结合砾石填充与防洪措施以恢复河床多样性：从一场持续30年的洪水（莱茵河上游）带来的意外影响中汲取的教训

《River Research and Applications》：Combined Gravel Augmentation and Flood Control Area to Rehabilitate Riverbed Diversification: Lesson From Unexpected Effects of a 30?Years Flood (Upper Rhine)

河道拓宽与砾石加固联合措施对旧莱茵河水文地貌及生态功能的影响研究。通过LiDAR、无人机及PIT标记追踪分析2019-2024年河床形态演变，发现洪水控制区拓宽显著降低水流能量，促使18,000立方米砾石在2021年30年一遇洪水后稳定沉积，验证了联合措施对河床形态多样化和沉积再活化效果优于单一措施。研究结果为跨流域多区间协同治理提供依据，强调需同步实施河道拓宽与上游砾石补给，以维持长期河床动态平衡与生态修复效益。

　　在现代水利工程的背景下，河流的生态和地貌功能常常受到人类活动的深刻影响。以欧洲的莱茵河为例，这条河流作为欧洲第三大河流，其流域面积达18.5万平方公里，总长度为1250公里。然而，自19世纪以来，莱茵河经历了多次大规模的工程改造，包括河道整治、修建堤坝以及建设分流工程等，这些措施虽然在一定程度上提升了河流的防洪能力，但也导致了河道宽度的缩小、河床形态的简化以及河岸与洪水泛滥区的断开。这种人为干预改变了河流的自然流动模式，使得河流生态系统面临严重的退化风险，包括生物多样性下降、生态功能减弱以及河流地貌的单一化。

为了应对这些生态和地貌退化的问题，近年来一些工程措施被引入，以恢复河流的自然过程和生态功能。其中，河床补给措施成为一种常见手段，旨在缓解由于大坝建设导致的沉积物缺乏问题。这种措施在多个地区被应用，例如北美、日本和欧洲，其目的是通过增加河床的沉积物含量，改善鱼类繁殖环境，增强河流的生态多样性。然而，这些措施的效果往往受到时间与空间限制，特别是在大坝下游的河道中，由于沉积物流动的快速性，补给后的沉积物可能很快被冲刷带走，导致生态效益难以持续。

本研究关注的是莱茵河中的一段，即“长莱茵河”区域，具体是在Kembs分流坝下游的河道。为了改善这一区域的生态状况，法国电力公司（EDF）在2015年和2016年进行了两次河床补给操作，而德国的Freiburg地区政府则在2017年至2018年间实施了洪水控制区的建设。这两种工程措施虽然分别由不同的管理机构执行，但它们在2021年发生的一次30年一遇的洪水事件中意外结合，产生了显著的河流地貌变化。研究通过长期的现场调查，包括空中激光雷达（LiDAR）测量、无人机（UAV）航拍以及床沙追踪实验，评估了这些措施对河流地貌演变和生态恢复的影响。

研究发现，2021年的洪水事件导致了Kembs分流坝下游的主河道中形成了一处巨大的砾石堆积区，体积约为18,000立方米。这一堆积区在随后的监测期内一直存在，表明其具有一定的稳定性。研究者认为，这一现象是由洪水控制区的建设导致的水流能量局部降低，以及上游堤坝侵蚀造成的河道意外拓宽共同作用的结果。此外，研究还发现，这一堆积区的砾石来源不仅包括上游的补给措施，还包括上游河道中因水流扰动而重新悬浮的河床物质。这一发现说明，即使在大坝下游的河流环境中，合理的工程干预仍能促进沉积物的重新分布和河床形态的多样化。

通过分析不同时间段的地形变化，研究团队发现，洪水控制区的建设显著改变了主河道的形态。例如，在2019年至2024年期间，主河道的沉积物沉积量和地形变化显示出明显的趋势。在某些时期，如P1阶段，洪水控制区的地形变化较为显著，形成了新的砾石堆积区；而在P2阶段，由于洪水强度减弱，地形变化趋于稳定，但仍然存在一定的沉积物流失。P3和P4阶段的地形变化则更为微弱，显示出生态系统的逐步适应和恢复。值得注意的是，洪水控制区内的植被生长在一定程度上增强了其形态稳定性，避免了进一步的侵蚀和沉积物流失。

研究还指出，上游的砾石补给措施在一定程度上促进了洪水控制区的沉积物供应。通过床沙追踪实验，研究人员发现了部分砾石来源于Kembs I2补给点，该补给点距离洪水控制区约3.7公里。这一结果表明，上游的工程干预在一定程度上影响了下游的沉积物动态。然而，大多数沉积物仍然来自洪水控制区上游的河床重塑过程。这说明，虽然补给措施在一定程度上增加了沉积物的供应，但其效果仍然受到河道自然演变过程的影响。

此外，研究还探讨了洪水控制区对局部水文条件的影响。通过计算特定的水力参数，如最大日单位水流功率，研究人员发现，洪水控制区的建设显著降低了水流能量，从而减少了床沙的搬运能力。这种变化在洪水事件期间尤为明显，特别是在2021年的30年一遇的洪水事件中，由于河道的意外拓宽，水流能量进一步下降，导致了更多的沉积物在控制区内堆积。这一现象不仅有助于改善河流的生态条件，还可能对河流的防洪能力产生积极影响。

研究还强调了跨边界和多区域协同管理的重要性。莱茵河横跨法国和德国，其生态和水文条件的改善需要两国之间的紧密合作。通过建立一个跨区域的综合管理框架，可以更有效地整合不同区域的工程措施，例如在河道两侧同时进行拓宽和补给操作，从而最大化生态和水文效益。同时，这种协同管理框架还需要考虑到工程实施的风险，如堤坝侵蚀、水流路径的改变以及可能的生态破坏。因此，未来的管理策略应更加注重生态过程的恢复，而不仅仅是短期的工程干预。

在实际应用中，研究建议采用更加系统化的监测手段，如定期进行水下和水面的地形测量，以评估不同工程措施的效果和持续性。同时，还应结合不同类型的洪水事件，分析其对河流地貌和生态的影响，从而制定更为科学和可持续的管理方案。此外，研究还指出，河道拓宽和砾石补给措施应结合当地的自然条件和生态需求，避免对生态系统造成不必要的干扰。

总体而言，本研究通过长期的现场调查和数据分析，揭示了莱茵河长段在实施洪水控制区和上游砾石补给措施后所发生的地貌和生态变化。这些变化不仅反映了工程措施的有效性，还为未来在类似河流环境中的管理提供了重要的参考。通过合理的跨边界合作和科学的管理策略，可以进一步提升河流的生态功能和防洪能力，实现生态与工程的双赢。