长江流域河流泥沙与治河防洪研究及实践

董耀华

(长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

河流泥沙与治河防洪密切相关，两者均属于水利工程(一级学科)水力学及河流动力学(二级学科)的研究范畴，河流泥沙侧重理论与基础研究，治河防洪强调实践与应用研究，同时也是笔者长期从事“治河、治江、治水”水利工作的专业实践基础与科研成果源泉。以长江流域(图1)为研究对象，基于笔者科研论文成果、长江治理实践以及国内外研究现状，按照河流与泥沙基本理论研究、河流水沙模拟与专题研究和长江治理与防洪实践应用共3个领域，本文将对长江流域河流泥沙与治河防洪的相关科研成果及实践开展创新理论、核心成果、关键技术、最新认识及拓展研究等方面进行综述。

图1 长江流域河流水系示意图Fig.1 Sketch of main channel and major tributaries in the Yangtze River basin

1 河流与泥沙基本理论研究

河流与泥沙基本理论研究包括河流分类及形态研究和泥沙特性及运动研究2部分内容。

1.1 河流分类及形态研究

河流分类及形态研究主要涉及河流分级、干流河道分段和河势贴体网格等河流形态3部曲。

河流分级研究涉及长江流域水系划分与河流分级研究[1]和河流分级方法研究及应用[2]等，创新理论与核心成果如下：广义河流分级包括“自大河而小河/树枝模式”水系划分与“自小河而大河/根系模式”河流分级(狭义)，倡导河流分级Horton法，提出与水系划分相结合、选用“最小单元河流”和引入河流树状图表等主要改进；将长江水系推荐划分为干流水系与8个支流水系；选取流域面积≥2 000 km2或河长≥100 km“最小单元河流”，确定长江流域(不含太湖水系)河流总数374条；研究确定长江流域最高河流分级数为6级，综合确定长江流域24条重要河流水系(图1和表1)。最新认识包括：研究实现了水系划分与河流分级的方法统一与成果融合，提升了长江河流水系辨识以及干流重要性与河流整体性认识。拓展研究包括：“最小单元河流”优化研究，大江大河分级与河流分类研究，以及河流水系形态与流域产流产沙、河道汇流输沙之间联系研究等。

表1 长江流域水系划分与河流分级成果汇总Table 1 Results of watershed division and stream-orderclassification of the Yangtze River

干流河道分段研究涉及世界10大江河河流分段方法研究[3]和河流5区分段法与长江干流分段实践研究[4]等，创新理论与核心成果包括：探讨了世界10大江河河流分段方法，提出了“河势节点分段”“汇流节点分段”“混合节点分段”3类节点分段方法(表2)；基于Schumm河流分区理论，提出了“河流5区分段法”——以流域分区为主导(“体”)，以干流河道分段为目标(“用”)；基于流域特性、河道特性和兼顾两者“广义”河流分段定义，汇总了长江干流分段方法(图1和表3)。最新认识包括：长江中游与下游分段不明显且意义不大，推荐以三峡工程替代宜昌的长江干流“新2段”划分(三峡工程以上和以下)[5]；“分段河道不分级、分级河道不分段”思想(不能对分段河道进行分级，只能对最高河流分级数的干流河道进行分段)。拓展研究包括：山区与平原2段划分方法研究[6]；河流分类分级与分段方法系统研究等。

表2 世界10大江河河流分段方法[3]Table 2 Segmentation methods for ten large rivers inthe world[3]

表3 长江干流分段方法实践汇总[4]Table 3 Segmentation methods and their practicesfor the mainstream of the Yangtze River[4]

河势贴体网格研究[7-8]的创新理论提出了基于张瑞瑾[9]河势概念的河势贴体拟合思想——放弃传统二维数学模型网格严格要求与河道岸线拟合思路，构建纵向与河势或主流拟合、横向与河势控制断面吻合的河势贴体拟合曲线(图2)；配合边界层坐标系下河道水深平均流体力学控制方程及合适的数值方法(如SIMPLER算法)，可实现河道平面二维水流泥沙的较好模拟。最新认识包括：①河势贴体纵向网格基于“河势”线(河道中心线、深泓线、主控岸线、流量中线等)，横向网格保留了河道一维断面，为河道一、二维数模“无缝”嵌套以及河长精准计算提供可能与便利；②河势定义基于水流流态与河道走势的“静态”定义(强调河床演变结果)，不同于稳定渠道“动态”河势(准衡)定义[10]——可动河床与土质河岸渠道在运行周期内不冲不淤(强调河床演变过程)。拓展研究包括：复杂河道与水系的河势贴体网格研究等。

图2 长江葛洲坝枢纽至磨盘溪河段河势贴体拟合曲线[7]Fig.2 River-regime-fitted orthogonal quadrilateral grids of 2D water-sediment mathematic modelfor reaches from Gezhouba Project to Mopanxi[7]

1.2 泥沙特性及运动研究

泥沙特性及运动研究主要涉及泥沙分界、长江水沙变化与输沙地形对比等内容。

泥沙分界研究[11]的创新理论是划分粗沙与细沙，建立泥沙“微观”特性与河流“宏观”运动之间的内在联系；核心成果是提出冲积河流10组分界粒径(泥沙分类、球体泥沙沉速、单矿质泥沙、黏粒溶胶、泥沙絮凝、泥沙触变、淤积初始干重度、沙波初始形态、推移质悬移质、床沙质冲泻质等)及10个分界阈值“谱系表”(表4)。最新认识包括：①风沙运动也存在3组分界粒径[12]——荒漠沙丘缺乏<0.06 mm物质，0.10～0.15 mm泥沙最容易跃移运动，0.5～1.0 mm颗粒一般属于表层蠕移质；②冲积河流存在更广泛的特征长度“谱系”(如：黏性层厚度δ、泥沙粒径d、糙度k、水深h、河宽B、涉河建筑物特征尺度le、河流洲滩特征尺度lr、河道弯曲半径r、河长L、流域特征长度A0.5等)。拓展研究包括：冲积河流特征长度与水沙运动无量纲参数研究；“泥沙微观”与“河流宏观”内在联系机理研究等。

表4 河流泥沙10组分界粒径“谱系表”[11]Table 4 Pedigrees of ten groups of demarcating grainsizes of river sediment[11]

长江水沙变化研究涉及长江干流水沙特性、变化趋势与规律[13-14]以及世界河流输沙量变化[15]等，创新理论与核心成果包括：

(1)采用频率统计、适配线拟合、相关分析和累积曲线4类方法，分析了长江干流寸滩、宜昌、监利、汉口和大通(图3)共5站水沙特性与变化趋势；长江干流年径流量基本保持不变，年输沙量呈减小趋势，年均减小约1%，2000年后呈加速减小趋势；长江输沙基本遵循“水多沙多、水少未必沙少”规律。

图3 长江大通站年径流量与输沙量双累积曲线[13]Fig.3 Double accumulative curve of annual runoffs andsediment loads at Datong Hydrographic Station ofthe Yangtze River[13]

(2)世界145条大河中约50%输沙量呈明显增加或者减少趋势，年径流呈明显变化趋势的相对较少(大约30%)；影响河流输沙量的重要因子是建库、土地开垦和使用方式变化以及其他土地扰动活动(如采矿、水土保持措施和泥沙控制工程以及气候变化等)，其中水土保持措施、泥沙控制工程、建库等可能引起输沙量减少。最新认识：河流水沙应选河口或上游未建坝代表站，长江干流代表性较好的水沙站是大通站而不是宜昌站。拓展研究包括：输沙特性变化(悬移或推移比例)与泥沙测量误差(底沙漏测、积点法与积深法差异等)对输沙量估算的影响研究；水沙关系变化研究及成因分析等。

输沙地形对比研究的核心成果是输沙量法与地形法估算河道冲淤量的差异比较及原因分析[16]，定量成果包括：假设床沙质冲泻质分界粒径0.062 5 mm，输沙量法估算的1987年6月1日至1991年5月31日长江干流新厂至监利河段河道淤积量0.431 4亿t；假设平滩水位34.0 m，地形法估算的1987年5—6月至1991年5月河道淤积量0.438 3亿t；冲淤基本平衡与河道造床条件下两者非常接近(图4)。定性分析表明：影响输沙量法适用性与精度的关键参数和因素包括床沙质冲泻质分界粒径、“冲淤平衡”满足程度和水沙资料完整性等；影响地形法的关键参数和因素包括泥沙干重度、“造床高程(平滩水位)”满足程度和河道地形完备性等。最新认识包括：输沙量法与地形法由造床泥沙关联，两者互补性大于差异性，输沙量法侧重于泥沙输移与河道冲淤的时间过程，地形法侧重于河床演变与河道冲淤的空间分布；水量平衡(特别对于较长或多汊河段)、泥沙测量误差和采砂等影响也非常重要。拓展研究包括：床沙质冲泻质分界粒径划分方法研究(固定值法、5%或10%床沙级配法、床沙悬沙切线法)；淤积物干密度影响研究[17]等。

图4 输沙量法与地形法估算新厂至监利河段冲淤量比较[16]Fig.4 Deposition-erosion amounts of Xinchang-Jianlireach estimated by the sediment load method andthe map method[16]

2 河流水沙模拟与专题研究

河流水沙模拟与专题研究包括河流水沙模拟研究与河流水沙专题研究相互关联的2大部分。

2.1 河流水沙模拟研究

河流水沙模拟研究主要涉及河流水沙数学模型、模拟方法及关键技术等研究成果，笔者[18]曾将长江科学院河流水沙数模研究及应用概括总结为：4种河流(水库)水沙模型(水库模型、河流一维模型、河流二维模型、河流(准)三维模拟实例)、3类水沙模型(估算模型类、专题数模类、引进模型类)，以及若干水沙模拟关键技术(长江科学院推移质输沙公式、二维数学模型码头工程概化、河势贴体正交四边形网格生成方法、水沙数学模型在线计算等)。

笔者及指导学生研发的模型及模拟关键技术包括：河道洪水演进模型、有限容积法河道二维水沙模型、水沙数学模型在线计算、河势贴体正交四边形网格生成方法、二维数学模型码头工程概化、水力学方法估算河道洪水影响、FLUVIAL-12模型及应用等。这里列举了5项代表性水沙模拟关键技术成果。

2.1.1 Hermite插值函数生成河势贴体正交网格方法

基于河势贴体拟合思想和Hermite三次插值函数，提出了河势贴体河道平面二维正交四边形网格生成方法；以长江洞庭湖支流资水尾闾青龙洲河段移堤工程影响二维水流模拟计算为例，展示了河势贴体网格成果(图5)。2个插值节点情况下的Hermite三次插值函数可表述如下[7-8]。

图5 长江洞庭湖资水青龙洲河段移堤工程影响计算河势贴体网格[8]Fig.5 River-regime-fitted grids for simulating Qinglong-zhou Embankment Displacement Reaches of the ZishuiRiver in the Dongting Lake of the Yangtze River[8]

需要满足的节点条件为

(1)

函数表达式为

H3(x)=y1α1(x)+y2α2(x)+m1β1(x)+m2β2(x)。(2)

式中：H3(x)、H′3(x)分别为Hermite三次插值函数和导数；α、β均为插值系数；x、y、m分别为插值节点的坐标、函数和一阶导数。

2.1.2 河道洪水演进数学模型河宽假定与糙率取值

洪水演进模拟中引入了2种河宽——断面过流河宽B和槽蓄河宽Bs，并采用了糙率随断面位置和水位(或流量)变化而变化的取值方式[19],如式(3)—式(5)所示。

B=KsBs,

(3)

(4)

(5)

式中：Ks为河宽比系数；nj、Zj分别为断面j瞬时糙率和水位;上标s对应平滩时相应值；Kj为断面j糙率变化系数，同一断面平滩水位之上或之下kj可以取不同值。

2.1.3 河道二维数学模型码头工程的概化

将码头栈桥简化为两排拦污栅过流阻水建筑物，将局部阻力系数转换成桩糙率与码头糙率[20]，即

(6)

式中：ζ桩为局部阻力系数；β为桩的形状系数；s为桩宽度；b为桩间距；α为桩与河底夹角；g为重力加速度；n桩、n河、n码头分别为桩、河道和码头综合糙率。

2.1.4 水力学方法估算大桥对河道防洪的影响

提出了断面流量模数、宽顶堰淹没出流、局部水头损失和恒定渐变流4种估算大桥对河道防洪影响的水力学方法。当河道地形与水文资料缺乏时，可据此估算中小河流建桥后上游水位壅高值和壅水范围[21]。

2.1.5 FLUVIAL-12河流水沙数学模型的引进

学习引进了美国加州圣迭戈州立大学张海燕教授基于河流最小能耗理论的FLUVIAL-12河道一维非恒定水沙数学模型[10]，并将其应用于长江下荆江藕池口至监利河段冲淤验证计算以及三峡水库运用60 a该河段冲淤变化预测计算[22]。

2.2 河流水沙专题研究

河流水沙专题研究包括河流泥沙专业及水力学及河流动力学科专题或专项研究，这里仅列举3项代表性研究成果。

2.2.1 弯道水流基本特性及数值模拟

概括总结了水面横比降、横向环流、流速重分布、分离流及弯道切应力和局部阻力等弯道水流基本特性；建立了极坐标下沿水深平均的弯道水流平面二维数学模型；模拟了前苏联罗索夫斯基实验室180°矩形弯道和长江荆江调关天然河湾的弯道水流运动(图6)[23-24]。

图6 弯道水流数值模拟[23]Fig.6 Numerical simulation of bend flow[23]

2.2.2 空腔回流区水沙特性及模型变态影响研究

利用长江科学院4组变态水槽(正态和变率2.5、5.0、7.0)试验数据，模拟了空腔回流区水沙特性及变态模型影响(图7)。研究表明：空腔回流具有不对称性和不封闭性，回流区环流特性决定泥沙特性及淤积量；不同变率空腔回流环流结构及含沙量分布形态相似，但存在环流中心及强度、进入空腔流量、回流水流特性及回流区含沙量及泥沙淤积量等定量差异；空腔回流区泥沙淤积量与模型变率呈线性相关[25]。

图7 空腔回流区水沙特性及模型变率影响模拟结果[25]Fig.7 Features of flow and sediment transport in cavityrecirculation area and influence of the distortedmodeling ratio[25]

2.2.3 河湖岸线洲滩利用对河湖功能影响研究

初步提出了基于自然与社会功能的“点-线-面”河湖岸线利用模式分类思想，初步厘清了河湖岸线洲滩利用对河湖功能影响的研究思路，综合提出了岸线利用“零增长”模式以及岸线资源“节约型”和河湖功能“友好型”河湖岸线管理对策建议(图8)[26]。

图8 岸线与资源利用模式[26]Fig.8 Modes of shoreline and resources utilization[26]

3 长江治理与防洪实践应用

长江治理与防洪实践应用包括重大治江工程(三峡、葛洲坝、南水北调)研究、治江重大问题研究以及长江防洪实践应用3个方面内容，笔者近5 a(2016—2021年)参加过19项长江防汛与河道查勘相关实践活动[5，27-29](文献[5]列出了16次，表5补充和增加列出了3次)，并列举了5项长江治理与防洪实践应用代表性研究成果。

表5 长江防汛与河道查勘实践Table 5 Practices of flood control and river survey ofthe Yangtze River

3.1 三峡枢纽坝区平面二维水流数值模拟

建立了基于SIMPLER算法的二维水流数学模型，预测了三峡水库运用80 a(淤积平衡)坝区流场，研究了坝区主流分布、进口流速分布以及上游引航道设置影响等，为坝区水流运动、上游引航道布置以及航道方案比较等提供依据(图9)[30]。

图9 三峡坝区整体及局部计算流场[30]Fig.9 General and local simulated flow vectors inthe Three Gorges Dam region[30]

3.2 葛洲坝工程对坝下游河道行洪的影响

坝下游宜昌至新厂河段河道冲淤变化与洪水一维非恒定流计算分析表明：①工程前(1980年)、后(1993年)河道宽深比(B0.5/H)呈减小趋势(河道窄深化)；宜昌至新厂段累积冲刷，新厂至监利段冲淤交替。②葛洲坝工程对河道槽蓄、行洪水位、洪峰流量等洪水特性均产生影响，主要表现为水位-流量绳套曲线平移(图10)[19]。后期应加强三峡-葛洲坝等枢纽工程对坝下游河道水位流量关系的影响研究。

图10 葛洲坝工程对坝下游河道水位-流量关系影响[19]Fig.10 Effects of the Gezhouba Project on stage-dischargeloop of downstream channels[19]

3.3 南水北调中线总干渠冰情计算分析

大清河冰情现场观测与计算分析表明：建立的一维非恒定水力学和水温数学模型验证精度较高；观测河段无冰盖时糙率为0.02～0.03，有冰盖时糙率增加到0.03～0.04；假定不出现冰情，观测河段水位将下降0.1～0.4 m，过流能力将提高30%～65%。南水北调中线总干渠与大清河冰情对比分析表明：总干渠冬季冰期输水期间难以形成静态稳定冰盖，水内冰、水面流冰、冰塞和冰坝的出现和存在将不同程度影响总干渠的糙率、水位和输水能力(表6)[31]。后期应加强总干渠增值提效与水源区汉江流域水安全保障研究。

表6 南水北调中线总干渠与大清河冰情特性对比[31]Table 6 Comparisons of ice-scenario characteristicsbetween the Main Canal of the South-to-NorthWater Diversion Project and the Daqing River[31]

3.4 长江中游螺山站1998洪水位偏高原因研究

总结分析了长江1998洪水螺山站洪峰水位比1954偏高1.78 m的4个原因：洪水特性差异，54洪水分洪影响，洞庭湖分汇流变化影响和长江干流河道变化影响。“81·7”洪水和1998洪水复演、1954洪水还原、1998和1954洪水演进等计算分析表明：1954洪水分洪降低螺山站洪峰水位0.83 m(或抬高1998洪峰水位0.83 m)，洞庭湖和长江干流河道变化抬高1998洪峰水位0.74～0.84 m(表7)[32]。鉴于长江中下游水位流量关系持续单向变化，后期应加强长江洪水特性与水位流量关系变化的定性分析与定量研究。

表7 长江中游螺山站1954与1998洪水演进计算成果汇总[32]Table 7 Summary of calculation results of flood routingin 1954 and 1998 at Luoshan Hydrographic Station[32]

3.5 2016洪水+长江中下游防洪与治河问题再探

2016洪水+(2016年以来洪水和2016年类型洪水)属于长江中下游干流河道与重要湖泊(太湖、鄱阳湖与洞庭湖)遭遇与相互顶托的区域洪水；研究提出了三峡水库蓄水运用后长江河床演变4个递进阶段——水库泥沙淤积、下游河道冲刷、江湖关系变化和河势变化调整；总结归纳了长江中下游防洪与治河10大新问题——流域水沙变化、河流情势变化、水文节律改变、河道洲滩演变、干流槽蓄变化、江湖关系影响、水位流量关系、防洪布局调整、河湖治理技术和河流管护研究(图11)[5]。后期应加强长江中下游河势与重要侵蚀基准面的变化及其影响研究。

图11 长江中下游防洪与治河10大新问题[5]Fig.11 Ten new key issues on flood control and riverregulation in the middle and lower Yangtze River[5]

4 结 语

倡导将河流泥沙研究广义地理解为河流研究与泥沙研究，建议加强基于泥沙的河流研究、不限于河流的泥沙研究以及河流与泥沙相互影响研究等；同时应强化河流泥沙理论研究与治河防洪实践应用之间关联研究与成果转化。近期拓展研究课题包括：河流分类分级分段方法与河流形态学系统研究；冲积河流特征长度与水沙运动无量纲参数研究；长江中下游河势与重要侵蚀基准面变化影响研究；长江洪水特性与水位流量关系变化研究；水源区汉江流域水安全保障研究；洪水、泥沙与岸线资源化研究等。