水库下游河流床的演变结果研究

5.3　水库下游河流再造床的过程和结果

水库的兴建，改变了下游河流的来水来沙条件，引起下游河流的再造床过程，鉴于其重要的理论价值和工程价值，得到了广泛的研究和普遍的重视。经过众多原型分析和试验研究，水库下游河流再造床的现象、结果及其促因的研究有了长足的发展，也解决了不少实际工程问题。水库下游河流再造床的过程和结果就是河流对来沙减少和来水过程调平的反馈过程和结果（图5-7）。

图5-7　水库下游河流再造床促因与反馈略图

水库下游河流再造床现象具有共同性的同时，由于天然河流影响因素多，具有各自的河流特性，反馈的结果并不完全一致。规律常常湮没在干扰之中，有时甚至存在复杂响应现象：对同一变源的不同反馈方式，制约了规律的进一步认识和有效、科学的决策支持，还有待于进一步研究。

5.3.1　河床冲刷

水库下泄水流含沙量远小于水流挟沙力，首先带来的是河床的冲刷和粗化。

5.3.1.1　下蚀和侧蚀

河道冲刷包括河底侵蚀和河岸侵蚀，从下切和展宽两个方向使河床发生变形，即下蚀和侧蚀。河床不同的冲刷方式对河道的安全和稳定影响较大，如河床大幅度的侧蚀将分散水流、侵蚀岸滩、危及堤防安全；过度的下蚀将淘刷河岸、加剧局部比降、改变和恶化局部流态。从整体河势上看，通常以下蚀为主时，河道宽深比增大，有利于河道的稳定；当以侧蚀为主，河道横向展宽，宽深比减小，河道稳定性减弱，同时侧蚀往往侵蚀河滩，危及河岸和堤防安全。

图5-8为丹江口水库兴建后黄家港和襄阳河道横断面变化。由图可见，不同的河床边界条件河道冲刷的形式不同。如黄家港河床冲刷包括了展宽和下切两个方面，而襄阳断面由于人工护岸等因素，河道展宽受到限制，河床冲刷以下切为主，侧蚀较少。

图5-8　丹江口水库兴建后黄家港和襄阳河道横断面变化

许炯心^［19］根据试验和观测数据发现：建库初期水沙条件变化导致河床冲刷粗化和比降调整，河道以下切为主，有向单一窄深蜿蜒发展的趋势，但随着河床冲刷粗化和比降调整，河岸相对于河床的抗冲性减弱，河道又有展宽和曲率减小的趋势。这一规律得自于沙质河床为主的汉江中下游，对于不同河床组成、不同来水来沙条件的其他河流是否通用，还有待于进一步研究。

5.3.1.2　水位流量关系变化

河床冲刷的另一个结果就是平滩线下过水面积增大，导致水位流量关系的相应变化。从黄家港和襄阳水文站历年流量水位关系图（图5-9）中可以看出，自丹江口水库开始滞洪以来，两站已有明显的变化，同流量下水位的普遍下降表明两站处的河床发生下切，产生明显的冲刷。其中黄家港站在1960—1968年间河床下切比较严重，1968—1978年河床仍在下切，但下切强度变缓，1978年后水位变幅很小，说明河床下切已基本完成，河床已基本稳定；襄阳站在1958—1978年间河床下切比较严重，1978—2002年河床仍在下切，但下切强度变缓，河床至今仍在调整之中。

图5-9　丹江口水库兴建后黄家港和襄阳站历年流量水位关系图

5.3.1.3　纵剖面调整

由于水库兴建后下泄水流含沙量减少、水流挟沙力过剩，河道将通过多种方式来消耗能量，其中比降的调平是主要的方式之一。水库兴建之后，在全河道范围内，比降调平的趋势较为明显，其中水库上游是因侵蚀基准面抬高引起调平，对于下游河流主要是由于河床冲刷的程度不同而引起的。由于河床冲刷的方式和程度不同，虽然整体上比降调平的趋势明显，但局部河段的比降也有保持不变甚至加剧的，这一点主要取决于河段不同地点下切深度的差异。

部分早期的地貌工作者把比降放在一个突出的位置，甚至认为比降是河流调整的唯一因素。他们认为，水库兴建后，如果来水来沙条件没有改变，水库上游河流将恢复原来的比降，即河流以坝前淤积面为枢纽点，整个河床平行上抬；对于水库下游，如果水库下泄一直为清水，则下游河道将很快调整到河床泥沙刚处于起动状态的临界比降（J_c），然后通过溯源冲刷的形式，使整个河道平行下切。现在持这种观点的人已经不多，因为河流除了比降之外，还可以通过其他因素进行调整^［20］；但对纵剖面的调整的预测，人们还缺乏有效的理论和工具。埃及尼罗河上阿斯旺水坝修建以后，大坝下游河段实际上观察到的下切深度仅为0.7 m，比不同的研究者所预报的数值（2.0～8.5 m）都要小得多^［21］。三峡工程蓄水后，下游河道得到了冲刷，但目前冲刷幅度并不显著^［22］。随着蓄水的深入和时间的推移，是否会按照预测的方式和程度冲刷，是否会给下游河势、防洪、航运带来影响，还有待于进一步关注。

水库兴建后引起的河道冲刷是河流再造床过程中的一个难点和关键问题，还有待于进一步的研究。

5.3.2　河床粗化

水库的清水下泄，水流挟沙力过大，必将导致河床不断冲刷粗化，对河势带来不利影响，如欧洲的莱茵河，因河床组成较均匀，清水冲刷下抗冲覆盖层难以形成，为避免河道不断冲深等不利后果，德国水利工程师们不得不采用人工喂沙等措施补充河道的床沙质^［23］。

随着时间的推移，将产生两种结果：形成抗冲覆盖层；或者不形成抗冲覆盖层，河道溯源冲刷直至水力坡度变小，水流能量减小从而挟沙力减小。河床粗化的结果不仅与来沙条件相关，也取决于河床组成条件。如钱宁^［20］根据河床组成的不同将粗化现象细分为三类：（1）下伏卵石层：河床急剧粗化，粗化后河床与粗化前河床有不同的来源，绝无类同之处；（2）卵石夹沙：沙子冲刷而卵石聚集，形成抗冲覆盖层；（3）细沙河流：冲刷过程中细沙比粗沙带走更多不同类型的河床组成，日久河床仍会出现粗化。

不同河床组成，粗化现象差异较大。如前文提及的埃及尼罗河上阿斯旺水坝修建以后，大坝下游河段实际上观察到的下切深度仅为0.7 m，比不同的研究者所预报的数值（2.0～8.5 m）都要小得多。Schumm^［24］等认为这与河床以下埋藏着不连续的卵石层有关。

丹江口水库下游汉江多为卵石夹沙河床，随着清水的不断下泄，河床不断冲刷下切，水面比降下降的同时河床组成粗化，近坝河段形成了以卵石为主的抗冲覆盖层，制约了河床的进一步下切。表5-3为丹江口建库后太平店滩群段河床质中值粒径变化表。由表可见，随着时间的推移，河床质粗化现象较为明显。

表5-3　丹江口建库后太平店滩群段河床质中值粒径变化表

丹江口下游汉江的粗化现象与本身卵石夹沙的河床组成有关，此外下覆卵石层也抑制了河床冲刷粗化的继续发展。

天然河流河床组成的趋势是沿程细化的。水库兴建后，下游河道这一沿程细化的趋势没有改变，而且由于近坝河段的粗化远大于远坝河段，沿程细化的程度有增加的趋势（表5-4）。

表5-4　建库前后各站床沙中径对照（单位：mm）

5.3.2.1　抗冲覆盖层

多数水库下游河床粗化的结果是抗冲覆盖层的形成。尤其在卵石夹沙河床，抗冲覆盖层可以有效地抵制水流的冲刷，防止下覆河床进一步的冲刷粗化。

根据1997年4月长江岩土工程总公司地质勘探报告，统计分析得到丹江口水库坝下河段沿程浅滩地质情况（表5-5）。

表5-5　丹江口坝下河段沿程浅滩地质情况表

由表可知，形成的抗冲覆盖层表层砂质沿程细化的总体趋势明显。河段上游的仙人渡和太平店河段河床粗化程度已相当高，河床表层0.2 m深度中几乎全为卵石或砾石，中值粒径范围达40～70mm，砾含量在95%以上，而0.2 m至1m多深度的中间层泥沙中值粒径大大减小，仅有几毫米至十几毫米，为细砾，砾含量降低，而更深层中值粒径又增大，砾含量也有所增加，说明该河段的粗化已基本完成，已形成稳定的抗冲覆盖层；而中间段如伍家河浅滩段粗化程度虽然已相当高，表层泥沙中值粒径已达22.5mm，但当出现大流量时，河床仍可继续冲刷，故其形成稳定的抗冲覆盖层还需一段时间；除袁家营浅滩外，新集浅滩以下河段河床表层为中砂和细砂，中值粒径在0.5mm以下，如新集浅滩段中值粒径较小，仅0.295mm，牛首浅滩以下河段，河床表层多为细、中砂，含砾量较小，表层中值粒径为0.3～0.46mm，起动流速仅为0.3～0.36 m／s，其可动性较大，可冲厚度还很大，可见该河段还有较大可冲厚度，其河床形成稳定的抗冲覆盖层还需要较长时间。

这种沿程细化也会有特殊的河段，如新集和袁家营段，上游的新集河段河床表层中值粒径0.295mm，袁家营段却有20～70mm。这一现象除了和具体的河床组成条件有关外，特殊的水流条件也是一个原因。据我们实地查勘，新集出口段有一自然堤，抬高水位近1m，使得该河段水流相对变缓；袁家营段右岸形成一个面积较大的滨河床洲滩——中洲，使得河宽收窄，水流较为集中，故河床冲刷粗化较为严重。

5.3.2.2　糙率变化

河道糙率增加将使通过同一流量下的流速减小，水深加大，挟沙能力降低。糙率的调整，也是河道适应不同来水来沙条件的一种调整方式。

陈文彪^［25］等分析整理国内四座水库上游河流的糙率变化，发现变动回水区由于水深较小，边壁影响不大，床沙细化的影响起主导作用，因而较建库前糙率减小较多，在常年回水区，水位升高，壅水严重，边壁条件影响显著，倾向于糙率增大，同时床沙细化也较显著，倾向于糙率减小，两者作用互相抵消，其结果是糙率变化不大。

对比水库上游糙率变化的复杂性，水库下游河流的糙率变化有不同的原因。清水下泄，河床粗化，导致沙粒阻力增加，河段综合糙率有增大的趋势。另一方面，水库下游河流再造床的河型特征调整，也导致了河道综合糙率的变化调整。图5-10为我们用Manning公式反推的黄家港—襄阳河段综合糙率变化，图中可见综合糙率有明显的增加趋势。

图5-10　黄家港—襄阳河段综合糙率变化(www.xing528.com)

5.3.3　河型河相特征调整

水库兴建，下泄水沙条件改变，引起下游河流冲刷和粗化的同时，河道的河型特征也有了相应的变化和调整。

5.3.3.1　河相变化

冲积河流处于相对平衡状态时，断面形态和纵剖面与流域因素之间往往存在某种定量关系，这就是河相关系。水库兴建后，下游河流开始了再造床过程，断面形态和总剖面形态发生了改变，河相关系也相应改变。

经验性的河相关系公式很多，如河相系数（当时的苏联国立水文研究所）、阿尔图宁公式（B＝AQ^0.5 J－0.2）等^［26］。这里我们以河相系数为指标，来分析水库下游河流再造床的过程。根据历年实测资料，统计得到汉江丹襄河段河相系数变化表（表5-6）。从表中可以看出，整体上，丹襄段平均河相系数自建库以来都有所减小，说明河型断面总体上趋于窄深，坝下上游河段河相系数已接近10，下游河段河相系数还很大，一般稳定的河道河相系数在10左右，故上游河段较下游河段稳定。从局部来看，羊皮滩滩群河段的横向平衡和稳定的河宽基本形成；付家寨滩群河段的横向平衡和稳定河宽尚在调整之中；仙人渡滩群河段也处于调整之中；回流湾滩群河段已基本形成稳定河段；太平店以下河段大部分仍属于宽浅型河床，河相系数有所减小，说明断面形态有向窄深方向发展的趋势，但到近期有减缓的趋势；而特别在马家洲以下河段，由于河床可动性较大、深槽不稳、洲滩消长不定、主泓摆动频繁，河相系数均大于15，距理想断面k＜10相去甚远，河段宽浅型表现更为明显。

表5-6　汉江丹襄河段历年平均河相系数变化统计表

在冲刷过程中，下荆江河相系数变化不大，1985年为3.80，1975年为3.98，1991年为3.85，可以认为基本不变。

5.3.3.2　弯道演变与撇弯切滩

我们^［27］在前人表述的基础上，明确了最佳弯道形态的概念：在自然条件下，弯道是不断发展的，河床形态也在经常变化，但是在河湾的发展过程中，具有某种形态的河湾却有相对的稳定性，它和其他形态的河湾比起来具有更多的出现机会，出现以后维持的时间也较长。这种河湾不仅变化小，河床形态也比较规则，水流平顺，滩槽水位差比较小。这种弯道形态在河道整治中常常被人们用来作为整治的典范，我们称之为河道最佳弯道形态。

通常认为，最佳弯道形态与河道尺度、流量大小有关。钱宁^［20］在统计了多条河流数据的基础上给出了L_m与平滩流量Q平的关系式：

欧阳履泰^［28］在一般的力学原理基础上认为河曲的发育和稳定与运动水体的切向惯性力F^→＝ρQV^→cosθ有关。并根据水流阻力曼宁公式及连续运动原理，认为曲率半径R由反映水流动量的流量Q和比降J决定。并结合部分弯曲河段的实测资料，得出了曲率半径R与流量、比降的经验关系：

Schumm^［24］统计了一些美国河流认为，河道弯曲形态与河床和河岸组成物质中粉黏土含量有关，随着粉黏土含量的增大，河湾跨度有减小的趋势：Chitale^［29］曾根据42条河流的实测资料，得出了河床组成物质越细，断面越窄深，河流也越曲折的结论。在前人的基础上，结合汉江中下游弯道实际，我们得出了汉江中下游最佳弯道形态的经验公式：

其中D为河床组成代表粒径。当为松散颗粒时取中值粒径，为黏土夹沙时取相当的松散沙体中值粒径。

水库兴建后的河流再造床过程中，来水过程调平、河道比降调平、河床组成粗化，必将导致河道最佳弯道形态的变化，而河湾形态与最佳弯道形态不相符时，弯道的变化加剧。因而水库下游河流再造床过程中，下游河道撇弯切滩现象变得更加频繁。

丹江口水库兴建之后，汉江中下游发生了频繁的撇弯切滩，如近坝段仙人渡浅滩，1968年丹江口水库蓄水运行后发生撇弯切滩，江中形成一个大沙洲，1978年除原来的左右两汊外，在右汊之右又形成了另一汊道，从而形成三汊两洲的格局，至今仍维持此格局；在皇庄到泽口河段总计13个弯道中，有11个先后发生了撇弯切滩^［30］。

综合分析汉江中下游的多个撇弯切滩的弯道，我们发现，襄阳以上河道，河床粗化程度大于造床流量变化程度，弯道变化向曲率半径增大为主；襄阳以下河道，河床粗化程度小于造床流量变化程度，弯道变化向曲率半径减小为主。但这一规律并不显著，说明在向最佳弯道形态的发展过程中，河道具有复杂的调整过程。

5.3.3.3　河型变化趋势

对于库容大的常年蓄水型水库，由于下泄水沙条件的剧烈变化，水库下游河流的再造床过程甚至会发生典型的河型变化。

建库以前，流量年内分配极不均匀，汛期水量集中；洪峰陡涨陡落；河道水面比降大；与流量的年内分配相应的悬移质输沙量也主要集中在汛期，而且比流量集中程度更大；含沙量较大且沿程递减。这些水沙条件致使汉江河道横断面宽浅，宽深比较大，滩槽高差小，河床演变主要表现为主泓的摆动，洲滩、汊道变化频繁，中游河段形成不稳定的多汊游荡型河道。

建库以后至今，从整体趋势来看，坝下径流段河道河势自上而下渐趋稳定。太平店滩群以上河道已转化成为较为稳定的少汊分汊河型与单一弯曲河型相间的河道；太平店滩群至伍家河滩群河道河势逐渐稳定，从近期发展情况来看，河道将转化成为稳定的少汊分汊河型的河道；而伍家河滩群以下河道，河床边界可动性仍很大，河势并不稳定，特别是贾家洲滩群河段，河床仍属宽浅型，河道调整仍在剧烈地进行之中，还需要较长时间达到稳定状态。

5.3.3.4　低水分汊河型的发展

水库下游再造床河型变化中，有一个突出的特点就是低水分汊河道的发展。所谓低水分汊河道是相对高水分汊而定义的，系指河流多汊过水，但中间心滩一般不出露，仅低水位时表现为多汊河型。低水分汊河道在山区河流与平原河流过渡段普遍发育，具有与单一河槽河道以及高水分汊河道不同的演变特征。

丹江口以下襄阳以上的汉江近坝段，是典型的低水分汊河流（图5-11）。水库兴建后，河床冲刷粗化，水流下切，形成了卵石河槽和河滩，多汊过流、低水分汊现象较建库前更为突出。其中如洄流湾滩群出口段，建库初期为两汊过水，建库后汊道发展到三汊过水（1987年），近期更是发育成四汊交织（2002年），分汊河道长度也大大增加^［31］。

图5-11　汉江新集段的低水分汊河道

水库下游低水分汊河型的发展主要有如下几个原因：首先，在河床的下切过程中，由于卵石河槽的下切困难，主槽的深切程度与支汊相比优势不明显，主支汊深泓高差甚至有减小的趋势；而由于上游来沙的缺乏，支汊不易淤废，长期处于不死不活状态。

相对于冲积河流“顺直、弯曲、游荡、分汊”河型的划分，低水分汊河型更相近于国外常见的“弯曲辫状”河型分类。尤其是卵砾石辫状河型，与低水分汊河道在很多方面具有相似性。上荆江的河床组成与丹襄河道相似，三峡水库兴建后，低水分汊河型也可能进一步发展。伴随来沙减少，河床粗化导致沙卵石河床的发展，水库下游低水分汊河型的发展变化规律也将是一个有意义的研究课题。

5.3.4　再造床的范围

5.3.4.1　再造床的熵值

前文已经讨论了河流的不同调整方式，如含沙量变化、比降调整、河床粗化、抗冲覆盖层、河相变化、河型转化等。综合前文分析可以得出两条结论：（1）除了比降之外，河流有多种调整方式，来适应变化的水沙条件；（2）如果用一个综合值来总计河段包括比降调整在内的综合调整变化，从坝下开始，这个综合变化是沿程递减的，即水库下游河道，河流再造床作用沿程减小。

如丹江口水库兴建40年后，近坝段有剧烈的河床粗化和大幅度的比降调整；襄阳—皇庄主要表现为河型变化，河床下切和粗化变化相对较小；仙桃以下，除了含沙量变化幅度依然较大之外，河床组成物质变粗甚微，河道比降调整较小（表5-7）。由表可见，丹江口水库建库后，河道的综合变化是沿程递减的。

表5-7　丹江口水库兴建后的下游调整变化（1959年对比1987年）

在分析河流能量耗散时，Leopold和Langbein引入了热力学第二定理和熵的概念，取得了许多有意义的成果^［32］。这里我们尝试用熵的概念，来分析水库下游的河流再造床现象。热力学第二定理可表述为：在孤立系统中进行的自发过程总是沿着熵增加的方向进行，它是不可逆的，平衡态相应于熵最大值的状态^［1］。其中熵是体系内不能用作机械功的那一部分能量的度量。

水库兴建后，水沙变异使得下游河道获得一个能重新改造河床的能量（W0），随着沿程的增加，W0逐渐减小，相应造床能力逐渐减小，造床熵值增加。当熵值增加到最大值时，水沙条件无法引起河流的再造床，造床过程结束。

水库下游河流造床熵的变化一方面同河道的不断调整、含沙量不饱和与矛盾不断缓解有关；另一方面，沿程的分流和汇流，在根本上稀释了河流促因的矛盾。

水利学家已经默认了造床熵值的存在。如三峡水库的论证过程中，人们主要关注荆江河段的河流再造床，甚至关心河口的盐水入侵问题，但却对城陵矶以下河道尤其是汉口以下河道的河流再造床关心甚少。因为无论是数学模型计算还是经验的结果，都说明了经历了荆江河段的调整、洞庭湖水系的入汇后，三峡水库兴建后的造床熵值在城汉河段已接近极值，河床变化较小。

5.3.4.2　再造床的时间性

河流再造床还有一个突出的特点是其时间性。其时间性主要表现在两个方面：（1）对于局部河段，河道的调整变化是随时间的推移逐步完成的，从不平衡到形成新的平衡需要一定的时间；（2）对于坝下长距离河道，河床的调整是自上而下、逐步推进的，建库后水沙变异对造床的影响，传递到下游也需要一定的时间。

水库下游河流再造床时间系列的变化规律以及和空间系列的关系，在下文还将进一步述及。