水库下游再造床的促因：水沙条件和河道比降的调整

5.2　水库下游再造床的促因：水沙条件的变化、河道比降的调整

根据河流动力学理论，决定河流形态的因素主要有三个：来水来沙条件、河床周界条件以及侵蚀基准面^［11］。水库的兴建，改变了下游河道的水沙条件，引起了河道比降的变化，是河流再造床的原因和动力。水库类型、调节方式不同，相应下游水沙条件变化的程度也不同。

5.2.1　来水条件变化

兴建水库的根本目的之一就是改变天然河流的径流过程，使之更好地为人类服务。由于水库具有较大的调蓄能力，通常水库兴建后下游来水过程的变化主要有如下特点：洪峰被削减调平；枯水流量有所增加；中水流量的持续时间延长；年内和年际的流量变幅变小。

（1）洪峰流量变化

以汉江中下游为例，丹江口水库建库前10年（1951—1960年），黄家港的年最大流量有9年超过10000m³／s，年最大流量的均值高达20507 m³／s；蓄水后29年（1968—1996年），只有5年下泄最大流量超过10000m³／s，其余24年都在10000m³／s以下。水库削峰作用是显著的，如1974年9月入库洪峰流量达27 600m³／s，经调蓄削峰后，下泄流量仅3 650m³／s。水库对洪峰的削减，对于降低下游河道防洪压力、减少洪灾损失具有重大的意义。

三峡工程兴建的一个重要目的就是巨大的防洪效益。三峡工程正常蓄水位175米时，有防洪库容221.5亿m³，防洪效益及其连带的环境效益十分显著。可使荆江河段防洪标准从“十年一遇”提高到“百年一遇”；当遭遇“千年一遇”或类似1870年特大洪水，枝城洪峰流量达110000m³／s时，经三峡水库调蓄后，枝城流量可不超过71700～77000m³／s，配合运用荆江分洪工程和其他分蓄洪区，可控制沙市水位不超过45m，可使荆江南北两岸、洞庭湖区和江汉平原避免发生毁灭性灾害^［12］。

（2）流量分配变化

表5-1为丹江口建库前后黄家港站的月平均流量表。由表可见：洪水期（7—9月）建库前占全年总水量的55.6%，蓄水后减为28.7%；枯水期（1—3月及12月）的水量，建库前占年总水量的10.2%，建库后增为22.9%，即前者减少约1／2，后者增加1倍多。水量年内分配的均匀化程度大为增加。建库前的月平均水量，最大与最小相差近12倍，而建库后只有3倍左右。

表5-1　丹江口建库前后黄家港站的月平均流量表

水库对径流的调节普遍能够削减洪峰，增大枯水流量。这对防洪、灌溉和航运的改善是显而易见的。但有时也会带来问题，如阿斯旺（Aswan）水库兴建之前，尼罗河每年洪水泛滥，给两岸带了富含多种有机质的泥沙，形成了土地肥沃的尼罗河谷，水库兴建之后洪水不再泛滥，尼罗河谷土地肥力有退化的趋势^［13］。

（3）径流过程脉动变化

从统计学观点看，来流量是具有随机性的，来水过程可以看作流量的脉动现象。图5-2是丹江口建库前后黄家港站累计径流过程图，从图中可以明显地看出流量数值的脉动特性。而以1960年为界，建库前径流量过程线波动较大，脉动幅度大，建库后流量过程线则均匀得多。

（4）离势系数C_v变化

离势系数C_v反映了系列中各变量值集中或分散的程度，即系列的均匀程度。当离势系数较大时，变量的离散程度高；当离势系数较小时，变量的离散程度低。离势系数计算式为^［13］：

其中X_i和X分别为变量和均值，对于径流过程离势系数两者分别为日平均流量和年平均流量。

图5-2　1956—1966年黄家港站累计径流过程变化图

图5-3为沙洋站年径流过程离势系数随时间变化图。由图可见，沙洋站建库前、滞洪期到建库后流量离势系数呈明显的下降趋势。建库前流量离势系数变化范围为0.864～1.581，均值为1.297；滞洪期变化范围为0.733～1.71，均值为1.11；建库后平均值为0.767，呈现出明显的顺次降低规律。

图5-3　沙洋站年径流过程离势系数随时间变化图

建库前后下游河道的来水条件变化说明：水库的调度使得年内流量过程均匀化。来流量变差系数的大大减小使得年际流量过程规律化，在一定程度上有利于河道的稳定。

5.2.2　来沙条件变化(www.xing528.com)

由于水库蓄水抬升了水位，大量泥沙淤积在库内，使得下泄水流含沙量大为减少。尤其是采用蓄浑排清方式运用的水库，拦截泥沙的比例最高达90%以上，如丹江口水库除汛期外，基本为清水下泄。下泄水流含沙量减少、水流挟沙力不饱和，必将导致河床冲刷等河道调整。水库兴建后来沙条件的改变是下游河道河床演变的一个主要原因。

建库之后，下游河道的含沙量会显著降低。钱宁^［14］统计了官厅水库自1956年蓄水之后下游河道含沙量的变化，得出永定河下游的含沙量减少到不到建库前的1／10；三门峡水库初期蓄水运用时，下游河道含沙量也有了大幅度的减少^{［15，16］}。

图5-4　汉江近坝段悬移质含沙量历年变化图

统计国内多座水库下游河道含沙量的变化可知，含沙量的变化程度与水库的运行方式有关，蓄浑排清方式运用的变化量远大于蓄清排浑方式运用的水库的变化量，如三门峡水库不同运用方式时下游河道含沙量的变化就非常典型，蓄浑排清运用时下泄水流含沙量大量减少，下游河道普遍被冲刷；蓄清排浑时含沙量变化较小，是库容得以长久保持的重要原因之一。库容越大、调蓄能力越强的水库，下游河道含沙量一般变化也越大。丹江口水库就是这样一个调蓄能力较大的年调节水库，水库兴建之后下泄水流含沙量几乎为零，坝下6 km的黄家港站多年平均含量仅0.03 k g／m³。图5-4为黄家港和襄阳站多年平均含沙量变化图。由图可见，随着水库的兴建，水库下游含沙量急剧减少。由于沿程河床冲刷提供泥沙补给，襄阳站含沙量大于黄家港站，随着建库时间的推移，河床粗化基本完成，襄阳站和黄家港站的含沙量差距不断减小。

与含沙量变化同步的是悬沙粒径的变化。由于水库下游悬沙主要来源于河床冲刷或者泥沙的交换，与建库前相比，悬沙中径有普遍增大的趋势；随着时间的推移、河床粗化的深化和下移，悬沙中径进一步增大。图5-5为丹江口建库后皇庄站悬沙中径变化情况。

图5-5　建库后皇庄站悬沙中径变化

从纵向上看，由于水库下游近坝段悬沙粗化更为明显，悬沙呈现沿程细化的趋势（图5-6）。

图5-6　丹江口坝下仙桃—襄阳悬沙中径变化

水库对推移质的拦截与水库的运行方式关系较小，几乎所有的水库推移质都得到了大幅度的削减。如葛洲坝虽然为库容较小的径流式水库，对悬沙含量的影响较小，但建库10年，累计淤积达1.28亿m³，拦蓄了上游输移的大部分推移质泥沙^［17］。

大中型水库，尤其是丹江口水库这样调蓄能力较大的水库兴建之后，下游河道的泥沙主要来源变成了沿程冲刷和支流汇入。对于水库下游近坝河道，由于水库的拦蓄、清水的下泄，河道不断冲刷和粗化，随着时间的推移、河床组成的不断粗化以及悬沙的减少，推移质产生和输移成为了影响和决定河床演变的主要因素，也是关系到该河段一切涉水工程的安全和效益的核心所在，此时推移质的研究变得尤其重要^［18］。

水库下游河道特殊的来沙条件，是河流再造床中必须考虑的一个重要因素。

5.2.3　河道比降的调整

河流再造床过程中的一个重要的特征就是比降的调整。一方面，水库下游比降调整是水沙变异引起的河流演变的结果；另一方面，比降的调整反过来影响河流进一步的演变。河道比降的调整包括河谷比降和水面比降两方面的调整。

水库兴建之后，由于河床的冲刷，河谷比降有调平的趋势。统计了丹江口坝下黄家港—襄阳多年平均河道比降变化（表5-2），发现比降有先减小后增大的趋势，这与黄家港和襄阳河段的冲刷过程是分不开的。

由表5-2可知，滞洪期（1960—1968年）水面比降的调平主要发生在黄家港—光化河段，光化以下河段水面比降变化较小，部分河段甚至略有增加。1968年以后，光化以上河段水面比降调平幅度变小，光化以下河段水面比降调平变幅增大。1987年以后，太平店以上河段水面比降基本稳定不变，以下河道水面比降仍在微量调平中，这与河谷纵剖面的变化规律是一致的。

表5-2　丹襄河段1960—2002年水面比降变化表　　（单位：‰）

（续表）

S.A.Schumm认为，比降是河型中最活跃的因素。并在试验的基础上提出了地貌功理论，认为比降是不同河型的临界条件^［18］。在水库下游河流再造床过程中，比降的变化不及水沙条件的变化，其在造床过程中更多地充当结果而非成因的角色。