孫昭華，周煒興，周 坤，周歆玥，陳 立，李義天

（武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072）

1 研究背景

盡管流域來水來沙具有隨機性，但某種特征流量級對沖積河流造床起著關(guān)鍵作用［1-2］，可視為長期流量過程的替代當量，習(xí)稱造床流量［3］。造床流量的引入，使許多宏觀河床演變問題——譬如變化水沙條件下的河床調(diào)整方向預(yù)判、特定來水來沙條件下的河渠最佳形態(tài)估算等，都大大簡化［4-5］。隨著我國長江上游大型水利工程陸續(xù)運行，中下游河道演變成為近期研究熱點，從天然水沙過程與河道形態(tài)的適應(yīng)關(guān)系中尋求造床流量，是其中的關(guān)鍵問題。

自馬卡維耶夫等［3］和Wolman 等［1］分別提出造床流量的概念和計算原理以來，相關(guān)研究大體分為3 類：（1）從來水來沙的角度出發(fā)，流域來水來沙是造床主動因素，某個流量級能夠輸送的沙量是其造床作用的表征。由于輸沙率與流量近似呈單一函數(shù)關(guān)系，因此可從累積頻率的角度尋求對河床具有“關(guān)鍵塑造作用”的流量級。馬卡維耶夫法、地貌功及其改進的各種圖解法、解析法，均屬此類［1，3，6］，由此得到的造床流量也被稱為最大有效流量［7］。（2）從河道形態(tài)和水力特性的角度出發(fā)，準平衡狀態(tài)下的河道斷面水位流量關(guān)系穩(wěn)定，當水位上漲至河漫灘齊平時，河道對水流約束作用最強，輸沙效率最高，而流量超過這一臨界范圍之后，水流因漫灘而動力減弱，產(chǎn)生淤積。據(jù)此建議以平灘水位結(jié)合水位流量關(guān)系倒推出平灘流量間接反映造床流量［1，5，8］。（3）基于河道形態(tài)對水沙過程的制約關(guān)系，河流中下游的水沙輸移是測站以上河道形態(tài)與流域來水來沙適應(yīng)的結(jié)果，其中蘊含著造床流量的關(guān)鍵信息，譬如漫灘后河槽對洪水調(diào)蓄作用增強，大流量級被坦化削減，河道輸沙動力減弱，從而使流量概率密度曲線、輸沙率-流量關(guān)系發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，可憑借這些關(guān)系曲線的突變點來判斷造床流量［9-11］。時至今日，以上方法的適用性和有效性已被各種沖積環(huán)境下的河流水沙和地貌數(shù)據(jù)所證實［9，11-13］。但應(yīng)該看到，這些方法原理有其適用前提：一是適用于單一河道，一般建議在支流入?yún)R點之間的單一段應(yīng)用［14］；二是針對準平衡河流，非平衡情況下各因素主次關(guān)系存在爭議［6］。

長江中游河湖交織，尤其是江漢平原和洞庭湖平原，地處山前峽口的特殊地理位置，自古水網(wǎng)縱橫，是長江洪水漫溢和泥沙沉積的主要區(qū)域。隨著構(gòu)造運動導(dǎo)致洞庭湖盆沉降，加之荊江地區(qū)人工筑堤，水沙南趨，洞庭湖區(qū)成為現(xiàn)代長江調(diào)蓄水沙的重點地區(qū)［15］。相比于一般河道主槽兩側(cè)的河漫灘，湖區(qū)同樣具有調(diào)蓄洪水、調(diào)節(jié)輸沙動力的功能，其作用更大。在江湖被隔離情況下，兩者間水沙交換被集中于分匯流洪道，干流河道的水沙搭配關(guān)系在分匯口上下游發(fā)生調(diào)整，與其它河流灘槽之間沿程連續(xù)發(fā)生的水沙交換明顯不同［16-17］。顯然，湖區(qū)的滯洪、沉沙和調(diào)節(jié)水沙搭配功能，具有不同于一般河漫灘的物理機理，也必然會對干流造床過程產(chǎn)生全方位影響。

三峽水庫運行前，韓其為［18］、李義天等［19］、殷鴻福等［20］、許炯心［21］曾先后從水利、地學(xué)等多角度分析了江湖水沙輸移對長江中游河床調(diào)整和洪水位的影響，但其中未涉及造床流量的系統(tǒng)分析。三峽水庫運行后，壩下游河道形態(tài)和水系格局并不會突變，江湖水沙輸移對干流造床過程的影響依然存在，而目前針對壩下游再造床特征流量的研究，多采用了單一河段的常規(guī)方法［22-24］。本文結(jié)合長江中下游長系列水文資料，嘗試討論兩方面問題：（1）江湖水沙輸移影響長江中下游造床過程的機理，水沙過程與河道形態(tài)之間的適應(yīng)關(guān)系與特點；（2）三峽水庫運行前后，已有造床流量估算方法在長江中下游的適用性。

2 研究河段與資料

2.1 河段概況長江干流宜昌至大通段全長約1180 km，以江西湖口為界，上下兩段分屬中游和下游，長度分別約為950 和230 km。枝城以下為沖積平原河段，兩岸主要分匯流包括：城陵磯以上荊江南岸有松滋、太平、藕池三口分流入洞庭湖；洞庭湖又集湘、資、沅、澧四水于城陵磯匯入長江；北岸漢江于漢口入?yún)R；鄱陽湖集贛、撫、信、饒、修五河來水于湖口入?yún)R干流。在長期水沙過程與地質(zhì)地貌條件共同塑造下，長江中下游自上而下發(fā)育有山前沙卵石河段以及上荊江微彎、下荊江彎曲和城陵磯以下分汊河段。本文著重討論沖積平原河段，其范圍始于距宜昌60 km 的枝城，河道概況如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)資料長江中下游以懸沙造床為主，可用水文站的日均流量、含沙量資料反映沿程水沙通量，涉及站點包括：干流沿程枝城、沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、大通等6 個水文站，荊南三口五站（新江口、沙道觀、彌陀寺、康家崗、管家鋪），洞庭湖入?yún)R口城陵磯站、漢江仙桃站以及鄱陽湖入?yún)R口湖口站，各站點分布見圖1。采用各站點的1953—2002年資料系列，數(shù)據(jù)均來源于長江水利委員會水文局。其中，枝城站與沙市站由于建站較晚，資料始于1992年與1991年。受下荊江裁彎影響，1990年代之后荊江河道才重新恢復(fù)準平衡，故監(jiān)利站資料統(tǒng)計年份也始于1991年。除天然時期資料，還收集了沙市站和漢口站2003—2016年日均水沙資料進行三峽建庫前后對比。在水沙資料之外，為便于各流量級下沿程水面線的確定，還收集了1992—2002年干流6 個水文站的日均水位。

河道地形資料方面，采用了長江水利委員會水文局的長程固定斷面資料，這些斷面布置相對較為均勻，在放寬段和束窄段均有分布，高程范圍一般自左岸堤線至右岸堤線，包含河道中的洲灘。本文采用的2002年10月測次，在荊江河段含有183 個斷面，平均間距約1.79 km，城陵磯-大通河段含斷面830 個，平均間距約1.06 km。本文中對各河段區(qū)間的簡稱如圖1（b）所示。

圖1 長江中下游河道概況及其分流匯流關(guān)系

3 研究方法

根據(jù)長江中下游的江湖水沙分匯特點，系統(tǒng)分析干流的水沙輸移特征。采用地貌功原理和平灘流量法，分析不同區(qū)間內(nèi)的造床流量。最后結(jié)合前兩者歸納江湖水沙輸移對干流造床流量的影響。

3.1 水沙輸移研究

3.1.1 水沙輸移的時空差異 為研究沿程分匯關(guān)系對干流水沙輸移的影響，采用以下方法：（1）根據(jù)枝城至大通河段進出口和分匯流測站資料，采用基于質(zhì)量守恒原理的年水量、沙量收支平衡計算［21］，分析沿程水量增加與泥沙沖淤情況。（2）以測站水沙資料為對象，取其多年的分月平均值，分析水、沙過程的豐枯節(jié)律和變幅。（3）針對城陵磯以上的分流河段，統(tǒng)計各級枝城流量下的河段內(nèi)日均沖淤強度，以及枝城日均流量與下游各站相應(yīng)的日均含沙量關(guān)系（考慮傳播時間），分析含沙量沿程增減和河段內(nèi)沖淤特點。以上統(tǒng)計均針對各站資料較為齊全的1992—2002年。

3.1.2 水沙搭配關(guān)系分析 沖積河流中特定斷面的輸沙率常與相應(yīng)時刻的流量有關(guān)，這種關(guān)系決定于斷面以上的流域和河道系統(tǒng)。沖淤變幅較大的河流常用來沙系數(shù)作為描述水沙搭配關(guān)系的指標［25］，而相對穩(wěn)定的河流上則常用輸沙率Qs與流量Q 的冪函數(shù)關(guān)系來反映二者關(guān)系：

式中a 和m 為參數(shù)。

在具備流量、含沙量長系列觀測資料的情況下，可通過回歸分析得到參數(shù)值。多數(shù)研究認為m由河道形態(tài)決定，在沙質(zhì)河流m 值在2～3 附近，近似為常數(shù)［3，11］。但也有研究認為，在流量增加過程中，河道中泥沙運動狀態(tài)存在突變，河道水動力特性也存在突變，輸沙率與流量之間并非單一函數(shù)關(guān)系，也即式（1）中m 并非常數(shù)［11］。

為能夠從多年平均意義上確定各站的流量和含沙量關(guān)系，采用以下方法：將長系列日均流量Q和含沙量S，按流量大小排序；采用對數(shù)等間隔，在最枯和最大流量之間劃分80 個流量區(qū)間，每個區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)天數(shù)為Ni，i=1～80 ；統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)的多年總輸沙量和總水量，在此基礎(chǔ)上計算各區(qū)間內(nèi)多年平均含沙量和平均流量，繪制之間的關(guān)系。以上計算中，螺山、漢口、大通采用1953—2002年系列，枝城、沙市、監(jiān)利因受建站較晚等限制，采用1992—2002年系列。采用對數(shù)等間隔劃分流量區(qū)間，可避免大流量區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)較少而引起的代表性不足問題［5，11］。

3.1.3 流量頻率特征分析 流量頻率分布是各級流量造床動力時間因素的體現(xiàn)，常以經(jīng)驗頻率分布散點和理論分布函數(shù)曲線兩種形式來描述。其中，前者基于實測資料統(tǒng)計得到，能夠定性上直觀體現(xiàn)流量概率分布特征，后者是借助于常見函數(shù)擬合經(jīng)驗頻率散點，從而為規(guī)律分析和造床流量計算提供更為量化的輔助。

對各站流量經(jīng)驗頻率分布統(tǒng)計，采用以下方法：基于長系列日均流量資料，以對數(shù)等間隔劃分80 個流量區(qū)間，統(tǒng)計各區(qū)間內(nèi)天數(shù)Ni，i=1～80；以下式計算各流量級的概率密度：

式中：f(Qi)為第i 級流量附近概率密度；Ni、N 分別為第i 級流量出現(xiàn)天數(shù)和流量系列總天數(shù)；?Qi、Qi分別為第i 級流量區(qū)間的上下邊界差值和均值。

對于流量的理論頻率分布，常用函數(shù)類型包括皮爾遜Ⅲ型分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布等［6］。根據(jù)經(jīng)驗，對于時間連續(xù)的流量序列，觀測樣本之間并不獨立，用于年極值頻率分析的PⅢ函數(shù)并不適用［11，13］。對數(shù)正態(tài)分布在一些中小河流上符合較好，但不吻合的也不乏其例［6，11］，尤其是在長江中下游的應(yīng)用并不理想［24］。值得注意的是，Segura 等［9］針對多條河流的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，河流的枯水基流與中洪水的產(chǎn)匯流機制不同，故可將枯水基流分離出去，單獨對中洪水流量實施頻率分布擬合，進一步建議以指數(shù)分布或分段冪函數(shù)分布來描述中洪水頻率分布，相應(yīng)的函數(shù)表達式分別為：

式中：b0、b1為指數(shù)函數(shù)中的參數(shù)，可直接通過回歸分析確定；a0、a1、α、β 為分段冪函數(shù)中的參數(shù)，文獻［9］中提出了試算法加以確定。

長江干流基流主要源于宜昌以上的流域下墊面滲流，而中洪水則主要由干支流雨洪匯集形成，它們的產(chǎn)匯流機制有所不同，因此本文采用式（3）、式（4）擬合中洪水流量的理論頻率分布函數(shù)。計算采用的各站日均流量資料年限同上。

3.2 造床流量與平灘流量計算

3.2.1 造床流量計算 造床流量計算采用基于地貌功原理的圖解法與解析法。圖解法的步驟是：將日均水沙數(shù)據(jù)按流量排序后，依據(jù)流量大小，按對數(shù)等間隔分為80 個區(qū)間，計算各區(qū)間上下邊界的均值Qi以及各區(qū)間內(nèi)輸沙量；繪制Φ-Q 的關(guān)系曲線，尋找Φ 最大值對應(yīng)的流量Q即為造床流量。解析法與圖解法的思路類似，只是各流量級出現(xiàn)天數(shù)以式（2）的理論概率密度函數(shù)來計算，輸沙率則以類似式（1）的輸沙率函數(shù)計算，造床流量通過函數(shù)求導(dǎo)得到。文獻［11］中曾導(dǎo)出了流量概率密度符合對數(shù)正態(tài)分布情況下的造床流量表達式，按照類似思路，分別將式（1）、式（3）或式（1）、式（4）相結(jié)合，可得到流量概率密度符合指數(shù)函數(shù)、分段冪函數(shù)兩種情況下的造床流量表達式：

需指出的是，以上兩種方法中，圖解法直接基于觀測資料，即使流量的經(jīng)驗概率分布不符合常見概率密度函數(shù)，或者流量-輸沙率關(guān)系不符合（1）中的單一函數(shù)關(guān)系，也可得到造床流量。而解析法則是在假定以上二者皆符合理論函數(shù)關(guān)系情況下才適用。

3.2.2 平灘流量計算 從河段尺度上估算平灘流量的常見方法有［26］：（1）選取沿程灘唇高程，并與不同流量級下的沿程水面線進行比較，與大多數(shù)灘唇齊平的水面線對應(yīng)流量即為平灘流量。該方法適用于沿程存在較多高大完整洲灘且灘唇明顯的河段。（2）計算出各流量級下全河段內(nèi)平均河寬、斷面面積或平均水深等要素，識別出這些幾何要素的突變點，其對應(yīng)的流量即為平灘流量。該方法適合于觀測斷面較多的情況。長江中下游受兩岸人工護岸和自然抗沖節(jié)點制約，寬窄相間，江中發(fā)育不完整的低灘與高大江心洲并存。因此，本文以方法（2）估算各河段平灘流量，河段尺度的平均幾何要素取各斷面平均值，對于江心洲較多且灘唇明顯的城陵磯以下段采用方法（1）進行驗證，其中選取的高大洲灘斷面在螺-漢河段區(qū)間有12 個，漢-大河段有38 個。計算過程中的各流量級下水面線，采用各區(qū)間進出口測站的1992—2002年平均水位流量關(guān)系，再考慮沿程分匯流，通過恒定流水面線計算得到。下文中高程和水位統(tǒng)一采用1985 國家高程基準。

4 結(jié)果與討論

4.1 水沙輸移特征

4.1.1 水沙輸移量的時空分布特征 1992—2002年數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，相對于大通站徑流量，枝城站來水占比約45%，城陵磯以上區(qū)間（不含城陵磯）入出流占比-5%，城陵磯及其以下區(qū)間入流占比60%；相對于大通輸沙量，枝城來沙占比118%，城陵磯以上沙量收支占比-29%，城陵磯及其以下區(qū)間收支占比11%。圖2 顯示了區(qū)間內(nèi)更為詳細的沿程水、沙收支情況，由圖2 可見，城陵磯以上除松滋口和太平口分流（松太分流）占到大通徑流4.8%之外，其他分匯水量比例均在1.5%以內(nèi)，沿程分出的沙量比例明顯大于水量，可稱為沙量減少區(qū)。而在城陵磯及其下游區(qū)間，城陵磯和湖口入?yún)R水量分別占到大通的30%和19%，匯入水量明顯大于沙量，可稱為水量增加區(qū)。由此可見，大通以上具有一定的水沙異源特征，城陵磯上下具有明顯空間差異性。

圖2 枝城-大通河段沿程水沙收支

從年內(nèi)各月的徑流和含沙量分布來看，干流沿程各站汛枯分明，但螺山以下含沙量的年內(nèi)變幅相對其上游顯著減?。▓D3），并且這種變化是在監(jiān)-螺區(qū)間突然發(fā)生。圖4 比較了該區(qū)間內(nèi)監(jiān)利、螺山和洞庭湖入?yún)R站城陵磯的年內(nèi)流量和含沙量過程，可見城陵磯站水量略小于監(jiān)利，兩站水量的汛枯分布特點類似，但城陵磯含沙量卻較監(jiān)利明顯偏低，并且含沙量較高時期在汛前的2—5月，水沙異步現(xiàn)象非常明顯。由此可見，城陵磯站汛期匯入低含沙水流的稀釋作用，是導(dǎo)致螺山及其下游測站含沙量減小的原因。漢-大區(qū)間雖然有鄱陽湖入?yún)R，但由圖3 可見，含沙量沿程減小的現(xiàn)象不如監(jiān)-螺區(qū)間明顯。

圖3 干流測站多年月均含沙量

圖4 城陵磯附近各站多年月均流量和含沙量

針對城陵磯以上分流較多的荊江河段，圖5 中基于干流和分流口各測站1992—2002年同日水沙資料，從沙量平衡角度統(tǒng)計了枝城-監(jiān)利區(qū)間各流量級下的日均沖淤率，此外還點繪了干流沿程各站的日均含沙量-枝城日均流量關(guān)系，其中沙市、監(jiān)利含沙量考慮水流傳播時間分別滯后枝城流量1 d、2 d。圖5 顯示，在枝城流量小于36 000 m3/s 左右的臨界流量時，含沙量沿程增大，河道略呈沖刷，而在大于該臨界流量時含沙量沿程減小，河道呈現(xiàn)淤積。與圖2 中的年尺度沖淤規(guī)律相比，圖5 進一步說明了區(qū)間內(nèi)沖淤在汛枯期為往復(fù)性，主要淤積區(qū)只可能在汛期淹沒而枯期出露的灘地上。圖2 和圖5 中沙-監(jiān)、監(jiān)-螺區(qū)間呈現(xiàn)淤積的現(xiàn)象，與沙市以下河道展寬、洲灘和河漫灘發(fā)育的事實相符，也與以往研究中基于1980—1998年河道地形的分析結(jié)論相一致［20］。

圖5 不同流量級下荊江河段日均輸沙特征

4.1.2 水沙搭配關(guān)系 根據(jù)長系列日均水沙資料，圖6 給出了多年平均意義上的各站流量-含沙量關(guān)系。從圖6 可以看出以下規(guī)律：（1）各站的流量-含沙量關(guān)系均表現(xiàn)出兩段性特點，當流量超過某一臨界值后，含沙量的變化趨勢存在明顯的拐點；（2）當流量小于臨界值時，各站的流量-含沙量之間呈冪函數(shù)關(guān)系，決定系數(shù)R2均在0.94 以上，冪指數(shù)大部分在1～2 之間，與其他河流的規(guī)律較為類似；（3）當流量大于此拐點對應(yīng)的流量之后，在螺山以上，含沙量增加趨勢減緩，甚至不增加，而在螺山及其下游站點，則呈現(xiàn)明顯的含沙量減小趨勢；（4）拐點流量在螺山以上沿程減小，枝城、沙市、監(jiān)利三站分別約為37 000、32 000 和28 000 m3/s，而在螺山以下則沿程增大，螺山、漢口、大通三站分別約為40 000、41 000 和44 000 m3/s，與沿程分匯流引起流量增減相吻合。綜上所述，長江中下游的流量-含沙量關(guān)系與其它河流上的單一冪函數(shù)規(guī)律顯著不同，這種特殊性應(yīng)該與沿程分匯流有關(guān)。

圖6 干流沿程各站多年平均流量-含沙量關(guān)系

4.1.3 水文頻率特征 根據(jù)干流沿程各站的日均流量數(shù)據(jù)，計算出經(jīng)驗頻率分布之后，經(jīng)檢驗，其概率密度與常用的對數(shù)正態(tài)分布并不吻合，這一點其它研究的認識相一致［24］。因此，本文主要分析各站超過多年平均流量的中洪水流量的頻率分布情況。圖7 給出了沿程6 站的中洪水經(jīng)驗頻率分布以及指數(shù)函數(shù)（EXP）、分段冪函數(shù)（BPL）擬合效果，表1 給出了最終得到的最優(yōu)函數(shù)關(guān)系式。由圖7 和表1 可見，對城陵磯以上各站，分段冪函數(shù)效果略優(yōu)于指數(shù)函數(shù)，擬合的決定系數(shù)R2沿程增加，均在0.94 以上，流量概率初步顯示了中流量與大流量的分段特征，越往下游大流量出現(xiàn)幾率越少。對于城陵磯以下各站，當流量大于某一臨界值時，概率密度急劇減小，分段冪函數(shù)更能描述這種概率分布特點，R2均在0.96 以上。表1 中參數(shù)顯示，螺山、漢口、大通的分段冪函數(shù)分段點依次增大，但都在40 000 m3/s 附近。顯然，這與江湖系統(tǒng)對40 000 m3/s 以上流量的顯著調(diào)蓄能力有關(guān)。

圖7 不同函數(shù)對水文頻率分布的擬合效果

4.2 各站造床流量

4.2.1 基于地貌功原理的造床流量 采用圖解法計算造床流量，形成的輸沙量曲線如圖8所示。由于各站資料年限不同，圖中各級流量下輸沙量已轉(zhuǎn)化為年均值。圖8 顯示，各站的流量-輸沙量曲線均存在明顯的峰值范圍，該范圍的中心位置即為造床流量（表1），其數(shù)值在城陵磯上下游分別呈現(xiàn)了沿程減小和沿程增大的趨勢。

圖8 各站流量-輸沙量曲線

一些研究采用解析法計算造床流量，并認為后者有利于辨析流量頻率和河道輸沙能力兩種因素變化的影響［6］。若采用解析法，則意味著必須用函數(shù)關(guān)系來表示流量-輸沙量關(guān)系和流量概率密度分布。由圖6 可見，長江中下游各站的流量-含沙量關(guān)系存在臨界拐點，為檢驗這種特殊關(guān)系的影響，假定圖6 中拐點之前的冪函數(shù)關(guān)系同樣適用于大流量，也即采用其它河流類似的關(guān)系式（1）描述流量-輸沙量關(guān)系，將其與圖7 中擬合的概率密度函數(shù)相結(jié)合之后，可用式（5）、式（6）計算各站的造床流量（參數(shù)見表1）。若由此得到的造床流量與圖解法近似，則說明流量-含沙量關(guān)系的分段特征對造床流量影響不大，否則說明其影響不可忽視。解析法的計算結(jié)果見表1，由計算結(jié)果可見，若采用指數(shù)函數(shù)描述流量頻率分布，則解析法計算結(jié)果與圖解法差異較大，若采用分段冪函數(shù)描述流量頻率分布，解析法與圖解法差異縮小。尤其是在城陵磯以下，二者甚為接近。這一方面說明，分段冪函數(shù)相比于指數(shù)函數(shù)更能描述長江中下游的中洪水流量頻率分布，另一方說明，流量頻率分布的分段特性相比于含沙量的分段特性，對造床流量影響更大。

表1 各站水沙特征參數(shù)及造床流量 （單位：m3/s）

4.2.2 基于平灘流量的造床流量 以10 000 m3/s 流量對應(yīng)的基本河槽為起算點，以5 000 m3/s 流量為間隔逐級增大流量，分別計算了荊江河段10 000～60 000 m3/s、螺-漢河段10 000～65 000 m3/s流量范圍內(nèi)各級河槽的平均河寬和水深，如圖9所示。由圖9 可見，在基本河槽內(nèi)，隨流量增大，河寬與水深均急劇增大，但當流量達到某一范圍時，水深隨河寬增大的變幅甚小，而當流量超過這一范圍之后，水深隨河寬變化的速率又重新增大。這一臨界范圍，在荊江河段（對應(yīng)枝城流量）約為25 000～45 000 m3/s，在螺-漢河段（對應(yīng)螺山流量）約為30 000～50 000 m3/s。之所以呈現(xiàn)以上現(xiàn)象，是由于河道內(nèi)既存在發(fā)育不完整的低灘，又存在放寬段內(nèi)高大江心洲，從長河段角度，從漫灘到洲灘被淹沒有一個流量范圍，在此范圍內(nèi)隨著流量增大河寬會急劇增大，而水深變幅不大，當大部分洲灘被淹沒之后，水位漲至兩岸堤防，隨著流量繼續(xù)增大水深又繼續(xù)增大。

圖9 不同流量下河段內(nèi)平均河寬與平均水深關(guān)系

從圖9 可知，所謂平灘流量實際上是個流量范圍，這與多數(shù)文獻中認為造床流量是一個流量范圍的認識相一致［1-2，5］。選擇各河段平灘流量的均值作為造床流量，由圖9（a）可見，荊江河段約為枝城流量35 000 m3/s，考慮該級流量下的三口分流量之后，沙市、監(jiān)利分別約為30 000 和28 000 m3/s；從圖9（b）可見，螺-漢河段約為40 000 m3/s。為進一步檢驗平灘流量的合理性，對城陵磯以下河段，利用洲灘較完整的典型斷面，查取灘唇高程并與各級流量下水面線進行了對比（圖10），由圖10 可見，漢口以上和以下河段灘唇位置分別與螺山流量40 000 m3/s、大通流量44 000 m3/s 的水面線總體相符。

圖10 城陵磯-大通河段灘唇高程與平灘流量下水面線比較

4.3 水沙輸移特征與造床流量關(guān)系分析

4.3.1 水沙輸移時空差異性的形成機制 由上文分析可知，洞庭湖對干流水沙輸移影響顯著，城陵磯上下游河段呈現(xiàn)出明顯差異，體現(xiàn)在水沙搭配關(guān)系、洪水流量頻率分布等多方面。顯然，這種空間差異性與江湖之間水沙分匯有關(guān)。

從洪水蓄泄特性來看，除了大堤之間江槽存在調(diào)蓄作用之外，長江中游更為特殊之處體現(xiàn)在干流洪水可通過三口分入洞庭湖，從而產(chǎn)生明顯削峰效果。圖11 中給出了1992—2002年枝城日均流量與三口日均分流量之間關(guān)系，由圖11 可見，三口分流比隨著流量增大的速率在枝城流量大于35 000 m3/s 之后趨于最大值，維持在0.23 左右。圖7 中螺山站流量概率密度在36 000 m3/s 左右發(fā)生轉(zhuǎn)折，扣除區(qū)間入流之后，兩個流量臨界值非常接近，其原因顯然與此流量級以上江湖系統(tǒng)調(diào)蓄作用增大有關(guān)。

從泥沙沖淤特性來看，河道內(nèi)的輸沙能力一般與流量高次方成正比，三口汛期分流增大（圖11），必然導(dǎo)致干流輸沙能力降低，而枯期三口分流量較小甚至斷流，則基本不影響干流輸沙。圖2、圖5 中，荊江各站汛期含沙量沿程減小、河道洪淤枯沖的規(guī)律，顯然與這種輸沙動力周期變化有關(guān)。但從圖3 來看，盡管監(jiān)利以上的干流河道存在淤積，但沿程的含沙量劇減并不發(fā)生于監(jiān)利以上，而是監(jiān)-螺區(qū)間，這說明沙量劇減主要由洞庭湖沉沙引起。圖4 中已說明了城陵磯月均來沙量及其年內(nèi)分配與干流站的顯著差異，圖12 中進一步給出了1992—2002年城陵磯日均流量-含沙量關(guān)系，可見當流量大于11 000 m3/s 時，含沙量與流量呈明顯負相關(guān)，量值基本低于0.1 kg/m3，近似清水。綜合來看，荊江干流淤積的臨界枝城流量約為35 000 m3/s，洞庭湖沉沙效果較顯著的臨界城陵磯流量約為11 000 m3/s，考慮汛期三口分流比例0.23，由此折算得到螺山站含沙量減小的臨界流量約為38 000 m3/s，與圖6 非常吻合。

圖11 荊江三口分流比與枝城流量關(guān)系

圖12 城陵磯匯流含沙量與流量關(guān)系

綜上可見，洪水期洞庭湖對干流產(chǎn)生明顯調(diào)洪功能，導(dǎo)致洪水概率密度在大于某一流量發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，這一規(guī)律與其他河流河漫灘調(diào)蓄洪水導(dǎo)致的規(guī)律類似。但不同于其他沖積河流以洲灘發(fā)育為主的泥沙沉積，長江中下游明顯的水沙關(guān)系拐點除了與干流的洲灘淤積有關(guān)之外，更主要是由獨特的江湖關(guān)系所致：一是分流導(dǎo)致荊江干流輸沙動力降低，汛期含沙量沿程減??；二是干流分入洞庭湖的“高含沙量”水流與洞庭湖四水合流之后，經(jīng)湖區(qū)沉沙，近似清水入?yún)R長江，對城陵磯以下產(chǎn)生了顯著的稀釋作用。兩者綜合作用下，導(dǎo)致了監(jiān)利至螺山流量顯著增加而輸沙量幾乎不增加，含沙量顯著減小。換而言之，正是獨特的江湖關(guān)系形成了以城陵磯為界上下河段水沙輸移特征迥異的格局。相比于洞庭湖，鄱陽湖不具有分流分沙功能，因而大通站與漢口站的水沙輸移規(guī)律類似。

4.3.2 水沙輸移特征對造床流量的影響 上文基于地貌功原理和平灘流量法分別得到了造床流量，見表2。一些研究也表明，流量-含沙量曲線、流量概率密度曲線中的突變點，也對造床流量具有指示意義。將上述特征流量也列入表2，可見除了城陵磯以上的概率密度拐點結(jié)果之外，其他幾者在量級上基本吻合。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，顯然是由于城陵磯以上流量概率密度受長江上游流域降雨產(chǎn)匯流特性影響較大，江湖系統(tǒng)調(diào)蓄作用產(chǎn)生的流量概率密度偏轉(zhuǎn)尚不夠明顯，而城陵磯以下受江湖系統(tǒng)調(diào)蓄影響，流量概率密度的分段特征格外突出。由表2 總體來看，經(jīng)過長期沖積作用，長江中下游的水沙過程與河道形態(tài)相互適應(yīng)，各角度得到的造床流量相互對應(yīng)。

表2 各站特征流量與造床流量對比 （單位：m3/s）

長時間尺度來看，河道進口來水來沙是塑造沖積河道形態(tài)的主動因素。根據(jù)城陵磯上下游水沙輸移特征差異，可對造床過程中各因素的作用加以解析：（1）對于城陵磯以上河段，枝城站水沙過程不受江湖分流影響，而沙市和監(jiān)利則明顯受分流影響，但由表2 中結(jié)果可見，依據(jù)枝城站來水來沙統(tǒng)計得到的流量-含沙量關(guān)系拐點、地貌功造床流量與依據(jù)整個荊江河段地形反推得到的平灘流量接近，并且與其下游沙市、監(jiān)利兩站的特征流量也對應(yīng)良好。不僅如此，圖11 中三口分流比轉(zhuǎn)折點36 000 m3/s，也與枝城造床流量、荊江平灘流量基本對應(yīng)。這說明，作為廣義上的河漫灘，包括三口分流道在內(nèi)的河流系統(tǒng)都經(jīng)受枝城來水來沙的塑造，枝城來水來沙是荊江河段造床流量的決定因素，三口分流分沙處于被動適應(yīng)地位。（2）對于城陵磯以下河段，盡管沿程有漢江、鄱陽湖水沙入?yún)R，還經(jīng)歷了六百多公里河道調(diào)蓄作用，但可以看出螺山、漢口和大通站的流量-含沙量關(guān)系、流量概率密度分布具有相似性。尤其是螺山以下來流占大通約30%，但由表2 可見沿程的造床流量增幅有限。顯然，經(jīng)過江湖調(diào)蓄的螺山水沙過程是決定螺山以下造床流量的決定因素，沿程匯流影響有限。

根據(jù)地貌功原理，各級流量持續(xù)時間（水文特性）與各級流量下河道輸沙能力（動力特性）聯(lián)合決定造床流量。對城陵磯以上河段，河段進口枝城站處于三峽出口前緣與江漢平原交界帶，其流量-含沙量關(guān)系在大流量時期的轉(zhuǎn)折由上游流域所導(dǎo)致。由表1、表2 可見，當采用式（1）而不是圖6 中的真實流量-沙量關(guān)系解析推求造床流量時，城陵磯以上各站的計算值與實際值差異較大。這說明，除了流量頻率之外，上游來水來沙搭配關(guān)系對荊江河段造床流量影響不可忽視。對于城陵磯以下河段，在解析法中采用式（1）計算得到的造床流量與實際值非常接近，這說明對造床流量起主導(dǎo)作用的是流量概率密度。實際上，將表1 中各站參數(shù)代入式（6），可以看出城陵磯下游各站相應(yīng)的計算式中冪指數(shù)項的值接近于1，Qe的量級基本由轉(zhuǎn)折點a1決定。因此，江湖蓄泄特性導(dǎo)致的洪水概率密度分布，是決定城陵磯以下干流造床流量的最關(guān)鍵因素。

4.3.3 新水沙條件對造床流量的影響 三峽水庫運行后，壩下游洪水被削減、流量過程均勻化，水流含沙量嚴重次飽和，河道如何調(diào)整是值得研究的問題。對沖積河流而言，來水來沙是塑造河道形態(tài)的主動因素，這一特點并不會隨水庫運行而發(fā)生改變。雖然在建庫初期，沙量嚴重次飽和導(dǎo)致過流斷面兩側(cè)難以淤積還灘，但隨著時間推移和出庫含沙量增大，河槽必然被重塑。在距壩較遠位置，由于含沙量更容易通過沿程補給得到恢復(fù)，灘地重塑的時機可能更早。這個過程中，即使河流處于非平衡態(tài)，仍然可運用造床流量的觀點對各種因素的影響效應(yīng)和河道調(diào)整趨勢進行宏觀的預(yù)判。對于長江中下游而言，由于江湖分匯流格局將長期存在，上文形成的認識仍具有啟示意義。

在城陵磯以上分流影響區(qū)，前文分析已表明，來水來沙搭配關(guān)系和流量頻率分布均對造床流量影響較大。以沙市作為荊江河段代表水文站，點繪三峽水庫蓄水后的水沙搭配關(guān)系（圖13（a）），由于大量泥沙由河床補給，流量-含沙量關(guān)系的冪指數(shù)有所增大，根據(jù)式（6）可知這種變化有利于造床流量增大。但由流量頻率分布來看（圖13（b）），由于洪水流量削減，概率密度的拐點由26 000 減小為22 000 m3/s，將導(dǎo)致造床流量減小。根據(jù)圖13（a）（b）中蓄水后水沙輸移特征重新估計式（6）中的參數(shù)，計算可得沙市站造床流量將由蓄水前32 000 減小至23 000 m3/s 左右。由此可見，近期流量頻率分布的變化對荊江河段造床流量調(diào)整起到了主導(dǎo)作用。從遠期來看，隨著荊江河段床面補給沙量衰減，圖13（a）中的冪指數(shù)仍可能變化，此外由于干流和分流河道的調(diào)整不一定能保持同步，不排除在一定時期內(nèi)三口分流特性調(diào)整也影響干流的流量頻率分布。因此，對城陵磯以上的造床流量調(diào)整，需同時關(guān)注多種因素的影響。

圖13 三峽水庫運行前后典型站點水沙輸移特征比較

對城陵磯以下河段，流量頻率分布對造床流量影響更大。以漢口作為該河段內(nèi)代表水文站，從該站三峽建庫后的水沙輸移特征來看，流量-含沙量關(guān)系相比于天然情況整體下移（圖13（c）），但冪指數(shù)基本不變，由式（6）可知，這意味著造床流量調(diào)整將由流量頻率分布所主導(dǎo)。而由圖13（d）來看，三峽水庫蓄水后的流量概率密度相比于天然情況明顯調(diào)整，分段臨界點由蓄水前的42 000 減小至35 000 m3/s 左右，重新由式（6）計算可得造床流量將由39 300 減小為34 000 m3/s，這預(yù)示著洪水河槽萎縮的發(fā)展趨勢。城陵磯以下來流頻率受到三峽下泄流量、洞庭湖四水來流共同影響，長期來看還受分匯流河道和湖床、河床調(diào)整引起的蓄泄特性變化影響。為避免洪水河槽萎縮的不利變化，應(yīng)密切關(guān)注多種因素共同影響下的流量頻率特征。

5 結(jié)論

長江干流水沙輸移特性受到獨特江湖分匯流影響，進而影響造床流量。對于二者之間的關(guān)系，本文開展了多角度系統(tǒng)分析，形成如下認識：（1）由于來水來沙空間異源、時間異步，加之湖泊滯洪沉沙功能，長江中下游以城陵磯為界，其上下河段水沙輸移存在明顯差異。城陵磯以上的分流沉沙區(qū)，中水和洪水流量概率密度之間存在微弱的轉(zhuǎn)折，枝城流量大于35 000～40 000 m3/s 的臨界范圍時，三口分流比達到最大，導(dǎo)致干流河道淤積；城陵磯以下的匯流稀釋區(qū)，中洪水流量的概率密度呈明顯的分段冪函數(shù)分布，當洞庭湖匯流量大于11 000 m3/s 時含沙量降低，導(dǎo)致城陵磯下游河段在流量超過40 000 m3/s 左右的臨界范圍時，流量-含沙量關(guān)系由正相關(guān)轉(zhuǎn)為負相關(guān)。（2）長江中下游水沙過程與河道形態(tài)相互適應(yīng)，依據(jù)地貌功原理估算的造床流量與依據(jù)河道形態(tài)反求的平灘流量相一致，但它們的形成機制在沿程存在差異。在荊江河段，枝城來水來沙是決定造床流量的主要因素，分流分沙關(guān)系為次要因素，流量概率密度分布與流量-含沙量關(guān)系均會影響造床流量；在城陵磯以下河段，造床流量主要受中洪水流量概率密度分布影響，江湖系統(tǒng)調(diào)蓄洪水作用是影響造床流量的重要因素，沿程匯流對造床流量影響較小。（3）天然情況下，流量-含沙量曲線拐點、中洪水概率密度轉(zhuǎn)折點直接反映了江湖系統(tǒng)內(nèi)水沙輸移特征的突變，也反映了水沙過程對干流河道塑造作用的臨界特性，能夠作為判斷造床流量的依據(jù)。三峽水庫運行后新水沙條件下，中洪水頻率、水沙搭配關(guān)系均發(fā)生調(diào)整，但河床再造過程中，本文歸納的各種影響因素及其主次關(guān)系不會變化。洪水頻次削減導(dǎo)致洪水河槽存在萎縮可能性，應(yīng)受到密切關(guān)注。