泥沙补给变化下山区河流河床适应性调整与突变响应

针对泥沙运动力学经典理论体系与天然山区河流推移质运动存在显著差异的若干基本问题,开展山区流域沙量补给条件变化下,山区河流河床调整与突变响应机理研究。揭示了泥沙补给条件对非均匀卵石起动、输移的影响特征和卵石沙量补给与山区河流沙波形成、碍航机理;探索了泥沙补给变化下陡坡河道水沙运动奇异特征和宽窄相间漫滩复式航槽河床突变响应现象。采用水沙错峰、水沙分离等集结降阶技术手段调控洪峰时段成灾河段卵石沙量补给条件,是山洪泥沙灾害致灾风险降阶防控的核心。     

山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙,并引发河床剧烈变形,尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险,深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时,洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷,河床在泥沙输移过程中整体上抬;而当上游没有来沙时,河床整体呈现下切趋势。究其原因,主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬,而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降,床面切应力变大,从而提高河道输沙率,而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力,促使上游水位上涨;泥沙来量较少时,河床冲刷为主,水位下降、水面比降趋于变缓。     

三峡水库蓄水后长江中下游典型分汊浅滩河段演变趋势预测

汊道兴衰、洲滩的演变与其水沙输移特性密切相关.以沙市典型分汊浅滩河段为例,从河段水沙输移特性出发,结合水流泥沙、河道地形等实测资料,分析其河床演变特点,并根据三峡建库后水沙条件变化的特点利用数学模型预测了该河段的汊道和洲滩发展趋势.研究表明:所建模型能够准确地模拟该河段的水沙输移特性及洲滩的演变规律,因而具有较好的预测功能,三峡水库蓄水后河段洲滩动态变化结果与实测结果较吻合,这对三峡水库蓄水运用后其它分汊浅滩河段的研究具有借鉴意义.     

长江黄金航道整治技术研究构想与展望

当前,长江黄金航道面临着长江三峡枢纽和上游水库群联合运行带来的水沙条件新变化,以及防洪、航运、发电、供水、生态等水资源综合利用的新需求,亟待深入认识新水沙条件下航道演变机理及发展趋势、科学评估航道承载力及提升潜力、系统研发水资源综合高效利用目标下的航道整治技术,有效促进航道整治与生态环境保护的协调融合。“长江黄金航道整治技术研究与示范项目” 以提高航道通过能力,实现长江航道资源高效利用为目标,凝练了四大关键科学和技术问题：1）水沙变化条件下长江航道演变机理及发展趋势;2）长江重要生物-生境对航道整治工程的响应机制;3）多因素影响下长江航道滩群联动整治方法与技术;4）基于河流完整性的航道整治生境融入及再造技术。结合关键科学问题和技术的内涵,提出五大重点研究内容：1）研究长江不同类型河段复杂动力过程与滩槽演变的相互作用机理,预测长江航道演变趋势。2）研究长江生态航道的架构及评价体系,3）评估多功能河流航道承载力及可提升潜力。4）研究多库联调下山区河流卵石滩群联动航道整治技术、防洪-通航协同下中游强冲刷河段航道整治技术、下游复杂多分汊河段航道滩槽调控技术、径潮流河段深水航道协调治理与减淤技术等。5）研究长江航道整治工程的生境融入及再造技术,构建生态友好型航道整治模式。最后,将五大重点研究内容细分为八大前沿研究方向： 1）新水沙条件下长江航道演变机理及趋势预测;2）长江生态航道架构及评价方法体系;3）多目标协同下长江黄金航道承载力及提升潜力;4）多库联调下卵石滩群联动航道整治技术;5）防洪-通航协同下强冲刷河段航道整治技术;6）复杂多分汊河段航道滩槽调控技术;7）径潮流河段深水航道协调治理与减淤技术;8）长江典型生态保护段航道整治技术。基于以上内容,初步构建长江航道整治研究体系,以期为提高黄金航道通过能力提供理论基础和技术支撑。     

涉水工程泥浆排放输移扩散数值模拟

以含沙水流为研究对象,采用一般曲线坐标系下平面二维水沙输移数学模型对长江武汉河段岸边高浓度泥浆排放所形成的浓度场进行了数值模拟.模型重点考虑了高浓度泥浆在输移扩散过程中与河床的交换以及泥沙级配、河床变形对水沙运动的影响,计算结果能为工程单位决策提供科学依据.     

山区河流植被洲滩河段水沙运动特性试验研究

山区河流受水沙条件和河流形态影响,植被洲滩发育丰富,显著改变局部河段的水沙运动及其演变特征。基于室内洲滩模型自然生长植被的水沙试验,探讨了植被与泥沙补给对洲滩河段水流结构及冲淤变形的影响。试验结果表明：植被茎叶加大对水流扰动,减缓水流流速,上游补给泥沙在植被周围形成小型沙丘,以波状输移为主;大量来沙条件下,泥沙多落淤洲头及洲尾,促使洲滩的快速发育;淹没植被枯萎,茎叶凋落,加剧洲头及洲滩两侧坡脚冲刷;植被与上游来沙显著影响洲滩汊道分流特性,加沙和植被茎叶部分促使左汊分流比降低。因此,山区河流植被与上游泥沙补给调整洲滩汊道过流能力及发育过程,对植被洲滩河段的水沙运动产生较大影响。     

边滩漂石河流水沙输移及河床响应数值分析

山区流域地表松散破碎,在地震、暴雨等动力条件影响下大量松散碎屑物质进入沟床,使得山区河流的泥沙补给条件发生突变。由于不同河段输沙能力差异明显,泥沙易在局部河段淤堵,河床剧烈调整,水位显著抬升,这给山区河流的水沙灾害防治造成巨大威胁。基于岷江支流白沙河与龙溪河局部河段的野外调查发现,在干支交汇段沿程边滩漂石结构突出,河道主槽冲刷强,边滩淤堵少。在此基础上,为了分析山区河道中边滩交错漂石结构对水沙运动及河床变形的影响,采用CFD-DEM（计算流体力学CFD,离散单元法DEM）耦合模型,针对不同边滩交错漂石结构下的输沙及河床响应过程开展模拟研究,重点分析了流量、沟道来沙量以及边滩漂石结构对河道下游调沙减灾效果的影响。计算结果表明,山区河道中的边滩交错漂石能够有效改变泥沙颗粒运动轨迹,使得绝大部分颗粒从河道中央向下游输移,进而减少颗粒在河道两岸淤积。此外,边滩交错漂石可以调节山区河流下游河段的来沙过程,控制来沙强度和来沙量,减少泥沙在保护河段落淤进而有效降低河道的沿程水位。随着边滩漂石布设间距的减小、流量的降低以及沟道内来沙质量的增大,边滩漂石对松散堆积体的固沙效果越好,对下游河道的削峰调沙及保护河段的防灾减灾作用越明显。     

水库下游非均匀沙恢复饱和系数特性

泥沙恢复饱和系数是泥沙数学模型中一个非常重要的参数,其取值合理与否将直接关系到利用泥沙数学模型进行河床演变及相关研究的成败.基于三峡水库蓄水后长江中游荆江河段的实测水沙资料,以本河段三峡水库蓄水前多年平均输沙水平作为泥沙输移方程中的挟沙能力,对水库下游非均匀沙恢复饱和系数进行了率定与分析,并在总结其规律的同时从多个方面...     

珠江南河道平面二维非恒定流水沙数值模拟

基于贴体正交曲线坐标系下沿水深积分的平面二维非恒定水沙数学模型对珠江南河道水沙运动和泥沙冲淤进行了数值模拟,在确定悬沙絮凝沉速时考虑了泥沙粒径、盐度、含沙量及水流紊动的影响,针对河口泥沙双向交换的特点,对泥沙冲淤函数φ作了改进,对挟沙力级配公式进行了调整,改进了现有模型,并利用河段实测水文资料及原型观测数据对模型进行验证,结果表明,模型计算的沿程水位、流速分布和泥沙输移以及河床冲淤演变与资料符合较好。     

黄河泥沙问题研究综述

黄河的诸多自然灾害均起因于泥沙。几千年的治黄史也是一部治沙史。不少学者和治黄管理者针对黄河泥沙的侵蚀与输移规律、黄河泥沙治理途径等方面进行了大量的研究和探索,取得了不少认识和治理经验。进入21世纪,国家所确定的发展与环境相协调的战略目标对黄河治理开发提出了更高的要求,加上黄河所出现的诸如水沙过程变异、河道萎缩等新情况、新问题,使得黄河泥沙问题更为突出,迫切需要对黄河泥沙的许多重大基础问题和治理关键技术进行攻关研究。黄河水利委员会实施的“三条黄河”工程建设,为黄河泥沙问题研究提供了更为广阔的科研条件平台。黄河泥沙的研究与治理将进入一个新的时期。     

三峡水库运用后长江倒灌鄱阳湖特性研究

三峡水库建成后,长江与鄱阳湖的关系变化一直是社会各界关注的热点问题。江水倒灌是长江与鄱阳湖关系的主要特征,其变化特性和发生条件目前仍存在一定争议。本文利用长江干流九江、八里江和大通站及鄱阳湖星子、都昌、康山、湖口站的实测资料,从江湖水位、流量关系及径流的年际、年内变化等方面,分析了三峡水库2003年建成运行后长江干流与鄱阳湖关系的变化。基于能量平衡的基本原理,研究了江水倒灌鄱阳湖的内在机理,提出江水倒灌条件的理论公式。结果表明：1）鄱阳湖具有洪水湖相、枯水河相的特性。都昌站水位在15 m以上时,湖区由河相向湖相过渡;康山站水位在17 m以上时,湖区呈现湖泊特性。2）江水倒灌主要发生在汛期7-9月,7、8、9月分别占倒灌总天数的41.6 %、24.8 %、28.8 %。三峡水库175 m试验性蓄水后,水库汛期拦蓄洪峰,在一定程度上削弱了倒灌强度。3）长江水位高于鄱阳湖水位,长江出现大的洪水过程且鄱阳湖5河总入流消退或过程平稳是倒灌形成的必要条件,而倒灌流量的大小和持续天数主要取决于长江洪水的持续时间和洪峰量级。提出的研究方法和结论可为深入认识江湖关系及影响机理提供参考,也可为鄱阳湖综合治理提供科学依据。     

荆江-洞庭湖洪水演进模型

长江中游是由水库、湖泊、蓄滞洪区组成的复杂防洪工程体系,针对荆江-洞庭湖复杂河网系统规模庞大、水流复杂的特点,建立了一、二维联算洪水演进模型,其中河道与湖区采用一维河网模型,分蓄洪区水流采用二维模型模拟.模型提出了实时预报模式、河网断流计算模式、河道与分蓄洪区水量交换模式.将模型用于荆江特大洪水调度,较好地反映了洪水在荆江-洞庭湖河网区的演进过程,模型可用于实际防洪调度方案评估.     

三峡建库前后洞庭湖对下荆江的顶托与消落作用研究

自然通江的洞庭湖与长江间复杂的关系影响着下荆江尾闾河段的水文情势变化。三峡建库后洞庭湖出口基准面的变化,使得湖对江的顶托与消落关系发生调整,进而影响防汛抗旱与生态保护。从水面比降变化出发,以顶托消落比表征湖对江的顶托消落作用,利用1991—2017年监利站、螺山站、七里山站水文资料,分析洞庭湖对下荆江顶托、消落作用及其变化规律,并根据平衡比降公式,从理论上解释了蓄水前后比降变化的合理性。结果表明：蓄水后监利-城陵矶、城陵矶-螺山水面比降均有所增大。1991—2002年、2003—2007年、2008—2017年以来,监利-城陵矶河段年内月最小水面比降的出现时间有所推迟,对应的城陵矶水位有所升高,汇流比有所减小,湖对江的顶托作用有所减弱。1991—2017年湖对江综合表现为顶托作用,三个时期顶托消落比减小的原因为顶托作用减弱而非消落作用增强。从年内变化看,湖对江表现为消落作用出现在汛后（9~10月）及2008—2017时期枯水期（1~3月）。三个时期顶托消落比均受汇流比的影响,当汇流比小于0.5,洞庭湖易产生消落作用,当汇流比大于1,洞庭湖顶托作用增强。当长江流量小于6000m3/s,湖对江均表现为顶托作用。1991—2002年时期顶托消落作用主要受洞庭湖出流的影响而2008—2017年时期主要受长江干流流量的影响。研究成果可为江河湖泊治理与保护提供科学依据。     

长江荆南三口五河水沙变化及治理规划

分析了长江荆南三口五河的水沙变化,针对现阶段的河网水系格局及存在的问题,提出了塞支强干、简化水系和进一步加强河势控制的治理规划:松滋河自松西支经苏支河进松东支,再入松虎洪道,避免松澧顶托、倒灌;虎渡自河口经南闸,至新开口改道入藕池西支进南洞庭湖;藕池自河口经黄金嘴、鲇鱼须河、注滋河(沱河)独流入东、南洞庭湖.此初步设想可供有关部门在整体规划荆江、洞庭湖洪水治理方案时参考.     

人类活动对洞庭湖区荆南三河径流变化的定量影响

20世纪50年代以来,为治理长江水患,洞庭湖区和长江荆江河段发生了大规模、高频次的人类活动,导致荆南三河（松滋河、虎渡河和藕池河）径流序列发生显著变化,严重影响了洞庭湖区的江湖水量交换与水安全情势。为了量化荆南三河径流序列的变异特征,引入STARS法和ICSS法分别用于识别径流序列的均值与方差变化,确定其变异位置与变异水平;同时,通过梳理同期发生的重大人类活动,从物理机制层面探索荆南三河径流变异的驱动成因。结果表明:荆南三河新江口站、沙道观站、弥陀寺站、康家岗站和管家铺站径流序列均发生了均值跳跃变异(变异幅度24%~78%),径流量严重减少,康家岗站还发生了振幅缩减的方差变异(变异幅度74%);径流变异的主要原因是1969~1971年的荆南三河河道裁弯和2001~2006年的三峡水库蓄水;河道裁弯主要影响荆南三河的沙道观站、弥陀寺站、康家岗站、管家铺站,减少流入洞庭湖水量约614×10⁸ m³,三峡水库蓄水影响新江口站、沙道观站、弥陀寺站,减少流入洞庭湖水量约174×10⁸ m³;从受双重影响的沙道观站和弥陀寺站来看,河道裁弯和三峡水库蓄水所引起的径流变异幅度基本相当,但在绝对量值上,河道裁弯引起的影响更大。     

浅析灌江纳苗对天鹅洲湿地水质及泥沙的影响

长江天鹅洲故道湿地是我国重要的淡水湿地类型之一,目前正处于由河道型湿地转向湖泊型湿地的过程之中.由于长江大堤的阻隔,故道与长江的水沙交换受到限制,引起一系列的水沙条件变化.对天鹅洲故道水域及天鹅洲闸前与长江相连的盲肠河段灌江纳苗前后水质、河道泥沙等进行了取样分析,实测资料分析显示:灌江纳苗后盲肠河段及故道pH值、总含盐量较灌江纳苗前有所降低;碱度、HCO3-、Cl-浓度变化不大;总硬度、Ca2+浓度稍微加大.且灌江纳苗在引入长江水的同时,也引入了部分泥沙并沉积在闸前盲肠河段及故道中.     

赣江南昌段表层水和底泥中重金属污染状况及其风险评价

为揭示鄱阳湖流域中赣江南昌段表层水和底泥重金属空间分布及污染特征,采用潜在生态危害指数法、地累积指数法对重金属进行风险评价。结果表明:赣江表层水中重金属质量浓度均远低于《地表水环境质量标准GB3838—2002》的一级标准限值。赣江南昌段底泥中重金属w(Cu)、w(Pb)、w(Cd)、w(Zn)、w(Cr)、w(As)的平均值分别为29.509、22.372、2.341、22.092、20.203、11.671mg/kg。整个赣江南昌段的RI平均值为144.21,总生态风险水平属于很高,其中八一大桥2个断面RI分别为169.89和192.38,已成为潜在生态高风险区域,根据地累积指数法评价得出赣江重金属污染程度表现为CuCdPbAsCrZn,其中Cu、Cd是主要污染物,相关部门应采取紧急措施,加强对赣江环境管理和污染治理力度。     

Water demand for ecosystem protection in rivers with hyper-concentrated sediment-laden flow

1IntroductionTheriversystemisoneofthemostimportantnaturalecosystems,andithasquiteintimaterelationshipwithhumanbeings.Theprimaryriverinefunctions,suchaswatertransfer,sedimenttransportation,floodrelease,self-purification,landscapeforrecreationorasbiologicalhabitats,navigationandsoon,havegivenmuchconveniencetohumanproductiveactivitiesanddailylife.Ontheotherhand,thenaturalriversystemhasbeeninterferedextensivelyinrecentyearsbyhumanactivities,andthustheriverecosystemhasbeendamagedandriverinefunction…     

荆江-洞庭湖水沙关系及调整

系统分析了洞庭湖复杂的来水来沙条件和湖区淤积情况 ,荆江 -洞庭湖水沙关系 ,洞庭湖出流对荆江各河段不同的顶托作用 ,以及荆江裁弯后江湖水沙关系的变化和调整 ;研究了江湖水沙关系的变化对荆江各河段以及洞庭湖水沙条件和河床演变的不同影响 .认为荆江裁弯后 ,三口入湖水沙减少 ,减缓了洞庭湖的淤积和防洪压力 ,但同时荆江泄流量加大 ,局部河段防洪形势更为严峻 ,对洞庭湖出流顶托作用加强     

On geo-basis of river regulation —A case study for the middle reaches of the Yangtze River

From the point of view that people have to obey the river’s geo-attributes in the river regulation, the definition and the meaning of the geo-attributes of a river are discussed. The geo-basis of the river regulation of the middle reaches of the Yangtze River is expounded in five aspects, including the structural geomorphology environment of flood storage and discharge, the distribution characteristics of subsidence and the sedimentation areas of Dongting Basin, the history evolution of Jianghan Basin, the function of Jianghan Basin and Dongting Basin as the flood water detention areas of Jingjiang River reach in ancient time, and the geological characteristic of Jingjiang River reach. Based on the geo-attributes of the middle reaches of the Yangtze River, some ideas about the middle reach regulation of the Yangtze River are put forward: to process the interchange between the lakes and diked marsh areas in Dongting Basin, to canal the new river route as the flood diversion channel of Jingjiang River reach with the paleo river, to recover the function of Jianghan Basin as flood detention area of the middle reaches. And we should take into consideration the geo-environment of the whole Yangtze River in the river regulation of middle reaches. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50579039)