鄱阳湖湖口、外洲、梅港三站水沙变化及趋势分析(1955-2001年)

对鄱阳湖流域三个主要控制站湖口、外洲和梅港多年(1955-2001年)水沙数据进行了统计分析,利用滑动平均法,Spearman秩次相关检验、线性回归检验方法对三个测站的水沙变化趋势进行了分析检验,结果表明,鄱阳湖泥沙出湖集中于长江大汛前的2-6月,在长江7-9月大汛期间,会出现长江泥沙倒灌鄱阳湖的情况．湖口站近期(1990-2001年)径流量和输沙量变幅都非常大,同上世纪80年代相比,年均径流量增加255．3×10~8 m~3．年均减少沙量0．29×10~8 t;外洲站近期的输沙量明显减少,沙量分别为70年代前、70年代、80年代的49．6%、48．7%和52．3%;梅港站径流量略微增加沙量无明显变化趋势．从入湖径流来看,赣江和信江占52．4%,入湖泥沙量占了76．0%以上．从赣江和信江水沙总体变化趋势来看,赣江径流量变化趋势不明显,而输沙量具有明显减少的趋势;信江径流量增加趋势明显,输沙量基本无明显趋势．鄱阳湖流域水沙变化主要受人类活动的影响．土地利用方式的改变和流域水利工程设施的修建极大地影响了流域水沙特征及其变化趋势．     

白格堰塞湖对金沙江水沙及梯级水库运行的影响

2018年金沙江上游白格滑坡造成了近百年来最为严重的干流堵江事件,堰塞湖的形成和溃决给下游金沙江干流河道的水沙条件及梯级水电站运行造成影响.本文依据堰塞湖附近临时观测和金沙江干流河道控制性水文站的相关资料,研究堰塞体泄流对下游河道水沙输移的影响,同时结合梯级水库调度情况,计算了梯级水库的拦沙量.结果表明,堰塞湖溃决在金沙江中游形成了超历史的水沙过程,金沙江中游梯级电站开展应急调度后,堰塞湖溃决造成的特大洪水被削减为一般洪水.金沙江中游梯级梨园、阿海和金安桥电站累积拦截泥沙约1400万t,龙开口、鲁地拉和观音岩电站共计拦截泥沙约43万t,滑坡体产生的泥沙仍有约74%滞留在堰塞体附近.若滑坡体泥沙全部输移至金沙江中游梯级水库内,梨园电站的有效库容极有可能不满足水库所需调节库容的要求.     

三峡水库蓄水运用以来长江中下游沙量平衡分析

以三峡工程为核心的梯级水库群联合调度运用显著改变水沙条件,坝下游河段出现长时间、长距离的冲淤调整,长江中下游沙量平衡分析是合理评估水库群修建对河道影响的重要依据,是河湖管理与保护的关键支撑.本文基于长时间序列原型观测资料,采用沙量平衡法分析长江中下游不同时空尺度泥沙沿程恢复特征,对比断面地形法计算结果,结合河道空间区域性特征,从临底悬沙测验误差、断面代表性及断面间距、河道采砂等多角度深入揭示两种方法计算冲淤量产生差异的主要原因.结果表明:(1)2003-2018年宜昌至大通河段冲刷泥沙10.76亿t,其中粒径d<0.125 mm的泥沙冲刷量占比达90.9%.以螺山为界,宜昌至螺山段"粗细均冲",螺山至大通河段则"细冲粗淤";(2)宜昌至大通河段2003-2018年沙量平衡法与断面地形法计算冲淤量相对偏差为71%,从沿程差异分布来看,距离三峡大坝坝址较近的宜昌至沙市河段两方法计算绝对差值较小,而沙市至大通河段差值较大,占宜昌至大通全河段绝对偏差的近86%;(3)宜昌至沙市河段河道采砂量占实测河床冲刷量的比例约为20%,临底悬沙对输沙量的改正比例为13.2%~26.7%(平均约为20%),修正后,沙量平衡法、断面地形法计算结果吻合相对较好;沙市至大通河段泥沙测验、固定断面布设、河道采砂等是导致沙量平衡法与断面地形法出现差异的主要原因.     

金沙江下游梯级水库泥沙淤积和坝下河道冲刷规律

金沙江下游4个梯级水电站总装机容量相当于两座三峡水库,是“西电东送”中部地区的源头工程,工程效益发挥对经济社会发展意义重大。2012年以来,向家坝、溪洛渡、乌东德和白鹤滩电站等陆续蓄水运行,层层拦截金沙江的泥沙,2013—2020年向家坝出库年输沙量均值下降至152万t,减幅超过99%。大量泥沙淤积在梯级水库内,同时向家坝以下河道发生长距离冲刷。本文以自金沙江下游工程筹建以来的观测资料为基础,针对梯级水库的泥沙淤积和坝下游河道冲刷规律开展研究,结果表明:金沙江下游四个梯级电站自建成运行至2020年底,累计淤积泥沙约5.98亿m³,其中溪洛渡库区淤积量占比达92.5%,2013-2020年溪洛渡和向家坝水库排沙比分别为2.64%和22.2%,其水库泥沙主要淤积在常年回水区的干流河道内,以死库容内淤积为主,侵占有效库容的比例小于1.3%。金沙江下游库区干流河道的峡谷特征明显,淤积多表现为主河槽的平铺式淤高。溪洛渡和向家坝库区淤积的泥沙沿程分选特征明显,越靠近坝前,中数粒径减小、细颗粒泥沙沙量百分数增加,极细颗粒泥沙会在库区一定范围内大量沉积。向家坝下游河床普遍冲刷,但...     

三峡水库区间来沙量估算及水库排沙效果分析

三峡水库是控制和开发长江的重要工程,具有巨大的防洪、发电、航运等综合效益.水库排沙比是反映水库拦截泥沙程度的重要指标.针对目前三峡水库排沙比计算没有考虑三峡水库区间来沙,结果偏大的问题,依据三峡水库区间水文站2003-2016年实测水文资料,采用水文学法估算了三峡水库区间月、年入库输沙量,分析了三峡水库排沙效果及主要影响因素.结果表明：1）三峡水库区间年均来沙量约1775×10⁴ t,占总入库沙量的10.3%,近年来沙占比有所增大,其中2013-2016年来沙量占总入库沙量的26.9%;2）三峡水库年均排沙比为21.6%,其中围堰蓄水期为34.1%,初期蓄水期为17.0%,试验性蓄水期为15.4%;3）三峡水库采用"蓄清排浑"方式运行,主汛期7-9月的排沙比一般大于枯季,但2013年以后,出现了主汛期排沙比小于枯季的现象;4）入库细颗粒泥沙的排沙比大于粗颗粒泥沙,其中粒径d ≤ 0.062 mm的细颗粒泥沙排沙比为23.4%,0.062 mm0.125 mm的中粗沙排沙比分别为5.5%和11.1%;5）三峡水库排沙比汛期主要受V/Q影响,枯季主要受入库含沙量的影响;当V/Q约为170×10⁴ s时,水库排沙效果最差;分别建立了汛期和枯季排沙比经验计算式.本文的研究成果可为三峡水库水沙优化调度等提供参考.     

地球自转速率变化与河道演变及泥沙灾害关系初探

丰沙期及低频率、高强度洪水往往酿成泥沙灾害和洪涝灾害。地球自转变化是影响河道演变与诱发泥沙灾害的重要的自然因素,由长江、黄河及淮河的部分水沙资料及地球自转日长变化资料的初步分析表明,当地球自转由加速转向减速时,黄河下游出现枯水、少沙时期,长江中下游及淮河出现高频率、低强度洪水;而地球自转由减速转向加速时,黄河下游出现丰水期和中、丰沙期,长江与淮河出现低频率、高强度洪水,长江下游处于切滩旺盛期。在地球自转变化的转折点之间,河道处于相对稳定演变阶段,一般不会发生严重的洪涝与泥沙灾害。     

金沙江下游梯级水库运行后三峡水库高洪水期入库水沙特性

泥沙淤积问题直接影响着三峡水库的使用寿命及综合效益的发挥,研究其入库水沙特性对于解决水库泥沙淤积问题具有重要意义。根据水文站实测数据,分析了三峡水库入库水沙输移特性及来源组成变化,重点研究了金沙江下游梯级水库运行后的三峡水库高洪水期入库水沙特性。结果表明:2003—2021年,三峡水库入库泥沙集中于汛期的高洪水期,2013年以后该现象更为显著,泥沙来源也由金沙江为主转变为嘉陵江为主。寸滩站洪峰流量高于50000 m³/s的高洪水期三峡入库沙量显著大于30000～50000 m³/s区间的高洪水期,三峡水库泥沙调度关键在于上游发生编号洪水期间。三峡水库上游沱江或嘉陵江等支流发生流域性大洪水时,易引起高洪水期入库水沙出现“小水大沙”的特点。金沙江下游梯级水库运行后,三峡水库高洪水期入库泥沙大幅减少,中小洪水调度期间泥沙淤积量也大幅减小。研究结果可为三峡水库的泥沙精细化调度和长期高效使用提供基础数据支撑。     

三峡工程运用后坝下游河道泥沙输移变化规律

三峡工程蓄水后"清水"下泄,坝下游河段将会长期处于严重不饱和状态,水流含沙量沿程恢复将会引起坝下游长距离冲刷,本文根据三峡工程蓄水前、后的实测资料分析了坝下游河道泥沙输移变化规律,探索不同粒径组沙量沿程恢复对河床冲刷的影响,得到以下结论:在蓄水初期d≤0.031 mm沙量恢复主要受河床补给与江湖入汇共同的影响,随着水库下泄该粒径组沙量递减,使得各站该粒径组年均输沙量均远小于蓄水前的水平,沙量恢复仍主要受河床补给与江湖入汇的影响,这是造成坝下游河道发生长距离冲刷的主要原因之一;在蓄水初期0.031 mmd≤0.125 mm沙量恢复主要受河床补给的影响,但江湖入汇的影响较大,随着河床补给量逐渐减少,各站该粒径组年均输沙量均小于蓄水前的水平,沙量恢复仍主要受河床补给的影响,江湖入汇的影响逐渐减小,这也是坝下游河道发生长距离冲刷的主要原因之一; d0.125 mm沙量恢复主要受河床补给的影响,蓄水初期该粒径组沙量在宜昌监利河段沿程恢复速率较快,且在监利站达到蓄水前的水平,随着时间推移,在宜昌监利河段沿程恢复且速率仍较快,在监利站达到最大值,其数值逐渐小于蓄水前的水平,这是造成坝下游河道冲刷重点集中在宜昌监利河段的主要原因.     

黄土高原大理河流域水沙耦合模型应用研究

水沙模型是定量描述水沙关系及水沙规律的重要工具,现阶段国内外对于水沙模型的研究大都为基于某个典型流域的经验统计模型或基于流域大量基础资料的物理模型,极大限制了其使用范围及模拟精度.本文建立了结构与参数均具有物理意义的流域水沙耦合物理概念模型,其优点是物理概念清楚,模拟精度高,实用性强,易于深入研究泥沙基本规律.该模型将概念性水文模型和泥沙模型耦合,提出水流挟沙能力和土壤抗侵蚀能力概念,用对数曲线近似描述流域土壤抗侵蚀能力的空间变异性,在拜格诺河道水流悬移质泥沙公式基础上建立概念性沟蚀产沙公式,参照水流汇集相似性建立泥沙汇集演算公式.选取黄河中游大理河流域4个不同流域尺度的实际流域对模型进行应用检验,模拟结果表明,该模型的水流泥沙两部分均有很高的模拟精度,可以很好地模拟黄河中游地区不同流域尺度和年际尺度上的洪水过程和泥沙产生及输移过程,充分证明了该模型结构、参数和计算方法的合理性,可用于定量分析流域内各项水保措施的减水减沙效益及水沙关系变化趋势,对该模型的推广应用可做进一步分析研究.     

三峡大坝下游粗细颗粒泥沙输移规律及成因

以三峡下游河段为研究对象,利用1987-2014年原型观测数据,分析粗细颗粒在时间和空间的输移过程,并以水文站作为划分单元探讨其成因.三峡水库蓄水后坝下游d≤0.125 mm(细颗粒)各粒径组沙量沿程递增,并小于蓄水前均值;d0.125 mm(粗颗粒)沙量在宜昌—监利河段得到补给,其下游为淤积趋势,其中2003-2007年至监利站恢复程度最大.在成因上:(1)宜昌—沙市河段,河床粗化限制了粗细颗粒泥沙补给,其中细颗粒补给受制于总水量,粗颗粒受制于大流量持续天数和量值;(2)沙市—监利河段,粗细颗粒补给均受制于总水量;(3)监利—螺山河段,洞庭湖入汇对细颗粒补给起决定作用,河床补给量中洪水年大于中枯水年,粗颗粒为淤积趋势,且中洪水年淤积量小于中枯水年;(4)螺山—汉口河段,细颗粒增加受河床补给决定,2008-2014年补给强度弱于2003-2007年,2010年前后粗颗粒泥沙由淤转冲,与大流量持续天数和量值增加有关;(5)汉口—九江河段,细颗粒泥沙淤积,粗颗粒因河床冲刷得到补给,大水年补给量高于枯水;(6)九江—大通河段,鄱阳湖入汇和河床补给对细颗粒增加的贡献比例为1∶2.82,河床冲刷对粗颗粒泥沙起补给作用,受大流量持续天数和量值影响.     

三峡水库运用后荆江段非均匀悬沙恢复特性

三峡工程运用后,坝下游荆江段来沙量大幅度减小,处于严重的不平衡输沙状态,次饱和水流冲刷河床使悬沙量沿程恢复.基于实测水沙资料,分析了三峡工程运用后荆江段非均匀悬沙恢复特点.提出了恢复效率的概念用以表征悬移质沿程恢复的程度,并根据实测水沙资料计算了荆江段1994-2017年非均匀悬沙的恢复效率.结果表明：三峡工程运用前,荆江段各粒径组悬沙恢复效率绝对值均接近0,故该时期内各粒径组泥沙冲淤幅度不大;三峡工程运用后,各粒径组悬沙恢复效率绝对值均明显增大,且粗沙（d>0.125 mm）恢复效率绝对值远大于细沙（d<0.125 mm）,故粗沙恢复程度更高.这主要是由于荆江段床沙组成中粗沙部分含量大,而细沙含量小.最后建立了三峡水库蓄水后非均匀悬沙恢复效率与来水来沙条件（来沙系数）的关系,结果表明：各粒径组悬移质恢复效率均与来沙系数呈正相关关系,全沙、细沙和中沙的决定系数（R²）分别为0.89、0.67和0.69,相关性较高,故荆江段各粒径组悬移质泥沙恢复效率较大程度上受到来水来沙条件的影响.     

长江中游沙质河段床沙级配调整过程计算

三峡工程运用后,长江中游荆江河段持续冲刷,床沙与推移质、悬移质泥沙不断交换,从而造成该河段床沙发生不同程度的调整,对长江中下游河床演变及非平衡输沙机理的研究具有重要影响.在新水沙条件下,总结分析了沙波运动特性及床沙交换方式,引入Markov三态转移概率及非均匀沙隐暴系数,得到基于状态转移概率的沙质河段床沙级配调整的计算模型.研究结果表明:(1)20092014年,沙市站年内床沙中值粒径有先增大后减小的趋势,而监利站年内床沙中值粒径则先减小后增大,且荆江河段年际床沙中值粒径总体呈上升趋势,粗化程度约为6.9%~9.3%;(2)20092014年,沙市站床沙组成中粒径d<0.062 mm的泥沙所占比重不变,0.062 mm≤d<0.25 mm的泥沙所占比重逐年减少(累计减少11.4%),d≥0.25 mm的泥沙所占比重逐年增加(累计增加11.4%),而监利站床沙组成均存在波动性变化;(3)荆江河段床沙转换为推移质的概率随着泥沙粒径的增大而增大,床沙转换为悬移质的概率随着泥沙粒径的增大而减小,而推移质和悬移质转换为床沙的概率均随着泥沙粒径的增大而增大,河床发生冲刷粗化时泥沙输移的主要形式为悬移质(概率为81%~87%),而淤积细化时床沙补给主要来源于推移质(概率为8%~12%).通过验证,本文概率模型的计算结果与实测资料符合较好,能够应用于长江中游沙质河段年际床沙粗化及年内床沙级配调整过程预报,为进一步开展三峡工程下游非均匀悬移质泥沙沿程恢复机理的研究提供理论基础.     

黄河下游治理的地学基础

从黄河下游平原沉降与沉积特性、黄河下游河道特性、黄土高原侵蚀特性、黄河中下游暴雨洪水特性等方面,阐述了黄河下游治理的地学基础的内涵,并指出自全新世以来,黄河下游的地学属性诸要素虽存在继承性演变,但并未出现根本性变化.基于对黄河下游地学属性的分析,提出了关于黄河下游治理的几点认识：（1）基于下游的堆积性河流属性,在河道治理诸措施中,放淤应当是第一位的;（2）基于下游河道的游荡属性,应在加固现有大堤的基础上给予河道必要的游荡空间;（3）基于黄河河口海洋动力弱和三角洲的演变规律,应给予黄河尾闾必要的摆动空间;（4）基于黄土高原侵蚀环境不会根本改变,中游治理应以缓解地形破碎程度,使高原地貌形态朝营造局部＂夷平面＂的方向改善,而生态治理则应以＂退田还草＂为努力方向;（5）基于不能排除未来出现历史上特大洪水的可能性,应继续以历史特大洪水作为下游防洪的设防对象;（6）提出＂治黄周期律＂概念,并指出不能希冀今天的黄河下游河道能够永续利用,未雨绸缪研究黄河下游人为改道和新的流路是必要的.     

黄河尾闾段一维耦合水沙数学模型研究及其应用

小浪底水库于1999年运用以后,该河道经历了长时间持续冲刷过程.为掌握小浪底水库运用后黄河尾闾段洪水演进特点及河床冲淤规律,采用一维水沙数学模型研究是一条重要的途径.本研究首先采用浑水控制方程,建立了一维耦合水沙数学模型,并利用2003年利津-西河口段汛期实测水沙及汛前断面地形资料对该模型进行率定,计算的流量、水位及含沙量等过程与实测值吻合较好;然后采用2015年利津—汊3段汛期实测资料对该模型进行验证,结果显示水位与冲淤量计算值与实测值较为符合;最后基于2015年实测洪水过程,计算了若干组不同断面间距下的洪水演进及冲淤过程,分析了不同断面间距对沿程水位及河段冲淤量等计算结果的影响,结果表明:采用不同断面间距对水位计算结果影响较小,而对冲淤量计算结果会产生一定影响;在河段水沙及冲淤特性复杂的情况下,采用一维数学水沙模型计算时应考虑断面间距的选择.     

黄河与长江流域水资源变化原因

利用1951～2008年黄河与长江流域逐月降水和径流资料,对流域年径流变化进行趋势性检验,分析年降水量和径流量的相关关系变化,比较不同时段流域降水和径流的变化趋势和双累积曲线,以及径流对降水的敏感性变化.结果表明,黄河干流上游年降水量微弱下降,中下游降水减少趋势显著,为8.8～9.8mm/10a;而全流域径流量均呈现显著递减的趋势,为7.8～10.8mm/10a(通过95%置值度检验);径流系数也明显下降,下降范围为0.013～0.019/10a,流域产流能力下降,径流减少趋势在20世纪80年代末至90年代初发生突变.长江流域大部降水减少趋势显著,为18.2～24.7mm/10a;上游(寸滩站,宜昌站)径流减少趋势显著,为9.9～7.2mm/10a,中游(汉口站)和下游(大通站)径流呈微弱下降趋势,为2.9～2.1mm/10a;长江流域上游径流系数增加不显著,中下游径流系数呈显著增加趋势,速率分别0.005/10a和0.005/10a,表明中下游产流能力增强.根据水文参数公式计算,与1951～1969年相比,1970～2008年,降水减少和人类活动引起的下垫面变化对黄河流域径流减少量的贡献率分别为11%和83%;在长江流域,降水减少对径流量变化的贡献占29%,人类活动引起的径流量增加占71%.1980～2008年,黄河流域由于下垫面变化造成径流量减少的比例在兰州、三门峡、花园口、利津分别为97%,83%,83%和91%,降水引起的径流量减少比例分别为3%,17%,17%和9%.长江流域降水减少对寸滩、宜昌、汉口、大通径流量减少的贡献分别为89%,74%,43%和35%,下垫面变化对径流增量的贡献分别为11%,26%,57%和65%.人类活动的作用强度逐年增大,2000年之后,下垫面变化对黄河、长江流域径流变化量的贡献率上升到84%和73%.下垫面变化引起了黄河下游径流减少和长江下游径流增加,在干旱区和湿润区对径流变化的作用相反.造成这一现象的原因是:黄河流域人类的活动用水量的增加直接造成径流减少;长江流域因太阳辐射下降引起实际蒸发量下降,同时湖泊面积减少,下垫面硬化也在一定程度上造成产流能力增加.     

防止河道泥沙淤积的最小生态环境需水量

水土流失问题是生态系统面临的重要问题. 对于多沙河道来说,必须维持一定的生态环境需水量用于输沙,以保证河道生态平衡. 本文以多沙河流为研究对象,以输沙动力学理论为基础,分析了河流输沙能力和水流挟沙能力,在此基础上提出了河道在不冲不淤的临界状态下河流最小流量的计算方法,此为防止河道泥沙淤积的最小生态环境需水量. 通过实际算例,本文还说明了所提出的计算方法的应用,以期为多沙河道水资源合理配置及生态平衡维护提供科学依据.     

三峡工程运行前后的长江中游河段冲淤变化(1975-2017年)

气候变化和流域人类活动等综合影响改变了河道演变的自然进程,尤其是流域大型水库的影响,深刻改变了下游的水沙通量与河道演变过程及趋势.以三峡工程为对象,研究坝下游水沙通量及河道演变过程对三峡工程运行的响应关系,可加深大型水利枢纽运行对下游河道演变影响的认识.本文以长江中游河段(宜昌—湖口河段)为研究对象,分析1975-20...     

近1200 a来黄河下游梁山泊沉积记录的环境变迁

利用梁山泊670 cm柱状岩芯沉积物,基于精确的AMS-~(14)C年代测定,通过高分辨率的粒度、磁化率、总有机碳、C/N比值等环境代用指标的综合分析,并结合历史文献记载,初步揭示了1200 a来黄河下游地区平原湖泊沉积特征及环境演化历史.结果表明,梁山泊环境演化大致分为5个阶段:790-940 AD期间,为低湖面的沼泽沉积环境,气候冷干;940-1215 AD期间,屡次受到黄河决溢洪水影响,湖盆扩张,湖泊水位上升,为梁山泊极盛期,气候暖湿;1215-1310 AD期间,黄河夺淮入黄海,湖区淤积严重,湖泊萎缩减小;1310-1470 AD期间,再次受到黄河决溢洪水影响,水位上升,面积扩张,但逊于极盛期;1470 AD至现代,黄河河道进一步南移,远离梁山泊,湖盆淤积抬高,梁山泊最终消失,直到1855AD,黄河第6次大改道北移,湖泊再次受到黄河洪水影响,由于前期受到泥沙淤积抬高,该地区仅作为黄河泥沙承载区.在气候变化大背景下,黄河改道决溢是梁山泊演化的主因.     

黄河中游多沙粗沙区的风水两相侵蚀产沙过程

以黄河中游各支流的资料为基础,提出了风水两相侵蚀产沙的概念,并建立了风水两相侵蚀产沙模式,从而为这一地区强烈的侵蚀产沙过程提出了新的解释.风力作用与水力作用在时间上是相异的,前者为高含沙水流搬运作用准备了大量粗颗粒泥沙,存贮在坡面、沟道和河道中;后者则形成了富含细颗粒的暴雨径流,为粗颗粒泥沙的搬运提供了动力条件.由此形成了高含沙水流,导致了这一地区高强度的侵蚀产沙过程.     

三峡水库蓄水后下荆江河段典型洲滩调整机理

三峡工程运行后长江中下游河道洲滩普遍冲刷萎缩,航道条件极不稳定.为探究影响洲滩演变的主控因素,采用近期水文、泥沙和地形观测资料,以下荆江铁铺水道广兴洲边滩为例,分析了边界条件、水沙过程及整治工程等因素对洲滩调整特征的影响程度.结果表明:洲滩组成中的细沙(0.125 mm＜d＜0.25 mm)占比较大,抗冲性较弱,是滩体...