贾木纳河大规模护岸工程引发的形态动力学调整与长期地貌响应研究

本文系统研究了孟加拉国贾木纳河（Jamuna River）在实施大规模护岸工程后的形态动力学（morphodynamics）响应，结合实地监测与卫星遥感数据，揭示了护岸工程导致的河床下切（degradation）、冲刷（scour）加剧及河道缩窄（channel narrowing）等关键地貌变化。研究强调了河流工程（river engineering）干预下近场与远场地貌反馈的时空延迟效应，对洪水风险管理、护岸结构可持续性及航道治理具有重要工程指导价值。

　　

引言

河岸侵蚀是河流自然的地貌过程，但与人类发展目标常存在冲突。为缓解洪水风险区的侵蚀问题，护岸工程在全球洪泛区得到广泛应用。19至20世纪，随着人口增长和开发活动向洪泛区扩张，此类干预措施迅速推广。然而，许多工程缺乏对地貌过程相互作用的充分考虑，导致河流功能出现意想不到的变化。

近场研究表明，河岸稳定化会引发局部冲刷和河道缩窄的地貌响应，主要源于水力变化、河岸沉积物供应中断以及点坝侵蚀与岸后退不平衡。即使河流未完全护岸，局部冲刷坑也可能引发宏观尺度的河道吸引和曲流弯道收紧，最终加剧局部冲刷。近场与远场响应之间存在反馈机制，尤其在具有宏观形态自由调整能力的"未驯服"河流中尤为重要。历史上有莱茵河、弗雷泽河和密西西比河等大型河流的治理工程虽带来经济收益，但最终引发河床下切、平面形态简化和河道缩窄。对长期基础设施成本和环境退化的影响深远，提示未来河流改造需谨慎。

在全球范围内，少数保持自然状态的河流中，孟加拉国的贾木纳河正经历日益增强的人类工程稳定化转型。该河径流量位居世界前十，泥沙输移量极高。其洪水体制受季风主导，高流量发生在7月至9月。高泥沙负荷与径流量的结合导致动态河床变化、大规模河道迁移以及沙坝和岛屿（当地称为"chars"）的形成。

贾木纳河流经并塑造了一个人口密集、集约利用的景观。截至2022年，平均人口密度达每平方公里1119人。孟加拉国人民长期依赖年度"正常"洪水支持农业、河流航运和渔业，但"异常"洪水可能造成广泛的经济损失和人类苦难。贾木纳河的侵蚀尤为严重：1830年至1992年间，河流从以曲流为主转变为辫状河道，平均辫流宽度从6.2公里增加到10.6公里，并向西迁移约4.6公里，导致数百万人流离失所。

在此背景下，护岸工程的发展与这个地球上最易受灾的三角洲景观中不断增长的发展中人口面临的挑战密切相关。

护岸工程发展

贾木纳河系统性护岸工程发展始于1990年代的洪水行动计划，实施了多个侵蚀控制项目。这些项目旨在通过不连续的河流整治工程保护关键基础设施和城镇，如加固混凝土丁坝和混凝土块构成的"硬点"。然而，这些工程成本高昂（约1995年每公里1200万至3000万美元），且 characterized by frequent failures，通常源于深度局部冲刷。在贾木纳河，单个洪水季节垂直冲刷可超过30米，引发底土岩土不稳定，产生流滑和岸体及上层护岸工程的大规模破坏。

2000年代初，技术方法从间断防护转向使用低成本土工袋（geobag）护岸的长距离防护。这种方法使用分层土工袋，放置在低水位线以下覆盖边坡，建立可冲刷的趾部护坦，低水位线以上采用混凝土块防护，并通过适应性管理监测和升级护坦以应对冲刷事件。观测到的冲刷速率比丁坝处轻微，通常在单个洪水季节5米至15米范围内，允许在岩土不稳定性到达岸线前升级护坦。土工袋护岸的应用 largely successful，将成本降至每公里300万美元以下（约2019年），且比早期技术更少失败。随着时间的推移，孟加拉国政府和当地承包商的经验提高了实施能力：早期项目每季建造4-5公里水下护岸，2016年增至每季16公里，最近在2023/2024年两个季节达到66公里。截至2023年，在贾木纳河恒河汇入口与上游提斯塔河支流间约190公里河段上，已有约143公里 engaged revetments。

快速建设和贾木纳河的动态性质挑战了对如此大规模工程干预长期地貌响应的评估。局部冲刷在以往研究中得到广泛记录，这些研究聚焦于单个防护结构周围的变化。然而，贾木纳河对护岸工程的长期远场响应尚不明确。先前的规划研究认识到大规模地貌响应的潜力，并使用建模方法理解河流稳定化和廊道缩窄对河道形态的影响。结果表明河道缩窄和下切可能发生，但长期时间框架内存在 substantial uncertainty，结果不应被视为绝对。采取观测方法，近期对下贾木纳河的监测努力追踪了新建护岸周围的局部冲刷效应，但数据收集限于2016-2019年，对长期响应的洞察有限。尽管先前的建模努力，尚无研究评估长期远场地貌响应的实际观测幅度和范围，以及建模预测是否正在实现。

过去二十年护岸建设的轨迹可能指向贾木纳河整个岸线的最终"装甲化"，其影响可能深远但目前尚未被理解。实际上，在190公里长的研究河段内，另有110公里护岸正在建设或规划中。长期地貌响应是评估河流管理倡议可持续性的关键知识缺口。

研究目标与假设

本研究结合现场数据与对地观测，评估贾木纳河对大规模护岸工程的地貌调整。分析聚焦于河床下切、河道缩窄和冲刷模式变化的近场和远场指标，因为这些对侵蚀风险和河流工程具有直接意义。其他地貌调整，如泥沙输运体制的变化，超出本研究范围。提出以下研究假设供调查：

假设1：护岸河道比非护岸河道更深，在平均值和极值方面。

假设2：存在可归因于护岸工程的冲刷幅度和空间分布的变化。

假设3：护岸与非护岸河道的河道占用历史存在差异。

假设4：在河段尺度上，存在可归因于护岸工程的总体河道宽度和深度随时间的变化。

本研究中，护岸河道定义为在活动河道边界350米内有护岸的河道；所有其他河道被视为非护岸河道。

材料与方法

研究区域聚焦两个河段，称为上贾木纳河和下贾木纳河。两个河段均 intensely braided，形态由一级、二级和三级河道组成。活动河道沉积物主要为细砂和粉砂（D₅₀ 0.12–0.27毫米），且 highly erodible。

上贾木纳河是125公里长的河段，介于主要支流提斯塔河与90年代中期建设的邦加班杜（贾木纳）桥之间。下贾木纳河是65公里长的河段，介于邦加班杜桥与恒河汇入口之间。两个河段自1990年代以来一直受到河流整治努力的影响。2014年以来，下贾木纳河一直受到洪水与河岸侵蚀风险管理投资计划（FRERMIP）的影响，该计划旨在通过适应性河流治理工程稳定河流。FRERMIP产生的数据被用于本分析。

数据源包括水文计量数据、护岸工程位置数据、河流水深测量数据和卫星影像与地表水检测数据。水文计量数据来自孟加拉国水资源发展委员会（BWDB）运营的国家水位站和流量测量站网络。护岸工程位置记录在GIS数据库中线要素中，由FRERMIP项目提供。河流水深测量数据由FRERMIP项目提供，覆盖2011-2023年。卫星影像用于检测淹没和活动河道范围随时间变化，使用30米分辨率Landsat 5、7和8数据，通过Google Earth Engine代码处理。

数据分析采用两种方法：近场方法评估护岸与非护岸河道之间局部形态差异，以及这些差异在总体水平上是否显著；远场方法评估河段尺度形态的时间变化，以及这些变化是否与大规模护岸工程的开始有关。具体分析包括护岸与非护岸河道的水深比较、深冲刷坑位置识别及其时间动态、深河道占用历史评估、以及可用水位站 stage-discharge 关系的时间平稳性评估。

结果

护岸与非护岸河道的深度特征显示，研究区域 surveyed bed elevations 范围约-30米至12米，自然岸带和结构缓冲带的高程分布存在明显差异。年度数据中，结构附近中值高程比自然岸带低3至6米，而10百分位高程（解释为冲刷带代理）深4至9米。检验结果表明，结构缓冲带的高程与自然岸带显著不同。河道段分析提供了多个河道宽度尺度下河道深度特征的进一步洞察。平均而言，护岸河道断面比自然河道断面更深，适用于河道宽度尺度达2500米。差异在500-1000米宽度等级中最明显，护岸河道断面平均比自然河道断面深约4米。对于大于2500米的宽度尺度，自然河道断面比护岸河道断面深约1米。检验结果表明，护岸河道断面深度与自然河道在0-500米等级、500-1000米等级、1000-2500米等级、2500-5000米等级和5000-7500米等级均显著不同。

冲刷的空间分布总结显示，对于≤-10米高程等级，自然岸、护岸和汇流处的冲刷坑数量在研究期总和相似，丁坝和主河道区域数量较少。在≤-15米时，护岸处冲刷坑数量重要性增加，与汇流和自然岸冲刷之和相似。对于非常深的≤-20米等级，几乎所有冲刷坑与护岸相关。≤-20米等级的结果因 population size 小而有不确定性。测量断面间距可能导致最深冲刷坑 undercounting，特别是在汇流和丁坝处，这些地方冲刷坑范围可能比护岸和自然岸更有限。

河道占用历史分析显示，1-2月淹没面积与假设控制因素之间的相关性分析揭示了整个研究区域和子河段的 notable findings。如图所示，淹没面积自2000年代初呈下降趋势，可能表明河道下切和缩窄。值得注意的是，这一时期也对应大规模护岸工程的开始，表明负相关。然而，1-2月平均流量自约2010年也有所下降，是淹没面积的已知影响因素。检查相关性矩阵，淹没面积与流量的相关性（ρ = .39 to .59）比与 engaged revetment length 的相关性（ρ = ?.34 to – .47）略强。淹没面积也与前一年淹没面积自相关（ρ = .39 to .44），这在河道形态具有记忆效应的河流系统中并不意外。

检查 engaged revetment lengths 的时间历史提供了其与淹没面积负相关的更深入洞察。如图所示，相关性随 engaged revetment lengths 的滞后年份增强。整个研究区域峰值相关性出现在12年滞后，ρ(23) = ?.66；上贾木纳河在12年滞后，ρ(23) = ?.67；下贾木纳河在4年滞后，ρ(28) = ?.74。这些相关性是任何检查的假设控制中最强的，我们解释这一发现为强迫控制（防护工程建设）与河道响应之间的延迟。上下贾木纳河之间最大相关性时间差异可能表明河道响应时间差异或反映样本量导致的相关性不确定性。视觉检查支持后一种解释。在5年滞后，相关性为ρ(30) = ?.63 对于整个研究区域和ρ(30) = ?.60 对于上贾木纳河，与12年滞后相关性相比略弱但相当。由此我们推测"真实"响应时间可能在几年到十年量级。

分析的一个限制是 engaged revetment length 与年份 strongly correlated（ρ = .94 to .95）。可能存在其他时间相关控制变量但未被考虑，导致 engaged revetment length 与低流量淹没面积之间的 spurious correlation。例如，一些作者认为1950年阿萨姆地震增加了上游泥沙供应， triggered 贾木纳河辫流带宽度增加，对河流形态的最大影响发生在1980年代。如果此后泥沙供应减少，可能的地貌响应可能是辫流带重新缩窄。其他作者认为水文变异而非变化泥沙供应是影响辫流带宽度的关键因素。水文变异，特别是前期季风季节强度，也影响河道下切，但分析中未考虑。然而，先前监测表明地貌变化如曲流弯道收紧是冲刷发展的强烈影响， irrespective of 水文变异。另一个可能的时间因素是 capital dredging projects，尽管这些项目是间歇性和空间离散的。最终，淹没面积与年份的相关性（ρ = ?.29 to ?.48）小于与滞后 engaged revetment length 的相关性，且文献体和本文结果支持护岸建设与河道宽深关系变化之间的因果关系。这种关系不排除泥沙供应、水文变异、疏浚或其他时间因素的影响。正如Sarker等人所述，护岸建设是贾木纳河地貌演化中 several forcing variables 之一。

发现河道占用随时间及护岸与非护岸河道区域之间不同。考虑整个研究区域，10年前向河道占用概率2015-2024年期间（中值=4.9年）略高于1992-2001年期间（中值=4.7年）。河岸防护工程350米缓冲区内区域显示2015-2024年期间更高占用（中值=6.9年）。这些结果表明，一旦深河道沿河岸防护形成，它比非护岸区域深河道更可能保持原位。从整体河道占用图的视觉解释可以获得河段尺度变化的额外洞察。2015-2024年期间，高占用区域 frequently located 沿河岸防护。也存在 notable areas，其中1992-2001年空间多样河道占用 collapse into 更窄空间范围在2015-2024年。实际上，总占用面积2015-2024年比1992-2001年低20%。

阶段-流量平稳性分析说明，SW46.9L、SW49和SW50.3的测量值及其时间演变。按年代分层显示，SW46.9L和SW49处水位在2010-2020年期间低于1980-1989年期间，当在低于6000米³/秒的类似流量值比较时。这一变化在SW46.9L最明显，那里2010-2020年水位总体比所有早期时期低约1米。变化在SW49不太明显，且2010-2020年与1980-1989年水位总体存在大重叠。两个水位站，最低记录水位均来自2010-2020年期间。SW50.3水位站未展示此行为。虽然2010-2020年期间水位低于1980-1989年期间，它们在1990-1999和2000-2009年期间类似范围内。

通过子集数据隔离"典型"冬季流量4500-5500米³/秒并绘制相关水位测量值随时间变化进一步研究时间动态。还将水位测量值与1976-1978年平均水位测量值在4500-5500米³/秒比较，视为基本条件。结果进一步支持当代水位与最早可用记录相比减少。对于SW46.9L，水位在?0.2米至+0.8米范围内波动相对于1976-1978年平均值，之后在2014年后降至0.0米至?0.9米。SW49动态更复杂，水位增加直至90年代中期，90年代末快速下降，以及2014年后进一步下降。我们解释90年代末下降源于1997年贾木纳桥河流整治工程建设，位于SW49水位站下游8公里，导致河流河道冲刷和下切。SW50.3水位站未识别 clear trends，水位通常落在1976-1978年平均值的±0.4米范围内。

讨论

假设评估

水深测量数据 analyses 支持假设1，证明护岸河道比非护岸河道更深，且具有更低宽深比，适用于河道宽度尺度约2500米。分析的一个限制是大多数水深测量覆盖针对下贾木纳河，因此上贾木纳河可能存在不同条件。有限覆盖区域也导致河道宽度尺度 above 2500米的空间偏差结果。在下贾木纳河，宽河道断面主要位于贾木纳桥下游单流河段。该河段 generally non-revetted，因此水深测量断面根据采样标准分类为自然河道。然而，河段水深测量强烈受上游桥约束影响，已知 triggered 深冲刷和河流廊道缩窄。大于2500米河道宽度尺度的结果不应视为真正自然河道的代表。

冲刷坑分布分析支持假设2，证明研究河段最深冲刷坑位于沿护岸。这一结果不同于辫状河流典型冲刷模式，其中最深冲刷通常发生在汇流处。由于记录短且年份间断面间距差异，评估冲刷坑数量时间趋势不可靠。断面间距也可能导致丁坝和汇流处冲刷坑 undercounting，因为这些可能具有有限空间范围未被测量覆盖。如果那样，护岸处高冲刷坑检测率可能表明这些特征既深又空间广泛。河道占用分析支持那一解释，显示深河道迁移速率减少并倾向于随时间保持固定沿护岸。分析也支持假设3，证明沿护岸河道占用比自然河道 roughly 50% greater，且随时间存在 modest increase 整体河道占用。我们解释整体占用时间增加源于河岸防护影响区域的时间增加。

相关性分析支持假设4，证明低流量淹没范围随时间下降，且下降与 engaged revetment lengths 时间增加 strongly correlated。低流量淹没范围作为河道宽深特征代理，我们解释结果作为河道缩窄、下切和分流崩溃 over time 的组合。分流崩溃支持在河道占用分析中明显。阶段-流量曲线分析显示低流量水位随时间下降，至少SW46.9L和SW49水位站附近。此类变化可能表明河道下切，但也可能由于水力几何其他变化发生，如河道迁移、拓宽、流阻变化或因素组合。对于SW49水位站，由于SW46.9L下游 tributary and distributary channels 存在，流量值存在进一步不确定性。未来研究需要确认影响阶段-流量关系的因果因素。

长期形态考虑

河道形态动力学变化（增加前向河道占用概率）和河道尺度形态记录显示，Mosselman等人识别和评估的局部过程现已开始影响整个河流，从而帮助解释Nelson等人记录的河流尺度河道形态变化。护岸增加岸强度减少外岸河道横向移动性并增加这些河道深度。组合效应是一些沉积侵蚀进入河道形成新滩地不被岸侵蚀抵消，导致河道缩窄和下切。随着护岸范围继续跨河流增长， resulting narrowing 可能驱动长期下切和平面形态简化，如果所有岸最终护岸且相邻河道变得相对深。这些变化然后可能驱动河道剖面调整，如河流收缩情景数值模拟预测。 notably，相关性分析证明强迫控制（防护工程建设）与河道响应之间 apparent delay，在几年到十年量级。如果类似动态继续，当代护岸工程的全面效应可能需要多年 fully materialize。

应该承认， extrapolating 当前趋势到未来存在 substantial uncertainty，特别考虑数据限制和不确定性。然而，趋势类型和方向符合其他大型改造河流系统如莱茵河、弗雷泽河和密西西比河的历史经验。

工程考虑

土工袋护岸的有效性和可持续性依赖于与本研究相关的几个技术原则。防护工程周围深冲刷可能引发底土岩土不稳定，导致流滑破坏整个岸并导致大规模破坏。 counteract 冲刷需要使用护坦，因为贾木纳河极端冲刷深度 preclude 使用深疏浚和冲刷防护放置。流滑是早期护岸工程如丁坝的主要破坏模式，因为单季冲刷深度超过护坦容量。相比之下，长距离土工袋护岸经历单季冲刷深度 roughly half 那些丁坝，减少流滑潜力并允许护坦随时间升级和扩展以应对冲刷。土工袋护岸通常设计适应15米至20米垂直冲刷 before require upgrades。 notably，单季冲刷15米已在Chauhali（Tangail）观察到，那里护岸遭受严重水流冲击。虽然护岸幸存并随后升级，有迹象表明冲刷可能 already approach 护岸设计限制在一些情况下。

河道形态变化（缩窄和下切）和形态动力学（沿护岸增加河道占用）证明这里暗示水流集中沿护岸并日益 confined。局部冲刷 induced 曲流弯道收紧效应也可能导致恶化水流冲击护岸。从冲积河道 regime theories，我们 postulate 增加约束和冲击可能导致更大单季冲刷深度沿护岸比历史上发生。这反过来可能增加流滑和护岸破坏潜力。一个 notable though extreme 例子是贾木纳桥，那里水流约束和冲击导致深冲刷、流滑和桥导堤护岸 damage 在1990年代。

水流集中和持续护岸建设的额外暗示是深冲刷空间范围增加。适应性工程 institutional capacity 应从财政支持和施工准备角度检查，特别是如果大洪水 damage 大部分100⁺公里护坦在单季。系统监测、护岸维护和基于知识的技术改进变得越来越重要为这一 ever-expanding 防护系统完整性。

最后，深河道位置和宽深特征变化对河流航运和相关工程努力有暗示， both positive and negative。一方面，河道缩窄、下切和增加位置可靠性（减少迁移的必然结果）应改善主河道适航性。实际上，目前有计划使用河流整治工程改善贾木纳河深吃水船舶航行。另一方面，河道网络简化（通过分流崩溃）可能减少历史上通过较小河道可到达的滩地和自然岸区域河流接入。

我们 posit，阶段-流量分析建议的当代低流量水位减少可能对分流河道如旧布拉马普特拉河和Dhaleshwari河的流量分配有暗示，两者都是连接贾木纳河与首都达卡的重要内河航道。Dhaleshwari和旧布拉马普特拉河的流量已经随时间减少 due to unfavourable 分流形态和河道迁移。在1960年代，约8%至9%贾木纳河年流量体积分配至Dhaleshwari，如Jagir测量，相比近年少于1%。旧布拉马普特拉河看到类似减少，承载贾木纳河流量体积5%在1980年代，但少于2%在2010。两条河道现在 dry season 有限适航性。如果低流量水位确实下降，可能存在流量分配进一步减少，伴随时间推移对航暗示。这一立场呼应Mosselman近期工作，谁强调河道下切对淡水供应和分流航暗示。

结论

本研究结合现场数据与对地观测，评估贾木纳河对大规模护岸工程的地貌调整。提出并评估四个假设：护岸河道比非护岸河道更深，在平均值和极值方面；存在可归因于护岸工程的冲刷空间分布变化；护岸与非护岸河道之间河道占用存在差异；在河段尺度上，存在可归因于护岸工程的总体河道宽度和深度随时间变化。研究结果支持所有四个假设，由此我们结论河岸防护，虽然空间离散，正在触发深河道缩窄、下切和平面形态简化的宏观尺度地貌响应。重要的是，结果指示防护工程建设与地貌响应之间 apparent delay，暗示当代护岸工程效应可能需要多年 fully materialize。结果不排除水文变异、泥沙供应、疏浚或其他时间因素对河流形态的影响。正如Sarker等人所述，护岸建设是贾木纳河地貌演化中几个强迫变量之一。

调查结果帮助推进对贾木纳河形态动力学过程的理解，虽然这一理解绝不完整。不清楚本研究发现趋势是否会继续到未来，特别考虑数据限制和不确定性。然而，虽然趋势幅度不确定，它们的类型和方向符合其他大型改造河流系统的国际经验。需要长期河流监测确认趋势和识别未来 emergent changes。

本研究开发的数据集可用于未来分析调查地貌变化对洪水水位、环境价值、泥沙输运和其他主题的影响。地貌响应与工程问题如冲刷防护和航行的相关性被讨论并 highlighted 需要持续监测和基于知识的技术发展。 Above all，我们呼应Mosselman和Sloff的建议，工程师考虑近场与远场地貌过程之间反馈当设计河流工程时，作为 resulting response 可能导致工程从未设计的意外条件。