三峡水库修建前长江宜昌-武汉段泥沙输移比及其影响因子

运用泥沙收支平衡(Sediment budget)的概念确定长江中游宜昌-武汉河段的泥沙输移比,并运用数理统计方法,研究了1955～1997年间河道泥沙输移比对水沙变化的响应.从总体上看,河道泥沙输移比有较显著的增大趋势.输移比的变化可分为4个阶段:1955～1962年为快速增大;1963～1975年亦为增大,但增速减慢;1976～1979年为迅速减小;1980～1997年为较快增大.在分析了若干水沙指标对河道泥沙输移比的影响的基础上,建立了宜昌-汉口河段泥沙输移比与宜昌站的来水量和来沙量以及3口分水比和分沙比、宜昌站洪峰流量之间的多元回归方程.1980～1997年间的方程表明,宜昌站来水量越多、3口分流比越小,宜昌一汉口河段泥沙输移比越大;宜昌站来沙量越少,3口分沙比越大,泥沙输移比越大;宜昌站洪水流量越大,泥沙输移比越小.     

长江干流河道对流域输沙的调节作用

利用长江干流和主要支流上测站1956~2004年的输沙量资料,对干流未测区域的来沙进行了估计。根据泥沙平衡 (Sediment budget) 概念,对长江干流河道的冲淤对来水来沙的响应以及对入海泥沙的影响进行研究发现,长江干流屏山至大通河道平均淤积速率为88.58×10⁶ t/a,河道淤积占总的来沙量及大通站输沙量比例分别为14%与21%。由于河道淤积,大通站输沙量减少了17.5%。总体来说上游淤积较轻,宜昌至汉口区间淤积严重,汉口至大通区间为微冲。长江干流的河道冲淤与流域总的来沙具有显著的相关关系,但各段河道的冲淤对流域来沙的响应各不一样。上游的冲淤与流域的径流量和来沙量均没有很好的相关性,宜昌-汉口段河道冲淤的变化与宜昌站的来沙具有显著的相关性;影响汉口-大通间河道的冲淤变化的主要因素是流域的来水量,河道的冲淤与大通站径流量的存在显著的负相关关系。三峡水库蓄水后整个长江干流的冲淤形势发生了根本的变化。三峡水库的蓄水运用有效地减轻了洞庭湖的泥沙淤积,同时也降低了洞庭湖的对长江干流泥沙的调节作用;长江上游干流河道淤积增强,中下游河道出现冲刷,但不同的河段表现不一;中下游河道冲刷量小于预测值,三峡水库的蓄水运用直接导致了长江入海泥沙的减少。     

长江三峡水坝下游河道悬沙恢复和床沙补给机制

流域水库工程的修建,将改变坝下游原有的水沙输移过程,三峡水库蓄水作用对坝下游水沙输移的影响已初步显现。具体表现为：① 三峡水库坝下游洪水持续时间和流量被削减,下泄沙量大幅减少,沿程上输沙量虽得到一定恢复,但总量仍未超过蓄水前多年均值;② 2003-2014年d > 0.125 mm（粗）输沙量得到一定恢复,至监利站恢复程度最大,基本达到蓄水前均值,在恢复后其下游该组分泥沙冲淤特性与蓄水前一致,其中2008-2014年恢复程度弱于2003-2007年;③ 三峡水库蓄水后坝下游d < 0.125 mm（细）输沙量沿程上得到一定程度恢复,但总量仍小于蓄水前均值;④ 三峡水库蓄水后坝下游d > 0.125 mm泥沙输移量因河床补给作用,沿程上得到恢复,但补给量将不超过0.44亿t/y,主要受制于洪水持续时间及流量均值,而上游干流、河段间支流和湖泊分汇作用占次要地位,而d < 0.125 mm悬沙恢复受上游干流、区间支流和湖泊分汇及河床补给控制,因河床粗化使得床沙对细颗粒悬沙的补给作用减弱;⑤ 2003-2007年和2008-2014年两时段间宜昌至枝城、上荆江为粗细均冲,下荆江为淤粗冲细,汉口至大通河段为淤粗冲细,城陵矶至汉口河段2003-2007年为淤粗冲细,2008-2014年为粗细均冲,这一差异受控于螺山站洪水流量持续时间和量值。     

黄河内蒙古河段非汛期和汛期冲淤量计算方法

基于多沙河流“多来多排”的经验输沙公式,建立了考虑上站来沙量、前期河床累计淤积量、临界输沙水量及干支流泥沙粒径影响的非汛期和汛期输沙量一般表达式。在此基础上,根据黄河内蒙古河段1952-2010年实测的水沙资料,将其应用于黄河内蒙古河段巴彦高勒—三湖河口河段、三湖河口—头道拐河段以及巴彦高勒—头道拐全河段非汛期和汛期输沙量的计算,并应用输沙率法计算了各河段1952-2010年的非汛期和汛期冲淤量及其相应的累计冲淤量。通过输沙量、冲淤量和累计冲淤量计算值与实测值的对比表明,各河段非汛期和汛期输沙量、冲淤量及相应的累计淤积量计算值与实测值的吻合较好,其中非汛期和汛期输沙量计算值和实测值之间的相关系数R²分别约为0.93和0.97;非汛期和汛期冲淤量计算值与实测值之间的相关系数R²分别约为0.80和0.90;非汛期和汛期累计冲淤量之间的相关系数R²分别约为0.94和0.99。结果表明,就吻合程度而言,累计冲淤量优于年冲淤量,汛期优于非汛期。本文建立的冲淤量方法能够很好模拟该河段长历时的非汛期和汛期冲淤过程,可为黄河内蒙古河段输沙量及长期淤积发展趋势的分析提供科学依据。     

长江上游重点产沙区产沙量对人类活动的响应

对金沙江屏山站、嘉陵江北碚站、宜昌站20世纪50年代以来的输沙量和含沙量进行分析。结果表明,在年径流量相同的情况下,由于大规模矿山、钢铁工业、交通建设增加水土流失,屏山站1976~1996年年产沙量要高于1954~1976年。与此相反,由于修筑水库、塘坝拦沙,修建梯田、恢复植被减少侵蚀,北碚站1983~1996年年产沙量要大大低于1954~1982年;宜昌站1985~1996年年产沙量也低于1954~1984年。北碚、宜昌两站都存在一个使水利、水土保持减沙量为0的年径流量临界值,北碚站和宜昌站这一临界值分别为1142×10⁸m³和4800×10⁸m³。     

利用人造洪水冲刷黄河内蒙古淤积河道的可能性分析

为了探讨利用人造洪水冲刷黄河内蒙古河段泥沙的可能性,建立了计算黄河三湖河口与头道拐站次洪水输沙量非线性模型。通过洪水计算获得了该河段各级洪水冲刷河道泥沙的最大冲沙量、最优冲沙历时以及相应冲沙效率。计算结果表明：黄河宁蒙段的淤积是河流在特殊的自然地理环境中受水流堆积作用形成的,用龙、刘两库联合调度水量形成的人造洪水冲刷河道淤积泥沙是目前可以采取的清淤手段之一,但耗水量较大,冲刷效果还有待于进一步的检验。     

黄河宁蒙河段悬沙冲淤量时空变化及其影响因素

通过对黄河宁蒙河段6个水文站1952~2003年间的实测悬移质泥沙资料,运用输沙平衡方法,对划分的5个时段和5个区段的悬沙冲淤量进行了计算分析,探讨宁蒙河段悬沙冲淤量的时空变化规律。黄河上游无大型水库的1952~1959年间和水库建成坝下河道充分调整后的1994~2003年间,宁蒙河段强烈淤积,年均悬沙淤积量分别为0.9588亿t/a和0.9503亿t/a;而期间的三个时段,年均悬沙分别为净侵蚀0.6127亿t/a、微淤0.0161亿t/a和较强淤积0.7475亿t/a。年均悬沙淤积量在宁蒙河段为0.345亿t/a;在宁夏河段为0.076亿t/a,其中下沿河~青铜峡区段微淤,青铜峡~石嘴山区段冲淤平衡;在内蒙古河段总和为0.269亿t/a,石嘴山~巴彦高乐、巴彦高乐~三湖河口、三湖河口~头道拐三个区段分别为0.0084亿t/a、0.113亿t/a和0.147亿t/a,沿程增大。悬沙淤积量的时间变化主要受到区间支流来沙量变化和水库建设的双重影响,而空间变化主要受到青铜峡水库拦沙以及刘家峡、龙羊峡水库消减洪峰的影响。黄河宁蒙河段处于构造沉降区,淤积是总趋势,人类活动可以引起个别时段、区段发生侵蚀,但无法改变其沉积的总趋势。     

长江来沙锐减与海岸滩涂资源的危机

利用小波分析方法对1951~2004年大通站系列水、沙和流域降水资料进行周期性和趋势性分析,利用Arc-GIS软件对长江三角洲海图进行滩涂面积计算和冲淤剖面分析,并于2002年5月~2005年7月在长江三角洲前缘的南汇岸段进行逐日潮滩高程测量,以进行三峡水库蓄水前后滩面冲淤的对比。结果表明：尽管气候变化导致流域平均降水量以及大通径流量和输沙率存在2~3年和8~9年的波动周期 (P < 0.05),但大通输沙率从1960年代末开始出现明显的下降趋势 (P< 0.001),三峡工程运行后的2003年 (6月开始蓄水) 和2004年连续2年创历史新低,流域水库的修建是导致这一下降趋势的根本原因。长江来沙量的锐减正在导致三角洲前缘滩涂从淤涨向侵蚀转化。预测认为：流域人类活动还将继续导致长江入海泥沙量的下降,今后几十年的大通输沙率将从目前的 1.5×10⁸ ~2×10⁸ t/a下降到1×10⁸ t/a左右;泛长江三角洲海岸滩涂资源将面临严峻挑战。     

三峡水库175m蓄水后库尾河段减淤调度控制指标研究

重庆主城区河段河道泥沙冲淤事关防洪、航运及码头作业等,是三峡水库泥沙问题的重点内容之一。本文依据原型观测资料,以三峡水库175 m试验性蓄水前后河段的泥沙冲淤规律为基础,结合河床组成分析和一维数学模型,计算提出河段悬移质泥沙走沙基本条件,并应用于减淤调度实践中。结果表明：① 三峡水库175 m试验性蓄水后至2012年重庆主城区河段河床冲刷强度下降,主走沙期推迟至汛前消落期,2013年后上游来沙减少使得河床冲刷强度再次增大;② 当寸滩站流量大于4000 m ³/s、坝前水位低于167 m时,河段开始走沙;当寸滩站流量增大至超过5000 m ³/s、坝前水位下降至163 m时,河段走沙能力增强;加大水库自163 m水位的消落速度,能够避免库尾河段产生累积性淤积。     

黄河下游河道萎缩对冲淤临界的影响

通过实测年系列水沙资料分析,运用统计分析方法,按照非萎缩期(1950~1985年)和萎缩期(1986~1999年)两个时期,分别得到黄河下游河道的冲淤临界值。对于年沙量、>0.05mm年粗沙量、年均含沙量、年均粗泥沙含沙量、年均来沙系数而言,冲淤临界值均有不同程度减小。这意味着河道萎缩后,由于输沙功能减弱,在年沙量、>0.05mm年粗沙量、年均含沙量、年均粗沙含量、年均来沙系数处于比非萎缩期更低的水平时,下游河道就有可能出现淤积,从而使得控制河道淤积抬高变得更为困难,使河道防洪面临新的问题。     

A SUSPENDED SEDIMENT BUDGET OF THE YICHANG-WUHAN REACH OF THE YANGTZE RIVER, CHINA

The amount of the sediment deposition in the Yichan-Wuhan reach of the middle Yangtze River (also known as Changjiang River) has been determined using the concept of sediment budget at the channel-reach scale. The fill-scour processes of the middle Yangtze River were studied during the period 1956–1997 in response to the variation in sediment load and flow inputs. The results show that 13.3% of the net input of sediment was deposited in the studied river reach. Since 1956, the output sediment load of the studied reach increased with time to 1981, followed by a decline. The increase in output before 1981 can be related to the man-made bend neck-cutoff which caused a decrease in the sediment load diverted through the 'three outfalls' (i.e. the three distributaries from the Yangtze main stem to the Dongting Lake) and increased the sediment-carrying capacity of the river. Thereby, the river could transport more sediment to the outlet of the studied river reach. The decrease in the sediment load output after 1984 was directly due to the decreased sediment load at Yichang station. Multiple regression equations have been established to assess the contributions of influencing factors to the variation in sediment deposition amount in the studied river reach.     

水沙条件对黄河下游河道输沙功能的影响

提出河道输沙功能指标F_s为进入某一河道的泥沙总量(干流与支流输入沙量之和)与输出这一河道的泥沙量之比。河道输沙功能与来水量和来沙量有密切关系,若来水减少,来沙增多,则河道输沙功能减弱。来沙中大于0.05 mm粗泥沙含量百分比与河道输沙功能指标成负相关。来沙系数、特别是粗泥沙的来沙系数,是决定黄河下游输沙功能的重要因子;来沙系数越大,则河道输沙功能指标越低。场次洪水的输沙功能指标随场次洪水最大含沙量的增大而降低,历年河道输沙功能指标随各年中高含沙水流频率的增高而降低。小浪底水库修建后,为我们通过调水调沙提高河道输沙功能提供可能。研究表明,场次洪水平均含沙量35 kg/m³,或场次洪水平均来沙系数为(0.015 kg·s)/m⁶,是在调水调沙中实现河道输沙功能优化的最优含沙量和最优来沙系数,平滩流量则是实现河道输沙功能最大化的最优流量级。     

侵蚀沉积模型在嘉陵江流域的应用

从20世纪50年代到80年代长江宜昌水文站观测的泥沙输送量逐年增加,但是到了90年代却出现了逐渐减少的趋势。泥沙量增加的原因主要是乱伐森林和土地利用方式的快速改变,而减少的原因则可能是采取了一系列防止水土流失的对策和在上游修建了许多大坝而造成的。嘉陵江流域是长江泥沙的主要源区之一,90年代每年从嘉陵江流域到长江的输沙量减少到1988年前的约36%。因此,分析该流域每年泥沙输送动态及其变化原因,对制定减小水土流失的森林规划,防止三峡水库的淤积以及保护长江流域的生存环境和生态系统等具有重大意义。本研究开发并改进了一个流域集水坡面上的侵蚀模型,并将它应用到1987年的嘉陵江流域,以对其适用性进行了研究。结果表明,该模式可被用于月度泥沙生产量的评估中。     

怒江流域悬移质输沙时空分布特征及变化趋势

利用怒江-萨尔温江上游地区怒江流域5 个水文站长序列日悬移质输沙与径流观测记录,运用Mann-Kendall 检验和R/S 分析等方法,分析了50 多年来(1956-2011) 怒江干流和支流南汀河输沙时空格局和变化特征及其与径流的关系.结果表明：(1) 怒江干流平均含沙量和输沙模数远小于支流南汀河,流域悬移质输沙率年际变异系数随控制面积增大而减小;(2) 怒江干流木城站悬移质输沙率小于其上游道街坝站,部分泥沙淤积在区间河床可能是其原因之一;(3) 怒江流域悬移质输沙年内分配极不均匀,干流悬移质输沙集中程度在月以上时间尺度高于支流南汀河,而在日时间尺度则低于支流南汀河;(4) 怒江干流和支流南汀河悬移质输沙率均呈明显上升趋势,且未来仍将延续上升趋势,二者的突变分别始于1987 年和1980 年;(5) 怒江干流中上游悬移质输沙与径流的相关性不显著,中下游、下游以及支流南汀河悬移质输沙与径流的相关性均显著.     

长江上游干支流近期水沙变化及其与水库修建的关系

基于水文站实测的长系列水沙资料,运用统计方法研究了长江上游干支流的近期水沙变化.屏山站年输沙量的变化自1999年以后开始减小,扭转了1980～1998年的增加趋势.高场站年输沙量由1990～2000年的减小趋势,变化为2000～2007年的增大趋势.北碚站的年输沙量呈进一步减少的趋势.武隆站年输沙量改变了1990～2000年的增加趋势,2000～2007年显著减小.宜昌站的年输沙量延续了从20世纪80年代中期以来的减少趋势,2002～2007年急剧减小.采用输沙量-径流最双累积曲线方法进行了分析,发现各站双累积曲线上最近一次转折点的出现,均与水库的修建有关.基于双累积曲线估算了近期各站的减沙量(或增沙量).研究还发现,近期屏山、北碚、武隆、宜昌4站含沙量均呈现减小趋势,与水库的拦沙作用密切相关.但是,岷江近期水电梯级开发的大规模展开,巨量弃土、弃渣进入河道,导致了2002～2007年间含沙量的增大.建立了宜昌站年输沙量与长江上游流域内累计水库库容量及宜昌站年径流量之间的回归方程,估算出它们对于长江上游产沙量变化的贡献率分别为71.4%和28.6%.这表明,水库拦沙是导致长江上游产沙量减小的主要原因.     

长江中下游河床沉积物分布特征

对长江中下游武汉至河口段304处河床沉积物样品进行了粒度测量与分析,通过各参数间的模拟、统计及对比,探讨了沉积物粒度、水动力因素及河床地貌三者间的关系。研究结果表明：本区河床沉积物以中、细砂为主,床底搬运十分微弱,河道相对稳定;从上至下沿程有明显的“粗-细-粗-细”粒径变化,主要反映河流动力地貌、动力沉积特征;粒径在河床的沿程分布总体为北粗南细,说明北岸侵蚀,南岸淤积的特点。研究同时也表明,颗粒因河型不同而迥异;颗粒偏态度-峭度在不同河型中表现各异,对区分顺直微弯分汊和鹅头形分汊河道尤为显著。     

人类活动对长江上游近期输沙变化的影响

利用1956-2007年径流—输沙序列,分期定量研究了长江上游近期主要干支流输沙变化及其原因,结果显示:①长江上游1994-2002年输沙量减少1.43亿t/a,人为减沙占91.2%,主要来自嘉陵江措施减沙;2003-2007年减沙4.50亿t/a,径流减沙占14.1%,前期持续的人类活动减沙占39.8%,三峡水库蓄水拦沙、金沙江措施减沙等新增人为减沙占46.2%。②金沙江1983-2000年输沙量增加0.48亿t/a,人为增沙占74.7%,主要是工程增沙;2001-2007年输沙量减小1.183亿t/a,全部为人为减沙,包括二滩等各型水库拦沙、水保减沙和工程增沙减少。③嘉陵江1985-1993年输沙减少0.827亿t/a,人为减沙占81.4%,主要人为减沙包括农村社会经济因素变化导致的土壤减蚀和水库拦沙;1994-2007年输沙量减少1.285亿t/a,其中自然径流减沙占29.6%,前期持续人类活动减沙占42.1%,宝珠寺等新增水库拦沙和水保减沙占23.4%,另有4.9%的人为减水减沙。     

Influence of Ecological Technology Measures on the Annual Sediment Load of the Wuding River

The influence of ecological technology measures on the annual sediment loads of rivers complies with the principles of statistics. In this paper, the annual sediment load of the Wuding River is taken as the dependent variable and the rainfall, rainstorms during the flood period of the Wuding River and areas of ecological technology measures are taken as the independent variables to analyze the influence of ecological technology measures on the annual sediment load of the Wuding River during the years 1956 to 2007. This research uses a stepwise regression method. The result shows that 1) the non-linear regression equation composed of three independent variables including 7-8 monthly rainfalls along the Wuding River, areas of ecological technology measures and maximum daily rainfall along the Wuding River has been calculated and set up; the correlation coefficient is R²=0.857 and the significance level is α=0.001. 2) R²=0.717 is adjusted and the regression equation reveals a change of annual sediment load exceeding 71.7% over 52 years; 3) The standardized regression coefficient for ecological technology measure area has the maximum absolute value of the three independent variables shows maximum influence on the change of annual sediment load; and 4) Because of implementing the ecological technology measures, until to year of 2007, when the 7-8 monthly rainfall and maximum daily rainfall are the maximum values in the research section, the annual sediment load is calculated as 149million ton, which is 36% of the maximum value in the history.