怒江干流堰塞坝特征及稳定河床机制

张晨笛，林永鹏，徐梦珍，黄科翰，王兆印

（清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

1 研究背景

青藏高原东缘为中国自然地势的第一阶梯向第二阶梯过渡地带，相对高差超过4000 m。这一地形急变带大部分位于横断山区，是我国重要的能源资源基地、交通和国防战略通道。我国“十三五”水电发展规划的13大水电基地就有5个位于这一区域[1]。这一区域也是世界生物多样性最丰富的区域之一[2]。但地形急变带受青藏高原持续抬升影响，新构造运动活跃，河流深切，水流能量较高，崩塌、滑坡泥石流等山地灾害广泛分布[3]，生态环境脆弱[4]。同时，这一区域剧烈的地貌演变为下切河流研究提供了丰富素材，笔者选择这一区域内典型高山深谷型河流——滇西怒江，作为探究青藏高原东缘急变带下切河流自我调整及稳定机制的切入点。

怒江是我国西南地区及东南亚地区具有重要影响的国际河流[5]，发源于青藏高原唐古拉山南麓的吉热拍格，于横断山脉南端流入云南省，从云南德宏州潞西县出境，出境后称萨尔温江。怒江在中国境内长约2013 km，总流域面积13.67万km2[6]。怒江流域自横断山脉流向基本为自北向南流，且大部位于云南省西部，因此本文中称为“滇西怒江”。滇西怒江属山区性河流，包括长度超过310 km的云南最大峡谷“怒江大峡谷”[7]，水流落差大，水能资源丰富，但目前流域开发程度很低，是待开发水电资源仅次于金沙江的第二大水电基地[8]。滇西怒江干流尚无水电站建设，是研究自然河流演变的理想目标。

虽然已有大量研究关注滇西怒江的气象水文泥沙规律[6，9-12]、滑坡泥石流等灾害分布特点[3，5，13-15]和生态环境特征[2，4，7，16-17]等与滇西怒江干流河床演变相关的领域，但怒江干流的下切及地貌反馈调节机制鲜有研究涉及。因崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害堵塞或束窄滇西怒江主流形成几百个堰塞坝，连续堰塞坝群组成的尼克点体系是干流纵剖面的控制性地貌特征，对维持河床稳定起到关键控制作用[5，18]。河流下切提高两岸物质位能是两岸地质灾害多发的原因[18]，堰塞坝的形成是下切河流自我调节的负反馈机制[19-20]，抑制了两岸物质位能的进一步提升。因此，研究滇西怒江堰塞坝的地貌特征对理解青藏高原东缘下切河流的河床演变具有深刻的科学意义，同时，对该区域河流综合管理及防灾减灾也具有较高借鉴价值。

本研究的主要目的为：（1）总结怒江干流河流地貌沿程特征；（2）分类探究怒江干流堰塞坝的地貌特征；（3）评估堰塞坝稳定性和消能率并揭示堰塞坝提升怒江河床稳定性的机制。为实现上述研究目的，基于实地观测及卫星影像提取，笔者总结了滇西怒江干流600余km的沿程和堰塞坝地貌特征，收集整理了63个堰塞坝的地貌水力参数，并利用层次聚类法对这些堰塞坝分类。分类别量化分析了干流堰塞坝的稳定性和消能率特点，通过与阶梯-深潭等控制河流下切的结构比较，揭示了怒江干流堰塞坝稳定河床的机制。

2 研究区域

研究区域为怒江干流云南段长约620 km，及上游长70余千米的西藏段（图1中插图为滇藏边界堰塞坝-湖航空照片）。怒江干流河段起点定为西藏察瓦龙乡的怒江大桥，此桥上游滇藏公路开始远离怒江，因此也是野外考察的起点。西藏自治区嘉玉桥为怒江上游和中游的分界，而云南省六库是怒江中游和下游的分界[10]，因此研究区为怒江流域的中下游，河道天然总落差1300余米（图1）。怒江中下游河流补给以降水为主[12]，而降雨年内分配不均匀，汛期为5—10月，集中了全年80%以上的降水，11 月到翌年 4月为枯水期，降雨一般不足全年的 20%[10-11，13，21]。

图1 怒江干流纵剖面、测量位置和城镇位置

怒江中游处于青藏高原向云贵高原过渡的横断山脉纵谷区[10]，主流两侧受高黎贡山和怒山（碧罗雪山）约束，在高差达2000～3000 m的深切河谷中行进。怒江峡谷段两岸支沟发育，长度较短，坡降较大，呈羽状排列[21]。六库下游怒江坡降变缓，河谷较为开阔，出现河谷阶梯和平坝[9，14]，流经潞江镇后，河谷再度变窄。研究区内因地质结构差、降水集中、地表径流汇流过程短，而导致崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害频发[3，5，15]。仅六库至贡山段就有超过200条泥石流沟[15]，泸水市境内对人居环境有直接危害的滑坡有85个[13]，还有崩塌形成的老虎跳景区（泸水市称杆乡腊玛登）等。这些崩塌、滑坡及泥石流灾害给怒江干流提供大量瞬时泥沙补给，束窄主流甚至造成短时堵江[5]。水流长期冲刷稳定后形成堰塞坝，上游形成堰塞湖（图1）。水流经过堰塞坝时非常湍急，形成“白水”段（图1），而堰塞湖流速缓慢，基本没有泥沙运动，枯水期呈现蓝绿色。研究区怒江干流连续不断的堰塞湖-坝体系构成“蓝水-白水”相间的独特景观，也是滇西怒江最显著的地貌特征[18]。

3 研究方法

3.1 数据采集为获取怒江干流地貌水力特征，分别于2015年1月、2016年1月和2018年1月对怒江干流研究区进行野外考察，并结合枯水期（12月至来年2月）卫星影像提取数据。

怒江干流流量使用ADCP（Sontek M9，9波束系统，最大测深40 m，流速测量精度0.25%，水深测量精度为1%）在沿程4座桥梁进行测量。ADCP固定在无动力船上，人员在桥梁上通过绳索牵引无动力船测量至少一个测回。怒江干流纵剖面通过卫星影像提取，并以3 km纵向距离为单位计算河段平均河床坡降Sb。

河流下切过程呈现不同的横断面特征[18]：在山区河流快速下切过程中，河谷横断面呈现狭窄的“V”型或超“V”型（岸坡下部比上部更陡）；下切展宽引起边坡失稳，造成两岸崩塌滑坡泥石流等灾害频发，河谷呈现较宽的“V”型；下切减缓并逐渐转为淤积抬升，河谷变为“U”型。因此，河谷横断面的形状特征是反映河流地貌演变和稳定的重要参数。Zimmer和Gabet[22]定义了Vindex以量化表述下切河流的河谷横断面特征。Vindex描述了实际河谷横截面面积Ax与理想V形横截面积Av的偏离程度，表示为：

从式（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（图2）。

基于分辨率为30 m的DEM，沿怒江干流河道纵向每隔约3 km提取横断面。提取过程中保证：（1）横断面与河道基本垂直；（2）以河槽位置为基点，断面左右岸的水平距离基本相同且均超过1.5 km，以保证充足的高程值数量（超过100个）参与截面面积计算，且横断面高程范围包括干流滑坡泥石流的一般发生高度；（3）横断面尽量避免穿过支沟。计算有效截面Av时，需要确定两岸计算边界[22]，即两岸高程最大值（高程峰值），标准为：（1）从河槽出发向两岸寻找第一个高程极大值（拐点），若这个极大值与下一个极小值之差大于设定的高差阈值（本文取10 m），即选定此极大值为此岸坡高程峰值；（2）若在水平方向距离河槽1.5 km的范围内没有找到符合（1）要求的极大值，则取水平方向距离河道1.5 km位置处高程为此岸坡高程峰值；（3）取左右岸高程较小的峰值为计算有效截面的最大高程。两岸坡度通过峰值及河道位置计算，同时，也提取了所选横断面的河宽（水面宽）。

图2 Vindex计算示意图

怒江干流堰塞坝在卫星影像中呈现明显的“白水”特征，基于此对所有堰塞坝在影像中标记并记录其位置和间距，以3 km纵向长度为单位计算并统计堰塞坝密度。堰塞坝水面高程使用RTK GPS（中海达IRTK 2，高程测量精度一般小于5 cm）在干流一侧岸边测量。测量从堰塞坝上游的堰塞湖开始到堰塞坝下游水跃尾部结束。在Google Earth中提取实地测量点在深泓线对应位置的纵向距离，绘制堰塞坝水面高程纵剖面并计算上下游高差和水面坡降。堰塞坝中巨石和粗颗粒是其稳定性的主要贡献力量，因此本文主要关注堰塞坝的最大粒径信息。取堰塞坝区域（江中出露石块或岸边石块）5～10块最大石块粒径的平均值作为最大粒径Dmax。崩塌滑坡泥石流形成的堰塞坝最大石块粒径通过现场测量以及Google Earth影像提取。粒径较小（＜2.5 m）的堰塞坝最大粒径通过现场测量确定。通过Google Earth影像提取堰塞坝河宽，即“白水”区域的最小水面宽。本文使用无量纲数Sp定量描述河床结构的发育程度[23-24]，即河床纵剖面相对于连接起止点直线的起伏程度。Sp值越大代表结构发育程度也越高。对于最大粒径小于5 m的堆积扇或河漫滩，Sp通过测量排[23-24]获取，对于粒径超过5 m的巨石河段，则通过激光尺、塔尺和激光测距仪测量30～50 m长度的Sp。

3.2 数据处理对于怒江干流沿程数据（流量、河段平均坡降、两岸坡度、Vindex及单宽水流能量），均以3 km为单位汇总，其中单宽水流能量p基于河段平均坡降计算（p=γqSb）。

在野外测量和卫星影像基础上，收集整理了研究区内63个堰塞坝（包含1个非堰塞坝点作为对照，图1）的横断面特征（形状参数Vindex，左岸坡度SL，右岸坡度SR）、纵向特征（平均河床坡降Sb和水面坡降Sw）、最大粒径Dmax、堰塞坝河宽WD。利用干流流量沿程变化特征（图3（a））反算每个堰塞坝处流量Q，并由式（2）计算临界水深hc，及由式（3）基于堰塞坝处水面坡降计算单宽水流能量pb。

式中：γ为水容重；q为单宽流量，q=Q/WD。

上述10个变量综合反映了堰塞坝基本的地貌和水力特征。对上述参数建立相关性矩阵，剔除自相关明显的参数（单宽水流能量因此剔除），保留的9个参数形成堰塞坝地貌水力参数矩阵，利用层次聚类[25]进行自动分类。层次聚类是通过将标准化欧氏距离最短的两个类合并为一个更大的类，直至所有样本被合并为一类的分类算法[25]。其结果可用树状图直观表现，便于表现高纬度样本的聚类结果。结合实地考察情况适当调整分类结果后，确定对全部堰塞坝分类。

4 怒江干流沿程特征

研究区怒江干流的地貌水力沿程特点汇总如图3所示（图中横坐标L为到起点怒江大桥的水平距离，图3（d）中下标“L”和“R”分别表示左岸和右岸。干流流量随河道纵向距离基本呈线性增加（图3（a））。流量观测范围内流域宽度比较均匀、干流单位长度对应的汇流面积变化较小（图1）是流量随纵向长度线性增加的主要原因。干流坡降沿程分布显示怒江峡谷和峡谷下游区别明显，分界在六库上游（图3（a）和（b））。峡谷坡降较陡（平均坡降2.79‰），六库下游至国境线干流坡降明显变缓，平均坡降下降到1‰以下（图3（b））。横断面特点沿程分布同样显示怒江峡谷与下游明显不同：峡谷中横向约束强烈，河宽较小（图3（c）），两岸坡降较陡（图3（d）），断面形状多呈现“V”型和超“V”型（提取横断面中有41.1%的断面Vindex＜0，56.5%的断面Vindex＜0.03图3（e））。横断面特征还显示怒江峡谷下游可以进一步分为两段，基本以潞江镇（惠通桥）为界（图3（c）、（d）和（e））。六库下游到潞江镇怒江河谷开阔（图3（c）），两岸坡度减小（图3（d）），且两岸不对称性明显（图3（d）），“U”型河谷出现频率增加（图3（e））。潞江镇到国境线近200 km范围内，再次出现峡谷地貌，两岸坡度略低于怒江大峡谷（图3（d）），但干流坡降和单宽水流能量与六库到潞江镇之间开阔河段相比差异不明显（图3（b）和（f））。

图3（b）显示怒江峡谷中有4处明显的坡降集中河段，自上游到下游依次为察瓦龙、滇藏边界、腊瓦朵（景区）和老虎跳（景区）。这4处河段均为基岩控制，河道束窄（图3（c）），两岸陡峭（图3（d）），崩塌滑坡产生的巨石堆积在湍急的水流中形成堰塞坝，水流强烈掺气（图1），形成尼克点[19-20]。该4处刚好也是怒江峡谷中水流能量最集中的河段（图3（f）），滇藏边界处单宽水流能量是怒江峡谷均值的6倍以上，超过峡谷下游河段均值的20倍。这几处河段上游均出现堰塞湖，河床坡降明显降低（图3（a）（b）），水流能量也较峡谷中一般河段低（图3（f））。

5 堰塞坝地貌特征

5.1 密度和局部坡降连续出现的堰塞坝是怒江干流的典型特征，研究区内共有堰塞坝574个，全程平均密度为0.83个/km。图4（a）显示堰塞坝在干流河床坡降和水流能量集中处密度明显增大，而在怒江峡谷下游密度降低到1个/km以下，在潞江镇上游因河谷非常开阔（图3（c））甚至在约25 km长的河段上没有堰塞坝出现，而是沙洲和边滩控制的分汊河道。表明堰塞坝出现的密度受怒江干流坡降及横向约束影响。因此进一步考察了综合河床坡降和河宽影响的单宽水流能量与堰塞坝密度的关系，发现虽然因一些河段堰塞坝密度为0而数据整体离散性较强，但是两者基本呈正相关（图4（b）），说明怒江干流水流能量集中处堰塞坝出现频率也较高。堰塞坝处集中水流落差，实测水面高差最大可达10 m（出现在滇藏边界）。堰塞坝处水面坡降大部分明显超过所在河段河床平均坡降，局部水面纵坡降可超过4%（图4（c））。因堰塞坝集中水力坡降，上下游的水力坡降较缓，上游多为堰塞湖（图1（b）），而下游因局部冲刷水深也较大。

图3 怒江干流沿程特点

5.2 分类基于干流堰塞坝9个地貌水力参数的聚类结果显示，堰塞坝主要分为2大类（61号是怒江河宽最大的潞江镇附近的分汊河型代表，虽然也出现“白水”，但并不是典型的堰塞坝，聚类结果也确实跟典型堰塞坝区别开）。一类（图5（a）中红色数字）是由于崩塌滑坡形成的堰塞坝，集中在察瓦龙、滇藏边界、老虎跳和腊瓦朵4处（图3（b））水流能量集中（图3（f））、基岩控制的深切峡谷河段。该类别在本文中称作崩滑堰塞坝。腊瓦朵的25和26号点在聚类中未归到崩滑堰塞坝，但在考察中发现确为崩塌形成，江中多个粒径10 m左右的石块聚集。这两点上游有3个连续的泥石流堰塞坝，大量消耗水流能量，所以使这两点淹没程度较高而未在聚类中表现出与其它崩滑堰塞坝相似的特征。崩滑堰塞坝基本出现在河床坡降大于6‰、两岸坡度大于35°的束窄河段，横断面呈“V”或者超“V”型，且水流能量高度集中（图3（f））。

剩下的堰塞坝则与滇西怒江密布的泥石流沟及堆积扇有关，在本文中统称为泥石流堰塞坝，是怒江数量最多的堰塞坝，与滇西怒江干流泥石流沟密布有关[5，18]。该类别可进一步分为3个子类，第一子类代表怒江大峡谷中的堰塞坝（图5（b）），第二子类代表大峡谷下游的堰塞坝（图5（c）），第三子类则对应河宽较大、浅滩控制的堰塞坝地形（图5（d））。位于怒江峡谷内的泥石流堰塞坝均靠近泥石流扇体，多为泥石流短暂堵江形成[5]。怒江峡谷下游河谷较开阔，两侧堆积扇面积较大，多为古泥石流形成，现今比较稳定[14]，多数已经作为农业用地。这一类堰塞坝则一方面受到古泥石流冲出物的影响，另一方面随着泥石流运动的逐渐减弱，也明显受到怒江干流水力冲积作用。浅滩类型的堰塞坝更多是水力冲积形成，粒径较小，磨圆度较高，因河宽变大水深减小淤积形成。因实测浅滩类堰塞坝数量少，后文的统计分析中不包括此类型。

6 堰塞坝稳定河床机制

6.1 稳定性在水流冲刷作用下，床面颗粒会重新组织形成河床结构以提高自身稳定性[18，24]。野外实测的长期稳定的堰塞坝河床结构发育程度与河流洪水能量呈正相关[19-20]，如图6（a）黑色点据及其回归曲线所示。如果结构强度低于图中曲线，结构消减的能量不足以控制水流冲刷，堰塞坝就会溃决。如果结构强度高于图中曲线，洪水能量低于河床结构消耗的能量，水流则无多余能量侵蚀河床，堰塞坝可以长期稳定保存。因此，可利用图6（a）回归曲线式（4）评估堰塞坝的稳定性。

图4 怒江干流堰塞坝特征

图5 怒江堰塞坝分类

图6 堰塞坝结构强度Sp与单宽水流能量pb及（pb）c/pb的关系

在野外测量了结构强度Sp的堰塞坝数据相应点绘在图6（a）中，堰塞坝结构发育程度从强到弱排序为：崩滑堰塞坝＞峡谷中泥石流堰塞坝＞峡谷下游泥石流堰塞坝（图6（a）插图）。在怒江的测量集中在枯水期，全部测量结果都位于曲线左上方，表明枯水期干流堰塞坝良好的稳定性，其中崩滑堰塞坝数据点远离曲线，说明结构可以适应的水流能量远超过枯水期水流能量（图6（a））。

基于式（4）可以计算各堰塞坝在现有结构强度Sp下可以保持稳定的最大单宽水流能量（pb）c，（pb）c/pb与Sp的关系如图6（b）所示。（pb）c/pb基本随Sp增大而增大，表明结构强度越高、怒江干流堰塞坝可以抵御的洪水量级越大。崩滑堰塞坝可以抵御的洪水相对规模远大于另外两类泥石流堰塞坝（图6（b））的插图），而以位置区分的两类泥石流堰塞坝则非常相近。崩滑堰塞坝（pb）c/pb均值为137.4，泥石流堰塞坝在峡谷中和峡谷下游分别为16.5和19.3。崩塌堰塞坝的（pb）c/pb基本超过100（图6（b））。如忽略汛期水力坡降变化，则这些河段汛期单宽水流能量需达到枯水期约100倍以上（即单宽流量提高100倍以上）才导致堰塞坝失稳。

考虑到总流量和单宽流量的关系：

式中：（WD）c为失稳时堰塞坝临界河宽。河宽随流量增大而增加，即（WD）c/WD＞1，因此，使崩塌堰塞坝失稳的临界洪峰流量甚至超过枯水期流量的100倍以上。怒江有历史记录的最大洪水流量为10 400 m3/s[8]，约为实测枯水期测量流量的30倍，说明怒江崩滑堰塞坝在特大洪水事件基本都可以保持稳定。

泥石流堰塞坝可以抵御的临界单宽水流能量约为枯水期流量的17倍（峡谷中和峡谷下游平均结果），远小于崩滑堰塞坝，但泥石流堰塞坝多靠近堆积扇（坡度大部分小于15°[5]），河谷两岸坡度也明显小于崩塌堰塞坝所在河段（图3（d）），峡谷下游开阔段还出现河漫滩和阶地。因此，（WD）c/WD＞＞1。虽然缺乏怒江干流泥石流扇断面的河相关系资料，难以确定泥石流堰塞坝能否在特大洪水事件中保持稳定，但如果按20～25倍枯水期流量估算Qc，则可判断泥石流堰塞坝在一般性洪水[8]中保持稳定。

6.2 消能率怒江干流堰塞坝除浅滩类型外基本为横跨河宽的结构（图5（b）—（e）），延展方向与水流方向基本垂直，且水流流经堰塞坝时因为局部坡降较大呈现急流流态（图5（b）—（e）），下游则因局部冲刷形成水跃，强烈掺气，紊动强烈。不论是几何形态还是流态，干流自然堰塞坝与尺度较小的山区河流中的阶梯-深潭结构[18，26-27]及人工堰[28-31]类似（图7）。因为具有较强的稳定河床的作用，阶梯-深潭和人工堰已经被用作河流下切控制的措施[18，27，29，31]。因此，这里借鉴阶梯-深潭和人工堰的已有研究经验，计算怒江干流堰塞坝的消能率。

图7 怒江堰塞坝与阶梯-深潭及人工堰对比

单个堰塞坝上游和下游水流平缓，对其上游和下游列能量方程：

式中：E1为河段下游出口处总水头；为河段上游断面流速水头；z1为上游位置水头，即上游水面高程；为河段下游断面流速水头；z2为下游位置水头，即下游水面高程；hL为水头损失。

研究表明水流在流经阶梯型结构时，主要能量损失在位能，而动能变化很小[26，32-33]，即：

则式（6）可简化为：

式中Δz为上下游水面高差。

与阶梯-深潭和人工堰（图7（b）（c））一致，选下游深潭最低点为位能参考位置，堰塞坝消能率η表达为：

堰塞坝上游的水流比能（specific energy）根据文献[28，30]计算：

则上游断面总水头为：

式中HS为深潭深度，即阶梯顶部到深潭最深点的距离（图7）。

所以，堰塞坝的消能率为：

在野外实测了枯水期怒江干流堰塞坝上下游水面高差Δz，hc则根据流量和堰塞坝河宽计算，因此计算消能率的关键在于计算HS。怒江干流的堰塞坝经过长时间冲刷大部分比较稳定（堰塞坝附近的巨石常见地衣[34]和壶穴[31]，说明长期稳定），但由于水流非常湍急，无法实测冲刷深度。考虑其与阶梯-深潭结构和人工堰形态的相似性（图7），且自然阶梯-深潭和人工堰等阶梯型结构长期冲刷下的最大冲刷深度并无统计意义的区别[30]，因此使用综合描述自然阶梯-深潭和人工堰冲刷深度的无量纲经验式[30]估算HS：

式中a1为阶梯-深潭或者堰上下游床面高差（图7（b）（c）），这里假设a1≈Δz。前面已提到阶梯型结构上下游流速变化不明显，而因为距离很短流量变化也可忽略不计，通过卫星影像发现堰塞坝上下游河宽变化同样不明显，所以，根据连续性方程，上述假设是合理的。

基于上面的分析，对全部调查的怒江干流堰塞坝进行消能率计算，并与阶梯-深潭结构消能率的经验模型[18]比较，总结在图 8（a）中。

怒江峡谷崩滑堰塞坝及泥石流堰塞坝消能率与阶梯-深潭结构比较接近，而峡谷下游的堰塞坝消能率基本都低于阶梯-深潭（图8（a））。堰塞坝的消能率变化范围较大，最大消能率出现在滇藏边界的崩滑堰塞坝，超过80%，这里也是单宽水流能量最高的河段（图3（f）），而最低的消能率不足15%，除峡谷下游堰塞坝以外，峡谷中位于连续堰塞坝的尾端堰塞坝消能率也较低。如图5（a）中25和26号两点上游的3个连续泥石流堰塞坝，其中上游的2个堰塞坝消能率分别为60%和35%，而最后一个仅有18%。水流能量已经被上游堰塞坝有效消耗，上游堰塞坝引起水跃增大水深导致下游堰塞坝消能率较低。虽然怒江干流连续的堰塞坝群中有些堰塞坝的消能潜力在枯水期未被充分利用，但恰恰为汛期增大的水流留有余地。图8（a）显示堰塞坝消能率随hc/HS增大而降低，hc/HS增大代表单宽流量增加或者局部冲刷程度降低，两种现象都可能在汛期出现。不过怒江干流具有由500余个堰塞坝组成的系统一起消耗水流能量，枯水期未被充分利用的堰塞坝在汛期随着流速增大壅水减弱反而可以弥补单个堰塞坝消能率下降影响。诚然，堰塞坝群的组合消能率变化特点远较单个堰塞坝复杂，笔者将开展进一步水槽试验和野外工作，以加深对堰塞坝群在不同水流条件下消能表现的认识。

图8（b）展示了堰塞坝消能率与水流能量的关系。虽然数据比较离散，但总体而言堰塞坝的消能率随单宽水流能量增大而增加。3类堰塞坝展现了不同的特点：崩滑堰塞坝消能率随单宽水流能量增大而明显提高；峡谷中泥石流堰塞坝在单宽水流能量较小时消能率随水流能量提高较慢，但单宽水流量能较高时，消能率增长较快；峡谷下游的堰塞坝消能率则基本不受单宽水流能量影响。造成这种区别的主要原因是3类堰塞坝的河谷横向及粒径特征具有较大差异（图9）。崩塌堰塞坝横向约束最为强烈，相同流量增量下，河宽变幅较小，因此单宽流量增加明显；峡谷下游泥石流堰塞坝因两侧扇体、河漫滩发育而河宽增大较快，单宽流量相应增长较慢；峡谷中泥石流堰塞坝的横向约束则介于两者之间。崩滑堰塞坝的粒径最大（图9（d）），结构发育程度也最高（图6（a）插图）；峡谷下游泥石流堰塞坝粒径最小（图9（d）），结构发育程度最低；峡谷中泥石流堰塞坝则介于两者之间。这样就导致崩滑堰塞坝单宽水流能量随流量增长最快，消能率同样快速提高，而峡谷下游单宽水流能量随流量增长较慢，消能率增加也最慢。因此，怒江干流堰塞坝的消能率特点与当地的单宽水流能量特点是匹配的。

图8 堰塞坝消能率η与hc/HS及单宽水流能量pb的关系

6.3 稳定河床机制在青藏高原持续抬升对东边缘河流下切的地质营力作用下，怒江干流两岸基岩和坡积物的位能不断提高，引发山体崩塌滑坡及支沟泥石流，巨量瞬时泥沙补给形成堰塞坝，在长期水流冲刷下河床结构发育、稳定存在的数百个堰塞坝在怒江干流形成尼克点群。堰塞坝上游一般形成堰塞湖，增大水深，降低流速，并抬高侵蚀基准面，减弱水流对河床的冲刷。怒江干流经过长期地貌演变形成堰塞坝群，体现了河流通过自我调节控制下切的负反馈机制[18-20，31]。与横向约束较强的山区河流通过发育阶梯-深潭结构实现增大纵剖面弯曲程度以对抗水流冲刷[35]类似，怒江堰塞坝的形成和发育也实现了纵剖面的调整，集中水流落差和集中消耗水流能量，增大水流阻力。

在怒江峡谷水流能量最集中的河段，发育的崩塌堰塞坝可以抵御历史级别的特大洪水，且单宽水流能量越大，堰塞坝的消能率也越大。怒江峡谷中为数众多的泥石流堰塞坝群，可以在一般性洪水中保持稳定，因堆积扇存在而横向空间较大，汛期水面扩展较快，且通过集群优势弥补单个堰塞坝消能率随流量增大而减小的劣势（图8（a））。怒江峡谷下游展宽段，堰塞坝的密度、稳定性和消能率均较低，但河谷较充裕的横向空间抑制了汛期洪水单宽水流能量的快速增长。由于研究区内不同地貌和水流能量特点的怒江干流均发育了稳定性和消能率与当地特点匹配的堰塞坝，持续高效地消耗水流能量，抑制水流位能向动能的转化，从而削弱水流冲刷，控制河流下切。这正是滇西怒江干流堰塞坝群提高河床稳定性的机制。下切速率降低后，怒江两侧物质位能增速得到控制，地质灾害发生的频率也会降低[18]。

滇西怒江堰塞坝在长期地貌演进过程中形成的因地制宜的稳定河床机制可为下切河流综合管理提供思路。如利用库坝相连的中型坝群（平面呈现“串糖葫芦”形态[18]）构建的逐级消能结构模拟怒江峡谷堰塞坝体系，既与深切峡谷较高的单宽水流能量适应，又可以保持河道连通性和生态多样性[18，31]。而横向约束较弱的河段则通过增加汛期过水断面面积抑制流速和单宽水流能量过快增长。笔者将在未来的研究中系统探索不同下切控制措施协同使用的效果。

7 结论

（1）滇西怒江干流基于地貌特征可划为3段，以六库及潞江镇为界。六库上游的怒江大峡谷河床坡降大，横向约束强烈，单宽水流能量最高，六库下游2段干流水流能量均明显减弱，但横向约束先减弱再增强。

（2）怒江干流最显著的地貌特征为高密度、具有集中水流落差作用的连续堰塞坝群，平均密度达0.83个/km。堰塞坝的密度与单宽水流能量正相关。

（3）根据地貌水力特性的聚类分析，怒江干流堰塞坝可以分为崩塌滑坡（崩滑）堰塞坝和泥石流堰塞坝，后者进一步分为峡谷中、峡谷下游和浅滩型3个子类，与干流分段特征对应。崩滑堰塞坝主要发生在怒江峡谷水流能量高度集中的超“V”或“V”型断面河段。崩滑堰塞坝稳定性高于泥石流堰塞坝：前者的失稳破坏流量达到历史级特大洪水，后者则可在一般性洪水中保持稳定。

图9 3类堰塞坝河谷横向特征和最大粒径对比

（4）怒江堰塞坝的消能率与自然阶梯-深潭结构相仿，且随单宽水流能量增大而增大，增大的速度受河谷横向约束及堰塞坝粒径特征影响。不同类别堰塞坝的稳定性和消能率特点虽然有所区别，但均与当地河谷形态及单宽水流能量匹配，持续高效消耗怒江干流不断释放的位能，减慢位能向水流动能转换，从而抑制河流下切。这是滇西怒江干流堰塞坝稳定河床的机制，也反映了怒江作为下切河流自我调节的负反馈机制。

致谢：作者感谢刘桉、王睿禹、王志豪和吕立群在野外数据采集过程的帮助，也感谢韩鲁杰提供了部分图片。