第1章绪论
　　平原河流是指流经冲积平原地区的河流，主要地处河流的中下游地区。这些河流及其冲积平原对人类文明的发展至关重要，对经济社会发展起到关键作用。目前，全球约有27亿人口居住在冲积平原。在我国，七大江河中的下游地区均分布有平原区，从北向南主要有东北平原、海河平原、黄河出禹门口后的中下游平原、淮河平原、长江中下游平原(洞庭鄱阳两湖地区、江汉平原等)及珠江流域平原地区。这些平原地区人口密集、经济发达，虽然约占国土面积的10%，但居住了43%的人口，平均产出近60%的GDP[1]。现阶段正在实施的中原经济区、京津冀协同发展、长三角区域一体化、粤港澳大湾区等重大国家战略地区大部分处于平原区域，有着十分重要的战略地位。
　　平原地区地势低平，容易发生洪涝灾害，在入海口三角洲还容易受到风暴潮和台风等灾害的侵袭。我国的珠江、长江中下游平原均遭受过十分严重的洪涝灾害。美国的密西西比河曾经也一度洪灾泛滥， 1927年洪灾导致的损失就高达20多亿美元。因此，直到今天，密西西比河还在开展以防洪和航运为主要目的的河道整治工程。虽然水资源相对比较丰沛，但平原地区因为发展经济较早，人口和工业集中，农业需求大，区域水环境往往难以承受巨大的环境压力。与此同时，区域地势过于平坦，并且由于入海口潮汐作用的顶托，平原河网流速小，排水不畅。而河网水流滞缓，水体内含氧量低，自净能力低下，更易形成黑臭河道，由此导致水环境和水生态问题。
　　我国1949年由于防洪需求，兴建了大量闸坝、泵站、取水设施、输水渠道等水利工程，对河流的水位、流量、流向、泥沙等进行调控，洪涝得到了较大程度的控制。但随着经济发展和城镇化进程的加快，人类活动的影响不断增大，平原河网逐渐暴露出水系退化、小水大灾、水质恶化、水资源供需不平衡等问题。水灾害、水资源、水环境、水生态等水问题复合并存，制约了区域社会经济的可持续发展。
　　1.1平原河流的特点
　　自然界的河流可分为山区河流和平原河流两大类型，两种河流由于地理、地质条件的显著差异，各有特点。这里主要从水文泥沙特征和河流形态特征两方面简述平原河流的特点。
　　1. 水文泥沙特征
　　1)流量过程
　　平原河流的流量过程与山区河流的陡涨陡落差别很大，平原河流一般具有较大的集水面积，降雨的汇流时间较长，整个集水区域上的降雨分布不均匀，干支流涨水时间有差异，在向下游传递时，因为湖泊及水库的槽蓄作用和削平等因素，洪水涨落过程比较平缓，持续时间较长，流量变化与水位变幅都较小。同时，平原河流河床纵坡平缓，流速较小，水流的流态相对较为平顺，除局部地区存在回流外，总体没有显著的跌水、急流、急漩等流态。
　　2)泥沙特性
　　泥沙颗粒的物理性质对泥沙运动状态具有重要的影响。平原地区地势低平，水流中挟带的泥沙颗粒形状较均匀，粒径较小；组成床沙的泥沙颗粒由于孔隙率较大，大多具有较小干容重；而对山区河流来说，平原河流的泥沙颗粒一般棱角尖锐，颗粒之间互相锁结，休止角比山区河流历经较多碰撞的光滑卵石的休止角大；由于颗粒较细，容易形成絮凝现象，絮团沉速将大于单颗粒的沉速。同时，平原河流的细颗粒泥沙因富含有机质、矿物元素或者表面的藓苔、微生物等，对重金属、磷、有机物等污染物都有很强的亲和力。当水体中的可溶活性磷浓度较大时，泥沙作为“汇”可以吸附一定量的活性磷，一定程度上改善下游水体水质；当水体中的可溶活性磷浓度较小时，泥沙作为“源”可以解吸一定量的活性磷，从而造成下游水体的二次污染。可见平原河流的泥沙在污染物迁移转化以及河流水环境变化中扮演着重要角色。
　　3)水沙运动
　　由于流速变缓，水流挟带的大量泥沙易在平原区沉积，形成堆积层。平原河流中的悬移质主要为沙、粉沙及黏土，悬移质中的床沙质与床面泥沙持续交换，与冲泻质相比占比较大；推移质大多为中、细沙，以沙波形式运动，河流输沙以悬移质输沙为主，推移质输沙较小。泥沙颗粒的运动特性除与水流紊动息息相关之外，还与河道中的边界条件有关，如河床形态、植物、水流控制工程等。边界条件能够明显改变局部水流流速和紊流结构，影响河道局部水流环境，对泥沙颗粒的沉降特性、起动特性、输移特性等有显著影响，进而影响河床演变。近年来，河床沙粒阻力、沙波形态、植物、河道地形等因素对水沙运动以及水环境生态的影响日益受到关注。
　　2. 河流形态特征
　　河流的形态可以分为河床表面形态、河道断面形态及河道平面形态。
　　1)河道平面形态
　　河流从山区汇入平原之后，地势平坦，横向约束大大降低，水流开始向平面扩散，河道在平面上不断地分汊、交汇、合并，形成弯道、辫状、网状甚至游荡型河道。支汊入流是平原河流流量、含沙量以及其他物质含量突变的重要原因。两股水流交汇会使得汇流口附近流场、水深等水力要素发生变化，从而产生水流分离、水流停滞和螺旋环流等独*的水力现象，以及独*的泥沙运动过程和深坑等特殊的床面形态。随着众多支流的汇入，大江大河主流沿程出现阶梯式的变化。平原河流还往往由于分支河流相互交错连通形成河网，河道断面形态与水流运动特点不同于单一河道。河网中任一汊点的水位或流量过程不仅与本河段有关，还与其相邻河段以及整个河网有关，河网的发展变化是一个相互影响的整体系统。
　　2)河道断面形态
　　平原河流两岸常有大片的河漫滩，枯水期时水流在主槽内流动，洪水期时水流漫滩形成复式断面流动形态。在水流与河床的相互作用下，河流主槽往往在河漫滩上左右摆动。河漫滩通过缓洪落淤、滩槽水流交换，影响主槽的水流分布与泥沙冲淤过程，起到调节洪水、削减洪峰、存储泥沙的作用。河漫滩的沉积物特点在很大程度上决定了河流的边界条件。洪水时期，河道水位显著升高，水流从主槽到漫滩，滩槽交互区流速差促使复式河道产生横向动量交换，在滩槽交互区生成以一个大的横向剪切层为主要特征的复杂紊流结构，在河道底部产生横向压力梯度，使得地表水在滩地河床与主槽河床之间发生横向交换，特别是污染物在滩槽地表与地下水体之间的迁移和归宿。这样的水流结构促进了河流中水量、物质、能量的输运，决定了营养物质、污染物和生物群在地表水体与地下水体之间的循环与分布，最终影响河流系统水质与生态环境。
　　3)河床表面形态
　　平原河流的河床一般由松散的泥沙颗粒构成。随着水流强度的增加，原本平整的沙质河床会逐渐发展形成沙纹、沙垄、动态平整、沙浪等不同的床面形态。对于不同床面形态，床面粗糙程度变化明显，会产生不同的沙波阻力，而沙波阻力是平原河流阻力的重要组成部分。床面形态的不同和沙波运动的产生是平原地区河床演变与山区河流的明显不同之处。水流在沙波表面顶部会产生分离，产生非常复杂的涡旋结构，进一步演变成猝发、喷射、泡漩等现象，对河流的泥沙运动有重要的影响。同时，沙波促进了水、溶质、颗粒、能量等在河流上覆水和河床之间的交换，在河床有机物的分解和水质净化过程中发挥着重要的作用。通常情况下，在河漫滩上还常常生长着各种类型的植物。植物为生物提供了栖息地，直接参与河流生态系统的能量物质交换，维护其多样性，对河流生态系统的发展十分重要。植物的存在也使得河道水位抬高，水流阻力变大，增大了洪灾的威胁。在植物的物理阻挡、水流结构的变化、植物作用导致的泥沙运动规律变化的多重影响下，污染物和营养物的输移也发生较大变化。可见，植物在平原河流水沙运动、物质输移以及水生态环境变化中都扮演着非常重要的角色。
　　1.2我国平原河流水安全问题
　　1. 洪涝灾害
　　洪水是如今世界上给人类带来损失*严重的自然灾害。特有的地理因素和自然条件导致了我国洪涝灾害频发。从气象、水文、降雨、径流、地形和地貌等因素多方面考虑，平原区都是我国洪涝灾害频繁发生的地区。山区陡坡比降大，降雨来水汇集速度快，遇到相对平坦的区域，极易形成洪水。平原地区河道比降小，上游来水和下泄能力矛盾突出，是洪水的重灾区。再加上平原区人口众多，经济相对发达，洪涝灾害造成的社会影响巨大，洪涝灾害危险程度巨大，也是防洪重点地区。
　　洪涝灾害较为危险的地区主要位于我国东南部的平原地区，这些地区周围大多通江临湖或者地处入海河口三角洲。根据有关洪水资料统计[2-5]，上述平原区都曾遭受过较大的洪涝灾害，如长江流域1954年发生百年难遇的全流域特大洪水，汉江下游堤防决口61处，农田受灾面积320余万km2，受灾人口1888余万。1957年松花江洪水，黑龙江全省受灾人口371万，直接经济损失2.4亿元。1958年黄河洪灾，受灾人口74.08万。1975年淮河流域特大洪水，此次洪灾受灾人口超1000万，洪水和山体滑坡淹没了约30个县市、1780万亩1)农田，导致500余万间房屋倒塌，直接经济损失近百亿元。 1991江淮和太湖流域的暴雨洪涝灾害百年罕见，受灾农田面积2460万hm2，直接经济损失达779亿元。辽河流域出现过15次大范围的洪水，其中仅1995年洪水，辽宁省直接经济损失就高达347.2亿元。2006年东部平原多个流域同期发生严重洪涝灾害，如珠江流域的北江干流发生特大暴雨洪水，还有闽江流域、长江流域的湘江中游干流、淮河里下河等地发生较严重涝灾，成灾面积155.6万hm2，6623万人受灾，直接经济损失765亿元。2003年、 2007年，淮河发生了流域性大洪水，流域受灾面积共计642万hm2，直接经济总损失达340.8亿元。2009年、2015年，太湖流域均发生暴雨洪水，其中2009年苏南及浙江等地73.72万人受灾，直接经济损失75.28亿元。平原地区(平原坡地*多，其次是平原洼地和圩区)易涝易渍的耕地面积*大，以上三种类型涝渍面积约为2418万hm2，占总涝渍面积的97.2%，达全国总耕地面积的29%[6]。
　　2. 水资源问题
　　平原河网地区地势低平，河网交错复杂。由于紧靠江河湖泊，过境水量大，但是因为缺乏足够的调蓄能力，仅有有限的水资源能够利用，水资源问题仍然十分严峻。近年来，随着人口增加和城市化进程加速，安全供水和生态用水等水问题已经成为地区资源、经济、社会及环境协调发展的瓶颈，主要表现为以下几点：
　　(1)资源型缺水。根据《中国统计年鉴2019》[7]，我国淡水资源总量为27462亿m3，占全球水资源的6%，居世界第四，但人均只有1971m3，为世界平均水平的四分之一。平原河网地区人水矛盾突出，水资源时空分布不均，资源型缺水问题十分突出。以典型平原河网地区为例， 2019年北京市、上海市、天津市人均水资源量分别为164.2m3、159.9m3、112.9m3 [7]，属于严重缺水地区，极大地限制了平原河网地区的社会经济发展。
　　(2)水质型缺水。工业和农业的快速发展不仅带来了人民生活质量的不断提高，还导致了生活和工业污废水的排放量逐渐增多。平原河网地区由于城市化进程快速，这种现象更加明显。 2017年广东省废水排放总量居全国首位，达到882020万t[8]。此外，平原地区河流地处中下游，河流水动力较弱，水体自净能力较弱，多数河流纳污能力已超极限，生态功能退化，污染事件频发[8]。
　　(3) 工程型缺水。河流上游由于供水、防洪、灌溉及发电等目的，多建有水库、闸坝群等水利工程，水利工程的建设可以提升当地的水资源利用效率，但对中下游平原区来说，也会导致上游区间来水量减少，水资源形势更加严峻。以淮河流域为例，淮河上游干支流修建了南湾、白龟山、出山店、白沙等大中型水库，中游修建了临淮岗洪水控制工程和蚌埠闸大型蓄水枢纽工程，加剧了淮河下游区水资源的紧缺程度，导致淮河下游用水部分依靠引江济淮工程和开发地下水补充[9]。
　　3. 水环境问题
　　平原河网地区在城市化以及社会经济发展进程中，人口集中、工业发展、兴建居民区和自然演变等活动造成河道数目、长度和水面积急剧减少。同时，平原河网区高密度的开发产生大量污染物，有的被直接排放到河道中，造成河流水环境的恶化。平原地区水环境管理问题面临巨大挑战，水污染形势严峻，国控省界断面中，未达到水质标准要求的断面所占比例仍然较高，氨氮污染指标超标严重，湖库富营养化问题严重。平原河网地区