摘要：2003年三峡水库蓄水运用后，长江中下游河道对新水沙条件的自适应调整十分复杂。本文重点关注河道横断面形态调整问题，分析表明，在减沙效应影响的河段内，河道总体冲刷过程中断面形态的变化可以分为3种模式：整体下切型、平移调整型和复合调整型。针对长江中下游大部分为受控型河道的现状，提出采用形心相对深度指标对断面形态变化进行定量分析。结果表明，在河道冲刷过程中，断面形态既存在冲滩为主的坦化现象，也存在冲槽为主的锐化现象。结合水沙条件变化分析，阐述了3种断面形态调整模式的水沙作用机理，指出在新水沙条件下河道转变为冲刷型后，断面形态的调整方向由主流区的强冲刷效应所主导，且因中水流量级的造床作用凸显，洪水流量级的造床作用被明显削弱。在原始深槽走向与优势流量级主流倾向位置差别较大的河段，河道横断面优先表现出平移调整模式;在深槽走向相对平顺的河段，河道横断面的调整以复合调整模式为主，呈现出冲深淤浅的锐化特征。
关键词：河床演变;造床作用;三峡工程;断面形态;水沙条件
1 研究背景
能够自由发展的冲积河流的河床，在水流长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡状态，在此均衡状态下，河道形态指标与水沙边界条件等特征物理量之间的函数关系即为河相关系，长期以来，冲积河流河相关系是对其进行演变分析与河道整治的重要依据[1]。驱动河相关系形成的内在物理机制是水沙过程的造床作用，因此，大型枢纽下游水沙变异后，其造床作用的变化直接决定河相关系的调整方向。
一般认为，枢纽下游来水条件的变化主要表现为洪峰流量减少，枯水流量增大，径流的年内年际变幅减小，以及接近恒定流状态的流量持续时间延长[2];来沙条件的变化一般表现为枢纽建设期的增沙效应以及建成后的减沙效应[3-4]，后者是研究关注的重点。虽然枢纽对水沙条件的调节在定性上具有相对明显的一致性，但枢纽修建后下游河道河相关系发生的调整变化却千差万别，以本文重点关注的横断面形态调整为例，枢纽下游的横断面调整基本都包含了下切的共性过程[5]，不过断面宽度既有展宽的现象[6]，也有缩窄的现象[7]，还有先缩窄、后展宽的现象[8]，而且有的河流在建库后横向调整速度要小于建库前[9]，也有河流出现了建库后河道横向调整速度较建库前明显增加的情况[10]。这主要是因为，不同的河流、枢纽下游河段距坝址距离、水沙变异幅度、河床组成、河型等因素有明显差异，河床演变的基本规律必然有不同的外在表现形式。
长江三峡水库蓄水运用后，水沙条件的剧变同样也伴随着造床作用的显著调整，对此，当前关注的重点主要是来沙减少后的冲刷效应[11]，也有研究成果对不同流量级在荆江河段的冲刷效率开展了分析[12]。但是，长江中下游沙质河段断面形态的调整变化远非“冲刷”可以简单概括，即使是位于长江沙质河段首端的太平口水道，在强烈冲刷的总体特征下，断面形态仍会发生复杂的冲淤调整。由于断面上的冲淤分布直接决定了航道条件的变化趋势，分析研究断面形态的变化特点以及新水沙条件所发挥的造床作用，对于长江干线“黄金水道”建设以及河道治理，均有十分重要的理论与实际应用价值。
2 三峡水库坝下游河道断面形态变化模式与断面形心深度分析方法
2.1 坝下游河道横断面形态总体变化特征与调整模式 三峡水库蓄水运用以后，坝下游河道冲刷十分剧烈，据实测资料统计，截至2015年，从宜昌自上而下，宜枝河段、上荆江、下荆江、城汉河段、汉口至湖口河段的累积冲刷强度分别约为262万、279万、202万、99万和138万m3 /km，如图1 所示，相应累积冲刷总量分别为1.59亿、4.78亿、3.54亿、2.49亿和4.08亿m3 。
总体而言，距大坝较近的砂卵石河段在横断面形态的调整方面以可冲层的逐渐剥蚀为主要特点，而砂卵石河段以下的沙质河段横断面形态调整则较为复杂，滩槽调整的方式与幅度多种多样。通过归纳分析，坝下游河道在总体冲刷的过程中，断面形态的调整变化可以分为三种模式(重点考察湖口以上河段)：①整体下切型，主要表现为断面整体不均匀下切，横向冲淤调整较为少见，如图2 (a)所示;②平移调整型，主要表现为断面某一侧大幅冲刷，而另一侧有一定幅度的回淤，深槽的横向调整有明显的趋向性，如图2(b)所示;③复合调整型，因其断面变化复合了断面上不同部位的冲淤调整，深槽的横向调整没有明显的趋向性，该调整模式涵盖了包括偏V型断面在内的多种断面，其中部分断面淤滩冲槽的现象较为明显，如图2(c)(d)所示。这三种调整模式在空间分布上有一定的差别，第一种模式主要出现在近坝砂卵石河段以及荆江中上段河宽较窄的河段，第二、三种模式主要出现在长江中下游的沙质河段。
一般来说，宽深比(采用 B /H)作为定量刻画河道断面形态的指标，是河相关系的重要组成部分。但是，对长江中下游河道而言，近年来因岸滩的守护控制日趋完备，河道侧蚀已受到了明显限制，洪水位河道宽度的变化是较为有限的。因此，随着河道的冲刷，平均水深增加，宽深比也就随之减小，可见对于展宽受限的受控型河道，宽深比实际上已退化为平均水深的变化指标。尤其是第二、三类调整模式，断面横向调整逐渐局限于平滩水位以下的形态调整，很难应用宽深比定量反映断面几何特征的变化。
2.2 断面形心深度分析法 为克服宽深比指标在刻画受控型河道断面形态变化上所存在的不足，准确反映新水沙条件下长江中下游受控型河道的断面变化特点，本文提出以断面形心深度Hc与平均深度 H 的比值 Hc /H(称之为形心相对深度)来刻画断面形态的变化：Hc /H 增大，说明形心深度相对加大，形心下沉;Hc /H减小，说明形心深度相对减小，形心上浮。这一指标的优势在于，因形心体现了面积矩的作用，所以形心深度的变化能在一定程度上反映断面冲淤的空间分布，深槽的冲、淤对应了相对比值的增大、减小;相应的，低矮滩地和浅水区的冲、淤则对应了相对比值的减小、增大。
2.3 典型河段断面形态变化分析
2.3.1 太平口水道 三峡水库蓄水运用以来，如图4所示，太平口水道不同区段形心相对深度指标 Hc /H的变化有不同的特点，结合表1中的宽深比变化情况，可以较为清晰地勾画断面形态的变化特点：第①段Hc /H值相对稳定，但宽深比持续减小，即断面变化基本呈现为整体下切;第②、③、④ 段Hc /H值均先增大，再减小，形心先下沉、再上浮，即断面形态先锐化、再坦化，相应的宽深比先增大，再减小，说明断面变化先以淤滩冲槽为主，而后又以冲滩为主;第⑤、⑥段的Hc /H值在三峡水库蓄水运用之初明显减小，形心上浮，随后Hc /H值逐渐增大，形心下沉，即断面形态先坦化、再锐化，相应的宽深比持续减小，说明断面变化先以冲滩为主，而后以淤滩冲槽为主。
相关期刊推荐：《中国三峡建设》是由中国长江三峡工程开发总公司主办，张立先主编，属于双月刊物。全方位报道三峡工程建设进展和重要科技成果，系统推介中国七大江河流域文明和水电建设成就，评介国际水资源开发和水利水电工程的成败得失。
上述指标统计分析较好地定量刻画了太平口水道演变过程，第①段位于太平口水道进口，紧邻砂卵石河段，且河宽不大，基本表现为断面整体不均匀下切，为前文所述的第一类调整模式。第 ②、③、④段位于太平口心滩分汊段，该段先是心滩淤积，心滩两侧的南、北槽冲刷下切，断面变化呈现为复合调整模式(第三类)，与断面形态指标所反映的冲槽淤滩的锐化过程相对应;随后心滩冲刷萎缩，南、北槽趋于稳定，此时断面变化主要表现为整体不均匀下切，偏向为第一类调整模式，与冲滩为主的坦化过程相对应。第⑤、⑥段位于三八滩分汊段，该段先是以三八滩大幅冲刷萎缩，南汊深泓北移为主要演变特征，断面形态呈现为平移调整模式(第二类)，与冲滩淤槽的坦化过程对应;该段在三八滩相对稳定后，南槽大幅冲深，而杨林矶边滩与腊林洲滩尾大幅淤涨，断面形态呈现为复合调整模式(第三类)，与冲槽淤滩的锐化过程对应。
2.3.2 界牌河段 三峡水库蓄水运用以来，由图5可见，界牌河段Hc /H值变化的规律性要好于太平口水道，基本上所有区段均表现为增加，形心整体下沉，断面形态持续锐化;而界牌河段宽深比的变化幅度相对较小，部分区段宽深比减小，反映出断面有所冲刷，如表2所示，两者结合来看，界牌河段断面形态变化总体上呈现淤滩冲槽的特点。
近年来，界牌河段螺山以上的右边滩、螺山至界牌段的心滩、界牌以下的左边滩持续淤积长高，深槽相应有所冲深，断面形态呈现为复合调整模式(第三类)，对应了断面形态指标所反映的冲槽淤滩的锐化过程。
从太平口水道、界牌河段的断面形态统计分析可见，结合宽深比的变化，形心相对深度指标Hc /H 在反映断面冲淤垂向分布方面有较好的性能。就典型河段内所包含的三种断面形态调整模式而言，整体下切模式可能因冲滩为主而出现断面形态坦化，也可能滩槽均冲使得形心相对深度基本不变;平移调整模式可能因剧烈冲滩引发深槽回淤，出现断面形态坦化;复合调整模式的断面形态变化值得关注，两个典型河段均出现了这一调整模式，且断面形态均呈现出锐化特征，即倾向于冲深淤浅，甚至出现了淤滩造滩的现象。通过上述归类以及相关指标的统计，有助于结合水沙条件变化分析理解断面形态调整机理。
3 三峡水库蓄水运用以来新水沙条件造床作用变化分析
3.1 来沙条件变化分析 三峡水库运行后截断了上游的绝大部分来沙，坝下游河道水沙条件最根本的变化是来沙量的大幅减少(图6)，宜昌、沙市、汉口和大通4站近10年(2006—2015年)平均输沙量较多年平均分别偏少94 %、88 %、73 %和67 %。由于坝下游水流挟带的泥沙主要来自于河床床面的冲刷，坝下游各河段的来沙条件随大坝距离远近的不同而不同，且会随时间发生调整。因此，来沙条件的造床作用在不同河段、不同时段也是不同的，由图6可见，三峡水库蓄水运用以来，坝下游沿程各站悬沙输移量自上而下逐渐增加，同时均随时间逐渐减小。
从河床演变的角度来看，来沙条件的变化主要关注粒径较粗，能够有效参与造床的造床质。图7 显示，三峡水库蓄水运用以后，沿程各站0.031 mm0.125 mm 粒径组的泥沙恢复程度总体较高，蓄水之初，监利和汉口两站基本恢复至蓄水前的平均水平，且沿程自上而下各站输移量并非单向增加，而是有增减起伏，说明该组泥沙因沿程补给沙源充足，且粒径偏粗，对水流条件较为敏感，发生在河床床面的冲淤交换较为剧烈。
