西南山区河流河床结构及消能减灾机制

王兆印，张晨笛

（清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

1 研究背景

我国山区占全国总面积的70%，人口占全国总人口的45%［1］。青藏高原平均海拔达4000 m以上，是亚洲许多大江大河的发源地。青藏高原持续抬升引起周边河流快速侵蚀下切及剧烈河床演变［2］。河流下切导致岸坡变陡，为地质灾害的发生提供了能量［3］。这些河流常常发生崩塌、滑坡和泥石流灾害［4］。如图1所示，当河流下切切穿滑动面后，滑坡体失去支撑在外力（地震、强降雨）作用下滑动。近年来，四川云南甘肃频频发生山洪、崩塌滑坡及泥石流灾害，造成数千人死亡和巨大经济损失，究其根本是河流下切增加了灾害能量所致［4-5］。除了直接的冲击和覆盖致灾，崩塌、滑坡、泥石流使河流泥沙补给骤增，局部河段淤积抬升，甚至短时阻断河道，使洪水危害大增，严重威胁两岸居民的生命财产安全［3］。河床下切会增大沟床坡降、引起岸坡失稳并加剧全流域土壤侵蚀［6］。岸坡失稳及床面侵蚀可能使得房屋、道路和桥梁的基础裸露，从而丧失原有的功能。地质灾害还对原生森林植被生态系统常常造成毁灭性破坏，植被演替几乎全部从灾后的新基质上开始［3］。

王兆印等［4］将山区下切河流的侵蚀地貌演变过程总结为4个阶段：（1）快速下切，构造抬升导致下切迅速发生，河谷形成狭窄的“V”型或超“V”型（岸坡下部比上部更陡，超过30度），此时河谷中可供人类开发的空间十分有限；（2）下切扩宽，下切导致边岸失稳从而引发两岸崩塌滑坡泥石流等灾害，两岸空间扩展，河谷宽度增大，河谷形态变为较宽的“V”型；（3）下切减缓，随着下切降低局部坡降及上游侵蚀来沙量的增大，下切逐渐转为淤积抬升，河谷变为“U”型；（4）动力平衡，河流的输沙能力与泥沙补给最终匹配，水流能量被消耗，下切停止，河床稳定，河谷变为宽“U”型，适于人类生存并有利于生态改善。我国青藏高原边缘地形陡峻，且青藏高原持续抬升，新构造运动活跃，使得大量河流为下切河流［7］，处于地貌演变的第1阶段或第2阶段［4，8］。河流下切引发的山地灾害严重制约当地社会、经济、生态的发展，因此控制下切、防灾减灾对可持续发展意义重大。

图1 河流下切引起滑坡示意图［4］

河流自然趋于平衡，本身具有负反馈机制，下切的河流孕育着遏制下切的因素。下切引发的崩塌滑坡泥石流常常形成堰塞坝，反过来抑制侵蚀下切［9］。堰塞坝统称为自然坝，如崩塌、滑坡、泥石流堵塞河流形成的拦河坝。正在下切的河流就像地球表面的伤口，自然坝就是自愈形成的伤疤［4，10］。这些自然坝控制河流的进一步下切，防止新的滑坡和崩塌。与传统拦挡坝系等防灾减灾方式相比，自然坝具有更好的减灾效果和改善生态的作用［11-12］。自然坝主要通过发育河床结构消减水流能量稳定河床、控制下切。河床结构是床面上石块在水流作用下排列形成的具有较大稳定性的床面结构，具有很大的阻力和消减水流能量的作用［13-14］。本文就自然坝和河床结构的形成发育、消能减灾机理及人工模拟减灾效果进行论述，并提炼消能理念应用到西南下切河流的治理战略中。

2 自然坝的形成和河床结构的发育

2.1 自然坝崩塌滑坡和泥石流堵塞河流形成的堰塞坝都是自然坝，历史上形成的自然坝在数量上和坝体尺度上都超过人工大坝。保留下来的自然坝上都发育良好的消能结构，结构越强保留的坝体越大。世界上最大的自然坝是塔吉克斯坦的乌索伊滑坡坝，由1911年2月18日7.4级地震导致的大滑坡形成。20亿m3的大滑坡堰塞了穆尔加布河，形成了600 m高的乌索伊滑坡坝和库容170亿m3长达60 km萨雷兹湖［15］。西藏在2000年发生的易贡藏布大滑坡，滑坡体积3亿m3，落差3000 m，堰塞了易贡藏布江，堰塞坝高60多米［16］。后经人工炸坝排险冲刷后堰塞坝高度剩下1/3，堰塞坝顶都是超过半米的大石块，排列形成消能强度很高的河床结构。虎跳峡是由一连串崩塌形成的崩塌坝，通过巨石形成的结构剧烈消减水流能量，保护上游300 km河段不受下切影响［9］。虎跳峡堰塞坝在金沙江上形成一个高度213 m的尼克点［17］。

怒江大峡谷位于云南怒江州六库镇与上游西藏林芝察瓦龙乡之间横断山脉之中（图2（a）），是典型的深切V型河谷。这个河段古代崩塌滑坡等地质灾害频发，形成一些崩塌滑坡堰塞坝。两岸的陡峭的沟谷几乎都是泥石流沟［8］，泥石流携带大量石块进入主流形成上百个泥石流堰塞坝。经过千百年的洪水调整，这些堰塞坝都发育了很好的河床结构，主要是阶梯-深潭结构。六库上游怒江干流坡度陡峭，平均坡降为2.6‰，而一些峡谷段主河坡降则接近1%（滇藏边界，图2（b））。过去数百年来怒江河床依然保持相对稳定，枯水期基本没有泥沙运动，水体展现蓝绿色。这是因为堰塞坝群自身强度较高，多由1 m以上甚至10 m多的巨石组成，集中水流落差并有效消耗了水流能量。如滇藏边界局部水面坡降达到2.7%（图2（c）），老虎跳局部水面坡降甚至超过3%（图2（d）），水流落差集中段水流湍急、消能剧烈，其上游形成堰塞湖。这些堰塞坝形成一系列小型尼克点［4］，对稳定河床和河流纵剖面演变起到控制作用。

由于崩塌滑坡泥石流堰塞坝为松散堆积体，经水流漫坝后会发生部分溃决，大多保留坝高20%～80%［10］。自然堰塞坝经冲刷后保留的坝高与堰塞坝自身发育的河床结构强度呈线性关系［10，13］。河床结构的发育程度可以用参数Sp表达，Sp是代表河床结构强度的一个无量纲数，采用专门设备测量，详见文献［17-18］。如果堰塞坝体大石块较多，在水流作用下发育形成较强的河床结构，则堰塞坝大部分保留。一般洪水流量在100 m3/s以下的山区河流里，如果堰塞坝的河床结构强度Sp＞0.5就可以保留，而当Sp＜0.2时堰塞坝极易发生溃决［10，13］。一般情况下判断堰塞坝是否稳定和能否保存可参照图5。图2（b）中怒江老虎跳河段河床结构的Sp高达0.90，滇藏边界处堰塞坝Sp更是达到1.12，消能强度极高。因此，尽管怒江洪水流量较大，这些堰塞坝仍然可以长期保存，形成尼克点，成为怒江上的重要消能段，维持河段稳定。

图2 怒江（察瓦龙-中缅边境）干流地貌特征

2.2 河床结构为对抗水流冲刷，下切河流河道中特别是堰塞坝溢流段发育的河床结构有阶梯-深潭结构、肋状结构、火焰石结构、石簇群结构和岸石结构等［14］。阶梯-深潭结构是坡度大于3%的山区河流中常见的微地貌形态［12，17-20］。阶梯是由较粗的卵砾石组成的横跨河道的互锁结构，深潭为阶梯下游因局部冲刷形成的冲刷坑，阶梯和深潭在河段中依次交替排列，纵断面形成一系列台阶状（图3（a））［21-22］。与阶梯-深潭结构类似，肋状结构中石块也横向排列，但未覆盖整个河宽（图3（b））［13-14，23］。石簇群结构指床面粗颗粒聚集形成的床面结构（图3（c））［17，14，24］。当剧烈湍急的水流携带泥沙磨损河床上的石簇块，巨石会留下火焰状痕迹，称之为“火焰石”结构（图3（c）），是一种消能率很高的结构。岸石结构指近岸大石块堆叠，使高速水流远离河岸，保护河岸免受侵蚀（图3（d））。在所有的河床结构类型里，阶梯-深潭结构是消能效率高，发育相当普遍的一种结构，也是常被模仿应用于控制下切和改善生态的结构［11-12］。

图3 河床结构

河床结构的发育受大石块补给的制约。许多堰塞坝大部分溃决，主要原因就是坝体缺少大石块，难以发育高效消能的结构。阶梯-深潭结构的阶梯高度及相邻阶梯的间距均与床面D84呈线性关系［25］。阶梯高度主要受关键石块直径影响［18-19，26］。水槽试验也表明阶梯-深潭结构的形成以石块直径达到一定阈值为必要条件［27］。肋状结构的间距与最大石块粒径呈显著线性相关［28］。局部地形条件同样制约河床结构的发育［29］。当河宽相对大石块较小时，大石块容易发生叠置［30］，在洪水作用下调整发育成河床结构［31］。综合粒径和局部地形作用，可以使用W/D84［30，32］或W/Dmax［31］作为判断河床结构能否发育及发育为何种结构的指标之一［28，30，32］。

3 自然坝与河床结构消能减灾机理

自然坝上发育的消能结构剧烈消能，只要消能结构足够强，自然坝就可以长期保存。保存下来的堰塞坝提高了侵蚀基本面，河流两岸坡度降低，崩塌滑坡的能量减少，所以不会发生新的崩塌与滑坡。九寨沟有100多个古代滑坡，大概发生于1～2万年前，基本上都保存了下来。由于保存下来的堰塞坝大大减少了水流能量，河流停止下切甚至发生淤积，因此近代就没有新的崩塌与滑坡发生。保存的古代滑坡体消减能量，也消除了产生新的滑坡的条件，同时形成了美丽的景观和良好的生态。汶川地震时九寨沟离震中不很远，但是没有发生崩塌与滑坡。2017年九寨沟7.0级地震，震中就在九寨沟，但是九寨沟保存的堰塞坝群降低了崩塌滑坡的能量，没有滑坡发生，只有少量的山扒皮现象，地震半年后景观已经全部恢复。堰塞湖促进泥沙淤积，抬高侵蚀基准面，减小两岸边坡势能，降低滑坡等灾害发生的风险。堰塞坝抑制河流下切并延缓因构造运动或造山运动出现的河流调整，形成尼克点［4］。河床结构如阶梯-深潭等增大阻力［17-18，33］，控制河流纵断面调整［34］，具有控制下切、减轻泥石流滑坡等灾害的能力［11-12］。

3.1 灾害与消能各种地质灾害实际上是固体碎屑的短距离运动，搬运碎屑的能量是沿河流沟谷或山坡高差的势能。输运通量越大所需要的能量越大，同时不同运动形式或灾害的形式所需能量不同。图4显示不同运动形式所需能量与同样输运通量的水流所需能量的比较。输送泥沙比输水需要多100倍的能量，而泥石流所需能量比输沙高20倍，滑坡所需能量更比泥石流高2～5倍，崩塌比滑坡还要高约10倍能量。

图4 不同运动及灾害中物质运输通量与能量的关系

河流下切一方面加大崩滑位置与河谷底部的高差，增大物质势能，一方面侵蚀两岸物质，削弱坡脚支撑［5］，继而在一定外力（如地震、暴雨等）作用下引发山地灾害。而河流下切主要源自河道能量不平衡，即水流能量明显超过各种阻力的消能，导致河床及河岸侵蚀。因此，减少地质灾害的根源在于通过消耗水流能量控制河流下切［4，11］。

消能是水流势能和动能转化为紊动能和热能的过程。崩塌滑坡泥石流等灾害的发生需要较高的能量（图4），水流是能量传递和转化的媒介，如果将水流能量有效消耗，则难以达到触发灾害的能量条件，从而达到减灾目的。我们在四川文家沟进行的人工阶梯-深潭系统治理经验表明，增加阶梯-深潭系统后，当地触发泥石流的降雨量增大了3倍［12］。山区河流的消能结构可以避免水流高能量冲刷河床和河岸导致灾害。稳定的高坡降河流或长期稳定的堰塞坝河槽上发育的河床结构强度与水流能量是基本匹配的。我们测量了一些长期稳定的大部分保留的堰塞坝河槽的河床结构强度，发现河流洪水能量越大，河床结构越强。反过来说，堰塞坝稳定所需的最小河床结构强度随单宽水流能量增大而增大，如图5所示。由此可以判断堰塞坝是否可以长期保存。如果结构强度低于图中曲线，结构消减的能量不足以控制水流的冲刷，堰塞坝就会溃决。如果结构强度高于图中曲线，洪水能量低于堰塞坝泄洪道发育的河床结构所消耗的能量，水流没有多余能量侵蚀河床，堰塞坝可以长期稳定保存，因此，河床结构具有控制河流下切、控制河道纵剖面调整的作用。

图5 堰塞坝泄洪道稳定的情况下阶梯-深潭的发育程度Sp与单宽水流能量关系图［3，10］

3.2 河床结构的消能率阶梯-深潭系统在山区河流广泛发育而且消能效率最高，主要消能方式为阶梯消能和深潭消能［35］。阶梯上水流通过肤面摩擦和紊动消能［35-36］。深潭中水流消能方式有3种：（1）主流区水跃消能；（2）水跃区与周围水体交界区域的强烈紊动扩散消能；（3）主流区两侧横向漩涡消能［35］。水流流经阶梯-深潭结构时的能量转换过程如图6（a）所示。图6（b）则给出了野外实测的阶梯-深潭不同部位水流的能量组成［35］，显示水流进入深潭后，势能转换为动能，再转化为紊动能耗散的过程。水流通过阶梯-深潭时依次经历阶梯跌水和深潭水跃，所以阶梯-深潭结构的水流阻力由肤面摩擦和形状阻力共同构成［36］。小流量条件下，流经阶梯-深潭的水流流态为跌落水流（Nappe flow）［30］，形状阻力作用很强［37］。但随流量增大、流经阶梯-深潭的水流流态转变为滑行水流（Skimming flow）［30］，尽管形状阻力依然为结构对抗水流冲刷的主要阻力来源，但其在总阻力中的占比降低［37］。考虑到阻力与消能率密切相关，我们推测不同流量条件下阶梯-深潭的相对淹没程度影响消能率。

图6 水流经过阶梯-深潭的能量转化过程

野外实测的枯水期及普通洪水条件（重现期1～5年）下阶梯-深潭的消能率为60%～90%［35，38-39］，可以将水流的绝大部分能量消耗掉。不过，随着流量增大，阶梯淹没程度增加，形状阻力减小［37］，阶梯-深潭整体消能率下降［35，40］。我们进行的阶梯-深潭消能试验中，构造非恒定流量过程研究了极端山洪事件中阶梯-深潭系统的消能率［41］。发现与枯水期或一般洪水相比，因阶梯-深潭淹没程度大幅增加，单个阶梯-深潭的消能率下降，但由于深潭冲刷加剧，阶梯高度（HS）增大，从而使阶梯-深潭的消能率在极端条件下并不随流量增大急剧下降（图7），表明阶梯-深潭系统在洪水条件下有自我调节适应水流强度的能力［41］。图7中纵坐标η=ΔEE0为消能率，横坐标hc/HS代表阶梯淹没程度。可见，随着洪水流量增大，阶梯-深潭结构消能率下降，但是模拟洪水条件下实测消能率下降不明显，说明阶梯-深潭结构具有适应大洪水的能力。

图7 阶梯-深潭及直角跌水消能率随hc/Hs变化情况，数据来源于文献［35，38-39，41-46］

综合试验室及野外获得的阶梯-深潭消能率数据，我们发现消能率可用幂函数表达（图7，R2=0.81）：

式中：ΔE为水流经过阶梯-深潭的水头损失；E0为阶梯上游总水头，势能参考位置为深潭最深点（图8）；hc/HS表征阶梯淹没程度［37］，其中HS为阶梯高度，即阶梯顶部到深潭最深点的垂直距离［26，30］（图8（a））；hc为临界水深，其中Q为流量，W为河宽，g为重力加速度。

图8 阶梯-深潭与矩形跌水比较示意图

阶梯-深潭消能率的幂函数形式与规则形状的矩形跌水（常作为阶梯式溢流坝的最小单元，图8（b））［45-46］接近，但是单个阶梯-深潭结构的消能率明显高于单个矩形跌水（图7），天然阶梯-深潭系统与拦挡坝等形状规则的传统控制河流下切方式相比，消耗水流能量更高，因此在维持河床稳定方面更具优势［12］。况且，在天然条件下，阶梯-深潭不会单独出现，往往是作为一系列阶梯-深潭结构存在［12，17-19，26］，因此，相对于传统拦挡坝体系，阶梯-深潭系列可以更为有效地在洪水条件下消减水流能量，维护河床的稳定。

3.3 能量概算从河流综合治理和减灾的角度，山区河流要做能量概算。所谓河流能量概算就是对河流的水能分布和消能率分布进行宏观计算并对二者之间的适配进行评价。消能强度要达到足够强度以平衡水流能量。如果水流所获得能量大于各种阻力消能，将使流速水头沿程增加，最终会导致河床河岸的破坏。河流治理工程要考虑使河段消能强度达到或超过水流获得势能才能保证防洪安全。

河流能量概算主要涉及三个能量概念：（1）获得势能，一条河流里水流运行单位距离从重力势能里获得的能量为获得势能；（2）消能率，河段出口水流降低的总水头与初始总水头比值为消能率；（3）水头，即可以利用（如发电）或造成边界破坏和灾害的单宽水能，包括流速水头和位置水头。

上述能量概算可以用能量方程形式表述：

式中：E1为河段下游出口处总水头为河段上游断面流速水头；z1为上游位置水头为河段下游断面流速水头；z2为下游位置水头；hL为水流流经河段消耗或转化（发电）的能量。

如果要保持水流流速水头基本不变，即：

则有：

水流能量消耗除了河床结构提供的阻力外，输运泥沙（主要为推移质）和发电同样需要能量［12］，因此有：

式中：hf为河床结构消耗的水头；hs为泥沙输移消耗的水头；he为发电消耗的水头。河流开发不可能把所有水头转化为电力，甚至有些西南河流还没有开发水电，此时hs很大。如果输沙水头大而来沙少，就会发生冲刷，导致下切和地质灾害。在给定的hL条件下，河床结构造成很大的消能值，即hf增大，使得输沙水头降低甚至为零［3，48］，灾害就不会发生。我们进行的野外试验已经表明山区河流河床结构强度与推移质输沙率的负相关关系［3，48］。

在河流修复或下切控制工程中，利用能量概算可初步判断河段是否满足消能要求。对于泥沙补给有限且无发电需求的河段，需要河床结构基本消耗水流的获得势能才能维持河床稳定。从而可以根据河床结构的阻力关系［17-18，37，49-50］以及消能率（式（1），图7）判断现有的或者设计的河床结构是否满足消能要求，并可对河床结构排列形式相应优化（如调节结构高度和分布间隔）以提高安全程度。

4 消能理念的减灾应用

河床结构消能可有效抑制河床下切，防止崩塌滑坡和泥石流的发生，因此可以人工模拟用于消能减灾。2006—2009年我们利用阶梯-深潭结构在云南东川吊嘎河、甘肃礼县栏山沟和四川震区文家沟进行了人工模拟试验，验证了消能结构的防止泥石流的减灾效果和改善生态的作用［3，11-12，17，51］。

文家沟的试验布置在“5.12”地震极重灾区四川省绵竹市清平乡。文家沟是绵远河的一条深切支沟，总长3.25 km，流域面积7.8 km2［12］。汶川地震引发文家沟滑坡总方量8160万m3，厚度达180 m。2008年雨季约90万m3泥石流冲出文家沟，侵蚀滑坡体，形成下切最深达50 m的沟谷。图9（a）显示了地震前的文家沟纵剖面、地震滑坡后的纵剖面、2008年泥石流后形成的新的文家沟纵剖面，以及2009年人工阶梯-深潭治理经历洪水后的纵剖面和2010年破坏消能结构后的纵剖面。为了稳定文家沟新生沟谷和减轻泥石流灾害，我们2009年5—6月在文家沟沟谷上游切蚀最剧烈的400 m长的一段沟道内构筑了33 级人工阶梯-深潭系统（图9（b））［12，17，51］。人工阶梯由 2～4 块巨石作为骨架、辅之以大石头（0.5～1.5 m）嵌入其中形成，并在阶梯两翼用填满石块的钢丝笼保护边坡［51］。布置好的阶梯高度为2～4 m，间距为10～15 m。人工阶梯-深潭结构布置完成后，文家沟遭遇了2次比2008年诱发泥石流更大的降雨，但基本上没有发生泥石流，沟道保持稳定，更没有造成人员伤害和财产损失。

图9 文家沟人工阶梯-深潭结构

作为对照，2010年当地政府招标花费近1000万元建设谷防坝群控制泥石流。他们摧毁了阶梯-深潭消能系统，把组成阶梯的巨石炸碎后用作修建谷防坝的材料。20座谷防坝替代了原来的33级阶梯-深潭系统。这些谷防坝的一个致命弱点是没有消能结构，水流能量在坝前集中，剧烈冲刷坝下的基础，导致坝群迅速溃决。新的防护工程在当年7月下旬完工，8月13日遭遇降雨量为98.5 mm/d暴雨，建成不到一个月的20座坝全被冲毁，沟床下切50 m（图9（a））。剧烈冲刷引发了规模达450万m3的特大泥石流，12人不幸死亡，大量震后新建民居被埋［12］。这次泥石流导致沟道溯源侵蚀130 m，沟道扩宽80 m。相比于阶梯-深潭结构可以在深潭中通过水跃和紊动消能，没有消能结构的谷防坝群只能拦挡小型泥石流。谷防坝群没有消能结构的保护，水流能量没有耗散而在大坝坡脚处集中并淘刷大坝基础，使得谷防坝脚被淘刷后坝基悬空而倒塌。对比可见，人工模拟自然坝消能结构在控制河床下切及防灾减灾方面比谷防坝群更具优势。

河流上的消能结构还具备稳定栖息地和增加栖息地多样性、从而改善生态的作用。例如云南吊嘎河人工阶梯-深潭系统显著改善了河流生态［11，17］。再例如怒江上的一系列堰塞坝，在稳定河床的基础上增大了水面面积及水体的连通度［4，11，52］，增大了低速深水水域［4，11］，提升了河流生态及景观［11，22］。细观上，阶梯-深潭系统有利于形成多样的水生态环境［12，35，38，53］，并提高水流溶氧含量［54］，为水生生物提供了丰富多样的栖息地［11，52］。正是在这样的栖息地里，清华大学发现了一些当地特有无脊椎动物和新物种。在相同的条件下，有阶梯-深潭结构发育的河段生物多样性明显高于无阶梯-深潭发育的河段［11］。例如九寨沟和云南省小江流域的深沟，自然发育了阶梯-深潭系统，其底栖动物密度超出气候水文条件类似但不发育阶梯-深潭结构的蒋家沟600倍以上［55］。意大利的Maso di Calamento的自然阶梯-深潭结构和人工阶梯-深潭结构河段的生态评分均明显高于传统混凝土拦挡坝［47］，此例证明了人工阶梯-深潭系统在控制河流下切和改善生态应用中的巨大价值。

从更大的空间尺度看，消能理念也可以应用在中国西南诸河（雅鲁藏布江、金沙江、澜沧江、怒江等）的综合管理中。中国西南诸河水能资源丰富，开发利用价值高［56］，但同时巨大的水流能量冲蚀河床河岸，导致河床下切、地质灾害频发［8，57］。水电开发将水能转化为电能，洪水期多余能量通过大坝消能结构消减。把西南河流致灾能量转化为电能既发展经济又减少灾害。但是高坝大库生态影响大［52］，减轻地质灾害作用小，大坝下游清水冲刷还可能引发严重灾害。例如三峡大坝泄放清水冲刷使下游河床下切了十几米，导致长江与洞庭湖的水沙交换显著下降，对生态环境造成很大的影响［52］。另外，目前我国西南河流引水式发电很普遍，对生态的破坏是致命的，不适合生态文明的开发理念。引水式发电中拦水坝到发电厂之间的河段基本没有水流，生态流量被切断，大部分水生物种就不能生存［52］。

发育河床结构的自然坝消能减灾改善生态，人工坝能否像自然坝那样得到发电减灾生态综合效益？岷江上的紫坪铺大坝，位于2008年汶川地震的震中龙门山地震带上。刚发生地震后的紫坪铺水库上段仍然绿水青山，没有发生崩塌滑坡。因为库区淤积大大减小了崩塌滑坡势能，使得库区两岸山坡稳定安全。但沿着岷江往上游一出库区，岷江两岸就随处可见崩塌，绿水青山变成了白石茫茫。这个事实说明，人工大坝也有减灾作用，尤其对上游减灾作用明显。人工大坝对下游的安全有一定副作用，因为人工坝不像自然坝那样有很好的消能结构（图9）。

综上所述，我国西南河流宜建设中型坝群，下游大坝的水库连接上游大坝，平面呈现“串糖葫芦”的形态（图10）。这样的库坝体系在开发水电的同时可以控制水流下切、减少洪水灾害。河流变成连续水库，纵断面形成连续台阶状，类似于自然坝系的消能体系。水头通过大坝变成电力，上游水库泄放清水的多余能量则由库坝形成的巨大“阶梯-深潭”消耗，且下游水库对上游坝脚形成保护，从而避免弃水侵蚀下游河床河岸。而连续的水库群整体抬升了侵蚀基准面，大大减小崩塌滑坡等灾害的潜在获得势能，因而具有很好的减灾效果。

图10 “串糖葫芦”式库坝体系示意图

“串糖葫芦”库坝体系既保持了水流连通性，又创造了丰富多变的生态环境，可以创造较高的栖息地多样性，适合不同生物生存，因而具有很高的生物多样性。不同的物种或一个物种的不同生命阶段可以选择深水缓流的近坝库区，或者具有中等深度沙质河床的中部库区，或者水库之间的卵石激流河段。所以，在生态本底值不高的高山峡谷河流里，“串糖葫芦”式的开发后生物多样性可以明显提高。原来适宜高山峡谷浅水湍急河流栖息地的生物群会被适应水库和深水栖息地的物种群替代，有些上下游迁徙的物种会消失。但总体而言，库坝串联的开发体系对雅鲁藏布江、澜沧江、怒江、金沙江等高山峡谷河流生态的正面影响大于负面影响。

5 结论

自然坝是山区河流中的普遍现象，在历史上数量和高度都超过了人工大坝。自然坝的稳定性决定于发育的河床结构的消能强度是否匹配洪水能量。稳定保存的自然坝可抑制河流下切，控制河道纵剖面调整，减少崩塌滑坡灾害。自然坝稳定河床的功能主要源于其高效消能的河床结构。即使是特大洪水期间，河床结构如阶梯-深潭的消能率仍明显高于一般人工消能结构。对河段进行能量概算可判断河段稳定性及崩塌滑坡等灾害风险。为此需分析水流获得势能是否被各种阻力消能平衡。如果能量消耗低于水流获得势能，可通过模仿自然的人工消能结构控制河流下切和地质灾害。文家沟人工阶梯-深潭消能系统和谷防坝群控制泥石流的对比表明，人工河床结构可以更有效地防治地质灾害。因此，对于能量较大的山区河流，消能应该成为防控地质灾害的主要战略思想。中国西南水能资源丰富的诸多河流宜采取由中型坝群组成的“串糖葫芦”式库坝体系进行梯级开发。坝群可以把水流能量转化为电能，泄水能量通过人工消能工及下游水库消耗。此种梯级库坝有利于稳定河床和消减地质灾害，同时改善当地生态。

致谢：韩鲁杰为本文提供了部分图片，在此表示感谢。