯的河流有較好的應(yīng)用效果；

（2）基于水流輸沙能力提出的一系列計(jì)算方法。馬卡維耶夫法是其中的代表，應(yīng)用十分廣泛，長江中下游造床流量的計(jì)算多采用此法。馬卡維耶夫法通過繪制各級(jí)流量QmJP與Q的關(guān)系曲線，取QmJP峰值對(duì)應(yīng)的Q即為造床流量。其中，Q為分級(jí)流量、J為各級(jí)流量下的水面比降、P為各級(jí)流量的頻率，主要反映水流作用；m值則反映包括河床組成等在內(nèi)的河床特性，可由實(shí)測(cè)資料繪制Gs～Q關(guān)系線確定，一般假定Gs=KQm1，擬合出的m1就可以作為QmJP中的m值。另外，韓其為[13]以變動(dòng)流量過程輸沙能力的等價(jià)流量作為造床流量，相應(yīng)的計(jì)算方法在黃河下游的研究中應(yīng)用較多。

對(duì)于長江中下游河道而言，三峽水庫蓄水運(yùn)行至今，壩下游河道基本已進(jìn)入總體沖刷的狀態(tài)，且遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)沖淤平衡，在當(dāng)前階段，水流動(dòng)力條件的強(qiáng)弱是主導(dǎo)性因素。筆者認(rèn)為，每一級(jí)流量的QmJP值都在一定程度上表征了該級(jí)流量的造床作用，三峽水庫對(duì)來水過程的調(diào)度雖然不影響年內(nèi)徑流總量，但對(duì)各流量級(jí)持續(xù)時(shí)間的改變必然會(huì)引起徑流造床能力的調(diào)整?？紤]到徑流過程變化后，各級(jí)流量造床作用的變化可能很難全然反映在QmJP峰值流量的變化上（通過人為控制，實(shí)現(xiàn)QmJP峰值流量不變也是有可能的），對(duì)此，本文主要嘗試通過分析Q～QmJP曲線的整體變化來探討三峽水庫蓄水運(yùn)用前后徑流造床能力的變化情況，且重點(diǎn)關(guān)注各流量級(jí)因持續(xù)時(shí)間變化而導(dǎo)致的造床能力相對(duì)變化，精確計(jì)算造床流量不在本文的討論范圍之內(nèi)?；谏鲜隹紤]，本文的計(jì)算對(duì)馬卡維耶夫法進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，一方面，鑒于長江中下游比降平緩，且比降J的確定較為復(fù)雜，將Q～QmJP曲線簡(jiǎn)化為Q～QmP曲線；另一方面，以位于太平口水道與界牌河段之間的監(jiān)利站的Gs～Q關(guān)系作為m值擬合依據(jù)，2003年至2014年實(shí)測(cè)資料擬合表明，m值大致在1.7～2.3之間，為簡(jiǎn)便計(jì)，同時(shí)也便于中下游各站橫向?qū)Ρ龋y(tǒng)一將m值取為2。

圖9 三峽水庫蓄水運(yùn)用前后壩下游Q～Q2P曲線對(duì)比

通過上述簡(jiǎn)化處理，計(jì)算并繪制了長江中下游沙市、螺山、漢口和大通4站的Q～Q2P曲線，如圖9所示。其中，流量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)范圍在三峽水庫蓄水運(yùn)用前為1950年代至2002年，蓄水運(yùn)用后為2003年至2015年，175 m蓄水后為2009年至2015年。簡(jiǎn)化后繪制的Q～Q2P曲線顯示，三峽水庫蓄水運(yùn)用前沙市、螺山、漢口和大通4站Q2P峰值流量級(jí)分別為25000、35000、37000和44000 m3/s，與文獻(xiàn)[14]各站造床流量的計(jì)算成果基本一致，這在一定程度上說明，就長江中下游水沙條件及河道特點(diǎn)而言，適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化不會(huì)明顯改變Q～QmJP曲線的形態(tài)。

從三峽水庫蓄水運(yùn)用后的情況來看，Q2P峰值流量有不同程度的變?。荷呈姓揪嚯x三峽水庫最近，Q～Q2P曲線變化最為復(fù)雜，三峽水庫蓄水運(yùn)用前，25000 m3/s流量級(jí)對(duì)應(yīng)的Q2P值略大于20000 m3/s流量級(jí)，蓄水運(yùn)用后，20000 m3/s流量級(jí)的Q2P值明顯增加，成為Q2P峰值流量；螺山站Q2P峰值流量級(jí)減小為29000 m3/s；漢口、大通兩站Q2P峰值流量級(jí)變化不大，分別為36000 m3/s、42000 m3/s。

三峽水庫蓄水運(yùn)用前后Q～Q2P曲線除了Q2P峰值流量級(jí)發(fā)生調(diào)整，峰值流量級(jí)以上流量級(jí)的Q2P值整體大幅衰減是更為顯著的變化。Q2P包含了輸沙能力的概念，大流量級(jí)Q2P值的整體衰減必然關(guān)系到造床作用的變化，為此，以多年平均流量和Q2P峰值流量作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間分界值，通過累加各流量區(qū)間的Q2P值來進(jìn)一步刻畫Q～Q2P曲線。其中，沙市站統(tǒng)計(jì)區(qū)間分界流量分別為12000 m3/s、25000 m3/s，螺山站分別為18000 m3/s、35000 m3/s，漢口站分別為21000 m3/s、37000 m3/s，大通站分別為26000 m3/s、44000 m3/s。為簡(jiǎn)單計(jì)，劃分的三個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間分別稱之為中小水區(qū)間、中洪水區(qū)間、大水區(qū)間，并將各區(qū)間的Q2P累加值與蓄水前Q2P值總和進(jìn)行對(duì)比，如表4所示。

表4 三峽水庫蓄水運(yùn)用前后壩下游各站各流量區(qū)間Q2P值統(tǒng)計(jì)

表4的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：①三峽水庫蓄水運(yùn)用后，中小水區(qū)間、中洪水區(qū)間Q2P累加值均有所增加，但增幅不大；②三峽水庫蓄水運(yùn)用后大水區(qū)間Q2P累加值明顯減小，沙市、螺山和漢口三站不到蓄水運(yùn)用前的一半，大通站約為蓄水運(yùn)用前的三分之二；③三峽水庫蓄水運(yùn)用后全流量區(qū)間Q2P總和較蓄水運(yùn)用前也有較為明顯的減小，減幅在15%～20%左右。④值得注意的是，三峽水庫蓄水運(yùn)用以前，沿程各站Q2P峰值流量上下兩側(cè)Q2P累加值各占總和的50%，基本相當(dāng)，這也在一定程度上說明了以Q2P峰值流量作為造床流量的合理性。若將這一特點(diǎn)簡(jiǎn)單視為對(duì)稱性，那么，三峽水庫蓄水運(yùn)用后，Q～Q2P曲線的對(duì)稱性發(fā)生了明顯改變，因?yàn)镼2P峰值流量以下Q2P累加值的比重明顯提升，以蓄水運(yùn)行后Q～Q2P曲線較為規(guī)則的漢口站為例，Q2P峰值流量36000 m3/s以下Q2P累加值占比約為63%，這在某種程度上說明了新水沙條件下將造床流量曲線峰值流量作為造床流量可能是不太合適的。

綜合上述統(tǒng)計(jì)分析可見，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，雖然總徑流量變化不大，但徑流過程的造床能力發(fā)生了明顯改變，主要表現(xiàn)為蓄水運(yùn)用以來整個(gè)流量序列的造床能力趨于減弱，同時(shí)大流量級(jí)的造床能力衰減十分明顯，使得中水流量級(jí)的造床作用凸顯。

3.4 水沙變化對(duì)斷面形態(tài)調(diào)整的作用機(jī)理三峽水庫蓄水后，長江中下游受控型河道三種斷面形態(tài)調(diào)整模式與水沙條件的時(shí)空特征關(guān)系密切，具體分析如下：

（1）整體下切調(diào)整模式的水沙作用機(jī)理。整體下切調(diào)整模式的水沙作用機(jī)理相對(duì)明晰，來沙量極少（粒徑較粗的造床質(zhì)，下同）是驅(qū)動(dòng)斷面整體下切模式的關(guān)鍵性因素。由于來沙量極少，在絕大多數(shù)流量級(jí)下，斷面上大部分區(qū)域的水流挾沙均呈明顯次飽和狀態(tài)，斷面沖刷是全斷面持續(xù)進(jìn)行的，不同部位的沖刷深度取決于水流挾沙的次飽和程度、床沙組成、水流作用強(qiáng)度等因素。三峽水庫蓄水運(yùn)用之初，這一模式首先在壩下游砂卵石河段出現(xiàn)；根據(jù)對(duì)典型河段太平口水道的分析，由于該水道緊鄰砂卵石河段，近期其上段也已出現(xiàn)了整體下切的現(xiàn)象，可見這一模式伴隨著近壩段泥沙補(bǔ)給量逐漸衰竭而逐漸向下游擴(kuò)展。

（2）平移調(diào)整模式的水沙作用機(jī)理。新水沙條件下主流區(qū)的沖刷效應(yīng)是平移調(diào)整模式驅(qū)動(dòng)因素。當(dāng)來沙大幅減少，河道逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷型后，主輸沙帶與主流帶不匹配、沙量和水量不匹配等水沙錯(cuò)配所導(dǎo)致的主動(dòng)型淤積大幅減少，河床局部淤積基本上成為了河道總體沖刷調(diào)整的伴生現(xiàn)象。由于少沙條件下主流區(qū)的沖刷效應(yīng)具有長期持續(xù)性，斷面受沖部位及其發(fā)展方向往往是相對(duì)固定的，尤其是當(dāng)天然徑流過程被人為調(diào)節(jié)坦化后，主流擺幅減少，優(yōu)勢(shì)流量級(jí)的主流傾向更易成為河道調(diào)整的方向，斷面形態(tài)的變化也隨之表現(xiàn)為深槽的單向平移調(diào)整。這種單向性是新水沙條件下平移調(diào)整模式與多沙條件下往復(fù)性平移調(diào)整模式的本質(zhì)區(qū)別所在。

另外，從典型河段太平口水道三八灘分汊段在三峽水庫蓄水運(yùn)行初期的平移調(diào)整模式來看，在深槽平移過程中，新深槽尚未完全形成，而原深槽已逐漸淤積之時(shí)，斷面形態(tài)往往還會(huì)出現(xiàn)一定程度的坦化，這種坦化即一般意義上的河道沖刷過程中的寬淺化。

（3）復(fù)合調(diào)整模式的水沙作用機(jī)理。復(fù)合調(diào)整模式的外在表現(xiàn)較為復(fù)雜，分析表明該種調(diào)整模式的斷面形態(tài)總體上趨于“沖深淤淺”，與徑流造床作用的變化有密切關(guān)系。如前文分析指出，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，大流量級(jí)造床作用大幅削減，中水流量級(jí)的造床作用相對(duì)凸顯。由于中水流量的慣性相對(duì)較弱，一般均順應(yīng)原有深槽，這無疑較為有利于原有深槽的沖刷強(qiáng)化。原有深槽的沖深，水流條件也將隨之調(diào)整。對(duì)此，筆者利用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)太平口水道、界牌河段各年份地形下的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并定義指標(biāo)主動(dòng)量區(qū)間寬度B進(jìn)行相應(yīng)分析。具體的計(jì)算方法是：將斷面上各節(jié)點(diǎn)的動(dòng)量值自大向小排列，從大值開始累加，所占寬度也同步累加，累加動(dòng)量值達(dá)到斷面總動(dòng)量值的50%時(shí)的寬度值即為主動(dòng)量區(qū)間寬度B。對(duì)太平口水道24000 m3/s流量下、界牌河段30000 m3/s流量下的主動(dòng)量區(qū)間寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，兩個(gè)典型河段的主動(dòng)量區(qū)間寬度B均是總體縮窄的，反映出了主流集中的現(xiàn)象，如表5和表6所示。

表5 太平口水道主動(dòng)量區(qū)間寬度變幅統(tǒng)計(jì)（Bi/B2004）

表6 界牌河段主動(dòng)量區(qū)間寬度變幅統(tǒng)計(jì)（Bi/B2004）

圖10 長江中游典型河段Hc/H與Bi/B相關(guān)關(guān)系

圖10給出太平口水道、界牌河段斷面形心的下沉均伴隨著主動(dòng)量區(qū)間寬度的縮窄，且相關(guān)性較好。這實(shí)際上就是兩個(gè)典型河段斷面形態(tài)沖深淤淺銳化現(xiàn)象的動(dòng)力機(jī)制：伴隨著Hc/H的增加，主流集中度也有所提升，主流向深槽集中必然導(dǎo)致低灘區(qū)域和淺水區(qū)域的水動(dòng)力強(qiáng)度降低，使得這些區(qū)域沖刷相對(duì)偏弱，甚至出現(xiàn)一定程度的淤積，這又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)深槽的沖刷，如此形成循環(huán)的反饋過程。

復(fù)合調(diào)整模式中的河道淤積實(shí)際上也伴生于主流區(qū)的沖刷效應(yīng)，因此，其本質(zhì)與平移調(diào)整模式是基本一致的，均是河道由堆積型轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷型的外在表現(xiàn)。在少沙但有一定輸沙量的條件下，平移調(diào)整模式首先出現(xiàn)，尤其是原始深槽走向彎曲，與優(yōu)勢(shì)流量級(jí)主流傾向位置差別較大時(shí)，該調(diào)整模式會(huì)表現(xiàn)得相對(duì)更加明顯。由于三峽水庫蓄水運(yùn)用以后大流量級(jí)造床作用減弱，且中水流量級(jí)造床作用凸顯，在深槽走向相對(duì)平順的河段，河道橫斷面的調(diào)整會(huì)以復(fù)合調(diào)整模式為主，且會(huì)呈現(xiàn)出沖深淤淺的銳化特征。

總的來說，長江中下游河道由堆積型轉(zhuǎn)變?yōu)闆_刷型以后，優(yōu)勢(shì)流量級(jí)主流的傾向在斷面形態(tài)重塑調(diào)整過程中起關(guān)鍵性作用。雖然上述認(rèn)識(shí)來自于對(duì)太平口水道與界牌河段兩個(gè)典型河段的統(tǒng)計(jì)分析研究，但對(duì)于彎曲河段或形態(tài)更為復(fù)雜的分汊河段，有關(guān)研究也反映了類似的規(guī)律。文獻(xiàn)[15]系統(tǒng)分析三峽水庫蓄水以來長江中下游分汊型河段汊道調(diào)整規(guī)律后指出，水動(dòng)力條件占優(yōu)（流程較短、或迎流條件較好）的汊道普遍發(fā)育，與汊道分流權(quán)重關(guān)系不大；對(duì)于下荊江急彎河段凸沖凹淤現(xiàn)象（即斷面形態(tài)上的平移調(diào)整模式），文獻(xiàn)[16]指出，三峽水庫蓄水后“流量年內(nèi)過程重分配，來沙量及組成突變”是決定性因素，使得凸岸邊灘沖刷動(dòng)力顯著增強(qiáng)。由此可見，本文所揭示的斷面形態(tài)調(diào)整機(jī)理在長江中下游具有一定的普遍性。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論本文以典型河段為重點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)歸納了三峽水庫壩下游河道斷面形態(tài)的調(diào)整特點(diǎn)，結(jié)合新水沙條件下造床作用的分析，探討了長江中下游受控型河道斷面形態(tài)的調(diào)整機(jī)理，取得了如下主要認(rèn)識(shí)：

（1）三峽水庫蓄水運(yùn)用至今，在減沙效應(yīng)影響的河段內(nèi)，河道總體沖刷過程中斷面形態(tài)的變化可以分為三種模式：整體下切型、平移調(diào)整型、復(fù)合調(diào)整型。這三種調(diào)整模式在空間分布上有一定的差別，第一類主要出現(xiàn)在近壩砂卵石河段以及荊江中上段的窄河段，第二、三類主要出現(xiàn)在長江中下游的沙質(zhì)河段。

（2）由于長江中下游大部分為受控型河道，寬深比已基本退化為反映斷面平均水深的指標(biāo)，基本上只能反映出斷面總體沖淤情況。本文引入了形心相對(duì)深度指標(biāo)Hc/H，可以更全面的刻畫斷面形態(tài)的變化，分析表明，整體下切模式可能因沖灘為主而出現(xiàn)斷面形態(tài)坦化，也可能灘槽均沖使得形心相對(duì)深度基本不變；平移調(diào)整模式可能因劇烈沖灘引發(fā)深槽回淤，出現(xiàn)斷面形態(tài)坦化；復(fù)合調(diào)整模式在兩個(gè)典型河段均呈現(xiàn)出了斷面形態(tài)逐漸銳化的現(xiàn)象，即傾向于沖深淤淺，甚至出現(xiàn)了淤灘造灘的現(xiàn)象。

（3）不同的斷面調(diào)整模式，反映了不同的水沙作用機(jī)理，分析表明，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來，壩下游河道來沙量大幅減少，但自上而下沿程恢復(fù)，且粗沙存在恢復(fù)峰值；來流條件的變化主要表現(xiàn)為中水流量級(jí)的造床作用凸顯，而洪水流量級(jí)的造床作用被明顯削弱。來沙量極少的河段，水流挾沙次飽和程度突出，斷面整體不均勻下切。經(jīng)過上游河道補(bǔ)給，有一定來沙量的河段，主流沖刷效應(yīng)決定斷面形態(tài)調(diào)整方向，若原始深槽走向與優(yōu)勢(shì)流量級(jí)主流傾向位置差別較大時(shí)，平移調(diào)整模式表達(dá)較為充分；在深槽走向相對(duì)平順的河段，河道橫斷面的調(diào)整會(huì)以復(fù)合調(diào)整模式為主，呈現(xiàn)出沖深淤淺的銳化特征。

4.2 展望將形心相對(duì)深度Hc/H作為河道斷面形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析尚屬首次，該指標(biāo)可以較好地反映灘槽差別的變化過程，主流穩(wěn)定與否對(duì)其調(diào)整變化起決定性作用，可見來水來沙條件、河型、河床組成等都構(gòu)成了影響Hc/H變化的因素，該指標(biāo)的變化是有規(guī)律可循的?？紤]到目前多數(shù)河流的中下游基本轉(zhuǎn)變?yōu)槭芸匦秃拥?，加大統(tǒng)計(jì)分析樣本，深入研究Hc/H變化的物理機(jī)制，具有較高的理論價(jià)值。另外，內(nèi)河航道的治理與開發(fā)重點(diǎn)關(guān)注灘槽演變的聯(lián)動(dòng)性，Hc/H值在這一方面具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，建立Hc/H值與航道開發(fā)潛力、開發(fā)思路之間的聯(lián)系，也值得開展進(jìn)一步的研究工作。