江湖水沙输移与长江中下游造床流量的关系

孙昭华，周炜兴，周 坤，周歆玥，陈 立，李义天

（武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072）

1 研究背景

尽管流域来水来沙具有随机性，但某种特征流量级对冲积河流造床起着关键作用［1-2］，可视为长期流量过程的替代当量，习称造床流量［3］。造床流量的引入，使许多宏观河床演变问题——譬如变化水沙条件下的河床调整方向预判、特定来水来沙条件下的河渠最佳形态估算等，都大大简化［4-5］。随着我国长江上游大型水利工程陆续运行，中下游河道演变成为近期研究热点，从天然水沙过程与河道形态的适应关系中寻求造床流量，是其中的关键问题。

自马卡维耶夫等［3］和Wolman 等［1］分别提出造床流量的概念和计算原理以来，相关研究大体分为3 类：（1）从来水来沙的角度出发，流域来水来沙是造床主动因素，某个流量级能够输送的沙量是其造床作用的表征。由于输沙率与流量近似呈单一函数关系，因此可从累积频率的角度寻求对河床具有“关键塑造作用”的流量级。马卡维耶夫法、地貌功及其改进的各种图解法、解析法，均属此类［1，3，6］，由此得到的造床流量也被称为最大有效流量［7］。（2）从河道形态和水力特性的角度出发，准平衡状态下的河道断面水位流量关系稳定，当水位上涨至河漫滩齐平时，河道对水流约束作用最强，输沙效率最高，而流量超过这一临界范围之后，水流因漫滩而动力减弱，产生淤积。据此建议以平滩水位结合水位流量关系倒推出平滩流量间接反映造床流量［1，5，8］。（3）基于河道形态对水沙过程的制约关系，河流中下游的水沙输移是测站以上河道形态与流域来水来沙适应的结果，其中蕴含着造床流量的关键信息，譬如漫滩后河槽对洪水调蓄作用增强，大流量级被坦化削减，河道输沙动力减弱，从而使流量概率密度曲线、输沙率-流量关系发生一定偏转，可凭借这些关系曲线的突变点来判断造床流量［9-11］。时至今日，以上方法的适用性和有效性已被各种冲积环境下的河流水沙和地貌数据所证实［9，11-13］。但应该看到，这些方法原理有其适用前提：一是适用于单一河道，一般建议在支流入汇点之间的单一段应用［14］；二是针对准平衡河流，非平衡情况下各因素主次关系存在争议［6］。

长江中游河湖交织，尤其是江汉平原和洞庭湖平原，地处山前峡口的特殊地理位置，自古水网纵横，是长江洪水漫溢和泥沙沉积的主要区域。随着构造运动导致洞庭湖盆沉降，加之荆江地区人工筑堤，水沙南趋，洞庭湖区成为现代长江调蓄水沙的重点地区［15］。相比于一般河道主槽两侧的河漫滩，湖区同样具有调蓄洪水、调节输沙动力的功能，其作用更大。在江湖被隔离情况下，两者间水沙交换被集中于分汇流洪道，干流河道的水沙搭配关系在分汇口上下游发生调整，与其它河流滩槽之间沿程连续发生的水沙交换明显不同［16-17］。显然，湖区的滞洪、沉沙和调节水沙搭配功能，具有不同于一般河漫滩的物理机理，也必然会对干流造床过程产生全方位影响。

三峡水库运行前，韩其为［18］、李义天等［19］、殷鸿福等［20］、许炯心［21］曾先后从水利、地学等多角度分析了江湖水沙输移对长江中游河床调整和洪水位的影响，但其中未涉及造床流量的系统分析。三峡水库运行后，坝下游河道形态和水系格局并不会突变，江湖水沙输移对干流造床过程的影响依然存在，而目前针对坝下游再造床特征流量的研究，多采用了单一河段的常规方法［22-24］。本文结合长江中下游长系列水文资料，尝试讨论两方面问题：（1）江湖水沙输移影响长江中下游造床过程的机理，水沙过程与河道形态之间的适应关系与特点；（2）三峡水库运行前后，已有造床流量估算方法在长江中下游的适用性。

2 研究河段与资料

2.1 河段概况长江干流宜昌至大通段全长约1180 km，以江西湖口为界，上下两段分属中游和下游，长度分别约为950 和230 km。枝城以下为冲积平原河段，两岸主要分汇流包括：城陵矶以上荆江南岸有松滋、太平、藕池三口分流入洞庭湖；洞庭湖又集湘、资、沅、澧四水于城陵矶汇入长江；北岸汉江于汉口入汇；鄱阳湖集赣、抚、信、饶、修五河来水于湖口入汇干流。在长期水沙过程与地质地貌条件共同塑造下，长江中下游自上而下发育有山前沙卵石河段以及上荆江微弯、下荆江弯曲和城陵矶以下分汊河段。本文着重讨论冲积平原河段，其范围始于距宜昌60 km 的枝城，河道概况如图1所示。

2.2 数据资料长江中下游以悬沙造床为主，可用水文站的日均流量、含沙量资料反映沿程水沙通量，涉及站点包括：干流沿程枝城、沙市、监利、螺山、汉口、大通等6 个水文站，荆南三口五站（新江口、沙道观、弥陀寺、康家岗、管家铺），洞庭湖入汇口城陵矶站、汉江仙桃站以及鄱阳湖入汇口湖口站，各站点分布见图1。采用各站点的1953—2002年资料系列，数据均来源于长江水利委员会水文局。其中，枝城站与沙市站由于建站较晚，资料始于1992年与1991年。受下荆江裁弯影响，1990年代之后荆江河道才重新恢复准平衡，故监利站资料统计年份也始于1991年。除天然时期资料，还收集了沙市站和汉口站2003—2016年日均水沙资料进行三峡建库前后对比。在水沙资料之外，为便于各流量级下沿程水面线的确定，还收集了1992—2002年干流6 个水文站的日均水位。

河道地形资料方面，采用了长江水利委员会水文局的长程固定断面资料，这些断面布置相对较为均匀，在放宽段和束窄段均有分布，高程范围一般自左岸堤线至右岸堤线，包含河道中的洲滩。本文采用的2002年10月测次，在荆江河段含有183 个断面，平均间距约1.79 km，城陵矶-大通河段含断面830 个，平均间距约1.06 km。本文中对各河段区间的简称如图1（b）所示。

图1 长江中下游河道概况及其分流汇流关系

3 研究方法

根据长江中下游的江湖水沙分汇特点，系统分析干流的水沙输移特征。采用地貌功原理和平滩流量法，分析不同区间内的造床流量。最后结合前两者归纳江湖水沙输移对干流造床流量的影响。

3.1 水沙输移研究

3.1.1 水沙输移的时空差异 为研究沿程分汇关系对干流水沙输移的影响，采用以下方法：（1）根据枝城至大通河段进出口和分汇流测站资料，采用基于质量守恒原理的年水量、沙量收支平衡计算［21］，分析沿程水量增加与泥沙冲淤情况。（2）以测站水沙资料为对象，取其多年的分月平均值，分析水、沙过程的丰枯节律和变幅。（3）针对城陵矶以上的分流河段，统计各级枝城流量下的河段内日均冲淤强度，以及枝城日均流量与下游各站相应的日均含沙量关系（考虑传播时间），分析含沙量沿程增减和河段内冲淤特点。以上统计均针对各站资料较为齐全的1992—2002年。

3.1.2 水沙搭配关系分析 冲积河流中特定断面的输沙率常与相应时刻的流量有关，这种关系决定于断面以上的流域和河道系统。冲淤变幅较大的河流常用来沙系数作为描述水沙搭配关系的指标［25］，而相对稳定的河流上则常用输沙率Qs与流量Q 的幂函数关系来反映二者关系：

式中a 和m 为参数。

在具备流量、含沙量长系列观测资料的情况下，可通过回归分析得到参数值。多数研究认为m由河道形态决定，在沙质河流m 值在2～3 附近，近似为常数［3，11］。但也有研究认为，在流量增加过程中，河道中泥沙运动状态存在突变，河道水动力特性也存在突变，输沙率与流量之间并非单一函数关系，也即式（1）中m 并非常数［11］。

为能够从多年平均意义上确定各站的流量和含沙量关系，采用以下方法：将长系列日均流量Q和含沙量S，按流量大小排序；采用对数等间隔，在最枯和最大流量之间划分80 个流量区间，每个区间内数据天数为Ni，i=1～80 ；统计各区间内的多年总输沙量和总水量，在此基础上计算各区间内多年平均含沙量和平均流量，绘制之间的关系。以上计算中，螺山、汉口、大通采用1953—2002年系列，枝城、沙市、监利因受建站较晚等限制，采用1992—2002年系列。采用对数等间隔划分流量区间，可避免大流量区间内数据较少而引起的代表性不足问题［5，11］。

3.1.3 流量频率特征分析 流量频率分布是各级流量造床动力时间因素的体现，常以经验频率分布散点和理论分布函数曲线两种形式来描述。其中，前者基于实测资料统计得到，能够定性上直观体现流量概率分布特征，后者是借助于常见函数拟合经验频率散点，从而为规律分析和造床流量计算提供更为量化的辅助。

对各站流量经验频率分布统计，采用以下方法：基于长系列日均流量资料，以对数等间隔划分80 个流量区间，统计各区间内天数Ni，i=1～80；以下式计算各流量级的概率密度：

式中：f(Qi)为第i 级流量附近概率密度；Ni、N 分别为第i 级流量出现天数和流量系列总天数；∆Qi、Qi分别为第i 级流量区间的上下边界差值和均值。

对于流量的理论频率分布，常用函数类型包括皮尔逊Ⅲ型分布、正态分布、对数正态分布等［6］。根据经验，对于时间连续的流量序列，观测样本之间并不独立，用于年极值频率分析的PⅢ函数并不适用［11，13］。对数正态分布在一些中小河流上符合较好，但不吻合的也不乏其例［6，11］，尤其是在长江中下游的应用并不理想［24］。值得注意的是，Segura 等［9］针对多条河流的统计分析发现，河流的枯水基流与中洪水的产汇流机制不同，故可将枯水基流分离出去，单独对中洪水流量实施频率分布拟合，进一步建议以指数分布或分段幂函数分布来描述中洪水频率分布，相应的函数表达式分别为：

式中：b0、b1为指数函数中的参数，可直接通过回归分析确定；a0、a1、α、β 为分段幂函数中的参数，文献［9］中提出了试算法加以确定。

长江干流基流主要源于宜昌以上的流域下垫面渗流，而中洪水则主要由干支流雨洪汇集形成，它们的产汇流机制有所不同，因此本文采用式（3）、式（4）拟合中洪水流量的理论频率分布函数。计算采用的各站日均流量资料年限同上。

3.2 造床流量与平滩流量计算

3.2.1 造床流量计算 造床流量计算采用基于地貌功原理的图解法与解析法。图解法的步骤是：将日均水沙数据按流量排序后，依据流量大小，按对数等间隔分为80 个区间，计算各区间上下边界的均值Qi以及各区间内输沙量；绘制Φ-Q 的关系曲线，寻找Φ 最大值对应的流量Q即为造床流量。解析法与图解法的思路类似，只是各流量级出现天数以式（2）的理论概率密度函数来计算，输沙率则以类似式（1）的输沙率函数计算，造床流量通过函数求导得到。文献［11］中曾导出了流量概率密度符合对数正态分布情况下的造床流量表达式，按照类似思路，分别将式（1）、式（3）或式（1）、式（4）相结合，可得到流量概率密度符合指数函数、分段幂函数两种情况下的造床流量表达式：

需指出的是，以上两种方法中，图解法直接基于观测资料，即使流量的经验概率分布不符合常见概率密度函数，或者流量-输沙率关系不符合（1）中的单一函数关系，也可得到造床流量。而解析法则是在假定以上二者皆符合理论函数关系情况下才适用。

3.2.2 平滩流量计算 从河段尺度上估算平滩流量的常见方法有［26］：（1）选取沿程滩唇高程，并与不同流量级下的沿程水面线进行比较，与大多数滩唇齐平的水面线对应流量即为平滩流量。该方法适用于沿程存在较多高大完整洲滩且滩唇明显的河段。（2）计算出各流量级下全河段内平均河宽、断面面积或平均水深等要素，识别出这些几何要素的突变点，其对应的流量即为平滩流量。该方法适合于观测断面较多的情况。长江中下游受两岸人工护岸和自然抗冲节点制约，宽窄相间，江中发育不完整的低滩与高大江心洲并存。因此，本文以方法（2）估算各河段平滩流量，河段尺度的平均几何要素取各断面平均值，对于江心洲较多且滩唇明显的城陵矶以下段采用方法（1）进行验证，其中选取的高大洲滩断面在螺-汉河段区间有12 个，汉-大河段有38 个。计算过程中的各流量级下水面线，采用各区间进出口测站的1992—2002年平均水位流量关系，再考虑沿程分汇流，通过恒定流水面线计算得到。下文中高程和水位统一采用1985 国家高程基准。

4 结果与讨论

4.1 水沙输移特征

4.1.1 水沙输移量的时空分布特征 1992—2002年数据统计显示，相对于大通站径流量，枝城站来水占比约45%，城陵矶以上区间（不含城陵矶）入出流占比-5%，城陵矶及其以下区间入流占比60%；相对于大通输沙量，枝城来沙占比118%，城陵矶以上沙量收支占比-29%，城陵矶及其以下区间收支占比11%。图2 显示了区间内更为详细的沿程水、沙收支情况，由图2 可见，城陵矶以上除松滋口和太平口分流（松太分流）占到大通径流4.8%之外，其他分汇水量比例均在1.5%以内，沿程分出的沙量比例明显大于水量，可称为沙量减少区。而在城陵矶及其下游区间，城陵矶和湖口入汇水量分别占到大通的30%和19%，汇入水量明显大于沙量，可称为水量增加区。由此可见，大通以上具有一定的水沙异源特征，城陵矶上下具有明显空间差异性。

图2 枝城-大通河段沿程水沙收支

从年内各月的径流和含沙量分布来看，干流沿程各站汛枯分明，但螺山以下含沙量的年内变幅相对其上游显著减小（图3），并且这种变化是在监-螺区间突然发生。图4 比较了该区间内监利、螺山和洞庭湖入汇站城陵矶的年内流量和含沙量过程，可见城陵矶站水量略小于监利，两站水量的汛枯分布特点类似，但城陵矶含沙量却较监利明显偏低，并且含沙量较高时期在汛前的2—5月，水沙异步现象非常明显。由此可见，城陵矶站汛期汇入低含沙水流的稀释作用，是导致螺山及其下游测站含沙量减小的原因。汉-大区间虽然有鄱阳湖入汇，但由图3 可见，含沙量沿程减小的现象不如监-螺区间明显。

图3 干流测站多年月均含沙量

图4 城陵矶附近各站多年月均流量和含沙量

针对城陵矶以上分流较多的荆江河段，图5 中基于干流和分流口各测站1992—2002年同日水沙资料，从沙量平衡角度统计了枝城-监利区间各流量级下的日均冲淤率，此外还点绘了干流沿程各站的日均含沙量-枝城日均流量关系，其中沙市、监利含沙量考虑水流传播时间分别滞后枝城流量1 d、2 d。图5 显示，在枝城流量小于36 000 m3/s 左右的临界流量时，含沙量沿程增大，河道略呈冲刷，而在大于该临界流量时含沙量沿程减小，河道呈现淤积。与图2 中的年尺度冲淤规律相比，图5 进一步说明了区间内冲淤在汛枯期为往复性，主要淤积区只可能在汛期淹没而枯期出露的滩地上。图2 和图5 中沙-监、监-螺区间呈现淤积的现象，与沙市以下河道展宽、洲滩和河漫滩发育的事实相符，也与以往研究中基于1980—1998年河道地形的分析结论相一致［20］。

图5 不同流量级下荆江河段日均输沙特征

4.1.2 水沙搭配关系 根据长系列日均水沙资料，图6 给出了多年平均意义上的各站流量-含沙量关系。从图6 可以看出以下规律：（1）各站的流量-含沙量关系均表现出两段性特点，当流量超过某一临界值后，含沙量的变化趋势存在明显的拐点；（2）当流量小于临界值时，各站的流量-含沙量之间呈幂函数关系，决定系数R2均在0.94 以上，幂指数大部分在1～2 之间，与其他河流的规律较为类似；（3）当流量大于此拐点对应的流量之后，在螺山以上，含沙量增加趋势减缓，甚至不增加，而在螺山及其下游站点，则呈现明显的含沙量减小趋势；（4）拐点流量在螺山以上沿程减小，枝城、沙市、监利三站分别约为37 000、32 000 和28 000 m3/s，而在螺山以下则沿程增大，螺山、汉口、大通三站分别约为40 000、41 000 和44 000 m3/s，与沿程分汇流引起流量增减相吻合。综上所述，长江中下游的流量-含沙量关系与其它河流上的单一幂函数规律显著不同，这种特殊性应该与沿程分汇流有关。

图6 干流沿程各站多年平均流量-含沙量关系

4.1.3 水文频率特征 根据干流沿程各站的日均流量数据，计算出经验频率分布之后，经检验，其概率密度与常用的对数正态分布并不吻合，这一点其它研究的认识相一致［24］。因此，本文主要分析各站超过多年平均流量的中洪水流量的频率分布情况。图7 给出了沿程6 站的中洪水经验频率分布以及指数函数（EXP）、分段幂函数（BPL）拟合效果，表1 给出了最终得到的最优函数关系式。由图7 和表1 可见，对城陵矶以上各站，分段幂函数效果略优于指数函数，拟合的决定系数R2沿程增加，均在0.94 以上，流量概率初步显示了中流量与大流量的分段特征，越往下游大流量出现几率越少。对于城陵矶以下各站，当流量大于某一临界值时，概率密度急剧减小，分段幂函数更能描述这种概率分布特点，R2均在0.96 以上。表1 中参数显示，螺山、汉口、大通的分段幂函数分段点依次增大，但都在40 000 m3/s 附近。显然，这与江湖系统对40 000 m3/s 以上流量的显著调蓄能力有关。

图7 不同函数对水文频率分布的拟合效果

4.2 各站造床流量

4.2.1 基于地貌功原理的造床流量 采用图解法计算造床流量，形成的输沙量曲线如图8所示。由于各站资料年限不同，图中各级流量下输沙量已转化为年均值。图8 显示，各站的流量-输沙量曲线均存在明显的峰值范围，该范围的中心位置即为造床流量（表1），其数值在城陵矶上下游分别呈现了沿程减小和沿程增大的趋势。

图8 各站流量-输沙量曲线

一些研究采用解析法计算造床流量，并认为后者有利于辨析流量频率和河道输沙能力两种因素变化的影响［6］。若采用解析法，则意味着必须用函数关系来表示流量-输沙量关系和流量概率密度分布。由图6 可见，长江中下游各站的流量-含沙量关系存在临界拐点，为检验这种特殊关系的影响，假定图6 中拐点之前的幂函数关系同样适用于大流量，也即采用其它河流类似的关系式（1）描述流量-输沙量关系，将其与图7 中拟合的概率密度函数相结合之后，可用式（5）、式（6）计算各站的造床流量（参数见表1）。若由此得到的造床流量与图解法近似，则说明流量-含沙量关系的分段特征对造床流量影响不大，否则说明其影响不可忽视。解析法的计算结果见表1，由计算结果可见，若采用指数函数描述流量频率分布，则解析法计算结果与图解法差异较大，若采用分段幂函数描述流量频率分布，解析法与图解法差异缩小。尤其是在城陵矶以下，二者甚为接近。这一方面说明，分段幂函数相比于指数函数更能描述长江中下游的中洪水流量频率分布，另一方说明，流量频率分布的分段特性相比于含沙量的分段特性，对造床流量影响更大。

表1 各站水沙特征参数及造床流量 （单位：m3/s）

4.2.2 基于平滩流量的造床流量 以10 000 m3/s 流量对应的基本河槽为起算点，以5 000 m3/s 流量为间隔逐级增大流量，分别计算了荆江河段10 000～60 000 m3/s、螺-汉河段10 000～65 000 m3/s流量范围内各级河槽的平均河宽和水深，如图9所示。由图9 可见，在基本河槽内，随流量增大，河宽与水深均急剧增大，但当流量达到某一范围时，水深随河宽增大的变幅甚小，而当流量超过这一范围之后，水深随河宽变化的速率又重新增大。这一临界范围，在荆江河段（对应枝城流量）约为25 000～45 000 m3/s，在螺-汉河段（对应螺山流量）约为30 000～50 000 m3/s。之所以呈现以上现象，是由于河道内既存在发育不完整的低滩，又存在放宽段内高大江心洲，从长河段角度，从漫滩到洲滩被淹没有一个流量范围，在此范围内随着流量增大河宽会急剧增大，而水深变幅不大，当大部分洲滩被淹没之后，水位涨至两岸堤防，随着流量继续增大水深又继续增大。

图9 不同流量下河段内平均河宽与平均水深关系

从图9 可知，所谓平滩流量实际上是个流量范围，这与多数文献中认为造床流量是一个流量范围的认识相一致［1-2，5］。选择各河段平滩流量的均值作为造床流量，由图9（a）可见，荆江河段约为枝城流量35 000 m3/s，考虑该级流量下的三口分流量之后，沙市、监利分别约为30 000 和28 000 m3/s；从图9（b）可见，螺-汉河段约为40 000 m3/s。为进一步检验平滩流量的合理性，对城陵矶以下河段，利用洲滩较完整的典型断面，查取滩唇高程并与各级流量下水面线进行了对比（图10），由图10 可见，汉口以上和以下河段滩唇位置分别与螺山流量40 000 m3/s、大通流量44 000 m3/s 的水面线总体相符。

图10 城陵矶-大通河段滩唇高程与平滩流量下水面线比较

4.3 水沙输移特征与造床流量关系分析

4.3.1 水沙输移时空差异性的形成机制 由上文分析可知，洞庭湖对干流水沙输移影响显著，城陵矶上下游河段呈现出明显差异，体现在水沙搭配关系、洪水流量频率分布等多方面。显然，这种空间差异性与江湖之间水沙分汇有关。

从洪水蓄泄特性来看，除了大堤之间江槽存在调蓄作用之外，长江中游更为特殊之处体现在干流洪水可通过三口分入洞庭湖，从而产生明显削峰效果。图11 中给出了1992—2002年枝城日均流量与三口日均分流量之间关系，由图11 可见，三口分流比随着流量增大的速率在枝城流量大于35 000 m3/s 之后趋于最大值，维持在0.23 左右。图7 中螺山站流量概率密度在36 000 m3/s 左右发生转折，扣除区间入流之后，两个流量临界值非常接近，其原因显然与此流量级以上江湖系统调蓄作用增大有关。

从泥沙冲淤特性来看，河道内的输沙能力一般与流量高次方成正比，三口汛期分流增大（图11），必然导致干流输沙能力降低，而枯期三口分流量较小甚至断流，则基本不影响干流输沙。图2、图5 中，荆江各站汛期含沙量沿程减小、河道洪淤枯冲的规律，显然与这种输沙动力周期变化有关。但从图3 来看，尽管监利以上的干流河道存在淤积，但沿程的含沙量剧减并不发生于监利以上，而是监-螺区间，这说明沙量剧减主要由洞庭湖沉沙引起。图4 中已说明了城陵矶月均来沙量及其年内分配与干流站的显著差异，图12 中进一步给出了1992—2002年城陵矶日均流量-含沙量关系，可见当流量大于11 000 m3/s 时，含沙量与流量呈明显负相关，量值基本低于0.1 kg/m3，近似清水。综合来看，荆江干流淤积的临界枝城流量约为35 000 m3/s，洞庭湖沉沙效果较显著的临界城陵矶流量约为11 000 m3/s，考虑汛期三口分流比例0.23，由此折算得到螺山站含沙量减小的临界流量约为38 000 m3/s，与图6 非常吻合。

图11 荆江三口分流比与枝城流量关系

图12 城陵矶汇流含沙量与流量关系

综上可见，洪水期洞庭湖对干流产生明显调洪功能，导致洪水概率密度在大于某一流量发生明显转折，这一规律与其他河流河漫滩调蓄洪水导致的规律类似。但不同于其他冲积河流以洲滩发育为主的泥沙沉积，长江中下游明显的水沙关系拐点除了与干流的洲滩淤积有关之外，更主要是由独特的江湖关系所致：一是分流导致荆江干流输沙动力降低，汛期含沙量沿程减小；二是干流分入洞庭湖的“高含沙量”水流与洞庭湖四水合流之后，经湖区沉沙，近似清水入汇长江，对城陵矶以下产生了显著的稀释作用。两者综合作用下，导致了监利至螺山流量显著增加而输沙量几乎不增加，含沙量显著减小。换而言之，正是独特的江湖关系形成了以城陵矶为界上下河段水沙输移特征迥异的格局。相比于洞庭湖，鄱阳湖不具有分流分沙功能，因而大通站与汉口站的水沙输移规律类似。

4.3.2 水沙输移特征对造床流量的影响 上文基于地貌功原理和平滩流量法分别得到了造床流量，见表2。一些研究也表明，流量-含沙量曲线、流量概率密度曲线中的突变点，也对造床流量具有指示意义。将上述特征流量也列入表2，可见除了城陵矶以上的概率密度拐点结果之外，其他几者在量级上基本吻合。之所以出现这种现象，显然是由于城陵矶以上流量概率密度受长江上游流域降雨产汇流特性影响较大，江湖系统调蓄作用产生的流量概率密度偏转尚不够明显，而城陵矶以下受江湖系统调蓄影响，流量概率密度的分段特征格外突出。由表2 总体来看，经过长期冲积作用，长江中下游的水沙过程与河道形态相互适应，各角度得到的造床流量相互对应。

表2 各站特征流量与造床流量对比 （单位：m3/s）

长时间尺度来看，河道进口来水来沙是塑造冲积河道形态的主动因素。根据城陵矶上下游水沙输移特征差异，可对造床过程中各因素的作用加以解析：（1）对于城陵矶以上河段，枝城站水沙过程不受江湖分流影响，而沙市和监利则明显受分流影响，但由表2 中结果可见，依据枝城站来水来沙统计得到的流量-含沙量关系拐点、地貌功造床流量与依据整个荆江河段地形反推得到的平滩流量接近，并且与其下游沙市、监利两站的特征流量也对应良好。不仅如此，图11 中三口分流比转折点36 000 m3/s，也与枝城造床流量、荆江平滩流量基本对应。这说明，作为广义上的河漫滩，包括三口分流道在内的河流系统都经受枝城来水来沙的塑造，枝城来水来沙是荆江河段造床流量的决定因素，三口分流分沙处于被动适应地位。（2）对于城陵矶以下河段，尽管沿程有汉江、鄱阳湖水沙入汇，还经历了六百多公里河道调蓄作用，但可以看出螺山、汉口和大通站的流量-含沙量关系、流量概率密度分布具有相似性。尤其是螺山以下来流占大通约30%，但由表2 可见沿程的造床流量增幅有限。显然，经过江湖调蓄的螺山水沙过程是决定螺山以下造床流量的决定因素，沿程汇流影响有限。

根据地貌功原理，各级流量持续时间（水文特性）与各级流量下河道输沙能力（动力特性）联合决定造床流量。对城陵矶以上河段，河段进口枝城站处于三峡出口前缘与江汉平原交界带，其流量-含沙量关系在大流量时期的转折由上游流域所导致。由表1、表2 可见，当采用式（1）而不是图6 中的真实流量-沙量关系解析推求造床流量时，城陵矶以上各站的计算值与实际值差异较大。这说明，除了流量频率之外，上游来水来沙搭配关系对荆江河段造床流量影响不可忽视。对于城陵矶以下河段，在解析法中采用式（1）计算得到的造床流量与实际值非常接近，这说明对造床流量起主导作用的是流量概率密度。实际上，将表1 中各站参数代入式（6），可以看出城陵矶下游各站相应的计算式中幂指数项的值接近于1，Qe的量级基本由转折点a1决定。因此，江湖蓄泄特性导致的洪水概率密度分布，是决定城陵矶以下干流造床流量的最关键因素。

4.3.3 新水沙条件对造床流量的影响 三峡水库运行后，坝下游洪水被削减、流量过程均匀化，水流含沙量严重次饱和，河道如何调整是值得研究的问题。对冲积河流而言，来水来沙是塑造河道形态的主动因素，这一特点并不会随水库运行而发生改变。虽然在建库初期，沙量严重次饱和导致过流断面两侧难以淤积还滩，但随着时间推移和出库含沙量增大，河槽必然被重塑。在距坝较远位置，由于含沙量更容易通过沿程补给得到恢复，滩地重塑的时机可能更早。这个过程中，即使河流处于非平衡态，仍然可运用造床流量的观点对各种因素的影响效应和河道调整趋势进行宏观的预判。对于长江中下游而言，由于江湖分汇流格局将长期存在，上文形成的认识仍具有启示意义。

在城陵矶以上分流影响区，前文分析已表明，来水来沙搭配关系和流量频率分布均对造床流量影响较大。以沙市作为荆江河段代表水文站，点绘三峡水库蓄水后的水沙搭配关系（图13（a）），由于大量泥沙由河床补给，流量-含沙量关系的幂指数有所增大，根据式（6）可知这种变化有利于造床流量增大。但由流量频率分布来看（图13（b）），由于洪水流量削减，概率密度的拐点由26 000 减小为22 000 m3/s，将导致造床流量减小。根据图13（a）（b）中蓄水后水沙输移特征重新估计式（6）中的参数，计算可得沙市站造床流量将由蓄水前32 000 减小至23 000 m3/s 左右。由此可见，近期流量频率分布的变化对荆江河段造床流量调整起到了主导作用。从远期来看，随着荆江河段床面补给沙量衰减，图13（a）中的幂指数仍可能变化，此外由于干流和分流河道的调整不一定能保持同步，不排除在一定时期内三口分流特性调整也影响干流的流量频率分布。因此，对城陵矶以上的造床流量调整，需同时关注多种因素的影响。

图13 三峡水库运行前后典型站点水沙输移特征比较

对城陵矶以下河段，流量频率分布对造床流量影响更大。以汉口作为该河段内代表水文站，从该站三峡建库后的水沙输移特征来看，流量-含沙量关系相比于天然情况整体下移（图13（c）），但幂指数基本不变，由式（6）可知，这意味着造床流量调整将由流量频率分布所主导。而由图13（d）来看，三峡水库蓄水后的流量概率密度相比于天然情况明显调整，分段临界点由蓄水前的42 000 减小至35 000 m3/s 左右，重新由式（6）计算可得造床流量将由39 300 减小为34 000 m3/s，这预示着洪水河槽萎缩的发展趋势。城陵矶以下来流频率受到三峡下泄流量、洞庭湖四水来流共同影响，长期来看还受分汇流河道和湖床、河床调整引起的蓄泄特性变化影响。为避免洪水河槽萎缩的不利变化，应密切关注多种因素共同影响下的流量频率特征。

5 结论

长江干流水沙输移特性受到独特江湖分汇流影响，进而影响造床流量。对于二者之间的关系，本文开展了多角度系统分析，形成如下认识：（1）由于来水来沙空间异源、时间异步，加之湖泊滞洪沉沙功能，长江中下游以城陵矶为界，其上下河段水沙输移存在明显差异。城陵矶以上的分流沉沙区，中水和洪水流量概率密度之间存在微弱的转折，枝城流量大于35 000～40 000 m3/s 的临界范围时，三口分流比达到最大，导致干流河道淤积；城陵矶以下的汇流稀释区，中洪水流量的概率密度呈明显的分段幂函数分布，当洞庭湖汇流量大于11 000 m3/s 时含沙量降低，导致城陵矶下游河段在流量超过40 000 m3/s 左右的临界范围时，流量-含沙量关系由正相关转为负相关。（2）长江中下游水沙过程与河道形态相互适应，依据地貌功原理估算的造床流量与依据河道形态反求的平滩流量相一致，但它们的形成机制在沿程存在差异。在荆江河段，枝城来水来沙是决定造床流量的主要因素，分流分沙关系为次要因素，流量概率密度分布与流量-含沙量关系均会影响造床流量；在城陵矶以下河段，造床流量主要受中洪水流量概率密度分布影响，江湖系统调蓄洪水作用是影响造床流量的重要因素，沿程汇流对造床流量影响较小。（3）天然情况下，流量-含沙量曲线拐点、中洪水概率密度转折点直接反映了江湖系统内水沙输移特征的突变，也反映了水沙过程对干流河道塑造作用的临界特性，能够作为判断造床流量的依据。三峡水库运行后新水沙条件下，中洪水频率、水沙搭配关系均发生调整，但河床再造过程中，本文归纳的各种影响因素及其主次关系不会变化。洪水频次削减导致洪水河槽存在萎缩可能性，应受到密切关注。