近400多年下荆江河段古河道演变过程及特征

为研究下荆江河段古河道演变过程及特征,利用20世纪30年代和50年代的历史地形图、1954年航片、1968年美国KH-4B军事卫星影像及2016年国产GF-1卫星影像,结合古籍资料,全面分析了下荆江古河道的演变特征并反演了其明万历年以来400多年的历史变迁过程.下荆江河段的古河道横向摆动频繁,受河道坚硬岸坡和人工护岸工程约束,空间上为20~32 km的古河道平面摆动带,形态上分为沿主泓线侧向渐变式摆动和河道突变迁徙两种古河道类型,它们是反演下荆江河段古河道的定位依据.历史上,下荆江塑造经历了漫流、支汊分流、单一顺直河道形成和曲流演化发展等复杂过程.明弘治年间,曲流主要出现在监利-城陵矶段,石首至监利段仅微弯;明末清初,东港湖弯道和濠河弯道均自然裁弯取直,下荆江蜿蜒型河道已全面上溯到石首境内,并形成了一系列河曲弯;19世纪中叶,下荆江的河曲发展突出表现在横向移动、河曲颈变窄、凹岸环流侵蚀后退、凸岸堆积淤高推进等特点.此后,下荆江没有出现大的变迁.下荆江河段近代河弯的演变模式有凸岸淤积推进、凹岸崩坍后退型,凸岸撇弯切滩、弯顶消减型和心滩漂移并岸、凹岸串沟过流型.河流的本身作用是其演变的主要原因,但人工修建大堤与大规模围垸是重要外因.      

三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系

大型水库运行改变了坝下游水沙条件,引起河床冲淤、洲滩形态等适应性调整,尤其是近坝段沙质河床的响应最为敏感。以三峡大坝下游近坝段沙质河段为研究对象,采用1955-2018年水沙数据与1975-2018年地形资料,研究了河床冲淤量及河床形态、洲滩形态演变及联动关系等。研究表明:伴随流域来沙量减少,1975-2018年河床为累积冲刷态势,枯水河槽冲刷量占总冲刷量的93.1%,同步发生洲滩面积减少、深泓下切;以2009年分界,滩槽冲淤逐渐由"低滩冲刷,高滩淤积"逐渐向"低滩、高滩均冲"转变;受来沙量锐减、河道采砂活动等影响,2013年以来河床冲刷强度显著增大,疏浚抛泥对滩槽冲淤的影响较小;航道工程实施前滩群演变关联性强,太平口心滩发育与头部下移引起腊林洲边滩上段面积减小并后退,对应腊林洲边滩尾部面积增大且淤宽,使得三八滩面积减小且右缘蚀退,金城洲逐渐由边滩演变为心滩;航道工程实施后太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱,受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽,引起三八滩维持面积持续减小、右缘后退及左移态势,促使金城洲萎缩且分散。     

三峡大坝下游近坝段沙质河床形态调整及洲滩联动演变关系

大型水库运行改变了坝下游水沙条件,引起河床冲淤、洲滩形态等适应性调整,尤其是近坝段沙质河床的响应最为敏感。以三峡大坝下游近坝段沙质河段为研究对象,采用1955-2018年水沙数据与1975-2018年地形资料,研究了河床冲淤量及河床形态、洲滩形态演变及联动关系等。研究表明：伴随流域来沙量减少,1975-2018年河床为累积冲刷态势,枯水河槽冲刷量占总冲刷量的93.1%,同步发生洲滩面积减少、深泓下切;以2009年分界,滩槽冲淤逐渐由"低滩冲刷,高滩淤积"逐渐向"低滩、高滩均冲"转变;受来沙量锐减、河道采砂活动等影响,2013年以来河床冲刷强度显著增大,疏浚抛泥对滩槽冲淤的影响较小;航道工程实施前滩群演变关联性强,太平口心滩发育与头部下移引起腊林洲边滩上段面积减小并后退,对应腊林洲边滩尾部面积增大且淤宽,使得三八滩面积减小且右缘蚀退,金城洲逐渐由边滩演变为心滩;航道工程实施后太平口心滩与腊林洲边滩上段关联性减弱,受航道工程及疏浚抛泥等影响腊林洲边滩下段淤宽,引起三八滩维持面积持续减小、右缘后退及左移态势,促使金城洲萎缩且分散。     

荆江河段泥沙冲淤对三峡水库汛期排沙的响应

三峡水库汛期排沙研究大多关注库区的减淤效应,对坝下游河道的冲淤影响尚需进一步研究,对优化水库调度和河道保护利用具有重要意义。以三峡水库下游荆江河段为对象,建立了荆江长河段二维水沙数学模型,并结合实测资料分析,基于三峡水库2018年7月排沙调度,通过设置不同的排沙比(7%～100%),计算分析了荆江河段冲淤对三峡水库排沙比的响应。结果表明：虽然荆江河段全年总体冲刷,但排沙比较大时汛期仍可能淤积,上荆江河段受排沙调度影响相对较大;总体而言,2018年汛期水沙条件下,30%左右的排沙比是荆江河段洪季冲淤的临界点;排沙比提高后,汛期淤积部位大部分为边滩等缓流区,以及弯曲河段凹岸等,主槽仍冲刷,对维护滩槽高差具有积极意义。     

长江下游落成洲河段洲滩联动关系与航道浅滩碍航机制

航道浅滩演变与边心滩形态调整具有强关联性,叠加河道冲淤不均衡性、上游河段冲刷供沙等综合影响,使得航道浅滩碍航机制更趋复杂。本研究以长江感潮段内落成洲河段为对象,通过1959—2021年洲滩形态、河床冲淤特征、水动力环境与浅滩碍航特性等分析,明确边心滩—浅滩演变联动关系、上游河床冲刷供沙及对浅滩演变的影响机制。研究结果表明：(1) 1981年以来落成洲河段所在的扬中河段由淤积转为1991年以来的持续冲刷,1981—2021年枯水河槽冲刷量为3.97亿m³,占洪水河槽冲刷量的95.9%;(2)三峡工程运行前嘶马弯道崩退—落成洲左缘淤积—三益桥边滩未发育,即嘶马弯道崩退是洲滩联动演变的主要诱因;(3)三峡工程运行后至航道整治工程实施前的来沙量减少引起洲滩整体冲刷,落成洲冲刷为三益桥边滩提供了发育空间,逐渐淤涨的三益桥边滩与水沙条件共同使得落成洲冲刷和右汊冲刷发展,即三益桥边滩形态变化逐渐由被动淤涨转为洲滩联动演变的主因;(4) 1981—2010年三益桥边滩淤涨、落成洲洲头与左缘冲刷等决定着三益桥浅滩碍航程度,由于流域来沙量减少引起的河床冲刷使得碍航程度减弱,2011—...     

长江荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系

长江是中国的"黄金水道", 通过系统性航道整治和疏浚维护, 长江荆江河段航道水深已由2002年的2.9 m提升至2020年的3.5~3.8 m, 但仍低于上游三峡大坝库区(4.5 m)及下游河段(4.5~6.0 m), 航道水深与上下游不衔接且制约长江航道综合效益发挥。为了适应上下游航道水深, 需提升荆江河段航道尺度, 亟需明确航道水深资源、碍航特征与河道演变等关系。以长江荆江河段为对象, 分析1960—2020年水沙及地形等资料, 开展长江中游荆江河段滩槽演变与航道水深资源提升关系研究。研究表明: 三峡工程运行后荆江河段以枯水河槽冲刷为主, 冲刷量占全部冲刷量的90.97%, 江心洲和边滩面积减少18.3%, 其中江心洲、边滩面积减幅分别为9.4%和24.9%;在河床冲刷与航道整治工程实施条件下, 以4.5 m×200 m(水深×宽度)进行航道尺度核查, 荆江河段碍航总长度占全河段5.3%;4.5 m水深碍航特征包括砂卵石河段枯水位下降幅度高于河槽下切深度引起航道水深不足, 沙质河床内弯曲河段"凸岸侧边滩冲刷、凹岸侧深槽淤积"引起滩槽形态及航道边界不稳定, 以及分汊河段内洲滩萎缩与汊道间不均衡冲刷引起枯水航路不稳定及水深不足。     

黄河内蒙古河段河道冲淤演变与凌情响应机制

黄河上游内蒙古冲积性河道凌汛问题突出,研究河道冲淤演变与凌情响应机制可为该河段防凌减灾提供技术支持。根据内蒙古河段凌情、河道冲淤演变资料,分析凌情变化表征指标及与之密切相关的河道冲淤演变特征指标,研究河道冲淤演变特征指标与凌情变化表征指标的响应关系。结果表明:河道冲淤演变的特征指标平滩流量与凌情表征指标冰下过流能力、槽蓄水增量关系密切,冰下过流能力为平滩流量的1/5左右,随着平滩流量减小而减小,而槽蓄水增量随着平滩流量的减小而增大,有利内蒙古河段防凌的平滩流量宜不小于2 000 m3/s,槽蓄水增量宜不超过14亿m3。本研究成果可为内蒙古河段冰凌灾害防治提供参考。     

富县至宜川天然气输气管道工程穿越段河道演变特征研究

以富县至宜川天然气输气管道工程为例,结合管线穿越的仕望河、牛武川、牛武东川、西川河和鹿儿川等河流的气候条件、地形地貌和河谷形态,选择仕望河上的大村水文站为参证站,对工程所穿越的主要河流的水沙特性和河床冲淤变化进行分析,在此基础上,对穿越段河道的演变特征进行研究。结果表明:工程穿越段的主要河流均为典型的降水补给型河流,洪枯水流量悬殊,洪水陡涨陡落,水位变幅较大,具有来水来沙相对集中、峰高量小的特点。河段冲淤变化与大村站基本一致,多年以来河床冲淤基本平衡;河道受人类活动、地形、地质构造和岩性的控制,河床断面基本多呈“U”形,河道历史演变呈现出相对平衡状态;受河流形态及人类工程影响,预计工程运行期及较长时期内,近期演变特征主要表现为工程河段主流稳定,总体处于冲淤平衡状态。研究结果可精确掌握工程穿越河道的主要水文特性和演变特征,保证工程的顺利安全施工。     

江西长江河道演变及其对水患灾害形成的影响

对江西长江河道的演变特征进行了详细研究,基本查清了近代江西长江河道的发展演变历程。自清代以来未发生重大的变迁事件,但其也处于不断演变中,其演变主要表现在河道的冲淤作用,即岸线的冲刷侧蚀后退和边滩的淤胀,江心洲、心滩、浅滩的增生淤胀、消亡和移动,河道的淤塞等。为研究洪涝灾害成生背景、致灾作用,以及防灾治灾提供科学依据。     

上荆江马羊洲网状河沉积特征及其形成机理

长江枝城至城陵矶段称荆江,以藕池口为界分上荆江和下荆江。上荆江历史上表现为纵横交错的网状水系,至今仍具网状河(anastomosed)特征:其河道断面呈“W”型;江心洲滩发育,且以江心洲居多;河道最大曲率2.23,最小曲率1.23,河床坡降0.538;     

长江口北支河槽容积变化特征的定量分析

北支河槽容积变化是北支河道演变趋势在定量上的直接表现,河道边界条件和河床泥沙运动是影响河槽容积变化的主要因素。收集1986—2013年长江口北支河道年实测地形资料,利用GIS技术建立不同时期水下数字高程模型,进行北支河槽容积变化和河床冲淤变化特征分析。结果表明,北支岸线圈围和泥沙淤积导致了1986年以来河槽容积萎缩。北支河槽0m线以下容积共减少约7.110亿m3,岸线圈围引起河槽容积减少4.000亿m3,占比56.3%;泥沙淤积引起的河槽容积减少3.110亿m3,占比43.7%。具体而言,北支上段河槽容积萎缩主要是泥沙淤积所致,其航道开发综合利用应遵循上段的泥沙运动规律特点;中段则是边滩圈围和沙洲并岸引起,边界调整后束流作用加强,河床冲刷,断面形态调整后水深条件更加有利于中段的航道利用开发;下段是泥沙淤积和边滩圈围共同影响所致,泥沙淤积影响略大,但下段沿北岸-5m深槽始终存在且稳定,具备航道开发利用的河势基础,且南侧河道边界仍具有可圈围的余地。     

岸滩侧蚀对航道条件影响的三维数值模拟——以长江中游太平口水道为例

长江中游河道岸滩侧蚀现象普遍,易对航道稳定形成不利影响,深入研究岸滩侧蚀冲刷机理及其航道响应过程具有重要意义。建立了考虑相邻土体影响的黏性岸滩侧蚀坍塌力学模式,以长江中游太平口水道为例,基于局部网格可动技术,构建了岸滩侧蚀及其河床冲淤变化的三维水沙动力学模型;在模型验证相似的基础上,分析了清水冲刷条件下腊林洲边滩侧蚀对太平口水道航道格局的影响。研究结果表明:模型可较好地模拟由岸滩侧蚀所引发的河势演变过程;上游来沙减少后,太平口水道河床以及未守护低滩部位将进一步产生冲刷;腊林洲边滩稳定与否,对太平口水道“南槽-北汊”航道格局的稳定具有重要作用。     

黄河下游河床纵向与横向变形的数值模拟——Ⅰ二维混合模型的建立

提出了黄河下游滩岸冲刷问题的严重性,评述了河床横向变形模拟技术和河床变形混合模型的研究现状,并指出现有模型不适用于黄河下游的河床变形计算.将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷模型结合,建立了河床变形的平面二维混合模型.采用多种改进措施后,该模型能同时模拟天然河道的纵向与横向变形,尤其适用于河床纵横向变化都十分剧烈的黄河下游.     

水沙调节后荆江典型河道横向调整过程的响应——Ⅱ.上、下荆江调整差异初探

三峡水库2003年6月蓄水运用后,下游河道水沙过程已发生大幅变化,对于岸滩抗冲性较弱的荆江河道来说,河道的横向调整过程势必受到影响。采用考虑岸滩崩塌的河势研究数值模型,针对三峡水利枢纽工程运行所引发的水沙变异过程,初步探讨了荆江典型河道横向调整及河势变化对水沙条件变化的响应。对于下荆江石首河段来说,来沙减少后,冲刷加剧,局部河岸坍塌及平面变形加剧,主要发生在受弯道水流顶冲的位置,但河势演变趋势及平面变形总体上基本一致,并未发生较大变化。对于上荆江沙市—新厂河段来说,来沙量减小后,河道平面变形幅度总体上减小,局部最大减幅可达50%左右。     

典型窝崩三维数值模拟

窝崩是冲积河流常见的一种崩岸类型，具有发展速度快、破坏力强等特点，且不易成功模拟。以长江下游扬中河段指南村窝崩为例，基于窝崩机理及其力学模式，采用考虑回流区紊动影响的挟沙力公式模拟窝塘内泥沙输移，初步建立了窝崩三维数值模拟方法。研究结果表明：窝崩发生初期窝塘内局部水流具有底层流速大于上层流速的特征，这为窝塘底部及坡脚淘刷提供了动力条件；窝塘内回流区水流挟沙力的计算对窝崩形态模拟结果存在显著影响，考虑回流区紊动影响的泥沙输移特性后，模拟结果与实测结果基本吻合，可较好地模拟窝崩的快速发展过程。研究成果可为窝崩机理的深入认识和窝崩治理提供科技支撑。     

三峡工程运用后荆江段崩岸过程及特点

为研究近期荆江段崩岸过程及特点,利用实测水下地形图及固定断面资料,分析了三峡工程运用前后该河段平面及断面的形态变化过程。平面形态对比结果表明:2002-2013年荆江段多年平均崩退速率约为15.0 m/a,崩岸总长达42.3 km,左岸占59.2%;下荆江岸线崩长约为上荆江的2.2倍,且石首、调关及荆江门等河湾凸岸一侧受低含沙水流长期冲刷不断崩退,其岸线崩长约占下荆江崩岸总长的35.5%。断面形态对比结果显示:2002-2015年荆江段约有21%断面存在明显的崩岸现象,且近74%的崩岸断面位于下荆江。故近期荆江段崩岸分布规律主要表现为左岸多于右岸,下荆江多于上荆江,且下荆江部分河湾凸岸崩退显著。定量分析了河岸土体组成与分布、来水来沙条件等因素对崩岸过程的影响,发现来水来沙条件的影响占主导地位。建立了上、下荆江典型断面平滩河宽与前期水沙条件之间的经验关系,除工程守护良好的断面外,相关系数均高于0.85,提出的经验公式可较好反映水沙条件变化对平滩河宽调整的影响。     

均质土岸坡崩塌与河床冲淤交互过程试验

在弯道水槽中展开系列试验,研究水力冲刷过程中均质土岸坡冲刷崩塌输移与河床冲淤过程及其影响因素。该过程及变化特征可描述为:水下坡面侵蚀及坡脚淘刷导致岸坡失稳崩塌;暂时堆积在凹岸坡脚处的崩塌体加剧附近水流紊动程度利于其输运与分解;分解后较粗的颗粒随弯道螺旋流以推移质形式被输移至下游凸岸落淤,较细的颗粒大部分都随水流以悬移质形式被携带至下游出口;水流结构随岸坡及河床变形而调整;如此循环往复。试验成果进一步表明:冲刷状态下,试验材料黏性越小、近岸流速越大、作用时间越长,岸坡冲刷崩塌量及河床冲刷量都越大;同条件下岸坡冲刷崩塌总量大于河床冲刷总量,且河床相对冲刷率随岸坡冲刷崩塌量的增大而减小,数值范围为0.40~0.92。     

典型窝崩三维数值模拟

窝崩是冲积河流常见的一种崩岸类型,具有发展速度快、破坏力强等特点,且不易成功模拟。以长江下游扬中河段指南村窝崩为例,基于窝崩机理及其力学模式,采用考虑回流区紊动影响的挟沙力公式模拟窝塘内泥沙输移,初步建立了窝崩三维数值模拟方法。研究结果表明:窝崩发生初期窝塘内局部水流具有底层流速大于上层流速的特征,这为窝塘底部及坡脚淘刷提供了动力条件;窝塘内回流区水流挟沙力的计算对窝崩形态模拟结果存在显著影响,考虑回流区紊动影响的泥沙输移特性后,模拟结果与实测结果基本吻合,可较好地模拟窝崩的快速发展过程。研究成果可为窝崩机理的深入认识和窝崩治理提供科技支撑。