1.7　下荆江蜿蜒型河道成因分析

1.7.1　蜿蜒型河道成因三大要素

关于蜿蜒型河道成因，以往许多学者做过很多研究，提出了许多不同的观点。作者通过近些年接触并研究冲积平原河型成因，先就河道演变的三大要素影响蜿蜒型河道成因进行分析。

1.基准面条件应是一条河流形成、发育过程中十分重要的因素

基准面条件不仅在不同的地质和气候变化年代决定一条河流的生命过程，而且在某一历史阶段决定着河流的总体侵蚀或堆积的趋势；最为显著的是，它在一条冲积平原河流的形成和发育中对河流的演变产生持续的影响，特别是对河流下游尤其是紧邻它的河段河床冲淤和河口形态产生直接的影响。所以在邻近基准面河段的河型研究中，应将基准面条件作为首要因素进行分析。作者认为，河流的侵蚀基准面也应是蜿蜒河型形成的第一要素。有关的研究表明，自然河流选择的流动路径是使单位质量水流能耗率取最小值，其自我调整一是减小比降，二是加大河道宽度；在河流进入基准面（或入海）时，可以认为比降与流速趋向于零[10]。作者基于对长江中下游干支流河型的调查分析，认为一条河流的河型自上游至下游直至基准面的沿程变化具有一定的规律，在理论上可以设想为一条沿程没有支流入汇也没有汊流分出具有足够长度的河流，在其河岸为抗冲性沿程减弱的理想化边界条件和水流强度沿程由强变弱、泥沙粒径自推移质至悬移质由粗变细的水流泥沙运动条件下，其河型沿程变化的规律如图1-8所示[11]。这里需要重点指出的是，在河流趋近于侵蚀基准面的河段，其水流的能量将产生极大的消耗，单位水体单位长度内耗能功率（以VJ表达）将趋于最小。因此，河口段将按其河流与基准面的水位差（或比降）、水流泥沙运动条件和边界条件的不同而形成不同的平面形态，即以不同的河型与侵蚀基准面相衔接：一是拓展河宽形成分支分汊的型态，二是增加河长形成蜿蜒的型态，还有以这两种基本型式相组合的形态。所谓河流的侵蚀基准面一般是指一条河流注入水域面积巨大的海洋海平面或集水面积巨大的内陆湖泊湖面；对一条河流形成和发育产生影响而言，也包括支流进入干流时由汇入处的干流水位对支流控制的基面，还包括两条径流和比降均相当的河流相互顶托形成的基面。广义而言，还有由地质条件形成的两岸束窄或底坎较高的控制基准面。我们将以上统而简称为基准面。随着水文条件的变化，内陆湖泊与河流基准面的水位一般年内年际都在某一幅度内变化，而且都具有洪水期基面高、枯水期基面低、年内呈周期性变化的特点。在潮汐较强的河口，基准面水位还受到潮汐日内变化的影响，其河口平面形态和纵、横剖面形态受到潮汐波能上溯的耗能作用。

蜿蜒型河道往往在河流下游邻近基准面的附近河段形成就是基于上述的内在因素，就是说河流自身要达到耗能使VJ值趋于最小，它是通过延伸河长而使然的。这种蜿蜒型河道向上延伸的长度和曲折率大小主要取决于基准面水位的变幅与河流的比降，当然，还与河流的来水来沙条件、河道边界条件有关。如下荆江蜿蜒长度很长，达250km，曲折率达2.84；而汉江蜿蜒长度则较短，曲折率也较小，除了基准面和自身比降的因素之外，河岸的抗冲性也强于下荆江；长江某些一级、二级支流的蜿蜒长度很短，往往仅在河口处形成一两个蜿蜒河曲，河流中、枯水比降与河口处河岸的抗冲性可能属于主要因素。

2.河型成因的第二因素应是其来水来沙条件

一条冲积平原河流，其边界条件是由水流挟带的泥沙先是在其河谷内不断堆积然后经过长期的冲积过程形成的，即由全部的水沙条件形成的；同时，一条冲积平原河流在形成和发育过程中，特别是在历史演变的河型转化中，不断更新着和造就与自身河型和演变特性相适应的河床边界条件。如下荆江在河型塑造过程中，由分汊型逐步转化为单一河槽的蜿蜒型，其河岸边界条件可冲性也在相应转化。在流域来水来沙条件和基准面条件以及形成的边界条件相互作用下，冲积平原河流力求使来自上游的水和泥沙向下游输送而尽可能保持相对平衡，并形成相应的河型。蜿蜒型河道成因的第二个条件就是在来水来沙条件下构成的水流泥沙运动能满足泥沙纵向输移趋于相对平衡的条件。换言之，蜿蜒型河道所形成的水流挟沙能力适应来水来沙条件而使二者趋于相对平衡；在水文年来水来沙周期性变化中，其推移质、悬移质中床沙质和冲泻质都能参与到河床冲淤变形中并达到相对平衡的状态。具体来说，在中枯水期由于基准面水位消落，河流比降大，耗能作用强，使得归槽水流能以较小的曲率半径对枯水河床、河岸产生冲刷并由崩岸而导致河道平面变形（即凹岸部位的推移质、悬移质中床沙质和冲泻质被冲刷而向下游输移）；而在洪水期由于基面的顶托在大流量时不致对河床形态产生破坏而相反使其处于淤积状态，此时枯水河槽（深槽与浅滩）、边滩乃至河漫滩均得到相应的淤积和发育（即凸岸部位的推移质、悬移质中床沙质和冲泻质都产生淤积）。这样，便使得断面在平面变形中能基本保持其形态和尺度，并完成其耗能率（VJ）趋于最小的调节“使命”。以上所述的水流泥沙运动导致河床年内周期性冲淤变化特性，为蜿蜒型河道的平面持续变形提供了动力机制。

3.边界条件应是河型成因的第三个因素

在河床演变中边界条件并非一个从属的因素。在山区河流中，水流受到很强控制，边界抗冲性对河道形态起决定性作用；在河流出谷的过渡性河段，水流也受到边界的较强约束，长时段内两岸拓宽甚微；在长江中游西塞山至半壁山河道受两岸山体限制，河宽很窄，即使有同样的形成分汊河道的水沙条件却只能形成江心滩分汊甚至单一河道形态；在城陵矶以下长江中下游河道，南岸傍山矶阶地较多，边界条件对形成不同类型（亚类）的分汊河段具有一定的作用；对于冲积平原河流而言，即使两岸均为河漫滩对于水流也具有约束、控制的反作用。我们研究蜿蜒型河道成因涉及的就是两岸由河漫滩构成的边界。诚然，这一蜿蜒型河道的边界是在来水来沙条件下冲积形成，也正是它的特定条件能使得上述水流泥沙运动为蜿蜒型河道达到纵向输沙相对平衡成为可能。进一步说，来水来沙条件长期冲积过程中形成的河岸，其组成物的抗冲特性与水流泥沙运动条件及其形成的河型是相辅相成的，它既体现出河道造床过程的结果，又是维护该河型存在和发展的条件。与其相比，抗冲性较之弱的边界条件，河道将向宽浅分汊型发展；抗冲性较之强则制约平面变形，河道将向窄深型发展。

蜿蜒型河道成因的上述三个条件主要是对冲积平原河流而言，三个条件都统一于其形成过程和发展中以及表现于河床演变特性中。

1.7.2　下荆江蜿蜒型河道成因

1.7.2.1　下荆江河道的侵蚀基准面及其在河型成因中的作用

荆江原本的基准面是云梦泽。随着云梦泽的解体，荆江分流口由“24口”演变为“九穴十三口”，荆江主干河道形成及其两侧分流变为一侧分流，直至形成“四口分流”的江湖关系。现代荆江（仍指系统裁弯前）的基准面是由松滋、虎渡、藕池、华容四河入湖，湘、资、沅、澧等支流入湖和区间来水在洞庭湖湖盆中形成的。它在洞庭湖出口城陵矶附近的广阔区域与下荆江交汇构成干流河道的基准面，在湖区内形成上述四口分流河道的基准面，同时形成四水等支流的尾闾河段。

洞庭湖在江湖关系的变化中持续地萎缩，在南晋和唐宋时期湖面面积为10000km2，在荆江形成四口分流前后的1825年和1896年，其面积分别为6000km2、5400km2，可见洞庭湖面积减少在历史上是愈来愈快的；到1949年缩小为4350km2，可见缩小的速度又加快了，于1949—1954年和1954—1958年，湖面面积减小速度更快，两时段分别减小了435km2和774km2。之后，减小速度迅即趋缓。到系统裁弯前后，洞庭湖面积仍有2820km2，仍然是一个巨大的湖泊。整个荆江河段是以一干四支与洞庭湖这个基准面衔接的。在下荆江蜿蜒河型形成的过程中，洞庭湖一直是其基准面，其水位在一个水文年内呈周期性变化，并具有较大的变化幅度，这是下荆江蜿蜒型河道形成和发展的内在因素。就是说，它使得下荆江河道与其基准面相衔接时要符合单位水体在单位长度内的能耗率趋小的规律所需要的某一种河型，在这里是由曲率很大的弯段和长顺直微弯过渡段形成曲折率很大的河型，即取延伸河长的蜿蜒河型。这是一个必要条件，是促使下荆江形成的动力因素。据洞庭湖出口七里山站水位资料，历年水位最大变幅达18.67m。根据20世纪50年代至裁弯前的实测资料（表1-4）统计，监利（姚圻脑）与七里山之间多年平均水位之差为4.12m，洪水期平均高水位之差为3.11m，而枯水期平均低水位之差达5.98m，说明洪水期基准面对下荆江全河槽的顶托（比降减小）产生的淤积作用和中枯水期基准面的消落（比降增大）对荆江枯水河槽的冲刷作用都很强烈。应该说，基准面水位的变幅之大又是下荆江蜿蜒型河道更为发育的充分条件。

同时，洞庭湖基准面对四口分流河道的河型也具有相应的影响。一方面，洞庭湖的基准面使上述四河也遵循着VJ趋小的规律，以致使它们形成再分支入湖的网状形态；另一方面，四口分流河道从长江带入大量的泥沙以三角洲的形式向湖中推移，以致延伸河长并产生溯源淤积过程，这是四口分流减少的量变原因之一。应当指出，各河的围垦工程也是促使洪水期分流减少的原因。然而，自然裁弯使分流口门水位大幅降低则是四口分流减小的质变因素。

1.7.2.2　来水来沙条件及其水流泥沙运动

从下荆江来水来沙和基准面水位变化特性所构成的水流泥沙运动进行分析，城陵矶水位在洪水期对下荆江的顶托，可能使含沙量较高的水流因流速减缓而导致河床普遍发生淤积，即高低滩、深槽、过渡段浅滩总体趋于淤积状态，而枯水期含沙量较小的水流，在城陵矶水位较低、下荆江比降增大的情况下，可能使枯水河床普遍发生冲刷，包括深槽的冲刷和横向拓展、潜（低）边滩的冲刷以及过渡段浅滩产生的冲刷。这一冲淤特性在年际间则使下荆江凹岸冲刷，凸岸淤积而展现向凹岸平面摆动的变形特征。当然，这种由基准面引起并结合来水来沙条件的河床冲淤也并不是在整个河道内强度都差不多，而一般都是自下向上发展的，即高水顶托时是一个溯源淤积过程，低水消落时是一个溯源冲刷过程。从这可以衬托出下荆江河曲形成受基准面影响的最初阶段也是从监利以下开始而后发展到监利以上的整个下荆江。

另一方面，从下荆江蜿蜒型河道的形成和发展来看，在塞支强干、多汊变少汊和两侧分流到一侧四口分流的过程中，下荆江主干逐渐成为流量不断增大的河道。每一次支汊归并，都带来流量的增加和水位的抬高，比降的增大（之后又调减），下荆江主干河道增加的能量都应在基准面衔接以上的河段消耗而使VJ趋小，这就促使河道进一步向河长增加的蜿蜒型方向发展。

以上是对蜿蜒型河道形成和发展过程中水流泥沙运动因素进行宏观分析。其实，在河道形成过程和演变中，水流泥沙运动中的一个十分重要的特性是它必须趋于纵向输沙的平衡。下荆江蜿蜒型河道是力求保持凹岸冲刷量和凸岸淤积量的相对平衡，从而在持续蜿蜒的河道演变中宏观上保持弯道段的极大曲率和边滩相应的极大展宽的发育。这就不仅要求水流挟沙力与含沙量之间相均衡，在一个水文年内或一段水文过程内保持冲淤相对平衡，还应与年际间河道增长的量变和自然裁弯的突变的周期演变特性相适应。

不仅如此，要做到凹岸冲刷、凸岸淤积，断面横向平面移动的变形，必须是河槽深泓靠岸侧枯水位以下的近岸中细沙或中粗沙河床，中水位至枯水位之间中细沙或粉细沙岸坡和中水位以上的河漫滩黏性泥沙都要被冲刷或崩坍，深泓另一侧边滩部位即枯水位以下河床、中水位至枯水位之间的边滩河床上都要产生有推移质但主要是悬移质中的床沙质粗细颗粒泥沙的淤积，中水位以上则需产生冲泻质的淤积。这就是说，在下荆江河道中，推移质、悬移质中的粗细颗粒的泥沙运动都应参与蜿蜒型河道形成与演变的过程，而且在冲刷和淤积中都需保持相应均衡的数量。

1.7.2.3　河道边界条件

下荆江河道边界条件是来水来沙条件长期作用和河流冲积过程的产物，是在古荆江卵石堆积再通过悬移质粗细颗粒堆积的基础上，随着云梦泽的解体、逐渐由堆积过程转为冲积造床过程、从网状多汊变为少汊、由两侧分流到一侧分流再到四口分流、直至下荆江蜿蜒型河道形成过程的结果。下荆江蜿蜒型河道形成的边界条件是在20～40km宽的河曲带内，除右岸有少数山矶、阶地对河道起控制作用外，其河岸均为上层由黏性土、下层由中细沙组成的二元结构，中枯水河床均为中细沙，早期堆积的卵石层深埋在床面以下而对河道造床基本不起作用。可见，下荆江蜿蜒型河道的这一边界条件既是河流自身造床作用的结果，又成为与其河型形成和演变相适应的边界条件。这一边界条件与其来水来沙特性和基准面特性构成了相应的水流泥沙运动，促进着下荆江蜿蜒型河道的形成与发展。

下荆江的边界条件具有这样一个特性，即它具有较大的可冲性，能使得河道可以在河曲带内自由蠕动，可以在一个弯段内进一步复凹，同时它又具有一定的抗冲约束性，能在相应的水流泥沙运动支配下使河道崩岸拓宽的速度与凸岸边滩淤宽的速度可以保持相对的均衡。也就是说，它使得河道的水流挟沙能力和来沙条件在一个时段内能保持基本平衡，而与水流泥沙运动相辅相成。下荆江的边界条件恰到好处的是，不具有可冲性相对弱而限制河曲发展，也不具有可冲性相对强而向宽浅分汊发展。

1.7.3　小结

总之，下荆江蜿蜒型河道形成条件是一个综合系统，在形成和发展中与江湖关系有着紧密的联系，各方面的因素之间也都是互相关联的。由来水来沙条件、边界条件、基准面条件形成的河道形态及其演变特性与以上条件及其形态构成的水流泥沙运动之间是息息相关的。其中，河道的基准面条件是下荆江河型形成的内在因素，河流在与基准面衔接处必然要使其单位水体在单位长度内的耗能率趋于最小，蜿蜒型河道是通过延伸河长来满足这一规律的。基准面的水位变幅愈大，蜿蜒型河道长度可能愈长，曲折率可能愈大；在通过蜿蜒性河道来达到耗能率最小的前提下，河道因江湖分流减少而使流量增大可能更有利于蜿蜒性河道的发育，即曲折率可能更大，河道冲淤变化更剧烈，自然裁弯机会更多。在来水来沙条件和基准面特性作用下蜿蜒型河道在长期造床和形成过程中塑造了与其形态相应的边界条件，而这一边界条件的可冲特性与上述各种条件构成的水流泥沙运动又互为因果关系，通过其相互作用又展示了蜿蜒型河道演变最基本的特性——河道延伸增长、曲折率增大，平面蠕动的量变过程和自然裁弯突变阶段组成的周期性。