王兆印，張晨笛

（清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 研究背景

我國(guó)山區(qū)占全國(guó)總面積的70%，人口占全國(guó)總?cè)丝诘?5%［1］。青藏高原平均海拔達(dá)4000 m以上，是亞洲許多大江大河的發(fā)源地。青藏高原持續(xù)抬升引起周邊河流快速侵蝕下切及劇烈河床演變［2］。河流下切導(dǎo)致岸坡變陡，為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了能量［3］。這些河流常常發(fā)生崩塌、滑坡和泥石流災(zāi)害［4］。如圖1所示，當(dāng)河流下切切穿滑動(dòng)面后，滑坡體失去支撐在外力（地震、強(qiáng)降雨）作用下滑動(dòng)。近年來(lái)，四川云南甘肅頻頻發(fā)生山洪、崩塌滑坡及泥石流災(zāi)害，造成數(shù)千人死亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失，究其根本是河流下切增加了災(zāi)害能量所致［4-5］。除了直接的沖擊和覆蓋致災(zāi)，崩塌、滑坡、泥石流使河流泥沙補(bǔ)給驟增，局部河段淤積抬升，甚至短時(shí)阻斷河道，使洪水危害大增，嚴(yán)重威脅兩岸居民的生命財(cái)產(chǎn)安全［3］。河床下切會(huì)增大溝床坡降、引起岸坡失穩(wěn)并加劇全流域土壤侵蝕［6］。岸坡失穩(wěn)及床面侵蝕可能使得房屋、道路和橋梁的基礎(chǔ)裸露，從而喪失原有的功能。地質(zhì)災(zāi)害還對(duì)原生森林植被生態(tài)系統(tǒng)常常造成毀滅性破壞，植被演替幾乎全部從災(zāi)后的新基質(zhì)上開(kāi)始［3］。

王兆印等［4］將山區(qū)下切河流的侵蝕地貌演變過(guò)程總結(jié)為4個(gè)階段：（1）快速下切，構(gòu)造抬升導(dǎo)致下切迅速發(fā)生，河谷形成狹窄的“V”型或超“V”型（岸坡下部比上部更陡，超過(guò)30度），此時(shí)河谷中可供人類(lèi)開(kāi)發(fā)的空間十分有限；（2）下切擴(kuò)寬，下切導(dǎo)致邊岸失穩(wěn)從而引發(fā)兩岸崩塌滑坡泥石流等災(zāi)害，兩岸空間擴(kuò)展，河谷寬度增大，河谷形態(tài)變?yōu)檩^寬的“V”型；（3）下切減緩，隨著下切降低局部坡降及上游侵蝕來(lái)沙量的增大，下切逐漸轉(zhuǎn)為淤積抬升，河谷變?yōu)椤癠”型；（4）動(dòng)力平衡，河流的輸沙能力與泥沙補(bǔ)給最終匹配，水流能量被消耗，下切停止，河床穩(wěn)定，河谷變?yōu)閷挕癠”型，適于人類(lèi)生存并有利于生態(tài)改善。我國(guó)青藏高原邊緣地形陡峻，且青藏高原持續(xù)抬升，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，使得大量河流為下切河流［7］，處于地貌演變的第1階段或第2階段［4，8］。河流下切引發(fā)的山地災(zāi)害嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的發(fā)展，因此控制下切、防災(zāi)減災(zāi)對(duì)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

圖1 河流下切引起滑坡示意圖［4］

河流自然趨于平衡，本身具有負(fù)反饋機(jī)制，下切的河流孕育著遏制下切的因素。下切引發(fā)的崩塌滑坡泥石流常常形成堰塞壩，反過(guò)來(lái)抑制侵蝕下切［9］。堰塞壩統(tǒng)稱(chēng)為自然壩，如崩塌、滑坡、泥石流堵塞河流形成的攔河壩。正在下切的河流就像地球表面的傷口，自然壩就是自愈形成的傷疤［4，10］。這些自然壩控制河流的進(jìn)一步下切，防止新的滑坡和崩塌。與傳統(tǒng)攔擋壩系等防災(zāi)減災(zāi)方式相比，自然壩具有更好的減災(zāi)效果和改善生態(tài)的作用［11-12］。自然壩主要通過(guò)發(fā)育河床結(jié)構(gòu)消減水流能量穩(wěn)定河床、控制下切。河床結(jié)構(gòu)是床面上石塊在水流作用下排列形成的具有較大穩(wěn)定性的床面結(jié)構(gòu)，具有很大的阻力和消減水流能量的作用［13-14］。本文就自然壩和河床結(jié)構(gòu)的形成發(fā)育、消能減災(zāi)機(jī)理及人工模擬減災(zāi)效果進(jìn)行論述，并提煉消能理念應(yīng)用到西南下切河流的治理戰(zhàn)略中。

2 自然壩的形成和河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育

2.1 自然壩崩塌滑坡和泥石流堵塞河流形成的堰塞壩都是自然壩，歷史上形成的自然壩在數(shù)量上和壩體尺度上都超過(guò)人工大壩。保留下來(lái)的自然壩上都發(fā)育良好的消能結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)越強(qiáng)保留的壩體越大。世界上最大的自然壩是塔吉克斯坦的烏索伊滑坡壩，由1911年2月18日7.4級(jí)地震導(dǎo)致的大滑坡形成。20億m3的大滑坡堰塞了穆?tīng)柤硬己?，形成?00 m高的烏索伊滑坡壩和庫(kù)容170億m3長(zhǎng)達(dá)60 km薩雷茲湖［15］。西藏在2000年發(fā)生的易貢藏布大滑坡，滑坡體積3億m3，落差3000 m，堰塞了易貢藏布江，堰塞壩高60多米［16］。后經(jīng)人工炸壩排險(xiǎn)沖刷后堰塞壩高度剩下1/3，堰塞壩頂都是超過(guò)半米的大石塊，排列形成消能強(qiáng)度很高的河床結(jié)構(gòu)?；⑻鴯{是由一連串崩塌形成的崩塌壩，通過(guò)巨石形成的結(jié)構(gòu)劇烈消減水流能量，保護(hù)上游300 km河段不受下切影響［9］。虎跳峽堰塞壩在金沙江上形成一個(gè)高度213 m的尼克點(diǎn)［17］。

怒江大峽谷位于云南怒江州六庫(kù)鎮(zhèn)與上游西藏林芝察瓦龍鄉(xiāng)之間橫斷山脈之中（圖2（a）），是典型的深切V型河谷。這個(gè)河段古代崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，形成一些崩塌滑坡堰塞壩。兩岸的陡峭的溝谷幾乎都是泥石流溝［8］，泥石流攜帶大量石塊進(jìn)入主流形成上百個(gè)泥石流堰塞壩。經(jīng)過(guò)千百年的洪水調(diào)整，這些堰塞壩都發(fā)育了很好的河床結(jié)構(gòu)，主要是階梯-深潭結(jié)構(gòu)。六庫(kù)上游怒江干流坡度陡峭，平均坡降為2.6‰，而一些峽谷段主河坡降則接近1%（滇藏邊界，圖2（b））。過(guò)去數(shù)百年來(lái)怒江河床依然保持相對(duì)穩(wěn)定，枯水期基本沒(méi)有泥沙運(yùn)動(dòng)，水體展現(xiàn)藍(lán)綠色。這是因?yàn)檠呷麎稳鹤陨韽?qiáng)度較高，多由1 m以上甚至10 m多的巨石組成，集中水流落差并有效消耗了水流能量。如滇藏邊界局部水面坡降達(dá)到2.7%（圖2（c）），老虎跳局部水面坡降甚至超過(guò)3%（圖2（d）），水流落差集中段水流湍急、消能劇烈，其上游形成堰塞湖。這些堰塞壩形成一系列小型尼克點(diǎn)［4］，對(duì)穩(wěn)定河床和河流縱剖面演變起到控制作用。

由于崩塌滑坡泥石流堰塞壩為松散堆積體，經(jīng)水流漫壩后會(huì)發(fā)生部分潰決，大多保留壩高20%～80%［10］。自然堰塞壩經(jīng)沖刷后保留的壩高與堰塞壩自身發(fā)育的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系［10，13］。河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育程度可以用參數(shù)Sp表達(dá)，Sp是代表河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，采用專(zhuān)門(mén)設(shè)備測(cè)量，詳見(jiàn)文獻(xiàn)［17-18］。如果堰塞壩體大石塊較多，在水流作用下發(fā)育形成較強(qiáng)的河床結(jié)構(gòu)，則堰塞壩大部分保留。一般洪水流量在100 m3/s以下的山區(qū)河流里，如果堰塞壩的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度Sp＞0.5就可以保留，而當(dāng)Sp＜0.2時(shí)堰塞壩極易發(fā)生潰決［10，13］。一般情況下判斷堰塞壩是否穩(wěn)定和能否保存可參照?qǐng)D5。圖2（b）中怒江老虎跳河段河床結(jié)構(gòu)的Sp高達(dá)0.90，滇藏邊界處堰塞壩Sp更是達(dá)到1.12，消能強(qiáng)度極高。因此，盡管怒江洪水流量較大，這些堰塞壩仍然可以長(zhǎng)期保存，形成尼克點(diǎn)，成為怒江上的重要消能段，維持河段穩(wěn)定。

圖2 怒江（察瓦龍-中緬邊境）干流地貌特征

2.2 河床結(jié)構(gòu)為對(duì)抗水流沖刷，下切河流河道中特別是堰塞壩溢流段發(fā)育的河床結(jié)構(gòu)有階梯-深潭結(jié)構(gòu)、肋狀結(jié)構(gòu)、火焰石結(jié)構(gòu)、石簇群結(jié)構(gòu)和岸石結(jié)構(gòu)等［14］。階梯-深潭結(jié)構(gòu)是坡度大于3%的山區(qū)河流中常見(jiàn)的微地貌形態(tài)［12，17-20］。階梯是由較粗的卵礫石組成的橫跨河道的互鎖結(jié)構(gòu)，深潭為階梯下游因局部沖刷形成的沖刷坑，階梯和深潭在河段中依次交替排列，縱斷面形成一系列臺(tái)階狀（圖3（a））［21-22］。與階梯-深潭結(jié)構(gòu)類(lèi)似，肋狀結(jié)構(gòu)中石塊也橫向排列，但未覆蓋整個(gè)河寬（圖3（b））［13-14，23］。石簇群結(jié)構(gòu)指床面粗顆粒聚集形成的床面結(jié)構(gòu)（圖3（c））［17，14，24］。當(dāng)劇烈湍急的水流攜帶泥沙磨損河床上的石簇塊，巨石會(huì)留下火焰狀痕跡，稱(chēng)之為“火焰石”結(jié)構(gòu)（圖3（c）），是一種消能率很高的結(jié)構(gòu)。岸石結(jié)構(gòu)指近岸大石塊堆疊，使高速水流遠(yuǎn)離河岸，保護(hù)河岸免受侵蝕（圖3（d））。在所有的河床結(jié)構(gòu)類(lèi)型里，階梯-深潭結(jié)構(gòu)是消能效率高，發(fā)育相當(dāng)普遍的一種結(jié)構(gòu)，也是常被模仿應(yīng)用于控制下切和改善生態(tài)的結(jié)構(gòu)［11-12］。

圖3 河床結(jié)構(gòu)

河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育受大石塊補(bǔ)給的制約。許多堰塞壩大部分潰決，主要原因就是壩體缺少大石塊，難以發(fā)育高效消能的結(jié)構(gòu)。階梯-深潭結(jié)構(gòu)的階梯高度及相鄰階梯的間距均與床面D84呈線(xiàn)性關(guān)系［25］。階梯高度主要受關(guān)鍵石塊直徑影響［18-19，26］。水槽試驗(yàn)也表明階梯-深潭結(jié)構(gòu)的形成以石塊直徑達(dá)到一定閾值為必要條件［27］。肋狀結(jié)構(gòu)的間距與最大石塊粒徑呈顯著線(xiàn)性相關(guān)［28］。局部地形條件同樣制約河床結(jié)構(gòu)的發(fā)育［29］。當(dāng)河寬相對(duì)大石塊較小時(shí)，大石塊容易發(fā)生疊置［30］，在洪水作用下調(diào)整發(fā)育成河床結(jié)構(gòu)［31］。綜合粒徑和局部地形作用，可以使用W/D84［30，32］或W/Dmax［31］作為判斷河床結(jié)構(gòu)能否發(fā)育及發(fā)育為何種結(jié)構(gòu)的指標(biāo)之一［28，30，32］。

3 自然壩與河床結(jié)構(gòu)消能減災(zāi)機(jī)理

自然壩上發(fā)育的消能結(jié)構(gòu)劇烈消能，只要消能結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)，自然壩就可以長(zhǎng)期保存。保存下來(lái)的堰塞壩提高了侵蝕基本面，河流兩岸坡度降低，崩塌滑坡的能量減少，所以不會(huì)發(fā)生新的崩塌與滑坡。九寨溝有100多個(gè)古代滑坡，大概發(fā)生于1～2萬(wàn)年前，基本上都保存了下來(lái)。由于保存下來(lái)的堰塞壩大大減少了水流能量，河流停止下切甚至發(fā)生淤積，因此近代就沒(méi)有新的崩塌與滑坡發(fā)生。保存的古代滑坡體消減能量，也消除了產(chǎn)生新的滑坡的條件，同時(shí)形成了美麗的景觀(guān)和良好的生態(tài)。汶川地震時(shí)九寨溝離震中不很遠(yuǎn)，但是沒(méi)有發(fā)生崩塌與滑坡。2017年九寨溝7.0級(jí)地震，震中就在九寨溝，但是九寨溝保存的堰塞壩群降低了崩塌滑坡的能量，沒(méi)有滑坡發(fā)生，只有少量的山扒皮現(xiàn)象，地震半年后景觀(guān)已經(jīng)全部恢復(fù)。堰塞湖促進(jìn)泥沙淤積，抬高侵蝕基準(zhǔn)面，減小兩岸邊坡勢(shì)能，降低滑坡等災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。堰塞壩抑制河流下切并延緩因構(gòu)造運(yùn)動(dòng)或造山運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的河流調(diào)整，形成尼克點(diǎn)［4］。河床結(jié)構(gòu)如階梯-深潭等增大阻力［17-18，33］，控制河流縱斷面調(diào)整［34］，具有控制下切、減輕泥石流滑坡等災(zāi)害的能力［11-12］。

3.1 災(zāi)害與消能各種地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際上是固體碎屑的短距離運(yùn)動(dòng)，搬運(yùn)碎屑的能量是沿河流溝谷或山坡高差的勢(shì)能。輸運(yùn)通量越大所需要的能量越大，同時(shí)不同運(yùn)動(dòng)形式或?yàn)?zāi)害的形式所需能量不同。圖4顯示不同運(yùn)動(dòng)形式所需能量與同樣輸運(yùn)通量的水流所需能量的比較。輸送泥沙比輸水需要多100倍的能量，而泥石流所需能量比輸沙高20倍，滑坡所需能量更比泥石流高2～5倍，崩塌比滑坡還要高約10倍能量。

圖4 不同運(yùn)動(dòng)及災(zāi)害中物質(zhì)運(yùn)輸通量與能量的關(guān)系

河流下切一方面加大崩滑位置與河谷底部的高差，增大物質(zhì)勢(shì)能，一方面侵蝕兩岸物質(zhì)，削弱坡腳支撐［5］，繼而在一定外力（如地震、暴雨等）作用下引發(fā)山地災(zāi)害。而河流下切主要源自河道能量不平衡，即水流能量明顯超過(guò)各種阻力的消能，導(dǎo)致河床及河岸侵蝕。因此，減少地質(zhì)災(zāi)害的根源在于通過(guò)消耗水流能量控制河流下切［4，11］。

消能是水流勢(shì)能和動(dòng)能轉(zhuǎn)化為紊動(dòng)能和熱能的過(guò)程。崩塌滑坡泥石流等災(zāi)害的發(fā)生需要較高的能量（圖4），水流是能量傳遞和轉(zhuǎn)化的媒介，如果將水流能量有效消耗，則難以達(dá)到觸發(fā)災(zāi)害的能量條件，從而達(dá)到減災(zāi)目的。我們?cè)谒拇ㄎ募覝线M(jìn)行的人工階梯-深潭系統(tǒng)治理經(jīng)驗(yàn)表明，增加階梯-深潭系統(tǒng)后，當(dāng)?shù)赜|發(fā)泥石流的降雨量增大了3倍［12］。山區(qū)河流的消能結(jié)構(gòu)可以避免水流高能量沖刷河床和河岸導(dǎo)致災(zāi)害。穩(wěn)定的高坡降河流或長(zhǎng)期穩(wěn)定的堰塞壩河槽上發(fā)育的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與水流能量是基本匹配的。我們測(cè)量了一些長(zhǎng)期穩(wěn)定的大部分保留的堰塞壩河槽的河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)河流洪水能量越大，河床結(jié)構(gòu)越強(qiáng)。反過(guò)來(lái)說(shuō)，堰塞壩穩(wěn)定所需的最小河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨單寬水流能量增大而增大，如圖5所示。由此可以判斷堰塞壩是否可以長(zhǎng)期保存。如果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低于圖中曲線(xiàn)，結(jié)構(gòu)消減的能量不足以控制水流的沖刷，堰塞壩就會(huì)潰決。如果結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于圖中曲線(xiàn)，洪水能量低于堰塞壩泄洪道發(fā)育的河床結(jié)構(gòu)所消耗的能量，水流沒(méi)有多余能量侵蝕河床，堰塞壩可以長(zhǎng)期穩(wěn)定保存，因此，河床結(jié)構(gòu)具有控制河流下切、控制河道縱剖面調(diào)整的作用。

圖5 堰塞壩泄洪道穩(wěn)定的情況下階梯-深潭的發(fā)育程度Sp與單寬水流能量關(guān)系圖［3，10］

3.2 河床結(jié)構(gòu)的消能率階梯-深潭系統(tǒng)在山區(qū)河流廣泛發(fā)育而且消能效率最高，主要消能方式為階梯消能和深潭消能［35］。階梯上水流通過(guò)膚面摩擦和紊動(dòng)消能［35-36］。深潭中水流消能方式有3種：（1）主流區(qū)水躍消能；（2）水躍區(qū)與周?chē)w交界區(qū)域的強(qiáng)烈紊動(dòng)擴(kuò)散消能；（3）主流區(qū)兩側(cè)橫向漩渦消能［35］。水流流經(jīng)階梯-深潭結(jié)構(gòu)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖6（a）所示。圖6（b）則給出了野外實(shí)測(cè)的階梯-深潭不同部位水流的能量組成［35］，顯示水流進(jìn)入深潭后，勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再轉(zhuǎn)化為紊動(dòng)能耗散的過(guò)程。水流通過(guò)階梯-深潭時(shí)依次經(jīng)歷階梯跌水和深潭水躍，所以階梯-深潭結(jié)構(gòu)的水流阻力由膚面摩擦和形狀阻力共同構(gòu)成［36］。小流量條件下，流經(jīng)階梯-深潭的水流流態(tài)為跌落水流（Nappe flow）［30］，形狀阻力作用很強(qiáng)［37］。但隨流量增大、流經(jīng)階梯-深潭的水流流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛兴鳎⊿kimming flow）［30］，盡管形狀阻力依然為結(jié)構(gòu)對(duì)抗水流沖刷的主要阻力來(lái)源，但其在總阻力中的占比降低［37］?？紤]到阻力與消能率密切相關(guān)，我們推測(cè)不同流量條件下階梯-深潭的相對(duì)淹沒(méi)程度影響消能率。

圖6 水流經(jīng)過(guò)階梯-深潭的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程

野外實(shí)測(cè)的枯水期及普通洪水條件（重現(xiàn)期1～5年）下階梯-深潭的消能率為60%～90%［35，38-39］，可以將水流的絕大部分能量消耗掉。不過(guò)，隨著流量增大，階梯淹沒(méi)程度增加，形狀阻力減?。?7］，階梯-深潭整體消能率下降［35，40］。我們進(jìn)行的階梯-深潭消能試驗(yàn)中，構(gòu)造非恒定流量過(guò)程研究了極端山洪事件中階梯-深潭系統(tǒng)的消能率［41］。發(fā)現(xiàn)與枯水期或一般洪水相比，因階梯-深潭淹沒(méi)程度大幅增加，單個(gè)階梯-深潭的消能率下降，但由于深潭沖刷加劇，階梯高度（HS）增大，從而使階梯-深潭的消能率在極端條件下并不隨流量增大急劇下降（圖7），表明階梯-深潭系統(tǒng)在洪水條件下有自我調(diào)節(jié)適應(yīng)水流強(qiáng)度的能力［41］。圖7中縱坐標(biāo)η=ΔEE0為消能率，橫坐標(biāo)hc/HS代表階梯淹沒(méi)程度?？梢?jiàn)，隨著洪水流量增大，階梯-深潭結(jié)構(gòu)消能率下降，但是模擬洪水條件下實(shí)測(cè)消能率下降不明顯，說(shuō)明階梯-深潭結(jié)構(gòu)具有適應(yīng)大洪水的能力。

圖7 階梯-深潭及直角跌水消能率隨hc/Hs變化情況，數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)［35，38-39，41-46］

綜合試驗(yàn)室及野外獲得的階梯-深潭消能率數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)消能率可用冪函數(shù)表達(dá)（圖7，R2=0.81）：

式中：ΔE為水流經(jīng)過(guò)階梯-深潭的水頭損失；E0為階梯上游總水頭，勢(shì)能參考位置為深潭最深點(diǎn)（圖8）；hc/HS表征階梯淹沒(méi)程度［37］，其中HS為階梯高度，即階梯頂部到深潭最深點(diǎn)的垂直距離［26，30］（圖8（a））；hc為臨界水深，其中Q為流量，W為河寬，g為重力加速度。

圖8 階梯-深潭與矩形跌水比較示意圖

階梯-深潭消能率的冪函數(shù)形式與規(guī)則形狀的矩形跌水（常作為階梯式溢流壩的最小單元，圖8（b））［45-46］接近，但是單個(gè)階梯-深潭結(jié)構(gòu)的消能率明顯高于單個(gè)矩形跌水（圖7），天然階梯-深潭系統(tǒng)與攔擋壩等形狀規(guī)則的傳統(tǒng)控制河流下切方式相比，消耗水流能量更高，因此在維持河床穩(wěn)定方面更具優(yōu)勢(shì)［12］。況且，在天然條件下，階梯-深潭不會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)，往往是作為一系列階梯-深潭結(jié)構(gòu)存在［12，17-19，26］，因此，相對(duì)于傳統(tǒng)攔擋壩體系，階梯-深潭系列可以更為有效地在洪水條件下消減水流能量，維護(hù)河床的穩(wěn)定。

3.3 能量概算從河流綜合治理和減災(zāi)的角度，山區(qū)河流要做能量概算。所謂河流能量概算就是對(duì)河流的水能分布和消能率分布進(jìn)行宏觀(guān)計(jì)算并對(duì)二者之間的適配進(jìn)行評(píng)價(jià)。消能強(qiáng)度要達(dá)到足夠強(qiáng)度以平衡水流能量。如果水流所獲得能量大于各種阻力消能，將使流速水頭沿程增加，最終會(huì)導(dǎo)致河床河岸的破壞。河流治理工程要考慮使河段消能強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)水流獲得勢(shì)能才能保證防洪安全。

河流能量概算主要涉及三個(gè)能量概念：（1）獲得勢(shì)能，一條河流里水流運(yùn)行單位距離從重力勢(shì)能里獲得的能量為獲得勢(shì)能；（2）消能率，河段出口水流降低的總水頭與初始總水頭比值為消能率；（3）水頭，即可以利用（如發(fā)電）或造成邊界破壞和災(zāi)害的單寬水能，包括流速水頭和位置水頭。

上述能量概算可以用能量方程形式表述：

式中：E1為河段下游出口處總水頭為河段上游斷面流速水頭；z1為上游位置水頭為河段下游斷面流速水頭；z2為下游位置水頭；hL為水流流經(jīng)河段消耗或轉(zhuǎn)化（發(fā)電）的能量。

如果要保持水流流速水頭基本不變，即：

則有：

水流能量消耗除了河床結(jié)構(gòu)提供的阻力外，輸運(yùn)泥沙（主要為推移質(zhì)）和發(fā)電同樣需要能量［12］，因此有：

式中：hf為河床結(jié)構(gòu)消耗的水頭；hs為泥沙輸移消耗的水頭；he為發(fā)電消耗的水頭。河流開(kāi)發(fā)不可能把所有水頭轉(zhuǎn)化為電力，甚至有些西南河流還沒(méi)有開(kāi)發(fā)水電，此時(shí)hs很大。如果輸沙水頭大而來(lái)沙少，就會(huì)發(fā)生沖刷，導(dǎo)致下切和地質(zhì)災(zāi)害。在給定的hL條件下，河床結(jié)構(gòu)造成很大的消能值，即hf增大，使得輸沙水頭降低甚至為零［3，48］，災(zāi)害就不會(huì)發(fā)生。我們進(jìn)行的野外試驗(yàn)已經(jīng)表明山區(qū)河流河床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與推移質(zhì)輸沙率的負(fù)相關(guān)關(guān)系［3，48］。

在河流修復(fù)或下切控制工程中，利用能量概算可初步判斷河段是否滿(mǎn)足消能要求。對(duì)于泥沙補(bǔ)給有限且無(wú)發(fā)電需求的河段，需要河床結(jié)構(gòu)基本消耗水流的獲得勢(shì)能才能維持河床穩(wěn)定。從而可以根據(jù)河床結(jié)構(gòu)的阻力關(guān)系［17-18，37，49-50］以及消能率（式（1），圖7）判斷現(xiàn)有的或者設(shè)計(jì)的河床結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足消能要求，并可對(duì)河床結(jié)構(gòu)排列形式相應(yīng)優(yōu)化（如調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)高度和分布間隔）以提高安全程度。

4 消能理念的減災(zāi)應(yīng)用

河床結(jié)構(gòu)消能可有效抑制河床下切，防止崩塌滑坡和泥石流的發(fā)生，因此可以人工模擬用于消能減災(zāi)。2006—2009年我們利用階梯-深潭結(jié)構(gòu)在云南東川吊嘎河、甘肅禮縣欄山溝和四川震區(qū)文家溝進(jìn)行了人工模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了消能結(jié)構(gòu)的防止泥石流的減災(zāi)效果和改善生態(tài)的作用［3，11-12，17，51］。

文家溝的試驗(yàn)布置在“5.12”地震極重災(zāi)區(qū)四川省綿竹市清平鄉(xiāng)。文家溝是綿遠(yuǎn)河的一條深切支溝，總長(zhǎng)3.25 km，流域面積7.8 km2［12］。汶川地震引發(fā)文家溝滑坡總方量8160萬(wàn)m3，厚度達(dá)180 m。2008年雨季約90萬(wàn)m3泥石流沖出文家溝，侵蝕滑坡體，形成下切最深達(dá)50 m的溝谷。圖9（a）顯示了地震前的文家溝縱剖面、地震滑坡后的縱剖面、2008年泥石流后形成的新的文家溝縱剖面，以及2009年人工階梯-深潭治理經(jīng)歷洪水后的縱剖面和2010年破壞消能結(jié)構(gòu)后的縱剖面。為了穩(wěn)定文家溝新生溝谷和減輕泥石流災(zāi)害，我們2009年5—6月在文家溝溝谷上游切蝕最劇烈的400 m長(zhǎng)的一段溝道內(nèi)構(gòu)筑了33 級(jí)人工階梯-深潭系統(tǒng)（圖9（b））［12，17，51］。人工階梯由 2～4 塊巨石作為骨架、輔之以大石頭（0.5～1.5 m）嵌入其中形成，并在階梯兩翼用填滿(mǎn)石塊的鋼絲籠保護(hù)邊坡［51］。布置好的階梯高度為2～4 m，間距為10～15 m。人工階梯-深潭結(jié)構(gòu)布置完成后，文家溝遭遇了2次比2008年誘發(fā)泥石流更大的降雨，但基本上沒(méi)有發(fā)生泥石流，溝道保持穩(wěn)定，更沒(méi)有造成人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。

圖9 文家溝人工階梯-深潭結(jié)構(gòu)

作為對(duì)照，2010年當(dāng)?shù)卣袠?biāo)花費(fèi)近1000萬(wàn)元建設(shè)谷防壩群控制泥石流。他們摧毀了階梯-深潭消能系統(tǒng)，把組成階梯的巨石炸碎后用作修建谷防壩的材料。20座谷防壩替代了原來(lái)的33級(jí)階梯-深潭系統(tǒng)。這些谷防壩的一個(gè)致命弱點(diǎn)是沒(méi)有消能結(jié)構(gòu)，水流能量在壩前集中，劇烈沖刷壩下的基礎(chǔ)，導(dǎo)致壩群迅速潰決。新的防護(hù)工程在當(dāng)年7月下旬完工，8月13日遭遇降雨量為98.5 mm/d暴雨，建成不到一個(gè)月的20座壩全被沖毀，溝床下切50 m（圖9（a））。劇烈沖刷引發(fā)了規(guī)模達(dá)450萬(wàn)m3的特大泥石流，12人不幸死亡，大量震后新建民居被埋［12］。這次泥石流導(dǎo)致溝道溯源侵蝕130 m，溝道擴(kuò)寬80 m。相比于階梯-深潭結(jié)構(gòu)可以在深潭中通過(guò)水躍和紊動(dòng)消能，沒(méi)有消能結(jié)構(gòu)的谷防壩群只能攔擋小型泥石流。谷防壩群沒(méi)有消能結(jié)構(gòu)的保護(hù)，水流能量沒(méi)有耗散而在大壩坡腳處集中并淘刷大壩基礎(chǔ)，使得谷防壩腳被淘刷后壩基懸空而倒塌。對(duì)比可見(jiàn)，人工模擬自然壩消能結(jié)構(gòu)在控制河床下切及防災(zāi)減災(zāi)方面比谷防壩群更具優(yōu)勢(shì)。

河流上的消能結(jié)構(gòu)還具備穩(wěn)定棲息地和增加棲息地多樣性、從而改善生態(tài)的作用。例如云南吊嘎河人工階梯-深潭系統(tǒng)顯著改善了河流生態(tài)［11，17］。再例如怒江上的一系列堰塞壩，在穩(wěn)定河床的基礎(chǔ)上增大了水面面積及水體的連通度［4，11，52］，增大了低速深水水域［4，11］，提升了河流生態(tài)及景觀(guān)［11，22］。細(xì)觀(guān)上，階梯-深潭系統(tǒng)有利于形成多樣的水生態(tài)環(huán)境［12，35，38，53］，并提高水流溶氧含量［54］，為水生生物提供了豐富多樣的棲息地［11，52］。正是在這樣的棲息地里，清華大學(xué)發(fā)現(xiàn)了一些當(dāng)?shù)靥赜袩o(wú)脊椎動(dòng)物和新物種。在相同的條件下，有階梯-深潭結(jié)構(gòu)發(fā)育的河段生物多樣性明顯高于無(wú)階梯-深潭發(fā)育的河段［11］。例如九寨溝和云南省小江流域的深溝，自然發(fā)育了階梯-深潭系統(tǒng)，其底棲動(dòng)物密度超出氣候水文條件類(lèi)似但不發(fā)育階梯-深潭結(jié)構(gòu)的蔣家溝600倍以上［55］。意大利的Maso di Calamento的自然階梯-深潭結(jié)構(gòu)和人工階梯-深潭結(jié)構(gòu)河段的生態(tài)評(píng)分均明顯高于傳統(tǒng)混凝土攔擋壩［47］，此例證明了人工階梯-深潭系統(tǒng)在控制河流下切和改善生態(tài)應(yīng)用中的巨大價(jià)值。

從更大的空間尺度看，消能理念也可以應(yīng)用在中國(guó)西南諸河（雅魯藏布江、金沙江、瀾滄江、怒江等）的綜合管理中。中國(guó)西南諸河水能資源豐富，開(kāi)發(fā)利用價(jià)值高［56］，但同時(shí)巨大的水流能量沖蝕河床河岸，導(dǎo)致河床下切、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)［8，57］。水電開(kāi)發(fā)將水能轉(zhuǎn)化為電能，洪水期多余能量通過(guò)大壩消能結(jié)構(gòu)消減。把西南河流致災(zāi)能量轉(zhuǎn)化為電能既發(fā)展經(jīng)濟(jì)又減少災(zāi)害。但是高壩大庫(kù)生態(tài)影響大［52］，減輕地質(zhì)災(zāi)害作用小，大壩下游清水沖刷還可能引發(fā)嚴(yán)重災(zāi)害。例如三峽大壩泄放清水沖刷使下游河床下切了十幾米，導(dǎo)致長(zhǎng)江與洞庭湖的水沙交換顯著下降，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的影響［52］。另外，目前我國(guó)西南河流引水式發(fā)電很普遍，對(duì)生態(tài)的破壞是致命的，不適合生態(tài)文明的開(kāi)發(fā)理念。引水式發(fā)電中攔水壩到發(fā)電廠(chǎng)之間的河段基本沒(méi)有水流，生態(tài)流量被切斷，大部分水生物種就不能生存［52］。

發(fā)育河床結(jié)構(gòu)的自然壩消能減災(zāi)改善生態(tài)，人工壩能否像自然壩那樣得到發(fā)電減災(zāi)生態(tài)綜合效益？岷江上的紫坪鋪大壩，位于2008年汶川地震的震中龍門(mén)山地震帶上。剛發(fā)生地震后的紫坪鋪水庫(kù)上段仍然綠水青山，沒(méi)有發(fā)生崩塌滑坡。因?yàn)閹?kù)區(qū)淤積大大減小了崩塌滑坡勢(shì)能，使得庫(kù)區(qū)兩岸山坡穩(wěn)定安全。但沿著岷江往上游一出庫(kù)區(qū)，岷江兩岸就隨處可見(jiàn)崩塌，綠水青山變成了白石茫茫。這個(gè)事實(shí)說(shuō)明，人工大壩也有減災(zāi)作用，尤其對(duì)上游減災(zāi)作用明顯。人工大壩對(duì)下游的安全有一定副作用，因?yàn)槿斯尾幌褡匀粔文菢佑泻芎玫南芙Y(jié)構(gòu)（圖9）。

綜上所述，我國(guó)西南河流宜建設(shè)中型壩群，下游大壩的水庫(kù)連接上游大壩，平面呈現(xiàn)“串糖葫蘆”的形態(tài)（圖10）。這樣的庫(kù)壩體系在開(kāi)發(fā)水電的同時(shí)可以控制水流下切、減少洪水災(zāi)害。河流變成連續(xù)水庫(kù)，縱斷面形成連續(xù)臺(tái)階狀，類(lèi)似于自然壩系的消能體系。水頭通過(guò)大壩變成電力，上游水庫(kù)泄放清水的多余能量則由庫(kù)壩形成的巨大“階梯-深潭”消耗，且下游水庫(kù)對(duì)上游壩腳形成保護(hù)，從而避免棄水侵蝕下游河床河岸。而連續(xù)的水庫(kù)群整體抬升了侵蝕基準(zhǔn)面，大大減小崩塌滑坡等災(zāi)害的潛在獲得勢(shì)能，因而具有很好的減災(zāi)效果。

圖10 “串糖葫蘆”式庫(kù)壩體系示意圖

“串糖葫蘆”庫(kù)壩體系既保持了水流連通性，又創(chuàng)造了豐富多變的生態(tài)環(huán)境，可以創(chuàng)造較高的棲息地多樣性，適合不同生物生存，因而具有很高的生物多樣性。不同的物種或一個(gè)物種的不同生命階段可以選擇深水緩流的近壩庫(kù)區(qū)，或者具有中等深度沙質(zhì)河床的中部庫(kù)區(qū)，或者水庫(kù)之間的卵石激流河段。所以，在生態(tài)本底值不高的高山峽谷河流里，“串糖葫蘆”式的開(kāi)發(fā)后生物多樣性可以明顯提高。原來(lái)適宜高山峽谷淺水湍急河流棲息地的生物群會(huì)被適應(yīng)水庫(kù)和深水棲息地的物種群替代，有些上下游遷徙的物種會(huì)消失。但總體而言，庫(kù)壩串聯(lián)的開(kāi)發(fā)體系對(duì)雅魯藏布江、瀾滄江、怒江、金沙江等高山峽谷河流生態(tài)的正面影響大于負(fù)面影響。

5 結(jié)論

自然壩是山區(qū)河流中的普遍現(xiàn)象，在歷史上數(shù)量和高度都超過(guò)了人工大壩。自然壩的穩(wěn)定性決定于發(fā)育的河床結(jié)構(gòu)的消能強(qiáng)度是否匹配洪水能量。穩(wěn)定保存的自然壩可抑制河流下切，控制河道縱剖面調(diào)整，減少崩塌滑坡災(zāi)害。自然壩穩(wěn)定河床的功能主要源于其高效消能的河床結(jié)構(gòu)。即使是特大洪水期間，河床結(jié)構(gòu)如階梯-深潭的消能率仍明顯高于一般人工消能結(jié)構(gòu)。對(duì)河段進(jìn)行能量概算可判斷河段穩(wěn)定性及崩塌滑坡等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。為此需分析水流獲得勢(shì)能是否被各種阻力消能平衡。如果能量消耗低于水流獲得勢(shì)能，可通過(guò)模仿自然的人工消能結(jié)構(gòu)控制河流下切和地質(zhì)災(zāi)害。文家溝人工階梯-深潭消能系統(tǒng)和谷防壩群控制泥石流的對(duì)比表明，人工河床結(jié)構(gòu)可以更有效地防治地質(zhì)災(zāi)害。因此，對(duì)于能量較大的山區(qū)河流，消能應(yīng)該成為防控地質(zhì)災(zāi)害的主要戰(zhàn)略思想。中國(guó)西南水能資源豐富的諸多河流宜采取由中型壩群組成的“串糖葫蘆”式庫(kù)壩體系進(jìn)行梯級(jí)開(kāi)發(fā)。壩群可以把水流能量轉(zhuǎn)化為電能，泄水能量通過(guò)人工消能工及下游水庫(kù)消耗。此種梯級(jí)庫(kù)壩有利于穩(wěn)定河床和消減地質(zhì)災(zāi)害，同時(shí)改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)。

致謝：韓魯杰為本文提供了部分圖片，在此表示感謝。