三峡水库下游河道演变与生态治理研究进展

姚仕明，胡呈维，渠 庚

(1.长江科学院 河流研究所，武汉 430010； 2.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)

1 研究背景

长江流域面积180万km2， 是我国水资源配置的战略性水源地和水电开发主要基地，是连接东、中、西部的“黄金水道”以及珍稀水生物的自然宝库，在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。而长江中下游沿江两岸是国家经济建设的精华地带，重中之重。近些年来，在自然条件和人类活动(特别是大型水利工程簇群调度应用)的双重影响下，进入长江中下游的沙量大幅减少，“清水”下泄使得长江中下游干流冲刷范围不断扩大，冲刷向下游发展明显，河床冲淤变化剧烈、频繁，这势必影响长江中下游地区的防洪、河势、航运、生态与环境以及河流的综合服务功能的正常发挥，同时也对长江中下游河道整治理论与技术提出了新的要求。因此，对长江中下游河道水沙输移规律、河道演变规律以及河道生态治理技术3个方面进行研究，对于促进长江流域生态文明建设、长江大保护、长江经济带建设和黄金水道建设乃至全国的经济社会发展具有十分重要的战略意义。本文在广泛查阅国内外相关文献的基础上，对上述3个方面的研究成果进行论述，并结合当前研究工作中的不足，提出了未来研究应重点关注的方向与内容，供该领域未来研究工作参考。

2 三峡水库下游河道基本情况

2.1 河道形态特征

三峡水库下游河道上起宜昌，下迄长江河口原50号灯标，全长约1 893 km(图1)。宜昌—湖口为长江中游，全长约955 km，湖口以下是下游，长约938 km。

图1 长江流域Fig.1 Map of the Yangtze River basin

三峡水库下游河道可划分为宜枝河段、荆江河段、城陵矶—湖口河段、湖口—徐六泾河段以及长江口河段。

宜昌—枝城河段为过渡段，经此河段，长江从山区河流过渡到冲积平原河流。宜枝河段两岸受低山、丘陵和阶地控制，河岸抗侵蚀能力强。枝城至城陵矶河段称为荆江，以藕池口为界分为上、下荆江。上荆江河段弯道较多，弯道内多有江心洲，受边界条件和历年抛石护岸工程的控制，总体河势基本稳定[1]。下荆江为典型的蜿蜒型河道，河道两岸抗侵蚀能力差，横向摆动大，裁弯和切滩撇弯现象十分频繁。经多年整治已演变为限制性弯曲河道，总体河势得到初步控制，但局部河势变化仍较剧烈[2]。城陵矶—湖口段总体河型为两岸边界条件限制较强的微弯型或弯曲型分汊河道，单一河道主流走向基本稳定，汊道段主支汊地位较为稳定[3]。湖口—徐六泾段为江心洲发育、汊道众多的藕节状分汊型河道，滩槽冲淤演变较为剧烈，主支汊分流比也随之调整，少数主支汊发生易位，河床演变强度较大[4]。长江口河段受径流、潮流和风暴潮等动力因素的影响，且河道较宽，河槽内大小滩地密布，汊道交织，河床稳定性较差，河势变化复杂[5]。

2.2 河道治理情况

为保障长江中下游河势稳定和防洪安全，开展了以河势控制工程与护岸工程为主的河道治理工作[6-8]。1998年长江发生流域性大洪水后，1999—2003年长江水利委员会组织实施了长江重要堤防隐蔽工程，累计护岸总长436 km。2003年三峡水库运行以来，为积极应对“清水下泄”对中下游防洪、河势等方面带来的影响，2003—2013年长江中下游河道完成治理长度约594 km。2016年以来，开展了宜昌—湖口段及湖口以下江西、安徽、江苏三省崩岸重点治理工作。截至2018年，长江中下游崩岸治理项目已完成护岸近200 km。长江中下游河势控制工程的实施基本稳定了中下游河势[9]。

此外，为了充分发挥长江中下游“黄金水道”的航运功能，我国对长江中下游干流碍航河段实施了大规模的航道治理工程[10]，如2000年以来实施的长江口深水航道一、二、三期工程、荆江河段航道整治工程昌门溪至熊家洲段工程、武汉至安庆6 m航道整治工程、长江南京以下12.5 m深水航道建设一、二期工程、马南水道航道整治工程、东流水道航道整治二期工程等。多年的航道整治建设解决了长江干线主要碍航问题，Ⅲ级以上高等级航道全部建成，通过能力与货运量大幅度提升。

3 三峡水库下游河道水沙输移规律研究

3.1 来水来沙总量及其组成变化特性

长江中下游河道来水来沙总量均有减少，但减少程度有所不同。三峡水库蓄水运用后宜昌、枝城、螺山、汉口、大通站年均径流量和悬移质输沙量均有所减少，悬移质输沙量约减少66.7%～92.2%，减幅较大，但径流量减少幅度并不显著，约为4.8%～7.9%[11]。三峡水库建成运行使得水库下游水流含沙量降低，河床沿程冲刷补给，荆江河段年均输沙量沿程增加，这与三峡水库建成运行前年均输沙量沿程递减形成鲜明对比；由于洞庭湖、鄱阳湖与汉江等水系汇流及床面冲刷补给等影响，三峡水库运用后，城陵矶站下游河段在年均输沙量沿程增加，但年平均含沙量沿程变化不大[12]。

长江中下游河道来水来沙组成复杂，径流量主要来自长江上游、两湖水系及支流汉江，共计占大通站的84.5%，中下游其他区间来流占15.5%。三峡水库蓄水运行前后，长江中下游来水组成没有明显改变，但来沙组成发生了明显变化[13-14]。三峡水库蓄水运行(2003—2016年)以来，入库沙量约为3 816万t，仅占蓄水前入库沙量的7.8%[15]。此外，金沙江下游的向家坝和溪洛渡水电站分别于2012年和2013年开始运行，进、出三峡水库的沙量也随之减少，2013—2016年宜昌站年均输沙量约1 290万t，仅占三峡水库蓄水前年均输沙量的2.6%。可以预见，在长江上游生态建设工程、水土保持工程与一系列干支流水库建成运行的影响下，进、出三峡水库的泥沙量会长期维持在相对较低的水平，长江中下游河湖系统演变也会因此受到影响[11]。

3.2 悬移质泥沙输移特性

不平衡输沙现象在冲积河流中下游十分普遍，河床往往会通过自动调整作用使河床逐渐趋于输沙平衡状态[16-18]。三峡水库建成运用后产生“清水下泄”会引起长江中下游河道发生长距离不平衡输沙[19]。

目前关于长江中下游悬移质泥沙输移特性的研究，主要基于长江中下游冲刷发展的观测与分析。由于天然河流中的泥沙往往为非均匀沙，且不同粒径组悬移质泥沙的含沙量与沿程恢复特性存在较大差异，因此仅掌握全沙的输沙规律还不足以阐明坝下游悬移质泥沙不平衡输沙规律，因此，研究时大多根据不同粒径悬移质泥沙的输移特性，以粒径0.125 mm将其分为细沙(粒径d<0.125 mm)和粗沙(d>0.125 mm)两组，研究悬移质泥沙的输沙量时空的变化特点。卢金友和姚仕明[11]分析了三峡水库蓄水前后长江中下游代表水文站悬移质泥沙资料，发现三峡水库蓄水前，宜昌站、枝城站、沙市站、监利站、螺山站、汉口站、大通站粗沙含量分别为9.0%、6.9%、9.8%、9.6%、13.5%、7.8%、7.8%；而三峡水库蓄水后，2003—2015年，上述7站粗沙含量分别为5.6%、15.4%、26.6%、35.1%、23.0%、20.7%、7.7%，即三峡水库运用以来，除宜昌站、大通站外，其他各站的粗沙所占比例较自然条件下显著增加，这主要是河床冲刷补给、悬移质与床沙交换及两岸支流入汇等的影响造成[11]。郭小虎等[20]研究了荆江河段悬移质含沙量恢复程度，结果表明三峡水库下游粒径>0.125 mm的泥沙主要在荆江河段恢复到饱和状态，而细沙恢复远远没有达到饱和。冯雪等[21]对于这一问题进一步研究，提出了悬移质恢复效率这一概念(河段内某粒径组沙的河床冲淤量与进入河段的该粒径组悬沙量的比值)，定量研究了荆江段1994—2017 年非均匀悬移质恢复效率。研究发现三峡工程运用后，不同粒径组悬移质泥沙恢复效率绝对值显著增大，其中粗沙的恢复效率绝对值远远大于细沙，这主要因为荆江段床沙组成中粗沙部分含量大，而细沙含量小。

总体来看，尽管当前研究对三峡水库下游不同粒径组悬移质泥沙输移规律取得了一定的认识，但目前研究成果对不同粒径组悬沙的恢复程度及其与来水来沙条件的关系还存在不足，特别对悬移质输移量与其恢复距离的预测结果也与实际情况仍存在一定差距，今后的研究应在这些方面予以重视。

3.3 推移质泥沙输移特性

推移质泥沙运动作为河床演变的一部分，直接影响河道的冲淤变化与洲滩演变。自然条件下，三峡水库下游河道悬移质输沙量巨大，对河床的塑造具有绝对优势，而推移质输沙量仅占河道总输沙量的0.5%～1.5%[22]。随着长江干支流水库陆续建设与投入运行，大部分推移质泥沙留在库内，导致临近水库河段的推移质年均输沙量也大幅度减少，但因河床沿程冲刷补给推移质输沙量占总输沙量的比例会显著增加[23-24]，其对河床的塑造作用会日益凸显。

推移质输沙率的计算一直都是河流动力学的研究重点，学者们基于各种物理模型，提出了众多的推移质输沙率公式，计算结果也是千差万别。钱宁和万兆惠[25]曾将国外主要的推移质输沙率公式分为四大类：①基于实验数据建立(以Meyer-Peter公式为代表)；②基于物理基本概念建立(以Bagnold公式为代表)；③基于概率论及力学相结合的方法建立(以Einstein为代表)；④基于Einstein或Bagnold的某些重要概念，并辅助以量纲分析、实测资料以及一定的推理而建立(以Engelund、Yalin为代表)。国内部分学者在推移质输沙率计算公式方面也开展了相关研究，取得有益的研究成果，如韩其为和何明民[26]采用统计理论研究出推移质运动及其输沙机理；姚仕明等[23]基于推移质输沙率实测资料在推移质输沙率与流量之间建立了对应关系式，并对 Engelund-Hansen 和 Einstein 推移质输沙率公式进行了检验与修正。

总的来说，推移质运动很大程度上受到床面附近紊动的影响，因此推移质运动具有明显的随机性。同时，推移质颗粒运动又具有一定的确定性[27]。正是由于推移质运动兼有不确定性与确定性使得定量描述推移质运动规律非常复杂。而现有的推移质输沙率公式是基于各种假设推导得到的。因此，即使针对同一种情况，采用不同的推移质输沙率公式可能得到差异较大的计算结果，这也成为了泥沙运动力学中目前尚未得到很好解决的难题之一。

3.4 水沙通量变化趋势

长江上游干支流水库群的调蓄虽然没有改变进入中下游江湖系统的径流量总量与其比例组成，但水库下游的径流过程发生了较大变化，主要表现为高洪水期洪峰流量的削减、中水期时间的延长以及枯水期流量的增加。

对于来沙量来说，自然条件下长江上游年平均输沙量达5亿t，在进入中下游江湖系统中占绝对优势地位。但长江上游干支流水库群的建成运行使得大量泥沙留在库内，减少了进入长江中下游江湖系统的泥沙总量，年平均泥沙量在相当长时期内基本位置在1 000万t左右，与洞庭湖四水、汉江仙桃站相当，鄱阳湖五河约600万t[13]。此外，两湖的调蓄与水土保持工程的不断实施也使得进入长江中下游江湖系统的沙量继续减少[7]。今后，长江上游、两湖水系及汉江累积进入中下游江湖系统的年平均沙量会长期维持在3 600万t左右的水平，仅为自然条件下宜昌站年平均输沙量的7.2%。但是，在长江流域城区域遭遇特殊水文年时，进入长江中下游河道的年输沙量可能会超过或低于这个水平[11]。

4 水沙变化条件下三峡水库下游河道演变规律

4.1 三峡水库下游河道演变总体特征

三峡水库蓄水以来下游干流河道演变有以下特征：

(1)维系和控制河势的洲滩发生较大幅度冲蚀，局部河段河势调整幅度有所加大[28-29]，如沙市河段、东流河段、贵池河段江心洲(滩)持续冲刷萎缩；三峡水库蓄水前河势较稳定的弯道段滩槽以“渐进”或“突变”方式进行转化，如下荆江调关弯道、荆江门弯道、七弓岭弯道在蓄水前的几十年内滩槽形态变化较小，主流紧贴凹岸下行[30]，新水沙条件下这些急弯段出现了凸岸边滩崩退、主流撇弯的演变现象[31]。

(2)近岸河床冲刷下切对现有护岸工程的稳定构成威胁，已护工程薄弱段和未守护段崩岸强度和尺度明显加大，其中迎流顶冲段表现尤为突出[32]，如2017年11月8日，扬中河段指南村江岸发生崩岸险情，形成了岸线崩长约540 m、最大坍进尺度约190 m的崩窝。

(3)江心滩、边滩成型淤积体有冲有淤，总体表现为冲刷，对汊道分流态势、航槽稳定带来不利影响[2]。如近期东流河段老虎滩右汊、镇扬河段世业洲左汊分流比大幅增加可能引起航槽移位，鄂黄河段戴家洲、安庆河段潜洲高滩前沿依附的心滩受水流冲刷切割出现交错或散乱的不良浅滩，引起分流区主航槽航深不足。

4.2 不同河型河道演变特点

4.2.1 顺直型河道演变

长江中下游顺直河道众多，如界牌河段、天星洲河段、八姓洲河段等。顺直河流的形态特征主要为深浅相间的河床纵剖面和两岸交错分布的边滩[33]。交错边滩对枯水、枯水河槽主流线的方向均有很大影响，同时也决定了河岸的侵蚀位置。因此，当前关于顺直河道演变的成果主要集中于顺直河道交错边滩的形成机理[34]、演变特性[35]以及水沙输移特性[36]等方面，研究方法以数值模拟、水槽试验为主，或针对某些河段进行具体分析。在数值模拟方面研究方面，多对顺直河道交错边滩的形成过程进行模拟[37-38]。在水槽试验研究方面，常通过改变水沙边界条件，对顺直河道边滩发育过程进行一定的影响性研究[39]。

近年来，长江上游干支流水库的建成运行对冲积性河流的河道演变与水沙输移规律产生了较为明显的影响，引发下游河道剧烈的再造床过程，如上荆江较为顺直的沙市河段上段在三峡水库蓄水运用后，两岸边滩发生明显冲刷，滩槽形态也发生明显改变；界牌河段河床总体朝窄深方向发展：高程低于平滩水位的潜洲或滩面，断面趋于宽浅；高程高于平滩水位的江心洲，断面趋于窄深[40]，对航运、取水和防洪安全带来了一定的影响。总体来说，顺直河道演变规律研究成果较弯曲型河道和分汊型河道来说相对较少，主要原因是在许多河型分类体系中，顺直河道都被当作一种河型转化过程中暂时的过渡形态，其存在并不稳定。

4.2.2 弯曲型河道演变

弯曲型河道中的水流一般呈现低水傍岸，高水居中的运动特点，弯道演变一般呈现凹岸冲刷、凸岸淤积等变化特点。随着三峡工程的建成运行，长江中下游弯道演变呈现出新特点：沙质弯道河道原有的凸岸边滩淤积，凹岸深槽冲深的演变规律发生较大变化[41-44]，部分弯道，特别是急弯段，出现较为显著的、带有某种趋向性的冲淤调整，不少弯道以“渐进”或“突变”方式发展，例如在三峡水库蓄水运用后，下荆江(图2)调关—莱家铺急弯段、尺八口水道、碾子湾水道等弯道的凸岸边滩逐步冲刷，凹岸侧甚至已淤出心滩，这与三峡水库蓄水前弯道“凹冲凸淤”[45-47]的一般规律有明显差异。尽管三峡水库蓄水运用前，“凸冲凹淤”现象也偶有发生，但在蓄水后则呈现群发性。

图2 荆江河段河势Fig.2 Regime of the Jingjiang River reach

对于三峡水库建成运行后长江中下游弯曲河道演变的新特点，许多专家学者划分出了不同的切滩模式，并对弯曲河型发育的不同模式[48-50]以及撇弯切滩的机理进行了探讨[51-53]。部分学者研究认为弯道演变出现“凸冲凹淤”现象主要是河道边界条件改变引起[54]：由于长江中下游大量护岸工程的实施，弯道凹岸侧河道发展受到限制，因而水流转而冲刷凸岸。然而三峡中下游的大规模护岸工程大多在20世纪90年代就已经实施，而群发性的“凸冲凹淤”现象在三峡工程建成运行后才出现，已有研究成果无法完全解释这一现象。也有部分研究认为弯曲河型凸冲凹淤现象的主要原因是水库蓄水后来沙条件变化：三峡水库下游严重次饱和含沙水流作用造成弯道凸岸边滩冲刷[55]，引起长江中下游河床粗化，中小洪水下推移质数量增加，进一步使得弯道凹岸水流流路受阻，主流因此偏向凸岸，冲刷边滩。但是水库拦沙的影响往往作用于弯道的全断面，因此这种观点不足以解释“凸冲凹淤”现象只出现的弯道断面的局部位置。还有部分研究认为弯道“凸冲凹淤”现象的主要是由于弯道环流作用、水流动力轴线摆动以及特大洪水强力冲刷等水流动力特性变化引起[56-58]。尽管这些成果体现了水动力条件对塑造弯道河床的重要作用，但三峡水库建成运行改变了长江中下游洪水特性，如特大洪水不复存在，流量持续时间也发生改变，因此无法解释三峡水库建成运行后长江中下游弯道“凸冲凹淤”现象与水流动力特性变化之间的关系。

由此可以看出，当前关于三峡水库下游弯曲河道演变的研究成果，都反映出水沙条件变化是导致三峡水库下游弯曲河道演变新特点的主要原因。但本质上，弯道的演变与水沙条件的变化之间是一种互馈耦合关系。因此，今后的研究可采用物理模型试验与数值试验相结合的方法，对弯曲河道演变过程与水沙条件之间进行耦合机制进行分析。在此基础上，通过试验手段，复演水沙变化条件下的弯道演变过程，验证已有的结论，以更全面地认识三峡水库下游弯道的演变过程。

4.2.3 分汊型河道演变

长江中下游分汊河道可分为顺直分汊、微弯分汊和弯曲型分汊三类。长江中下游分汊河道演变最为显著的特征是主支汊易位，呈现“原地易位”和“移位交替”2种模式[59]：“原地易位”模式中，分汊河道平面位置基本不变，仅分流比大小发生改变，一般发生于顺直分汊型和微弯分汊型河道，如天兴洲汊道；“移位交替”模式中，支汊通过平面位移和断面冲刷扩大而成为主汊，一般发生于弯曲型分汊河道，如乌龟洲汊道、陆溪口汊道、罗湖洲汊道(图3)、戴家洲汊道等。

图3 罗湖洲汊道“周期性移位”交替模式Fig.3 Periodic alteration of Luohu sandbar branchover years

随着三峡水库建成运用，长江中下游分汊河道演变呈现出新特点。首先，三峡水库运行后，中枯水以下支汊河槽不断冲刷发展，长江中游宜昌—湖口河段内的分汊河段支汊不断冲深发展，这与原先的“塞支强干”观点并不完全相符。朱玲玲等[60]统计了长江中游16个典型的分汊河段的支汊分流比，发现16个分汊河段中支汊分流比增加的河段有12个，即大部分支汊都冲刷发展，且支汊发展的程度以顺直分汊段最大，其次是微弯分汊段以及弯曲分汊段。其次，三峡水库建成运用后，长江中游分汊河道内江心洲以冲刷为主，且中低滩的萎缩明显。此外，笔者统计了三峡水库建成运用后长江中下游一些典型分汊河道的分流比，如图4所示，发现三峡水库建成运用后，对于分流比相差悬殊的分汊河道，发生主支汊易位的可能性很小，主支汊地位在较长时间内可以得到维持，如梅子洲汊道、燕子窝汊道及太平洲汊道等；对于分流比相差不大，且为顺直或微弯的分汊型河道，主支汊易位仍有可能发生，如成德洲汊道、戴家洲汊道、鹅眉洲汊道等。

图4 三峡水库建成运用前后长江中下游不同类型分汊河道分流比对比Fig.4 Comparison of split ratio among different types of branching channels in the middle and downstreamYangtze River before and after the operation of Three Gorges Reservior

由于长江中下游分汊河道演变的复杂性及其对长江中下游防洪、航运等方面的重要影响，分汊河道演变因素及机制一直是河床演变研究的热点。当前对于该问题的研究通常采用实测资料分析、理论分析及模型预测等方法，从水沙过程、边界条件及能量损失等角度探讨分汊河道维持和演变成因[61-64]。此外对汊道段河床稳定性、节点挑流作用、分汊口门碍航浅滩及主支汊交替周期等方面也有相应的研究[65-66]。这些工作较为宏观地阐述了分汊河道的水沙输移及河床演变特征。总体来说，进口水沙条件以及边界条件的改变是分汊河道主支汊交替的主要驱动因子[67]，且每类因子均可细分为若干形式。若水沙或边界特征周期性发生破坏，则分汊河道演变特征会发生显著调整，如朱玲玲等[60]研究认为三峡水库建成运行后，长江中下游分汊河道河势的局部调整是由于输沙量减少、主支汊河床组成的差异以及局部河床边界条件的变化。

对于三峡水库建成运行后，长江中下游分汊河道演变新特点的产生原因，已有大量研究成果。由于长江上游干支流水库的建设运行，清水下泄使得坝下游河道长期处于不饱和状态，因此，在有关长江中下游分汊河道演变机制的研究中，应突出严重次饱和含沙水流长期作用的影响。如王洪杨[68]以三峡水库运用下长江中下游弯曲分汊河道演变为背景，研究了次饱和水沙作用下长江中下游弯曲分汊河道的水沙运动与河床演变的耦合机制，并对弯曲分汊河道的演变趋势进行了一定的预测。但由于分汊河道主支汊交替这一物理现象涉及到众多因素，其中包括水沙条件的变化(如弯道环流、底沙输移等)以及边界条件的改变(如岸线崩退等)，且各因素间交错复杂，研究单一因素的变化不足以揭示长江中下游弯曲分汊河道演变机制，而全盘考虑所有因素的影响难度较大。因此，目前大多数成果主要针对长江中下游一些典型分汊河道进行特定分析[40，69-70]，对于研究成果的共性规律和个性差异缺乏系统的归纳，应用于具体河道治理的工程实践还需进一步提升。

5 三峡水库下游河道生态治理

三峡工程及上游水库群联合运行后，长江流域水沙出现变异，泥沙量骤降陡增，泥沙重分配显著，长江中下游河势发生显著调整，影响河势稳定、防洪安全、航道稳定、岸滩利用和涉水工程运行安全，因此，开展长江中下游河道整治技术研究具有重要意义。

护岸与护滩工程(图5)是河道整治技术中的常见工程措施，也一直是防止堤岸与洲滩冲刷，保护江、河防洪安全和河势稳定的有效措施。传统护岸工程一般采用连续性或间断性护岸形式，分为丁坝护岸和平顺式护岸[71-73]；护滩工程包括鱼骨坝(调整型护滩工程)和软体排、网垫和透水框架等(守护型护滩工程)。尽管护岸与护滩工程的实施使河道得到一定程度的控制，但由于某些河段河势变化较为剧烈，工程实施后并非一劳永逸[74-75]，如长江中下游局部河段河势持续调整，会导致部分已实施工程将难以适应近岸河床的累积性冲刷，从而威胁到工程的自身安全及其功能的正常发挥。此外，传统的护岸与护滩工程常采用一些人工材料，包括钢筋混凝土或砌石等渗透性或半渗透性材料。这些工程的实施破坏了水陆生态系统的自然连接属性，孤立了整个守护部分，使其成为一个与外界没有物质和能量交换的封闭体系，不仅破坏了动植物的生存环境，也损坏了河岸与洲滩的部分生态功能。

图5 护岸与护滩工程Fig.5 Bank protection and shoal protection projects

5.1 河道生态治理

近年来，人们逐渐意识到传统河道治理方法虽能实现河道安全功能，但忽视了河流生态系统的自身需求。河道治理工程的建设不仅要符合工程设计原理，也应从生态系统角度考虑其对生态因子的影响。因此，河流生态治理的概念被提出[76]。河道生态治理是通过一定的手段和方法将其受损功能恢复到一定的状态，使其同时满足河流自身发展规律以及人类社会发展需求。

河流生态治理技术主要包括水质生态修复技术、水量生态修复技术、河道形态修复技术以及流域生态修复技术等。水质修复主要采用多种手段与方法(如稳定塘、人工湿地、生态浮床、底泥疏浚等方法等)改善受污染水体的水质，目前研究成果多集中在各种技术的研发和效果分析[77]。水量生态修复是采用河湖连通、生态调度以及生态输(调)水等方式补充河流水量，改善水生生物的生存环境，研究重点为输水、调度及连通方式。特别是河湖水系连通已成为国家江河治理的重大需求，实施了众多工程，然而河湖水系连通的相关理论与技术研究仍处于探索阶段[78-81]。河道形态修复技术是指对河道的几何形态(横断面与平面形态等)加以改造，以恢复河道的形态的多样性。相关研究主要关注河道几何形态与滨水带的形态设计，以及护岸形式及材料的优化等，如近些年发展起来的生态护岸技术，已在长江天兴洲护滩工程、东流水道老虎滩高滩守护工程、沙市三八滩应急守护工程中得到了应用。这些整治工程采用了含有聚合物的沙土固化剂来直接固化河沙成型砌块的试验性工程，工程生态效果较好。然而，对于河势变化剧烈河段的水下岸坡，生态护岸技术的应用受到一定的限制[82-83]。流域生态修复主要是对河流整个流域，包括河流源头到河口的所有水文单元，进行修复，是一个集工程与非工程措施的综合技术。如王思凯等[84]借鉴莱茵河综合治理方案提出了长江流域生态治理的方案。

总的来说，当前河道生态治理方面的研究仍多注重理论层面的构架分析，今后需进一步加强河道生态治理方法研究，研发可兼顾防洪、航运及生态等目标的河道生态治理新技术，在受损河道边坡生境修复与堤岸生态改造等方面加强技术研发。

5.2 航道生态治理

长江航道内浅滩众多，通航环境十分复杂，制约因素多。长江上游干支流水库的建成运行深刻改变了水库下游航道的水沙条件和演变，长江中下游河段广泛出现了河床下切、坝下水位持续降低以及滩槽稳定性下降等问题[85-86]，显著改变了水库下游分汊河道的滩槽格局，航道条件难以长期稳定[87]。

航道治理是改善航道条件、提高通过能力的根本途径。针对长江中下游航道出现的上述新特点、新问题，众多学者陆续开展了大量研究工作，初步揭示了航道碍航机理，新技术、新成果不断涌现，包括长河段航道治理原则以及整治设计参数确定的方法[88]、不同类型河道的航道治理措施与方法、适用于强冲刷条件下的“固滩稳槽”方法。此外，明确了通航主汊道选择原则，建立了分汊河道通航主汊引导恢复技术[89-90]；提出了一系列具有适应河床变形能力、加强结构强度、促进淤积等功能的航道治理建筑物新结构，对通航能力提高显著[91-92]。

尽管这些航道技术在一定程度上解决了新水沙条件下长江中下游航道出现的新问题，但从生态影响角度，传统航道治理工程建设可能在一定程度上改变河流局部自然环境及生态格局。特别是党的十九大报告将建设生态文明纳入了中华民族永续发展的千年大计，因此，生态航道建设将是长江航道未来的发展方向。生态航道是在生态学、水生态学及相关学科研究的基础上发展而来的，在这方面欧美国家起步较早[93-94]，早在1965年，德国就开始采用种植植被的方式对莱茵河进行生态护岸[95]。直到21世纪初，我国内河航道生态建设与保护的理念才开始形成[96-97]，在此之后，我国长江生态航道建设发展迅速。在生态航道理论层面，逐步建立了包含空间、过程和功能3方面的长江生态航道理论框架与评价体系[98-101]，在此基础上针对长江中下游干流不同河段(中游强冲刷段、下游多分汊段)河流系统功能，建立了生态航道评价方法体系，构建了评价模型并进行评价；在生态航道技术方面，提出一系列包括新型治理结构和环保施工技术等，新型治理结构一般具有良好的透水性，有的还具有一定的生境营造功能，可以有效避免传统航道治理结构对河流自然环境产生的破坏——硬化河床、阻碍物质交换、破坏生物生境等问题。生态航道治理结构包括新型生态护岸、绿色疏浚、疏浚泥沙综合利用、生境重建、河流生态修复和治理[102-103]，以及中小河流采用的生态混凝土现浇网格、土工格栅、钢丝网石笼垫等护滩护岸整治建筑物结构等绿色生态护滩结构等[104-105]。例如，在长江12.5 m深水航道建设工程中，生态排被应用于狼山沙潜堤高滩。通过铺设生态排，保护了原有生态绿地，扩大了植物生长面积，起到了生态修复的作用[102]。

综上所述，当前生态航道治理研究已经在基础理论框架与治理技术方面取得了一定的发展。在当前新水沙条件、长江大保护以及长江经济带建设等多重背景下，生态航道治理在今后的研究中应统筹考虑防洪、航运、发电、供水、生态等多目标需求，进一步完善生态航道基础理论框架；加强生态航道治理工程所需的结构、材料、工艺及细化结构设计方法与技术；加强航道生态监测分析体系的构建与航道生态监测机制。

6 结 语

随着以三峡工程为核心的长江上游水库群的建成运行，水库下游河道水沙情势发生了较大变化，引起长江中下游不同河型调整显著，这对河道防洪、航运、岸滩保护与利用等具有重要影响，同时也对长江中下游河道(航道)整治理论与技术提出了新的要求。本文从三峡工程运用以来长江中下游水沙输移规律、河道演变规律及河道生态治理技术3个方面，总结了当前一些有代表性的研究成果。但由于研究对象本身的复杂性，给这几方面研究带来了一定的困难。今后研究应结合多学科理论和方法，加强以下几个方面的研究：

(1)长江中下游河道水沙输移与生物通量变化规律研究方面，应注意研究多因素影响下长江水沙来源及时空分布规律，以及三峡工程等控制性水库建成后中下游干支流水沙情势与生物通量变化的时空特征及变化趋势。

(2)长江中下游河道演变规律方面，需进一步研究长江中下游河道演变与水沙输移互馈耦合机理，以及水沙变异条件下长江中下游河道重塑机制方面的研究，研究中应关注长江中下游不同河型的河势变化规律，进一步明晰新水沙变化对长江中下游重点河段演变效应。

(3)河道生态治理技术方面，需进一步研发适用于长江干流的、既满足防洪、航运、涉水工程安全运行需求，又与生态环境协调的河道生态治理新技术。研究应特别注意从河道生境出发，着重研究河道整治工程措施和非工程措施相结合的方法，尽可能多地创造对生物有利的生境；航道生态治理技术方面，需要在新水沙条件下，兼顾防洪、航运、发电、供水、生态等多目标需求，深入开展长江生态航道基础理论与整体框架研究，完善生态航道评价方法体系方法。进一步研发生态友好型航道治理工程所需的结构、材料、工艺及细化结构设计方法与技术。加强航道生态监测分析体系的构建与航道生态监测机制，有效促进航道治理与生态环境保护的协调融合。