怒江干流堰塞壩特征及穩定河床機制

張晨笛，林永鵬，徐夢珍，黃科翰，王兆印

（清華大學 水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084）

1 研究背景

青藏高原東緣為中國自然地勢的第一階梯向第二階梯過渡地帶，相對高差超過4000 m。這一地形急變帶大部分位于橫斷山區，是我國重要的能源資源基地、交通和國防戰略通道。我國“十三五”水電發展規劃的13大水電基地就有5個位于這一區域[1]。這一區域也是世界生物多樣性最豐富的區域之一[2]。但地形急變帶受青藏高原持續抬升影響，新構造運動活躍，河流深切，水流能量較高，崩塌、滑坡泥石流等山地災害廣泛分布[3]，生態環境脆弱[4]。同時，這一區域劇烈的地貌演變為下切河流研究提供了豐富素材，筆者選擇這一區域內典型高山深谷型河流——滇西怒江，作為探究青藏高原東緣急變帶下切河流自我調整及穩定機制的切入點。

怒江是我國西南地區及東南亞地區具有重要影響的國際河流[5]，發源于青藏高原唐古拉山南麓的吉熱拍格，于橫斷山脈南端流入云南省，從云南德宏州潞西縣出境，出境后稱薩爾溫江。怒江在中國境內長約2013 km，總流域面積13.67萬km2[6]。怒江流域自橫斷山脈流向基本為自北向南流，且大部位于云南省西部，因此本文中稱為“滇西怒江”。滇西怒江屬山區性河流，包括長度超過310 km的云南最大峽谷“怒江大峽谷”[7]，水流落差大，水能資源豐富，但目前流域開發程度很低，是待開發水電資源僅次于金沙江的第二大水電基地[8]。滇西怒江干流尚無水電站建設，是研究自然河流演變的理想目標。

雖然已有大量研究關注滇西怒江的氣象水文泥沙規律[6，9-12]、滑坡泥石流等災害分布特點[3，5，13-15]和生態環境特征[2，4，7，16-17]等與滇西怒江干流河床演變相關的領域，但怒江干流的下切及地貌反饋調節機制鮮有研究涉及。因崩塌、滑坡和泥石流等地質災害堵塞或束窄滇西怒江主流形成幾百個堰塞壩，連續堰塞壩群組成的尼克點體系是干流縱剖面的控制性地貌特征，對維持河床穩定起到關鍵控制作用[5，18]。河流下切提高兩岸物質位能是兩岸地質災害多發的原因[18]，堰塞壩的形成是下切河流自我調節的負反饋機制[19-20]，抑制了兩岸物質位能的進一步提升。因此，研究滇西怒江堰塞壩的地貌特征對理解青藏高原東緣下切河流的河床演變具有深刻的科學意義，同時，對該區域河流綜合管理及防災減災也具有較高借鑒價值。

本研究的主要目的為：（1）總結怒江干流河流地貌沿程特征；（2）分類探究怒江干流堰塞壩的地貌特征；（3）評估堰塞壩穩定性和消能率并揭示堰塞壩提升怒江河床穩定性的機制。為實現上述研究目的，基于實地觀測及衛星影像提取，筆者總結了滇西怒江干流600余km的沿程和堰塞壩地貌特征，收集整理了63個堰塞壩的地貌水力參數，并利用層次聚類法對這些堰塞壩分類。分類別量化分析了干流堰塞壩的穩定性和消能率特點，通過與階梯-深潭等控制河流下切的結構比較，揭示了怒江干流堰塞壩穩定河床的機制。

2 研究區域

研究區域為怒江干流云南段長約620 km，及上游長70余千米的西藏段（圖1中插圖為滇藏邊界堰塞壩-湖航空照片）。怒江干流河段起點定為西藏察瓦龍鄉的怒江大橋，此橋上游滇藏公路開始遠離怒江，因此也是野外考察的起點。西藏自治區嘉玉橋為怒江上游和中游的分界，而云南省六庫是怒江中游和下游的分界[10]，因此研究區為怒江流域的中下游，河道天然總落差1300余米（圖1）。怒江中下游河流補給以降水為主[12]，而降雨年內分配不均勻，汛期為5—10月，集中了全年80%以上的降水，11 月到翌年 4月為枯水期，降雨一般不足全年的 20%[10-11，13，21]。

圖1 怒江干流縱剖面、測量位置和城鎮位置

怒江中游處于青藏高原向云貴高原過渡的橫斷山脈縱谷區[10]，主流兩側受高黎貢山和怒山（碧羅雪山）約束，在高差達2000～3000 m的深切河谷中行進。怒江峽谷段兩岸支溝發育，長度較短，坡降較大，呈羽狀排列[21]。六庫下游怒江坡降變緩，河谷較為開闊，出現河谷階梯和平壩[9，14]，流經潞江鎮后，河谷再度變窄。研究區內因地質結構差、降水集中、地表徑流匯流過程短，而導致崩塌、滑坡和泥石流等地質災害頻發[3，5，15]。僅六庫至貢山段就有超過200條泥石流溝[15]，瀘水市境內對人居環境有直接危害的滑坡有85個[13]，還有崩塌形成的老虎跳景區（瀘水市稱桿鄉臘瑪登）等。這些崩塌、滑坡及泥石流災害給怒江干流提供大量瞬時泥沙補給，束窄主流甚至造成短時堵江[5]。水流長期沖刷穩定后形成堰塞壩，上游形成堰塞湖（圖1）。水流經過堰塞壩時非常湍急，形成“白水”段（圖1），而堰塞湖流速緩慢，基本沒有泥沙運動，枯水期呈現藍綠色。研究區怒江干流連續不斷的堰塞湖-壩體系構成“藍水-白水”相間的獨特景觀，也是滇西怒江最顯著的地貌特征[18]。

3 研究方法

3.1 數據采集為獲取怒江干流地貌水力特征，分別于2015年1月、2016年1月和2018年1月對怒江干流研究區進行野外考察，并結合枯水期（12月至來年2月）衛星影像提取數據。

怒江干流流量使用ADCP（Sontek M9，9波束系統，最大測深40 m，流速測量精度0.25%，水深測量精度為1%）在沿程4座橋梁進行測量。ADCP固定在無動力船上，人員在橋梁上通過繩索牽引無動力船測量至少一個測回。怒江干流縱剖面通過衛星影像提取，并以3 km縱向距離為單位計算河段平均河床坡降Sb。

河流下切過程呈現不同的橫斷面特征[18]：在山區河流快速下切過程中，河谷橫斷面呈現狹窄的“V”型或超“V”型（岸坡下部比上部更陡）；下切展寬引起邊坡失穩，造成兩岸崩塌滑坡泥石流等災害頻發，河谷呈現較寬的“V”型；下切減緩并逐漸轉為淤積抬升，河谷變為“U”型。因此，河谷橫斷面的形狀特征是反映河流地貌演變和穩定的重要參數。Zimmer和Gabet[22]定義了Vindex以量化表述下切河流的河谷橫斷面特征。Vindex描述了實際河谷橫截面面積Ax與理想V形橫截面積Av的偏離程度，表示為：

從式（1）可知，完全“V”型的河谷Vindex=0，“U”型河谷Vindex＞ 0，超“V”型河谷Vindex＜ 0（圖2）。

基于分辨率為30 m的DEM，沿怒江干流河道縱向每隔約3 km提取橫斷面。提取過程中保證：（1）橫斷面與河道基本垂直；（2）以河槽位置為基點，斷面左右岸的水平距離基本相同且均超過1.5 km，以保證充足的高程值數量（超過100個）參與截面面積計算，且橫斷面高程范圍包括干流滑坡泥石流的一般發生高度；（3）橫斷面盡量避免穿過支溝。計算有效截面Av時，需要確定兩岸計算邊界[22]，即兩岸高程最大值（高程峰值），標準為：（1）從河槽出發向兩岸尋找第一個高程極大值（拐點），若這個極大值與下一個極小值之差大于設定的高差閾值（本文取10 m），即選定此極大值為此岸坡高程峰值；（2）若在水平方向距離河槽1.5 km的范圍內沒有找到符合（1）要求的極大值，則取水平方向距離河道1.5 km位置處高程為此岸坡高程峰值；（3）取左右岸高程較小的峰值為計算有效截面的最大高程。兩岸坡度通過峰值及河道位置計算，同時，也提取了所選橫斷面的河寬（水面寬）。

圖2 Vindex計算示意圖

怒江干流堰塞壩在衛星影像中呈現明顯的“白水”特征，基于此對所有堰塞壩在影像中標記并記錄其位置和間距，以3 km縱向長度為單位計算并統計堰塞壩密度。堰塞壩水面高程使用RTK GPS（中海達IRTK 2，高程測量精度一般小于5 cm）在干流一側岸邊測量。測量從堰塞壩上游的堰塞湖開始到堰塞壩下游水躍尾部結束。在Google Earth中提取實地測量點在深泓線對應位置的縱向距離，繪制堰塞壩水面高程縱剖面并計算上下游高差和水面坡降。堰塞壩中巨石和粗顆粒是其穩定性的主要貢獻力量，因此本文主要關注堰塞壩的最大粒徑信息。取堰塞壩區域（江中出露石塊或岸邊石塊）5～10塊最大石塊粒徑的平均值作為最大粒徑Dmax。崩塌滑坡泥石流形成的堰塞壩最大石塊粒徑通過現場測量以及Google Earth影像提取。粒徑較小（＜2.5 m）的堰塞壩最大粒徑通過現場測量確定。通過Google Earth影像提取堰塞壩河寬，即“白水”區域的最小水面寬。本文使用無量綱數Sp定量描述河床結構的發育程度[23-24]，即河床縱剖面相對于連接起止點直線的起伏程度。Sp值越大代表結構發育程度也越高。對于最大粒徑小于5 m的堆積扇或河漫灘，Sp通過測量排[23-24]獲取，對于粒徑超過5 m的巨石河段，則通過激光尺、塔尺和激光測距儀測量30～50 m長度的Sp。

3.2 數據處理對于怒江干流沿程數據（流量、河段平均坡降、兩岸坡度、Vindex及單寬水流能量），均以3 km為單位匯總，其中單寬水流能量p基于河段平均坡降計算（p=γqSb）。

在野外測量和衛星影像基礎上，收集整理了研究區內63個堰塞壩（包含1個非堰塞壩點作為對照，圖1）的橫斷面特征（形狀參數Vindex，左岸坡度SL，右岸坡度SR）、縱向特征（平均河床坡降Sb和水面坡降Sw）、最大粒徑Dmax、堰塞壩河寬WD。利用干流流量沿程變化特征（圖3（a））反算每個堰塞壩處流量Q，并由式（2）計算臨界水深hc，及由式（3）基于堰塞壩處水面坡降計算單寬水流能量pb。

式中：γ為水容重；q為單寬流量，q=Q/WD。

上述10個變量綜合反映了堰塞壩基本的地貌和水力特征。對上述參數建立相關性矩陣，剔除自相關明顯的參數（單寬水流能量因此剔除），保留的9個參數形成堰塞壩地貌水力參數矩陣，利用層次聚類[25]進行自動分類。層次聚類是通過將標準化歐氏距離最短的兩個類合并為一個更大的類，直至所有樣本被合并為一類的分類算法[25]。其結果可用樹狀圖直觀表現，便于表現高緯度樣本的聚類結果。結合實地考察情況適當調整分類結果后，確定對全部堰塞壩分類。

4 怒江干流沿程特征

研究區怒江干流的地貌水力沿程特點匯總如圖3所示（圖中橫坐標L為到起點怒江大橋的水平距離，圖3（d）中下標“L”和“R”分別表示左岸和右岸。干流流量隨河道縱向距離基本呈線性增加（圖3（a））。流量觀測范圍內流域寬度比較均勻、干流單位長度對應的匯流面積變化較小（圖1）是流量隨縱向長度線性增加的主要原因。干流坡降沿程分布顯示怒江峽谷和峽谷下游區別明顯，分界在六庫上游（圖3（a）和（b））。峽谷坡降較陡（平均坡降2.79‰），六庫下游至國境線干流坡降明顯變緩，平均坡降下降到1‰以下（圖3（b））。橫斷面特點沿程分布同樣顯示怒江峽谷與下游明顯不同：峽谷中橫向約束強烈，河寬較小（圖3（c）），兩岸坡降較陡（圖3（d）），斷面形狀多呈現“V”型和超“V”型（提取橫斷面中有41.1%的斷面Vindex＜0，56.5%的斷面Vindex＜0.03圖3（e））。橫斷面特征還顯示怒江峽谷下游可以進一步分為兩段，基本以潞江鎮（惠通橋）為界（圖3（c）、（d）和（e））。六庫下游到潞江鎮怒江河谷開闊（圖3（c）），兩岸坡度減小（圖3（d）），且兩岸不對稱性明顯（圖3（d）），“U”型河谷出現頻率增加（圖3（e））。潞江鎮到國境線近200 km范圍內，再次出現峽谷地貌，兩岸坡度略低于怒江大峽谷（圖3（d）），但干流坡降和單寬水流能量與六庫到潞江鎮之間開闊河段相比差異不明顯（圖3（b）和（f））。

圖3（b）顯示怒江峽谷中有4處明顯的坡降集中河段，自上游到下游依次為察瓦龍、滇藏邊界、臘瓦朵（景區）和老虎跳（景區）。這4處河段均為基巖控制，河道束窄（圖3（c）），兩岸陡峭（圖3（d）），崩塌滑坡產生的巨石堆積在湍急的水流中形成堰塞壩，水流強烈摻氣（圖1），形成尼克點[19-20]。該4處剛好也是怒江峽谷中水流能量最集中的河段（圖3（f）），滇藏邊界處單寬水流能量是怒江峽谷均值的6倍以上，超過峽谷下游河段均值的20倍。這幾處河段上游均出現堰塞湖，河床坡降明顯降低（圖3（a）（b）），水流能量也較峽谷中一般河段低（圖3（f））。

5 堰塞壩地貌特征

5.1 密度和局部坡降連續出現的堰塞壩是怒江干流的典型特征，研究區內共有堰塞壩574個，全程平均密度為0.83個/km。圖4（a）顯示堰塞壩在干流河床坡降和水流能量集中處密度明顯增大，而在怒江峽谷下游密度降低到1個/km以下，在潞江鎮上游因河谷非常開闊（圖3（c））甚至在約25 km長的河段上沒有堰塞壩出現，而是沙洲和邊灘控制的分汊河道。表明堰塞壩出現的密度受怒江干流坡降及橫向約束影響。因此進一步考察了綜合河床坡降和河寬影響的單寬水流能量與堰塞壩密度的關系，發現雖然因一些河段堰塞壩密度為0而數據整體離散性較強，但是兩者基本呈正相關（圖4（b）），說明怒江干流水流能量集中處堰塞壩出現頻率也較高。堰塞壩處集中水流落差，實測水面高差最大可達10 m（出現在滇藏邊界）。堰塞壩處水面坡降大部分明顯超過所在河段河床平均坡降，局部水面縱坡降可超過4%（圖4（c））。因堰塞壩集中水力坡降，上下游的水力坡降較緩，上游多為堰塞湖（圖1（b）），而下游因局部沖刷水深也較大。

圖3 怒江干流沿程特點

5.2 分類基于干流堰塞壩9個地貌水力參數的聚類結果顯示，堰塞壩主要分為2大類（61號是怒江河寬最大的潞江鎮附近的分汊河型代表，雖然也出現“白水”，但并不是典型的堰塞壩，聚類結果也確實跟典型堰塞壩區別開）。一類（圖5（a）中紅色數字）是由于崩塌滑坡形成的堰塞壩，集中在察瓦龍、滇藏邊界、老虎跳和臘瓦朵4處（圖3（b））水流能量集中（圖3（f））、基巖控制的深切峽谷河段。該類別在本文中稱作崩滑堰塞壩。臘瓦朵的25和26號點在聚類中未歸到崩滑堰塞壩，但在考察中發現確為崩塌形成，江中多個粒徑10 m左右的石塊聚集。這兩點上游有3個連續的泥石流堰塞壩，大量消耗水流能量，所以使這兩點淹沒程度較高而未在聚類中表現出與其它崩滑堰塞壩相似的特征。崩滑堰塞壩基本出現在河床坡降大于6‰、兩岸坡度大于35°的束窄河段，橫斷面呈“V”或者超“V”型，且水流能量高度集中（圖3（f））。

剩下的堰塞壩則與滇西怒江密布的泥石流溝及堆積扇有關，在本文中統稱為泥石流堰塞壩，是怒江數量最多的堰塞壩，與滇西怒江干流泥石流溝密布有關[5，18]。該類別可進一步分為3個子類，第一子類代表怒江大峽谷中的堰塞壩（圖5（b）），第二子類代表大峽谷下游的堰塞壩（圖5（c）），第三子類則對應河寬較大、淺灘控制的堰塞壩地形（圖5（d））。位于怒江峽谷內的泥石流堰塞壩均靠近泥石流扇體，多為泥石流短暫堵江形成[5]。怒江峽谷下游河谷較開闊，兩側堆積扇面積較大，多為古泥石流形成，現今比較穩定[14]，多數已經作為農業用地。這一類堰塞壩則一方面受到古泥石流沖出物的影響，另一方面隨著泥石流運動的逐漸減弱，也明顯受到怒江干流水力沖積作用。淺灘類型的堰塞壩更多是水力沖積形成，粒徑較小，磨圓度較高，因河寬變大水深減小淤積形成。因實測淺灘類堰塞壩數量少，后文的統計分析中不包括此類型。

6 堰塞壩穩定河床機制

6.1 穩定性在水流沖刷作用下，床面顆粒會重新組織形成河床結構以提高自身穩定性[18，24]。野外實測的長期穩定的堰塞壩河床結構發育程度與河流洪水能量呈正相關[19-20]，如圖6（a）黑色點據及其回歸曲線所示。如果結構強度低于圖中曲線，結構消減的能量不足以控制水流沖刷，堰塞壩就會潰決。如果結構強度高于圖中曲線，洪水能量低于河床結構消耗的能量，水流則無多余能量侵蝕河床，堰塞壩可以長期穩定保存。因此，可利用圖6（a）回歸曲線式（4）評估堰塞壩的穩定性。

圖4 怒江干流堰塞壩特征

圖5 怒江堰塞壩分類

圖6 堰塞壩結構強度Sp與單寬水流能量pb及（pb）c/pb的關系

在野外測量了結構強度Sp的堰塞壩數據相應點繪在圖6（a）中，堰塞壩結構發育程度從強到弱排序為：崩滑堰塞壩＞峽谷中泥石流堰塞壩＞峽谷下游泥石流堰塞壩（圖6（a）插圖）。在怒江的測量集中在枯水期，全部測量結果都位于曲線左上方，表明枯水期干流堰塞壩良好的穩定性，其中崩滑堰塞壩數據點遠離曲線，說明結構可以適應的水流能量遠超過枯水期水流能量（圖6（a））。

基于式（4）可以計算各堰塞壩在現有結構強度Sp下可以保持穩定的最大單寬水流能量（pb）c，（pb）c/pb與Sp的關系如圖6（b）所示。（pb）c/pb基本隨Sp增大而增大，表明結構強度越高、怒江干流堰塞壩可以抵御的洪水量級越大。崩滑堰塞壩可以抵御的洪水相對規模遠大于另外兩類泥石流堰塞壩（圖6（b））的插圖），而以位置區分的兩類泥石流堰塞壩則非常相近。崩滑堰塞壩（pb）c/pb均值為137.4，泥石流堰塞壩在峽谷中和峽谷下游分別為16.5和19.3。崩塌堰塞壩的（pb）c/pb基本超過100（圖6（b））。如忽略汛期水力坡降變化，則這些河段汛期單寬水流能量需達到枯水期約100倍以上（即單寬流量提高100倍以上）才導致堰塞壩失穩。

考慮到總流量和單寬流量的關系：

式中：（WD）c為失穩時堰塞壩臨界河寬。河寬隨流量增大而增加，即（WD）c/WD＞1，因此，使崩塌堰塞壩失穩的臨界洪峰流量甚至超過枯水期流量的100倍以上。怒江有歷史記錄的最大洪水流量為10 400 m3/s[8]，約為實測枯水期測量流量的30倍，說明怒江崩滑堰塞壩在特大洪水事件基本都可以保持穩定。

泥石流堰塞壩可以抵御的臨界單寬水流能量約為枯水期流量的17倍（峽谷中和峽谷下游平均結果），遠小于崩滑堰塞壩，但泥石流堰塞壩多靠近堆積扇（坡度大部分小于15°[5]），河谷兩岸坡度也明顯小于崩塌堰塞壩所在河段（圖3（d）），峽谷下游開闊段還出現河漫灘和階地。因此，（WD）c/WD＞＞1。雖然缺乏怒江干流泥石流扇斷面的河相關系資料，難以確定泥石流堰塞壩能否在特大洪水事件中保持穩定，但如果按20～25倍枯水期流量估算Qc，則可判斷泥石流堰塞壩在一般性洪水[8]中保持穩定。

6.2 消能率怒江干流堰塞壩除淺灘類型外基本為橫跨河寬的結構（圖5（b）—（e）），延展方向與水流方向基本垂直，且水流流經堰塞壩時因為局部坡降較大呈現急流流態（圖5（b）—（e）），下游則因局部沖刷形成水躍，強烈摻氣，紊動強烈。不論是幾何形態還是流態，干流自然堰塞壩與尺度較小的山區河流中的階梯-深潭結構[18，26-27]及人工堰[28-31]類似（圖7）。因為具有較強的穩定河床的作用，階梯-深潭和人工堰已經被用作河流下切控制的措施[18，27，29，31]。因此，這里借鑒階梯-深潭和人工堰的已有研究經驗，計算怒江干流堰塞壩的消能率。

圖7 怒江堰塞壩與階梯-深潭及人工堰對比

單個堰塞壩上游和下游水流平緩，對其上游和下游列能量方程：

式中：E1為河段下游出口處總水頭；為河段上游斷面流速水頭；z1為上游位置水頭，即上游水面高程；為河段下游斷面流速水頭；z2為下游位置水頭，即下游水面高程；hL為水頭損失。

研究表明水流在流經階梯型結構時，主要能量損失在位能，而動能變化很小[26，32-33]，即：

則式（6）可簡化為：

式中Δz為上下游水面高差。

與階梯-深潭和人工堰（圖7（b）（c））一致，選下游深潭最低點為位能參考位置，堰塞壩消能率η表達為：

堰塞壩上游的水流比能（specific energy）根據文獻[28，30]計算：

則上游斷面總水頭為：

式中HS為深潭深度，即階梯頂部到深潭最深點的距離（圖7）。

所以，堰塞壩的消能率為：

在野外實測了枯水期怒江干流堰塞壩上下游水面高差Δz，hc則根據流量和堰塞壩河寬計算，因此計算消能率的關鍵在于計算HS。怒江干流的堰塞壩經過長時間沖刷大部分比較穩定（堰塞壩附近的巨石常見地衣[34]和壺穴[31]，說明長期穩定），但由于水流非常湍急，無法實測沖刷深度。考慮其與階梯-深潭結構和人工堰形態的相似性（圖7），且自然階梯-深潭和人工堰等階梯型結構長期沖刷下的最大沖刷深度并無統計意義的區別[30]，因此使用綜合描述自然階梯-深潭和人工堰沖刷深度的無量綱經驗式[30]估算HS：

式中a1為階梯-深潭或者堰上下游床面高差（圖7（b）（c）），這里假設a1≈Δz。前面已提到階梯型結構上下游流速變化不明顯，而因為距離很短流量變化也可忽略不計，通過衛星影像發現堰塞壩上下游河寬變化同樣不明顯，所以，根據連續性方程，上述假設是合理的。

基于上面的分析，對全部調查的怒江干流堰塞壩進行消能率計算，并與階梯-深潭結構消能率的經驗模型[18]比較，總結在圖 8（a）中。

怒江峽谷崩滑堰塞壩及泥石流堰塞壩消能率與階梯-深潭結構比較接近，而峽谷下游的堰塞壩消能率基本都低于階梯-深潭（圖8（a））。堰塞壩的消能率變化范圍較大，最大消能率出現在滇藏邊界的崩滑堰塞壩，超過80%，這里也是單寬水流能量最高的河段（圖3（f）），而最低的消能率不足15%，除峽谷下游堰塞壩以外，峽谷中位于連續堰塞壩的尾端堰塞壩消能率也較低。如圖5（a）中25和26號兩點上游的3個連續泥石流堰塞壩，其中上游的2個堰塞壩消能率分別為60%和35%，而最后一個僅有18%。水流能量已經被上游堰塞壩有效消耗，上游堰塞壩引起水躍增大水深導致下游堰塞壩消能率較低。雖然怒江干流連續的堰塞壩群中有些堰塞壩的消能潛力在枯水期未被充分利用，但恰恰為汛期增大的水流留有余地。圖8（a）顯示堰塞壩消能率隨hc/HS增大而降低，hc/HS增大代表單寬流量增加或者局部沖刷程度降低，兩種現象都可能在汛期出現。不過怒江干流具有由500余個堰塞壩組成的系統一起消耗水流能量，枯水期未被充分利用的堰塞壩在汛期隨著流速增大壅水減弱反而可以彌補單個堰塞壩消能率下降影響。誠然，堰塞壩群的組合消能率變化特點遠較單個堰塞壩復雜，筆者將開展進一步水槽試驗和野外工作，以加深對堰塞壩群在不同水流條件下消能表現的認識。

圖8（b）展示了堰塞壩消能率與水流能量的關系。雖然數據比較離散，但總體而言堰塞壩的消能率隨單寬水流能量增大而增加。3類堰塞壩展現了不同的特點：崩滑堰塞壩消能率隨單寬水流能量增大而明顯提高；峽谷中泥石流堰塞壩在單寬水流能量較小時消能率隨水流能量提高較慢，但單寬水流量能較高時，消能率增長較快；峽谷下游的堰塞壩消能率則基本不受單寬水流能量影響。造成這種區別的主要原因是3類堰塞壩的河谷橫向及粒徑特征具有較大差異（圖9）。崩塌堰塞壩橫向約束最為強烈，相同流量增量下，河寬變幅較小，因此單寬流量增加明顯；峽谷下游泥石流堰塞壩因兩側扇體、河漫灘發育而河寬增大較快，單寬流量相應增長較慢；峽谷中泥石流堰塞壩的橫向約束則介于兩者之間。崩滑堰塞壩的粒徑最大（圖9（d）），結構發育程度也最高（圖6（a）插圖）；峽谷下游泥石流堰塞壩粒徑最小（圖9（d）），結構發育程度最低；峽谷中泥石流堰塞壩則介于兩者之間。這樣就導致崩滑堰塞壩單寬水流能量隨流量增長最快，消能率同樣快速提高，而峽谷下游單寬水流能量隨流量增長較慢，消能率增加也最慢。因此，怒江干流堰塞壩的消能率特點與當地的單寬水流能量特點是匹配的。

圖8 堰塞壩消能率η與hc/HS及單寬水流能量pb的關系

6.3 穩定河床機制在青藏高原持續抬升對東邊緣河流下切的地質營力作用下，怒江干流兩岸基巖和坡積物的位能不斷提高，引發山體崩塌滑坡及支溝泥石流，巨量瞬時泥沙補給形成堰塞壩，在長期水流沖刷下河床結構發育、穩定存在的數百個堰塞壩在怒江干流形成尼克點群。堰塞壩上游一般形成堰塞湖，增大水深，降低流速，并抬高侵蝕基準面，減弱水流對河床的沖刷。怒江干流經過長期地貌演變形成堰塞壩群，體現了河流通過自我調節控制下切的負反饋機制[18-20，31]。與橫向約束較強的山區河流通過發育階梯-深潭結構實現增大縱剖面彎曲程度以對抗水流沖刷[35]類似，怒江堰塞壩的形成和發育也實現了縱剖面的調整，集中水流落差和集中消耗水流能量，增大水流阻力。

在怒江峽谷水流能量最集中的河段，發育的崩塌堰塞壩可以抵御歷史級別的特大洪水，且單寬水流能量越大，堰塞壩的消能率也越大。怒江峽谷中為數眾多的泥石流堰塞壩群，可以在一般性洪水中保持穩定，因堆積扇存在而橫向空間較大，汛期水面擴展較快，且通過集群優勢彌補單個堰塞壩消能率隨流量增大而減小的劣勢（圖8（a））。怒江峽谷下游展寬段，堰塞壩的密度、穩定性和消能率均較低，但河谷較充裕的橫向空間抑制了汛期洪水單寬水流能量的快速增長。由于研究區內不同地貌和水流能量特點的怒江干流均發育了穩定性和消能率與當地特點匹配的堰塞壩，持續高效地消耗水流能量，抑制水流位能向動能的轉化，從而削弱水流沖刷，控制河流下切。這正是滇西怒江干流堰塞壩群提高河床穩定性的機制。下切速率降低后，怒江兩側物質位能增速得到控制，地質災害發生的頻率也會降低[18]。

滇西怒江堰塞壩在長期地貌演進過程中形成的因地制宜的穩定河床機制可為下切河流綜合管理提供思路。如利用庫壩相連的中型壩群（平面呈現“串糖葫蘆”形態[18]）構建的逐級消能結構模擬怒江峽谷堰塞壩體系，既與深切峽谷較高的單寬水流能量適應，又可以保持河道連通性和生態多樣性[18，31]。而橫向約束較弱的河段則通過增加汛期過水斷面面積抑制流速和單寬水流能量過快增長。筆者將在未來的研究中系統探索不同下切控制措施協同使用的效果。

7 結論

（1）滇西怒江干流基于地貌特征可劃為3段，以六庫及潞江鎮為界。六庫上游的怒江大峽谷河床坡降大，橫向約束強烈，單寬水流能量最高，六庫下游2段干流水流能量均明顯減弱，但橫向約束先減弱再增強。

（2）怒江干流最顯著的地貌特征為高密度、具有集中水流落差作用的連續堰塞壩群，平均密度達0.83個/km。堰塞壩的密度與單寬水流能量正相關。

（3）根據地貌水力特性的聚類分析，怒江干流堰塞壩可以分為崩塌滑坡（崩滑）堰塞壩和泥石流堰塞壩，后者進一步分為峽谷中、峽谷下游和淺灘型3個子類，與干流分段特征對應。崩滑堰塞壩主要發生在怒江峽谷水流能量高度集中的超“V”或“V”型斷面河段。崩滑堰塞壩穩定性高于泥石流堰塞壩：前者的失穩破壞流量達到歷史級特大洪水，后者則可在一般性洪水中保持穩定。

圖9 3類堰塞壩河谷橫向特征和最大粒徑對比

（4）怒江堰塞壩的消能率與自然階梯-深潭結構相仿，且隨單寬水流能量增大而增大，增大的速度受河谷橫向約束及堰塞壩粒徑特征影響。不同類別堰塞壩的穩定性和消能率特點雖然有所區別，但均與當地河谷形態及單寬水流能量匹配，持續高效消耗怒江干流不斷釋放的位能，減慢位能向水流動能轉換，從而抑制河流下切。這是滇西怒江干流堰塞壩穩定河床的機制，也反映了怒江作為下切河流自我調節的負反饋機制。

致謝：作者感謝劉桉、王睿禹、王志豪和呂立群在野外數據采集過程的幫助，也感謝韓魯杰提供了部分圖片。