参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2006-23
2006年7月5日
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平原河流的治理方法、理论与实践（上）
（讨论稿）
林一山
一条河流的河床发育规律，在下游的冲积平原同在丘陵山区的河段，二者是完全不同的。但是在冲积平原上形成的河床，其一切特征同上游丘陵山区的地貌地质和气候等因素有着密切的关系。在冲积平原上的河床，经常处于变化之中，对于沿岸居民的关系远比山区丘陵河段影响更大。本文主要研究平原河段的河流规律。
从我国的河流类型分析，在冲积平原上的河床，大体可分为三种类型。一种是窄深型，如长江；一种是宽浅型，如黄河；一种是介于上述二种之间各种宽度与深度的河床，如黑龙江和松花江。各种不同断面形式的河床，其特征的形成因素极为复杂。我们已知的因素主要是水流含沙性质和边界条件不同，也可能还有更重要的因素尚未发现。总之，不论是否能够知道河流特征的成因，必须首先弄清某一河流的特征与规律是什么，这就必须根据有史以来人们对于某一河流的斗争实践，经过反复检验而后认识其特征与规律。我们所以要研究河流的特征与规律，目的是作到有效整治和充分利用。
一、平原河流的河道演变规律
在人们的日常概念中，河流就是水流与河床的矛盾统一体，在这一关系中水流是矛盾的主要方面。因此，引起河流变化的各种现象，主要都是认为水流的变化而引起的结果。任何一条比较稳定的河流，其河床的纵横断面在一般情况下都保持着该河流的固有特征。这种河流特性的保持，包括河床变化的特征在内，就是该河流自身的辨证法则。
在没有人工作用的情况下，平原河段的特征，由上游特定的气候和特定的地质条件所决定。由于这些一般不会发生变化，因而由河流所形成的冲积平原及在平原上所创造的河床特征也就基本不变。
在一定条件下，河流水量的不均衡性是保持河床比较稳定的主因。在天然河流形态的弯段中，随着河水流量变化，不可避免地改变着冲刷点，所谓“小水走弯，大水走直”，就是小流量时冲刷弯段顶点，大流量则偏离弯段顶点而呈居中现象，使冲刷点下移，或者说小流量河弯半径小，大流量河弯半径大；水流不断地改变着它的冲刷顶点，而出现次数较多、冲刷能力较强的所谓造床流量，对于河床纵横断面起着主导作用。这种造床流量又受各种因素的影响，包括上游弯段的下移及其移动中所遇到的不同边界条件等，从而使造床流量的冲刷点也上下移动，而经常以向下移动为主。这种移动经过一个较长的过程，就会使水流所冲刷的岸边弯段逐步走向反面，使凸岸变为凹岸，凹岸变凸岸，即人们常说的“一弯变，弯弯变”、“三十年河东三十年河西”，这反映了河流的河床变化规律在纵横断而上的两种不同现象。由于河流冲刷点的不固定，不会造成河床弯曲度有过大变化，也不会使河床向两岸的摆动幅度有过大的变化。因此，这种规律可以使河床保持在一定范围内的变化，这个特征就是造成河床基本稳定的主要因素。
在一定条件下河床的另一种表现形态是：河水在不同流量的变化过程中，其含沙量也经常发生相应的不同变化，泥沙专家把某种流量发生的最高含沙量称为沙峰。这种水沙矛盾的平衡关系，通常最易看到的表现形式是沙洲边滩出现及消长。这种沙洲和边滩的消长除了作为河势变化的表现以外，它还是河床不同过水断面的一种反映，即在各种不同情况下，一定的过水断面通过一定的流量。当造床流量大于河床过水断面时，该断面即发生冲刷，表现为扩大；反之，过水断面大于造床流量的需要，该断面即发生淤积，表现为缩小。换言之，当河水的含沙量超过它的挟带能力或说超饱和，这时河水即把多余的泥沙甩掉，表现为边滩的扩大、沙洲的出现；反之边滩就缩小，沙洲就消失。这里我们不去分析河流中悬移质和推移质的问题，只讲河水对泥沙的搬运能力，我们在研究河流泥沙时，必须把泥沙的运动与河势的变化统一起来；即我们把河水对泥沙的搬运能力作为主导因素，而把边滩、沙洲的消长看做是这种能力大小的表现。
在河流创造冲积平原也同时为自己创造河床的过程中，有一种特征就是主河床与无数支汊并存，或者表现为河床中无数洲滩并存。但在今天，我们看到的长江干流是一种以双汊河流为主的河床状态，这是河流在自然状态中受到某种控制作用后的结果；还可以看到皖江境内的某些河段，不仅是双汊，还表现为更多的支汊形态，但这种发展趋势也已表现为以双汊为主。象长江这种以窄深为特征的河床，在无数支汊中总是要有一个为主的河槽。在这个主槽的不断变化过程中，在无数支汊中靠主槽的支汊转变为主槽的机遇远远大于其它支汊，这就是双汊河槽形成的主因。在双汊河床的自然变化过程中，这种河床的主要变化特征是：主槽与较大支汊互相交替，即每当支汊的分流口上端处于主槽的凹岸河段时，这种支汊就逐步转为主槽，而将原来与支汊并存的主槽又逐渐淤积缩小变为支汊。这种互相交替的变化使河床形态表现为每两个弯断形成一个“∞”字形状对称的河段，而每当上一弯段的支汊变为主槽时，其下游的支汊也相应的变为主槽。
说到我们今天所看到的各个江河，它的外部表现形态已受到人类活动的深刻影响，但这并没有改变江河的运动规律，而只是改变了这种规律的表现形式。以长江的平原河段为例，从2000公里的长江中下游河道变化过程，我们可以看到，许多河段已基本从双汊河床变为单一河床，而另外一些河段，其双汊河床也逐渐向单一河床发展。两湖境内的长江干流约1000公里，除武汉河段的双汊河床不久即将变为单一河床外，其余各河段从上荆江到下荆江，以及武汉河段以上以下两个相邻河段的双汊河槽，也已基本变为单一河床。在这1000公里的河道中，局部江中沙洲和接近死亡的支汊，如需要进行调整工程，工程量都很小，技术问题也较简单，只要把两岸和上下游的利害关系问题合理解决，这个1000公里的大河道，就能变为沿岸到处可以建港的标准河道。赣、皖、苏的沿江河段及上海市区的河口段也约有1000公里，除赣、皖的沿江河段支汊较多，河势尚不稳定外，江苏境内的长江河段已明显地由双汊过渡为单一河床。
可以毫不含糊地说，没有一千多年来人类活动对河流的影响，就不会有今天这个样子的长江河道，它将仍然是支汊横生、洲滩出没的样子。例如：长江两岸的大堤工程，在不断加高培厚的过程中，其中也包括缩窄江面宽度的经验，这对扩大主槽改善长江干流河势都起了有益的作用。这就是中国古代水利界已总结的一个经验，叫作“束水攻沙”。从某种意义上说，缩窄江面宽度，对多汊和双汊河床，可以逐步增大主槽的过水能力，逐步使支汊缩小以致淤死，从而使分汊河床变为单一河床。这就可以既不影响泄洪，而又利于改善航道，大大促进现代水上运输事业和沿江岸线资源的开发。
在不违反河流规律的情况下，或者说在河流规律允许的范围内，前人对河流斗争的实践以及河流在人工限制下所引起的变化结果，都是符合河流学法则的。在目前还可以看到长江干流及洲滩支汊变化的遗迹，即由于人工缩窄江面，致使河弯半径也相应地缩短，这后一种变化也可看为河流运动对人工活动的合乎规律地反应。也还可以看到另一种河床变化的遗迹，即最显著的是湖北沙市河段和南京浦口河段，由于市区的扩大而被缩窄的市区河段也要继续延长，这个被缩窄而又延长的河段必然引起以下相邻河段的变化，甚至也影响以上相邻河段。从中可见，由于人工作用，多汊河床与双汊河床互相交替的表现形式必然被打破。这是由于河弯半径的缩短，以及相应干流弯段的长度也必然缩短，如此便改变了原来处于“∞”字状态的河床其双槽交替变化的相互关系，尤其是干支汊的对称平衡关系，并使之失去原有的平衡作用。而在干流弯段的移动过程中，支汊进水口处于干流弯段的机遇减少了，处于干流弯段的过程也缩短了。由于以上种种原因，迫使支汊淤积的过程远远长于其冲刷扩大的过程；所以原来长期处于双汊状态的河床逐渐发展为单一河床。就此而言，长江平原河段多汊河床向单一河床的演变，乃是人类活动和河流运动合乎规律地相互作用的产物。
目前对于长江干流的整治工程，需要进行大规模研究工作的赣、皖河道及上海市区河口段整治方案较难制定，主要问题是各自为政、地方利益分割，其基本原因是缺乏强有力的领导机构，统一各方的不同意见。但整治长江河道的理论与经验，因为前人已有成功的事例，可作依据，因而技术问题并不复杂。最明显的就是赣、皖河道的上、下游基本已变成单一河床或正在由双汊河床向单一河床过渡；因此，赣皖河道也没有理由不能成功地由双汊河床向单一河床转变，只要我们充分地吸取前人的经验和教训，使人类活动和河流运动合乎规律地相互作用，那么这一天是完全可以期待的。
另外，我们从R和S的常数关系来看皖赣河段的可能演变趋势，其结论也是明显的。根据有关文献可知，长江中下游（宜昌以下）河床宽深比由距河口距离1600公里的3.5降到1200公里的2左右，而后开始上升到600公里的4至3之间。这说明皖、赣河段的双汊或多汊河床具有更大的宽深比。当过水断面一定时，宽深比增加或R变小，则其河床比降S将变大，这意味着河床淤高，这也就是该河段洲滩众多的原因。另外，有资料表明，在长江中下游，存在着一个宽深比的临界值，大约为3，当宽深比大于3时，一般可发育成江心洲与汊道；小于此值，则往往为单一河床。也就是说，如果我们通过堵支并汊，增大主槽的过流能力，R就增大，S将变小，于是洲滩将消失或缩小，该河段也就变成了单一河床，其宽深比也就降低了。这样，皖、赣河段的演变趋势就与其上、下游的状况一致起来。
如果有一天，长江平原河道全部变为单一河床，那我们是不会对此感到奇怪的，也不会认为我们改变了河流运动的基本规律；实际上，这只不过是我们有目的地利用了河流运动的规律，使其运动的表现形式发生了符合我们目的的转化而已。
二、工程河段和以河治河
整治一段复杂的河道，要比修建一座高坝水库更为复杂，其复杂性就在于怎样运用河流学原理来解决工程技术上的重大问题。在过去的河流学里，是没有“工程河段”这一概念的。这一新概念和新名词是我们在葛洲坝河势规划的工作中首次提出的。为什么要提出这一概念？因为随着农业和工业的不断发展，城镇的生产和生活对河流的依赖性日益增强，对河流的要求不断提高，因而也就逐渐不能容许河流任意变化了。
葛洲坝是一座低水头大流量的低坝，它与大库容高坝工程显著不同，因为它基本上不脱离天然河流的特征，在解决水流泥沙与过水建筑物的关系方面，特别是航道水流流态和泄洪建筑物方面，技术性要比大库容高坝工程复杂得多，尤其是葛洲坝工程座落在长江一个十分奇特的河段上，更加明显地增加了问题的难度。尽管如此，在该河段上毕竟还是有一座坝在那里，它对我们控导河势变化的作用仍是举足轻重的。但是当我们一旦进入了大流量的平原河段时，这个手段或工具已无法使用，那我们还能靠什么来对河流变化进行调节呢？答案是河势控导工程河段；即利用河流学原理，利用工程河段与自然河段的相互关系、相互作用，使河流变化顺乎我们的目的。
任何一条比较稳定的河流，河宽与河弯半径和过渡段的长度之间都存在着一定的关系，即使在河势演变中，它也维持在一定的变化幅度内，这是河流学的基本规律之一。长江平原河段虽然两岸都受到堤防和人工守护的制约，但这一基本规律还是明显的，长江河势主泓线近百年的变迁比较稳定也证明了这一点。因此，我们能够制定一个比较合理的河势改造计划，有可能以最小的经济代价，使河势的变化幅度不超过自然法则允许限度，并控制在设计边滩的宽度以内，因而可大大减轻管理和维护的工作量。
在制定河势守护计划时，我们必须研究并确定控制各个河段河势变化的有效因素。这种控制是由两种相反因素组成的。一种是固定的河岸，即人为的城镇护岸包括码头等建筑物和强度较硬的粘土河岸或临江山丘河岸等；另一种是经常在不断变化着的随时可能冲刷崩塌的河岸。这两种因素既相反又相成，河势的守护并不需要在河流两岸全线进行守护。例如：武汉以下黄石到广济河段，两岸山丘断断续续犬牙交错，由于分布的合理，即两岸控制点与河弯半径的合理关系，使该河段不能发生大的平面摆动，河道弯段不能有过大的弯曲度；因此，在两岸某些控制节点之间，才可以长期保持着基本稳定的较为顺直的河势。正由于我们认识了这种相反相成的辩证关系，通过合理地布置守护段，就可以最小的投资达到我们的目的。正确运用河岸对水流的反作用，我们就能做到事半功倍；反之，就会事倍功半或徒劳无功。
近百年以来，长江平原河段因人为的作用加大了，河床由宽变窄，由浅变深，即R大了，河弯半径也在缩小，但它的特征基本上还是没有变。我们运用这种理论，已经在下荆江裁弯工程的实践中得到证实，它之所以能用很少的投资完成重大工程，就是运用这种河流辩证法的一个成果。也就是说，我们在长期的观测研究中，认识了上荆江各个河岸弯段的发展规律，并利用这种规律把各个主泓所冲刷的弯段，引导到有利于我们进行维护工程的部位，这既不是自
然发展来的，也不是按主观意愿强迫来的，而是利用河流运动规律对河势及河道进行能动性的改造。
前文说明了平原河床由于流量大小不同，不断改变对河岸的冲刷点，以及造床流量因受各种不同因素影响不断改变着冲刷点，是使河床基本保持稳定特征的原因。从相对意义讲，简言之，河床正因为是不断改变冲刷点，冲冲淤淤，才保持了其自身的基本不变，这也是河流辩证法的一种表现形式。既然河床以其不断的变化，形成了自己基本不变的特征，那么我们还需不需要和可否利用这个规律，使河岸边滩的变化幅度变得更小呢？答案是肯定的。
第一，在两岸都是不防护的情况下，我们可以利用不同流量，包括造床流量不同冲刷点的不断变动对河岸的冲刷作用，当偶然出现的不利情况，例如某个冲刷点使边滩崩塌过多，超过岸边堤脚河堤安全度时，在上游进行简单的调整工程，使得严重冲刷点向上移动，更好的是向下移动。因为一般情况下，在上游做引导工程，使下游冲刷点向下移动比向上移容易得多。
第二、在两岸有防护的情况下不如两岸都不防护。为什么全线防护不好呢？因为这样做很不经济。如果岸边不是非防护不可，而是有一定宽度的河岸边滩，我们采用前述所说方法，只进行冲刷点的调整，即用冲冲淤淤的变化方法，代替固定的块石护岸，这两种投资根本不能相比。这也证明正确运用河流辩证法的重要意义。
第三，部份防护、部份不防护二者相反相成是最优的方案。既然两岸不固定河段都可在上游用少量工程将下游不利的冲刷点引向有利部位；那么，在有部份固定河岸的河段，这种引导工程的作用就更显著了。因为，固定河段不仅是其本身是固定的，还可使下游弯段受到有利影响。我们做引导工程把不利冲刷点引向有利部位，这个有利部位即是固定河岸，这可使固定河岸不会变成凸岸，失去防护作用，而能长期对下游发挥作用。这种固定河岸与不固定河岸二者之间相反相成的辩证关系，是维护河岸达到稳定的最好、最经济的办法。
从长江中下游的平原河流河段看，今后的工作应该是，为实现改变荆江南高北低严重局面而制订的各种具体方案，尚需继续研究和力争尽早实施。在城陵矶至九江之间，着重整治两个河段，一个是要逐步解决洪湖大堤的安全和相应河段的碍航问题；另一个是武汉港区河段的整治，包括堵塞左汊形成青山港的单一河道，并将河道大断面缩小到最小的必需断面，以利于港埠建设。九江以下至河口应进行全面整治，其中包括张家洲、官洲、裕溪口、马鞍山、南京及镇扬等重点河段。九江以下河段的整治原则应是：采取堵支整流，力争尽早形成单一河槽，利用已有的控制点，增建新控制点等措施，以利于泄洪、通航、建港、岸线资源开发、农田保护和水利卫生，至于河口段除重点护岸防坍外，应结合太湖水系规划，包括上海建港等问题另行拟定整治方案。
在拟定整治方案时，应该采取在总的规划思想指导下，分段提出整治措施。在制订分段整治措施时，应根据长江两岸已有的控制点作为各分段的联结点。这些已有的控制点，就是沿江城镇码头区、天然山脚和合理的护岸段。在制订分段整治措施时，还必须密切注意并结合上下相邻河段统一考虑。
在考虑堵汊整流形成单一河槽的方案时，应调查长江历年各个典型年份的河道主泓及上下弯道的相应关系，并根据这些调查资料，制定出若干河道主泓方案。如果有必要改变上下弯道关系时，也必须按河道理论并结合历史资料制订方案。
在制定利用已有控制点和建立新控制点方案时，因长江下游流量大，河宽水深，所谓控制点实际上是控制段，所以研究各点的长度和各点的间距是研究控制点的重点。点的长度除满足工农业设施要求外，还应做到能控导水流并使凹岸岸边弯曲半径符合要求；这是因为堵汊整流后，除了岩石边界条件外，主要方面应该是江面的缩窄对于河弯半径变化起主导作用。而各点的间距则应按主要与次要河段并分别轻重缓急加以确定。由于长江流量大，河道弯曲半径也大，两点之间的岸线不可能有过大的凹进，非主要河段的间距可大一些。如果在某些重点保护河段要求严格控制冲刷点的位置时，其上游河段的控制点应适当缩小间距，而点的长度也应满足要求。
实施上述制定整治方案的原则，必须与本地区实际情况相结合，正确处理上下游、左右岸、主泓线与控制点、重点点与一般点之间的矛盾，并与已定的蓄洪垦殖区统一考虑，必须时还需进行河工模型试验。制订方案时，还应做到充分讨论。由于在长江上还没有堵汊整流形成单一河槽的系统试验，结合本地实际情况用河流学的道理说明问题，并向有关单位讲清目的，充分协商，解除纠纷，团结治水。
过去有人认为长江中下游的汊道比较稳定，主支汊易位的周期长，同时主支汊两岸均已建有许多工农业设施，应采取措施维持现状，不宜实行堵汊整流形成单一河床。我们认为在一般情况下，正因为分汊河道就是主汉与支汊的交替消长，会引起下游河段的急剧变化，甚至走向反面，才不利于沿江的港埠建设和护岸工程。因而采用维持现状的措施则投资大，效果差；而堵汊整流形成单一河槽后，河道防护部位明确，控制点稳定后，河势将不再发生急剧变动，才有利于工农业远景布局。至于利用支汊发展起来的城镇，必要时可将该支汊建成运河，所以堵支并汊与整治河床、发展航运并无矛盾。其次，有人认为分汊河床有利于泄洪，这种主张只是看到利用河汊滩地来扩大泄洪断面的面积，而没有看到扩大主泓泄洪断面的重要性。由于长江汛期长流量大，挟带泥沙的能力大，堵汊后主泓过水断面必然很快冲刷扩大，由于流量集中，主泓糙率较小，因而流速较大，主泓过水断面稍有增加，就远比河汊滩地若干倍的过水断面更能有效地宣泄洪水。
一旦长江中下游平原河流河道变成单一河床，其河宽将比双汊和多汊河床时的河宽明显变小，这时矛盾的主要方面应该是江面的缩窄对于河弯半径的变化起主导作用，也就是说河势控导工程的问题便简化为：如何利用横向摆幅增大和冲刷顶点下移（有时是上移）这两个规律的相互制约作用，使弯曲型单一河床的横向和纵向摆幅控制在一定范围之内，其摆动的位置控制在我们所希望的范围里。也就是说，要利用岸边对水流的约束作用，以形成我们所希望的分力与合力。
整治后的各个河段按河流基本规律只需做重点控制，非控制河段在大的河势控制下，可能有小的摆动，但因设计中的临河大堤有一定宽滩，这种较小的摆动不会影响整个河势的改变。即利用固定河床和不固定河岸二者相反相成的辩证关系，达到控制河床变化幅度，即边滩冲淤不超过设计允许的极限这样一个问题。另外，在重点控制河段，可利用沿河城镇发展建设的条件，一石数鸟，修建超高特种断面大堤，防御任何可能发生的特大洪水；即在进行市区岸边形态和港区码头建设计划时，按河流学原理进行工农业和城镇基础设施的工程设计，使城镇河段形成一个合理的固定河段或河势控导工程河段，以便引导和调控河流主泓线的摆动在合理范围。
对于长江这样的窄深型河流，我们可以在一定条件下，使其平原河段的河床单一化，即基本上使它的双汊或多汊河床表现形式最终趋于消亡，但它的弯曲形态却是一种基本形态，其河宽与河弯半径和过渡段的长度之间，都存在一定的关系，即使在河势演变中，它也维持在一定的变化幅度内，这是河流学的基本规律之一。对此，我们无法改变它，但可以加以利用，即以最小的经济代价使河势的变化幅度不超过自然法则的允许限度。这就为河势控导工程河段的设计提出了很高的要求。
