第1章绪论
1.1新水沙条件下河道冲淤调整特征概述
大江大河是生命的起源，孕育了人类文明，推动了人类经济社会的发展。长江是我国**、世界第三长河，流域面积约180万km2，具有丰富的空间资源、能源资源和生态资源。作为我国南方文化的发祥地，长江数千年来与人类社会共同发展演变、奔流不息，时至今日，长江沿线仍是我国的经济重心与活力所在。
为满足经济发展的需求，人类与河流的关系从*初的受制于河流逐步演变至利用河流、改造河流，在充分挖掘河流各项功能的实践中，拦河大坝的修建一度被视作人类征服大自然的杰作。历史上**座大坝修建于5000年前（Petts and Gurnell，2005），随后世界上的主要河流陆续被10万多座大坝拦截。在带来防洪、灌溉、航运、发电效益的同时，大坝修建也带来了水沙条件的变化，引发了水库淤积、水库下游河道清水冲刷、江湖关系转变、入海泥沙减少、生物多样性降低等新的问题，给河流生态系统的健康状态造成了损害。以长江干流上的三峡水库为例，三峡水库蓄水后，约70% 的泥沙被拦截在坝前，宜昌—大通河段各水文站的年输沙量较蓄水前减少67%～92% ，水沙关系明显改变，水库下游河道面临新的来水来沙条件，原有的动态冲淤平衡被打破，由此引发了河床纵向下切、断面形态和洲滩格局变化等一系列河床冲淤调整，对河流原有的防洪、航运、生态等产生了重大影响。
针对变异水沙条件对下游河道冲淤调整所造成的影响，众多学者从坝下游河道冲淤响应过程、断面形态变化特点、新平衡态河相关系等方面开展了细致的研究，但受水文地质、河床边界条件及人类活动干预程度差异的影响，不同河流展现出的调整特点不尽相同（Shin and Julien，2010；Zahar et al.，2008；Yang et al.，2007），在研究坝下游河道冲淤调整机制时，考虑地理背景和流域特征对河床演变影响的重要性逐渐凸显。从影响河床演变的主要因素来看，下游侵蚀基准面的变化在坝下游河道调整响应过程中为次要因素，进口水沙条件的变化为主导因素，河道边界条件虽受制于进口水沙条件，但其一旦形成，将直接对水沙输移规律产生影响，在决定坝下游河床冲淤演变方面发挥*立的作用（谢鉴衡，1997）。因此，越来越多的学者通过区分河型来研究水库下游的河床重塑过程（郑珊等，2014；倪晋仁和张仁，1991）。
根据谢鉴衡（1997）提出的河型划分方法，冲积河流一般可以划分为顺直型、弯*型、分汊型和游荡型四类。在三峡水库下游分布*多的为分汊型和弯*型，其中，分汊河段更是占到全长的75%以上（李明和胡春宏，2017）。无论是紧邻三峡水库下游的砂卵石河段，还是河床可冲层厚度更大的沙质河床段，弯*和分汊河段的冲淤调整普遍较为剧烈，对防洪、航运等产生了重要的影响。
本书以长江中游弯*和分汊河段分布较多的宜昌—九江河段为研究对象，其全长约950km ，根据河床组成及河道形态，一般可分为宜昌—枝城河段、枝城—城陵矶河段和城陵矶—九江河段。宜昌—枝城河段为山区河流向平原河流过渡的河段，两岸地貌以低山丘陵、河流阶地为主，对河道边界、河谷走向的控制作用较强，河床组成以砂卵石为主，局部基岩出露。枝城—城陵矶河段俗称荆江河段，横贯江汉平原与洞庭湖平原，南岸有松滋口、太平口、藕池口和调弦口分流分沙进入洞庭湖，江湖关系较为复杂。以藕池口为界，上段称上荆江，为微弯分汊河段，下段称下荆江，为蜿蜒型河段。其中，枝城—杨家脑河段属于砂卵石河段，河床由卵石夹砂或砂夹卵石组成；杨家脑以下河段为沙质河段，河床组成以粉细沙或细沙为主。三峡水库蓄水拦沙后，来沙量的减少使得长江中游河段整体以冲刷为主，荆江河段的冲刷尤为剧烈。
从20世纪60年代末开始，荆江河段遭遇了下荆江人工裁弯、自然裁弯和葛洲坝水利枢纽运行等人类活动与突变性自然调整，河道总体冲刷，1966～2002年河段平均冲刷强度约3/3/
为3.95万m（km a）。尤其是1998年大水后，上荆江冲刷强度一度达到12.2万m（km a）。
三峡水库蓄水后，2002～2014年河段平均冲刷强度高达19万m3/（km a），较1966～20023/3/年均值增大约3.8倍，上、下荆江的冲刷强度分别为21.6万m（km a）、16.5万m（km a），冲刷强度均较蓄水前显著增大。冲刷自上而下发展的规律明显，尤其是在三峡水库175m 试验性蓄水阶段，从枝江河段至监利河段，河床冲刷强度沿程递减，其中，砂卵石河床过渡段枝江河段的冲刷强度达到36.1万m3/（km a），沙质河床起始段沙市河段的冲刷强度次之，为29.4万m3/（km a）。受护岸工程的限制，河段两岸冲刷展宽的现象并不明显，仅局部崩岸段河宽发生变化，冲刷以河床下切为主要形式，至2014年11月，河段深泓纵剖面高程冲刷下切约2.13m ，*大冲刷深度达16.5m （调弦口附近），平滩水位以下河床高程下降约1.56m，枯水位以下河床高程下降约1.39m 。
上荆江的分汊河段在三峡水库蓄水运用后，大多出现了明显的中枯水短支汊冲刷发展的现象。上荆江6个分汊河段中枯水期的分流比均不同幅度增大。分流比统计起始时段为三峡水库蓄水前，考虑到部分重点分汊浅滩河段实施了支汊限制工程，这些河段分流比统计的末时段为工程实施前。来流条件相近时，上荆江各类型汊道支汊分流比的增幅均在9%以上，顺直分汊河段支汊发展强度*大，芦家河汊道、太平口汊道支汊分流比的增幅分别达到20.5% 和18%，太平口心滩河段的右汊2005年末开始成为中枯水主汊，2006年南星洲汊道实施了支汊的护底限制工程，其发展受到限制。支汊分流比增大的同时，河床下切显著，关洲汊道荆6、太平口汊道荆32、金城洲汊道荆49及南星洲汊道荆 56等断面都出现了支汊河床冲刷下切幅度大于主汊的现象，关洲汊道、太平口汊道及整治工程实施前的南星洲汊道支汊的河床高程下切至低于主汊，限制了工程实施后南星洲汊道支汊的回淤。
下荆江急弯段属于边滩发育型的蜿蜒河道，凸岸侧一般分布有大规模的滩体，深槽贴靠凹岸侧。弯道的取直多是通过滩体冲刷、切割，深槽向凸岸侧摆动来实现的，俗称“撇弯切滩”。三峡水库蓄水前，下荆江弯道段“撇弯切滩”现象一般只在特殊的水文条件下出现，如特大水作用，大水取直切割凸岸侧滩体，不具有普遍性和持续发展性，长期中小水年作用后凸岸侧边滩能够淤积恢复。三峡水库蓄水后，坝下游除遭遇2006年极枯水文条件外，整体水文过程以平水年居多，大洪水被三峡水库削减。然而，下荆江急弯段多出现“凸冲凹淤”现象，虽然未发展至“撇弯切滩”，但局部河段的滩槽格局、断面形态变化明显，几个典型的偏V 形断面都转化为不对称的W 形，部分弯道于凹岸侧淤积形成水下潜洲。
总地来看，三峡水库蓄水运用使得长江中游的冲淤特点发生了明显变化。从冲淤性质来看，蓄水后河段整体以冲刷为主；从冲淤部位来看，冲淤变化主要集中于中枯水河槽。以荆江河段为例，三峡水库运用后荆江河段中水、枯水河槽的冲刷量占平滩河槽的比例分别为92.3%和87.4% 。但上、下荆江在滩、槽冲淤量的分布比例上存在较大差别，2002～2014年上荆江滩体累计冲刷量仅占7.8% ，下荆江滩体累计冲刷量占比偏大，约为18.6% ，枯水河槽冲刷量占平滩河槽的比例分别为92.2% 和81.4% ，这些分析结果表明上、下荆江冲淤量的滩、槽分布规律不尽一致，究其原因是，上、下荆江不同河型冲淤调整的驱动因子不尽一致，这也是本书重点探讨的内容。
1.2弯*河段水沙输移及演变规律研究现状
1.2.1 弯*河段水流运动特性
水沙耦合作用是推动河床冲淤调整的直接动力，研究弯*河段水流运动规律对于认识弯*河段冲淤演变是至关重要的。众多学者利用理论推导、试验统计等方法从弯道水流的主流-环流结构、紊动强度等多种角度研究了弯道中的水流特性（哈岸英和刘磊，2011；谢鉴衡，1997；Dietrich et al.，1979）。影响弯*河段水流运动规律的*直观的两个因素就是流量和河道边界形态：在不同淹没水深下水流动力轴线会发生横向摆动，不同弯*度下的离心力和凸岸边滩导流作用存在差异，弯*河段水流运动特性也极为不同。下面将从流量和边界形态对弯道纵、横向水流动力的影响这个角度介绍现有研究成果。
1. 不同流量条件下的弯*河段水流运动特性
一般情况下，弯*河段水流遵循“大水取直，小水坐弯”的基本性质。张植堂等（1984）提出的适用于荆江河段的河湾水流动力轴线表达式为
（1.2.1）
式中：R0为弯*河段主流线的弯*半径；R为河道弯*半径；Q和A为流量与对应的过流面积；g为重力加速度。随着流量的增加，主流线的弯*半径也不断增大，主流线不断向凸岸边滩摆动，因此凸岸边滩的流速不断增加。
在大流量下，主流带在弯道进口处位于凸岸附近（Dietrich et al.，1979）。主流带处床面切应力（Dietrich and Smith，1983；Dietrich et al.，1979）、水流比能（Kasvi et al.，2013a）及挟沙能力（Han et al.，2017）等动力指标较高，这意味着弯*河段上段凸岸边滩的泥沙输移能力较大。通过计算河床沙波的输移速度，Dietrich 等（1979）指出在弯*河段上段凸岸边滩上的床沙输沙率要大于凹岸深槽。凸岸边滩头部滩面的泥沙粒径也显著大于凹岸深槽（Dietrich and Smith，1984）。在弯道离心力和凸岸边滩导流的双重作用下，主流带穿过凸岸边滩摆动至凹岸深槽内（Dietrich et al.，1979；Leopold and Wolman，1960），这也导致了在凸岸边滩上段水流向凹岸的横向运动（Dietrich and Smith，1983）。这种水流的横向运动增加了凹岸水位，形成了典型的弯道环流结构：上部水体向凹岸运动，下部水体向凸岸运动（Bridge and Jarvis，1982；Bathurst et al.，1977）。当主流带过渡至凹岸时，水流斜向越过弯顶凸岸边滩后水深增加，凸岸边滩下段流速减小（Dietrich and Smith，1983；McGowen and Garner，1970）。弯顶以下凸岸或凸岸边滩滩缘还有可能发生水流分离现象，产生缓流区或回流区（Blanckaert，2011）。在缓流区，泥沙更容易沉降，加上向凸岸运动的近底水流的输送，凸岸边滩尾部更易发生淤积（Thompson，1986）。
当流量减小时，主流带将更靠近凹岸深槽，在更上游的位置过渡至凹岸深槽。许栋等（2011，2010）、许栋（2008）在室内水槽试验中发现：随着流量的减小，水流动力轴线更靠近凹岸，主流顶冲点向上游移动。凸岸边滩头部水流动力减弱（Hooke，1975），弯道环流强度也随之减弱（Ferguson et al.，2003；Hooke，1975）。环流强度的减弱也使得向凸岸边滩尾部运动的床沙质减少（McGowen and Garner，1970）。
2. 水沙运动特性与弯道形态的关系
1）弯道平面形态对水流结构的影响
描述弯道平面形态的特征参数通常采用弯*半径和圆心角。关于弯*半径对弯道水流结构的影响，已有大量的研究成果，Hickin（1977，1974）提出将相对*率半径（河道弯*半径与河宽之比）作为衡量弯道急缓程度的指标，当相对*率半径小于2时，弯道被视为急弯。Kashyap 等（2012）研究了不同相对*率半径下135°弯道床面切应力和横向环流的变化。而对于不同圆心角的弯道水流结构的分布规律，目前的研究成果较少。
学者开展了大量水槽试验和数值模拟试验来研究弯道水流的运动规律，针对弯道圆心角为 100°、120°、180°等的单弯及连续弯道，进行了弯道水流运动特性研究，以及弯道输沙研究（吴岩，2014；王平义等，1995；
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