水系连通机理及其影响因素

王延贵，陈 康，陈 吟

（1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.国际泥沙研究培训中心，北京 100048；3.山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

1 研究背景

水系连通性是指流域水系单元间（干流、支流、溪涧和湖库）互相连接的畅通程度，是河流系统完整和健康运行的必要条件和河流功能正常发挥的基础，对河流的生态环境、物质输送和能量循环具有重要作用［1-2］。但是，由于流域内开展了水土保持、水利枢纽、引水灌溉、河道整治等人类活动，导致了水系连通性的变化；同时，社会经济的迅速发展导致我国部分地区水资源过度开发，使得河流系统的生态环境用水量大幅度减少，海河、黄河和辽河流域的水资源利用率分别达到了106%、82%和76%［3］。工程建设与水资源过度开发引起我国许多北方河流时常断流，湖泊湿地萎缩，河道萎缩与阻塞等严重的水系连通问题［4］，受到社会的广泛关注。一些学者在河流健康、河流生态功能发挥、典型河流系统等方面对河流连通性进行了分析［4-7］，也有一些学者从水系连通性的内涵、机理、评价等方面进行了研究［8-19］，取得了一定的研究成果。作者从边界、水流、泥沙和生态4个方面详细阐述了水系连通性的内涵，河道连通性的内涵包括边界的流畅性和稳定性、水流的连续性和流动性、泥沙的输移性和交换性、生物的生长繁衍与多样性等［13-15］；结合水系连通类型和特点，提出了主流连通模式、分-汇连通模式和滩槽连通模式等，进而提出了水系连通的指标体系。

河槽冲淤演变、滩槽水沙交换、河道分汇流等都是河床演变的传统内容，已有很多成熟的系统研究成果［20-25］。水系连通性实际上是指连通通道在纵横向连通以及水系结构形态上的连通，目前关于水系连通机理的提法与专门研究还不多见。结合作者关于水系连通模式的分类［14-15，26］，水系连通机理应该包括连通通道的纵向连通、滩槽横向连通、水系结构（分汇）侧向连通等方面的机理。无论是河道纵向连通、滩槽横向连通、水系结构（分汇）侧向连通，其内涵仍然包括边界、水流、泥沙、生态等方面的连通，各方面具有重要的协调关系。因此，结合水系连通模式和连通指标，利用泥沙运动、河床演变等方面的理论深入研究连通通道的连通机理，进而探讨水系连通的主要影响因素。

2 分析方法

2.1 水系连通基本参数 基于连通性的内涵以及河流的基本功能，作者给出了河道连通的边界、水流、泥沙、生态等方面的主要指标［15，27］，如表1所示。在这些指标表达式中，河道断面面积、纵剖面流畅指标、来流量等是衡量水系连通的重要指标，能直接反映连通通道的连通性；而河宽、水深、流量、比降、分流比等是推求连通指标的基本变量。显然，河道纵横向形态是反映河道连通性的重要指标，而来水来沙条件又对河道纵横断面形态塑造具有重要作用，因此开展河道水力几何关系的分析对研究水系连通性的机理是非常重要的。

表1 河道连通性指标

2.2 河道水力几何关系 河流通道的连通与稳定是河流功能正常发挥的基础，其断面形态及尺度大小直接反映河道纵向连通性的变化。一般情况下，连通通道形态的调整过程滞后于来水来沙条件的变化，且二者相互适应需要一定的时间。在连通通道形态的调整过程中，河流的纵向连通性也会发生变化。实际河流中可能存在引水分流或支流汇入的情况，若上游来水流量和含沙量分别为Q0和S0，进入下游的流量和输沙率分别为Q和Qs，河道的分（汇）流流量和输沙率分别为ΔQ和ΔQs，结合作者对分流问题的分析［25，28-29］，长久分汇流后河道水沙连续和运动方程如下：

水流连续方程

水流运动方程

泥沙运动方程

泥沙质量守恒（连续）方程

河相关系式

联合求解式（1）—式（5）方程组，可以得到长期分（汇）流后下游河道达到稳定时的边界条件与上游来流量、含沙量、分（汇）流比、分（汇）沙比等参数的关系：

从式（6）可以看出，当河段发生分（汇）流以后，下游河道的河宽、水深、面积、比降等边界形态要素和流速都与来水流量、含沙量（来沙系数）、分（汇）流比和分（汇）沙比有重要关系。当河道来水来沙条件一定时，河道分（汇）流比的增大，进入下游通道的流量减小（增大），使得河宽、水深、过水面积减小（增大），比降和流速增大（减小），河道纵向连通性减弱（增强）。

3 连通机理分析

结合水系连通性的内涵，考虑到水系流域格局和不同连通对象的特点，水系连通分为河道连通、河流系统连通和流域间水系连通三个层次［5，13］，其中河道连通包括主槽纵向连通和滩槽横向连通，河流系统连通包括干支流连通以及河流与湖泊的连通，流域间水系连通主要是通过修建人工调水工程来实现的。显然，水系连通性类型较多，开展连通性机理研究与评价都比较复杂，通过分析流域及流域间的水系连通类型和特征及连通机理，水系连通都可以归结纵向河道连通、分-汇侧向连通以及滩槽横向连通三种模式［13］，这3种连通模式基本上涵盖各类的水系连通问题。

3.1 纵向河道连通性 纵向河道连通性是指河道沿河流方向的连通。对于河道的纵向连通性而言，若河段内不存在分流或汇流的情况，即ηQ=0，ηs=0。式（6）可以简化为：

无分（汇）流情况下的河流连通通道的断面尺度（宽度B0、水深H0、面积A0）以及纵向比降J0等边界条件能够定性地反映纵向河道连通性状况，式（7）可以反映来水来沙条件对河道边界连通性的影响机制。

（1）在来水含沙量不变的情况下，当上游来流流量增加时，河道的流速增加，河道输沙能力增加，河道淤积减轻或河床冲刷，河道比降减小，河道水深、宽度和过水断面面积增加，河道边界的连通性提高；反之，当上游的来水流量减少时，河道冲刷减轻或河床淤积加重，河道水深、宽度和断面面积减小，河道纵向连通性减弱。

（2）在来水流量变化不大的情况下，当上游来水含沙量增大时，河道淤积增加或冲刷减少，河道纵比降将会增加，以提高河道输沙能力，同时使得水深减小，河宽缩窄，过水断面面积减小，相应的河道连通性减弱，特别是当来水含沙量大于输沙能力时，河道将会出现泥沙淤积，河道萎缩，连通性将会变差。反之，当来水含沙量减小时，河道淤积减少或冲刷增加，河道水深增加，河宽拓宽，过水断面面积增加，相应的河道连通性将会提高。

（3）在河道来水来沙处于不协调状态下，当来水流量减小和含沙量增加时，河道淤积严重，使得水深减小，河宽缩窄，过水断面面积快速减小，河槽严重萎缩，河道连通性快速衰退，如黄河下游1980—1990年的水沙条件就是如此，河槽严重萎缩，河道断流，连通性严重恶化。当来水流量增加和含沙量减小时，河道冲刷严重，使得河槽水深增加，河宽拓宽，过水断面面积快速增加，河槽过流能力增加，河道连通性快速恢复，比如，小浪底水库蓄水运用后，进入下游的水量不断恢复，同时进入下游的沙量大幅度减小，造成下游河道冲刷严重，河槽过水断面大幅增加，平滩流量大幅度恢复，其连通性增加。

3.2 分（汇）侧向连通性

3.2.1 分流河段 在河道两岸修建引水工程后，造成河道边界不连续，使得河道内的水流泥沙通过引水口流向两岸，满足人类需求，使得原来的纵向连通变为纵向连通和侧向连通并存的连通形式，水系连通性有所变化。

（1）分流区内水流流态和冲淤形态对引水分沙特性有重要影响。罗福安等［24］将分流区附近的水流流态分为8个区（图1），即加速区、稳速区、扩散减速区、分离减速区、潜流加速区、潜流减速区、滞流区、回流区。其中，加速区和潜流加速区的水流结构比较复杂，水流流速有增加趋势，且伴有弯曲横向环流，此区域泥沙淤积减轻或可能冲刷；扩散减速区、分离减速区、潜流减速区等流速有所减小，回流区和滞流区的流速皆较小，这些区域会出现泥沙淤积，为增淤区域；稳速区受分流的影响较小，基本保持原有的流态与冲淤特性。分流区的泥沙淤积率ΔWs可由分流区的泥沙淤积比公式（4）获得，即

图1 分流河道附近的水流流态

（2）河道引水分沙是侧向连通的重要标志，取决于引水分流工程和两岸用水需求，一般用闸门控制引水流量，用分流比衡量；而河道分沙量不仅取决于引水量，而且还与引水闸平面布置、引水闸底板高程、大河含沙量等因素有关，文献［31］结合引水分流和含沙量垂线分布特性，探讨了引水含沙量与大河含沙量的关系，指出引沙比与引水比的关系一般用ηs=KηQ表示。

（3）引水分流对下游河道冲淤演变和连通性有重要的影响。用式（6）与式（7）相比，同时忽略分汇流前后河道糙率系数与来沙组成的变化，可得引水分流对下游河道形态的影响公式：

文献［28］根据上述思路，深入分析河道分流对下游河道因子的影响，指出河道引水分流后，下游河道一般处于增淤或者冲刷减轻状态，对应的河道水深、河宽、过水面积减小，纵剖面比降增加，相应的连通性减弱。文献［32］以输沙率公式（Qs=QαSβ u）为基础分析了分流后下游河道的冲淤特点，给出了河道淤积比的表达式和分流对河道冲淤的临界条件。

3.2.2 汇流河段 与分流河段不同，支流在河岸一侧汇入河道，使得两股水流汇成一股，水系连通性发生变化。汇流河段的连通性取决于河道支流汇流条件、汇流区的水流流态和泥沙输移。随着汇流角或汇流比的增大，支流的水动力作用增大，对整个汇流区的水流结构和泥沙输移的影响也增强。反之，随着汇流角或汇流比的减小，支流对汇流区的影响也减弱。有关成果表明［33-34］，汇流区河段水流流态可分为6个区域：滞流区、流速偏向区、分离区、最大流速区、水流恢复区和剪切层区，如图2所示。

图2 汇流河段的水流特性

当支流汇入主流时，其水流流态和输沙特性主要受制于支流来水来沙条件和主流顶托的影响，当来沙较多和汇流比较小时，受主流顶托的影响，支流汇合口区流速较小，泥沙在滞流区甚至整个河宽（偏向区）上产生淤积。当支流汇流比较大时，汇合口上游的干流将受到支流水流顶托，流速减小，干流滞流区甚至整个河宽（剪切层及上部）区域可能会发生淤积。支流汇入后，分离区的流速较小，泥沙可能会淤积；而最大流速区由于流速增加，河槽发生冲刷。即汇流区河床冲淤主要是受到水流流态的影响，汇流区河道可能会形成如下的床面形态［34］：河中间的冲刷深槽、分离区的淤积体、支流汇合口的沙垄、汇合后河道中间的沙垄、靠近上游汇流角处的细沙堆积区域。

根据水沙连续原理，汇流区河段的冲淤量等于干支流来沙量减去出口断面的输沙量，仍然可用式（8）表达，但公式中支流汇入的流量和输沙量为负值，汇流比和汇沙比也为负值。文献［29］结合重庆河段输沙特点，导出了重庆河段泥沙淤积比的公式，论证了重庆河段淤积比与嘉陵江汇流比和寸滩站流量之间的重要关系。

3.2.3 河湖连通 通江湖泊作为水系的重要组成单元，具有显著的调蓄功能，河湖连通对其调蓄功能发挥重要作用。通江湖泊可分为河道滩地湖泊和河道外湖泊，前者视为滩槽横向连通型，后者视为河湖侧向连通型。根据河湖连通通道，湖泊可分为单连湖泊和多连湖泊。其中，单连湖泊在汛期涨水阶段处于大河水流分入湖泊的分流状态，在汛后降水阶段处于湖泊水流倒灌流入河流的汇流状态，如鄱阳湖的江湖关系就是如此；多连湖泊有进水口和排水口，湖泊进水口即为江河的分流口，排水口则为江河的汇流口，如洞庭湖的江湖关系就是如此。无论是单连湖泊，还是多连湖泊，河湖连通都可归结为河道分（汇）流河段的连通性进行分析［14-15，26］，其差异主要由于湖泊具有拦沙作用及进水口无控制闸，相应的分流比和汇沙比将会有一定的差异。

3.3 滩槽横向连通性 河道一般由河槽、滩地与河岸组成，在洪水脉冲作用下，主流横向摆动和洪水漫滩后的泥沙沉积作用形成的河流-滩地系统，滩地通常在洪水期被水流淹没，中水或枯水时露出。河槽与河漫滩之间的连通性实际上是洪水周期性的涨落和滩槽水沙交换的过程，也是滩槽塑造的过程。

在洪水初中期的上涨过程中，水流随着洪水水位的抬升从主槽逐渐向滩地漫溢，在滩槽交界面附近流速梯度大，会形成复杂的次生流和螺旋流，滩槽之间的水流进行了大量的质量和动量交换［22，35-36］，使得滩地流速增加，主槽流速减小，但是，由于滩地宽阔和水深较浅，对应的滩地流速仍远小于主槽流速，其过流能力仅占全断面的小部分，如黄河下游花园口站、高村站和孙口站等断面的滩地过流能力占全断面的比例分别为12%～21%、7%～38%和22%～40%。同时，在洪水漫滩过程中，水流将携带大量悬浮物（包括泥沙、有机物、水生物等）进入滩地，且吸附有机微生物的泥沙沉积在流速较小的滩地上，有利于滩区植被和水生物的生长和繁衍，而且致使滩地水流含沙量大幅度减小，如图3所示。在洪水后期的退水过程中，洪水位不断回落，滩地落淤后的低含沙水流或清水带着水生物逐渐回归流向主槽，引起主槽冲刷，完成了滩槽水流悬浮物（泥沙）交换、水生物传播的过程，即洪水期涨水漫滩阶段滩地泥沙淤积，为滩地水生物提供养分和生存环境；退水归槽阶段河槽冲刷，为水生物迁移传播提供机会。

图3 滩槽连通模式

滩槽的水流连通性可以用洪水的漫滩程度来反映，即洪峰流量与平滩流量的比值［15，37］：

式中，Qmax为洪峰流量，m3/s；Qp为平滩流量，m3/s。该参数将来水洪峰流量与河槽的过流能力联系起来，反映了洪水过程中水流的漫滩程度，当η＞1时，洪水漫滩，当η≤1时，洪峰流量不大于平滩流量，洪水在河槽内流动。

综上所述，河道纵向连通性取决于河道来水来沙条件和边界形态，是通过来水来沙变化改变和塑造河道边界尺度来实现的；侧向连通性是以水系存在分流或汇流为主要特征，取决于分（汇）流比例及其与分（汇）流区的水流流态和冲淤形态之间的响应关系，对下游河道纵向连通性也具有一定的影响；横向连通性是以河道滩槽并存为主要标志，其机理是通过洪水上涨漫滩和降落归槽过程中的水沙和水生植物的交换与传播，来完成河道滩槽的塑造和水生植物的生长繁殖和迁移传播。

4 水系连通性的主要影响因素

从水系连通机理的分析过程中可以看出，影响水系连通的主要因素包括河道的来水来沙条件、分汇流状况、边界变化等，而这些因素又受到气候变化和人类活动的影响，具体包括降雨变化、水库枢纽建设、河道整治与防护工程、引水分流工程等。

4.1 降雨变化 影响流域产流产沙量的关键因素是降雨量和降雨强度，反过来流域产流产沙又会直接影响河道水流和泥沙的连通性。流域气候变化引起的降雨变化可能会导致流域产流产沙量的增加或减少，进而引起河道径流量（或流量Q）和输沙量（或含沙量S）的变化，甚至洪水暴发，造成河道连通性的变化。河口镇至龙门河段是黄河中游的重要产沙区，张胜利就该区间降雨变化影响的分析结果显示［38］，若以1956—1969年作为基准期，1990年代和2000—2005年在降雨分别减少15%和9.9%的情况下，年径流量分别减少43%和60.4%，年输沙量分别减少54.5%和81.0%，如表2所示；表明流域降雨减少造成河道径流量和输沙量的大幅度减少，也是造成黄河下游河道萎缩、河道断流等连通性衰退问题的原因之一。此外，气候变化也可能引起极端洪水自然灾害，导致水系连通性的突变。据研究［39］，1860年和1870年长江的两次特大洪水，导致荆江藕池、松滋先后决口，形成了荆江四口分流入洞庭湖的局面，引起了河湖关系的调整。

表2 黄河中游河龙区间各年代降雨、径流、泥沙变化情况

4.2 河道整治与堤岸工程 河道整治与堤岸工程是遵循河道演变的规律，采用一定工程措施稳定主流位置，以满足河道防洪、航运、供水等功能，主要包括河道裁弯取直、堤岸建设、护岸稳槽工程等。河道整治与堤岸工程在控制水流流动、泥沙输移和调整河床冲淤的同时，也会对水系连通性产生影响，特别是河岸堤防建设和蜿蜒性河道裁弯取直。

为了河道防洪、控制稳定河势的需要，许多河道修建了大量堤防工程，使得河道由宽浅变为窄深（ζ减小），河槽输水输沙能力增大，河势稳定性加强，相应的纵向连通性增强，但是河道堤岸工程也阻碍和限制了河槽主流和河漫滩之间的水流、泥沙和营养物质充分交换，削弱了河道与洪泛滩地之间水生植物、养分、物种等的繁殖和传播［40］，河槽与滩地、堤外区域间的横向连通性减弱。

裁弯取直是蜿蜒性河段常见的河道整治措施，裁弯取直后，水流流程缩短，河道阻力减小，河道输水输沙能力增加，河道冲刷，降低行洪水位，改善了河道纵向连通性，但可能会改变干支流（河湖）的侧向连通关系。例如：1966年以来下荆江经历了三次裁弯取直，荆江三口分流比和分沙比从裁弯前的29.67%和36.25%分别将至裁弯后的18.12%和21.09%（表3），同时裁弯后进入洞庭湖的水量和沙量减少，减轻了洞庭湖的淤积，湖区淤积量从裁弯前的约1.7亿t/a减至裁弯后1981—1988年的1.1亿t/a。显然，下荆江裁弯对长江与洞庭湖的江湖关系产生了重要影响。

表3 荆江河段裁弯前后三口分流分沙变化

4.3 水库枢纽建设 在水（能）资源的开发过程中，在河流上共修建水库9.8万余座。水库枢纽修建后，阻断了河流边界的连续性，改变了下游河道的水流过程，拦截了水流中的悬浮物（泥沙、水生物等），使得河道纵向连通性发生很大的变化。

阻断了河流边界的连续性。冲积河流一般是一条由水沙运动形成的连续通道，而水坝修建使得河道高程及河道宽度都发生了变化，特别是河床高程突变，水库运行多年后，库区泥沙淤积，使得河床由天然的连续状态变成为凸起的阶梯状，纵向河床边界连通受到破坏，使得河道纵剖面流畅指标大幅度减小。

改变了河道的水流过程。为了实现水库防洪、发电、灌溉等目标，修建大坝阻断了水流的连续性，抬高了库区水位，增加了库区水面宽度和水深，提高了库区调蓄水能力，通过降落和抬高库区水位，调控水库泄流流量，特别是洪水期的削峰和枯水期的加大泄流，使得流量变率减小，改变了来水过程的时空分布和自然流动规律，形成了一种人为的水流过程，使得下游河道洪水漫滩机会减少，河槽与滩地间的水流、泥沙、生物的交换与连通均受到限制。此外，水库限制最小下泄流量，使下游河道能够更好地满足最小生态流量的需求，在一定程度上又增加了河道的连通性。

拦截泥沙，阻断生物连通性。水库修建运用后，抬高了库区水位，降低了库区水流的流速，大量泥沙淤积在库区，形成新的库区河床；库区泥沙淤积使得进入下游的泥沙量大幅度减少，下游河道发生冲刷，崩岸不断发生，河道过水断面和过水能力增加，下游河段连通性增加。但是，水库大坝修建不仅阻断了水库上下游边界和水流泥沙的连续性，而且也阻断了水库上下游水生物的自由运动与迁移［41］，生物连通性遭到破坏。据水库研究成果表明［42］，三峡水库蓄水运行拦截了其来沙总量的88%，仅有12%的泥沙进入长江中下游，造成2003—2015年长江中游河道年均冲刷量为1.22亿m3。同样，黄河小浪底水库2000年底蓄水运用以来（图4（a）），花园口站的输沙量急剧减小，2016年输沙量仅有0.06亿t，下游河道大幅度冲刷，河槽平滩流量大幅度恢复。

4.4 引水分流 为了实现河道供水和灌溉等功能，在河道两岸修建了许多引水工程，图4（b）为黄河下游近几十年以来引水引沙量的变化过程［42-43］，其中1970—2017年（1962—1965年停灌）河道年均引水量和引沙量分别为85.5×108m3和0.116×108t，引水引沙量占花园口水文站年径流量和输沙量的比例分别为29.6%和31.1%。河道大量引水对两岸工农业生产发挥重要的作用，增加水系侧向连通性的服务功能，但工程建设破坏了河道边界的连续性，同时引水分流对下游河道径流量、输沙量、冲淤量等产生影响，进而改变了下游河道的纵向连通性，在河道分流机理中进行了分析。

图4 黄河下游河道来水来沙量和引水引沙量的变化过程

5 结论

（1）结合水系连通的内涵与连通参数，通过推导分（汇）流河道在输沙平衡以后的边界条件（河宽、水深、过水面积、比降）与来水来沙因子（流量、含沙量）的水力几何关系，为建立水系基本连通指标与来水来沙（含分（汇）流）因子之间的响应关系提供了理论基础，也是分析河道纵向连通性和侧向连通性机理的关键。

（2）河道纵向连通性取决于河道来水来沙条件与河道边界形态，通过来水来沙变化改变和塑造河道边界尺度及河道形态来实现的；侧向连通性取决于分（汇）流比例及其与分（汇）流区的水流流态和冲淤形态之间的响应关系，对下游河道纵向连通性也具有一定的影响；横向连通性是通过洪水上涨漫滩和降落归槽过程中的水沙和水生植物的交换与传播，来完成河道滩槽的塑造和水生植物的生长繁殖和迁移传播。

（3）结合水系连通机理和实际工程建设，分析了流域降水变化、河道整治与堤岸工程、水库枢纽建设和引水分流工程等因素对河道连通性的影响机理。指出流域降水是通过改变河道来水来沙条件实现对河道连通性的影响，河道整治与堤岸工程是通过改善河道边界形态来影响河道的侧横向连通性，水库枢纽建设则是通过阻隔河道边界、水流、泥沙、水生物等来削弱河道的纵向连通性，引水分流是通过河岸工程建设直接改变水系的侧向连通性。