分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟

进口水流条件及河道周界特征的改变是促使分汊河道主支汊交替的两大主要因素,不同类型的汊道对两者敏感性存在差异,辨析不同汊道主支汊交替的主导因素是预测汊道演变的前提。以长江中游分汊河道为参考,通过调整进口水流动力轴线走向及两汊的长度比设置了30种概化方案,采用平面二维水沙数学模型探讨上述两种因素对主支汊交替的影响。结论表明:两汊长度比存在一个临界值,当汊长比低于此临界值时,进口主流动力轴线的偏移是影响主、支汊交替的主要动力因素;超过此临界值后,进口水流条件变化对汊道分流格局的影响将会明显减弱,影响主支汊交替的主导因子将转换为汊道间的阻力对比关系;通过概化计算得到此临界值约为1.5。     

分汊河道主支汊交替主导因子的转换模拟

进口水流条件及河道周界特征的改变是促使分汊河道主支汊交替的两大主要因素，不同类型的汊道对两者敏感性存在差异，辨析不同汊道主支汊交替的主导因素是预测汊道演变的前提。以长江中游分汊河道为参考，通过调整进口水流动力轴线走向及两汊的长度比设置了30种概化方案，采用平面二维水沙数学模型探讨上述两种因素对主支汊交替的影响。结论表明：两汊长度比存在一个临界值，当汊长比低于此临界值时，进口主流动力轴线的偏移是影响主、支汊交替的主要动力因素；超过此临界值后，进口水流条件变化对汊道分流格局的影响将会明显减弱，影响主支汊交替的主导因子将转换为汊道间的阻力对比关系；通过概化计算得到此临界值约为1.5。     

卵石沙洲发育与冲刷试验

沙洲是塑造分汊型河道最重要的形态因子,其发育与蚀退由于上游来水来沙变化呈现冲淤交替,从而影响分汊河道输水输沙平衡.通过单个卵石沙洲的淤积和冲刷试验,揭示不同加沙速率、粒径和来流量条件下,沙洲淤积和冲刷规律,并建立简化理论模型分析沙洲淤积速率.结果表明,4组加沙试验中,分流点后出现明显淤积下延至洲头,左汊和右汊成为输沙通道,洲尾中心线两侧的左右汊道有泥沙淤积,洲尾未出现淤积.7组清水冲刷试验中,洲头最先承受冲刷和蚀退,并沿洲体冲刷延伸,洲头冲刷的泥沙沿左右汊水流带到下游,洲尾未出现明显冲刷.卵石沙洲以洲头淤积为主导发育模式,泥沙粒径、洲头坡角和分流角是决定淤积速率的关键因子.     

江心洲平衡形态水动力条件的理论分析

江心洲在何种水动力条件下具有稳定的形态一直是河床演变学中的核心问题,采用河道形态变分分析方法,综合分析分汊型河流在水流连续方程、阻力方程、推移质输沙方程和总流能量方程控制下的自动调整机理。以长江中下游两汊不对称的江心洲为研究对象,将其形态概化为规则的等腰三角形,详细数理分析发现,主汊的分沙比大于分流比是这类江心洲达到平衡的必要条件。当分汊河道达到平衡状态时,江心洲的形态会随着汊道间水沙分配比例的调整而变化,且分流比与分沙比越接近,江心洲越窄长。另外,利用长江中游监利汊道的实测水沙资料对理论分析进行验证,结果表明,江心洲形态的理论计算值与相应的实测值符合程度较好,相对误差为9.0%左右。     

山溪性强潮河口分汊河道演变机制——以瓯江江心屿河段为例

山溪性强潮河口是中国东南沿海的一种典型河口,水动力强劲、泥沙运动活跃,对人类活动响应迅速。自然条件与人类活动共同驱动下山溪性强潮分汊河道演变机制尚需进一步研究。以径潮流作用下滩槽演变剧烈的瓯江江心屿分汊河段为例,采用实测资料分析与二维水沙数学模型计算的方法,分析了20世纪70年代以前自然演变、70年代至90年代末上村丁顺坝建设影响期、21世纪以来人工采砂等影响下的河道演变机制。结果表明,丁顺坝建设等人类活动改变了该河段自然条件下主支汊周期性交替的演变规律;21世纪以来人工采砂等造成河床大幅下切,近20 a来潮差增大0.5 m、涨潮流量增大约47%,分流与分沙不均匀性分别减弱0.08～0.30和0.28～0.54,涨落潮流速差异减小,有利于减缓支汊萎缩态势,河道演变机制受到自然-人类活动双重因素主导。研究成果可为类似河流演变和保护利用提供借鉴。     

多因素变化对三峡近坝段浅滩演变的迭加影响效应

为探索三峡坝下游淤沙型浅滩冲淤特性突变的成因,结合芦家河河段较为系统的水沙输移和河床冲淤观测资料,从来水来沙变化、河势调整等多种角度,分析了多因素变化条件下的浅滩演变机理。结果显示:水库下游悬沙来量大幅减少导致分汊河道冲刷变形,促使洪水流路过流能力增强、浅滩冲淤转换的临界流量减小;三峡水库进入175 m运行期后,来流退水过程加快,泥沙输移更集中于汛期。以上变化更利于汛期浅滩淤积,不利于汛后浅滩冲刷,各种因素迭加作用下,导致浅滩条件在2008年前后发生阶段性变化。未来冲刷过程中,研究河段的浅滩淤积现象仍可能出现,类似问题在长江中下游其他的主流年内交替型汊道浅滩也同样值得注意。     

江心洲头部冲淤动力临界特性

不同流量级下,分汊河段进口主流摆动导致江心洲头部的平面冲淤分布呈现出复杂变化特征。为探究江心洲头部冲淤与来流过程之间的响应关系,借助长江中下游多个分汊河段内水沙、地形资料,对江心洲头部水动力特征实施了数值模拟,并对不同流量级下的河床变形强度进行综合比较。研究表明:江心洲头部低滩的冲淤动力随着流量涨落呈现出明显的临界特性,冲淤过程中存在大、小两个临界流量Q₁与Q₂,在介于两个临界流量之间的流量级持续作用下,洲头低滩发生冲刷;流量大于Q₁或小于Q₂时,洲头低滩表现为淤积。由于不同流量级造成的冲淤效果不同,因而水文过程中各级流量的持续时间,是影响洲头低滩年内、年际变形的主要因素。     

历史时期长江中游河道演变与洪灾发展的规律

历史时期,长江中游的河道在科氏力、掀斜构造活动的影响下,长期南移。在主泓南移、气候由湿变干、分汊淤浅的背景下,大量人口由北方迁入,促使沿长江主泓的围堤迅速发展。原先多汊分流的河道,演变为被围堤约束的狭窄河道。水沙集中于狭窄的堤围河道,洪峰难以调节,泥沙淤高河床,形成水涨堤高、堤高水涨的恶性循环。宋末至明代,是长江中游围堤基本成型与完善,也是洪水位不断抬升,洪灾不断加剧的时期,说明洪灾加剧与围堤密不可分。现有的防洪方针,延续了历史上"抗拒洪水"的思路,没有体现"与洪水共处"的原则,需要进行反思。建议采取"疏导为本"的防洪方针,恢复与增加长江中游分流汊道,扩大江河行洪能力,分散泥沙淤积,以达到可持续治洪的目的。     

曲流串沟型江心洲形成机制与演化探讨

曲流串沟型江心洲是现代河流水利学研究关注的重要河流要素,不同于曲流河点坝和辫状河心滩,但在油气储层沉积学研究中鲜有关注。选取现代松花江典型河段,开展基于水动力学的沉积数值模拟,恢复曲流串沟型江心洲的演化过程,建立了曲流串沟型江心洲演化模式。研究结果表明:1）洪水期曲流河发生漫滩冲刷,串沟发育扩张,截弯取直,形成分汊河道及江心洲地貌;2）分汊偏移角、相对梯度优势可用于预测短期汊道存在的稳定性;3）串沟型江心洲形成于曲流点坝残余沉积之上,发育洲头侵蚀、洲尾加积、翼部双侧积,但垂向加积主要发育在顶部,不构成沉积主体结构。通过上述研究建立了曲流江心洲沉积模式,揭示了曲流河江心洲内部结构及分汊河道水动力特征,对现代河流治理和地下河流沉积储层刻画有指导意义。     

汊口滩沉积特征及沉积模式——以鄱阳湖赣江三角洲汊口滩为例

随着我国许多油田进入高含水开发阶段,剩余油挖潜难度增大,复合分流河道带和单河道的划分已不能满足生产要求,迫切需要进行分流河道内部有利砂体的识别。现代沉积研究是认识分流河道内砂体发育特征的有效手段。通过对鄱阳湖赣江三角洲的现场考察,发现汊口滩是三角洲分流河道中发育的重要砂体类型,以发育在分流河道的分汊口处为典型特征。根据水动力条件、沉积物组合、沉积构造等特征,将汊口滩划分为滩头、滩中、滩尾3个沉积单元。从滩头到滩尾具有水动力条件减弱、沉积物层理规模减小、单砂层厚度减小、粒度变细、泥质夹层增多的特点。汊口滩主要是由于在分汊口处,水流受到汊口的顶托作用流速降低,沉积物按粒度分异堆积形成;堆积方式主要以向上游方向的逆流加积为主。与水道砂体相比,汊口滩发育的层理类型多,而且内部夹层发育,非均质性更强;由于夹层的遮挡作用,砂体不易发生水淹,有利于形成剩余油的富集区。     

三峡区间入库洪水实时预报系统研究

三峡区间的数字流域水系模型采用基于格网型的数字高程模型坡面流模拟方法和处理"洼地"的最短流程法构建,并以新安江模型为基础建立具有诸多特点的三峡区间流域水文模型;以水动力学理论为基础建立考虑水利工程影响的河川型水库洪水演进模型,并实现这两者的有机耦合。在GIS平台上,将三峡区间流域水文模型、库区洪水演进模型和流域水系生成模型在底层集成,研制了功能先进和完善的三峡水库实时洪水预报系统。该系统已安装在三峡总公司梯级水库调度中心,投入试运行。     

长江在三峡库区段实现东流过程探讨

三峡如何贯通并实现东流的问题历来是学术界关注和争议的问题。笔者认为,三峡的连通不是简单的江汉平原水系与四川盆地水系的连通,而是包括三峡库区段众多中小盆地及其水系的纵横交织性连通,连通过程中有地表水的溯源侵蚀作用,也有地下水的溶蚀、风化和侵蚀作用。地表水的流路与地下水的流路不尽相同,地下水的作用形成地下河,许多峡谷是地下河经进一步溶蚀垮塌形成的。地表河与地下河相连接构成长江主河道。虽然当时的水流有东西分流,但没有明显的分水岭,许多地段水流的方向因各盆地降雨量的变化而频繁改变。由于河流下切和新构造运动造成地表西升东降,最后流向四川盆地的水改向东流,形成统一的长江。三峡库区段是年轻的河段,成为完全地表河和东流的时间不长。这些认识对深化大江大河的成因理论具有重要的意义。     

三峡水库生态调度目标研究

水库生态调度研究是当前国内外河流生态恢复研究中的热点问题。针对三峡水库具体情况,指出了现行水库调度存在的生态问题,进而以水库下游宜昌站作为分析对象,主要从维持天然河道内环境流量和有利于水库下游中华鲟和四大家鱼产卵繁殖的角度,确定了三峡水库生态调度目标,主要包括三峡水库下游河道内环境流量调度目标以及中华鲟和四大家鱼产卵繁殖期水库调度目标。三峡水库生态调度目标的确定可为三峡工程正式运行后制定合理的调度运用方案提供参考。     

三峡水库调节作用对长江近河口段水文水动力特性影响

为了评估三峡水库蓄水对长江感潮河段水文水动力特性的影响,建立了具有预测功能的水动力模型。考虑径流与潮流之间的相互作用,模型在只有上边界流量过程的条件下可以给出下边界的潮位过程。在此基础上应用一维河网非恒定流数学模型,对三峡水库蓄水前后长江近河口段大通—徐六泾的水流运动进行了10年的数值模拟。统计分析结果表明,水库调蓄作用对感潮河段各站的潮位累积频率及水文水动力因素的年内过程变化影响甚大。     

三峡库区塌岸预测新方法——岸坡结构法

水库塌岸是三峡库区重大地质灾害之一。通过三峡库区数百段库岸的塌岸地质现场调查和预测分析的基础上,提出了类似三峡这种山区河道型水库的塌岸预测新方法——岸坡结构法(RBSM),并给出了详细的图解方法和预测步骤。同时,开展了二滩、宝珠寺和龚咀三个运行中的类比水库和三峡水库(139m蓄水)的塌岸预测检验,验证结果表明该方法适宜于三峡水库以及类似的山区河道型水库塌岸预测,从而为水库塌岸预测与防治工程提供重要依据。     

三峡工程对宜昌-监利河段水温情势的影响分析

三峡工程蓄水使得下游长江河道水温情势发生显著变化,并对下游生态环境产生重要影响。基于宜昌水文站14年的实测资料,采用纵向一维水温模型模拟分析了宜昌至监利300 km河道水温变化过程,探讨了不同蓄水期三峡工程下泄水温变化对坝下鱼类产卵场的影响程度。结果表明:①三峡工程蓄水后宜昌断面水温出现了平坦化及延迟现象,低温水和高温水效应明显;175 m蓄水期宜昌断面4月、12月,水温分别较蓄水前改变-4.3℃、3.7℃。②三峡工程的运行使得下游河道水气热交换量发生变化,但干流流量较大使得水温沿程恢复效果较弱;工程调蓄对坝下河段的影响占主导作用,三峡工程调蓄对监利断面4月、12月存在-3.2℃、3.0℃的温度影响。③三峡工程蓄水后,宜昌中华鲟产卵场冬季20.0℃的水温出现时间推迟1~4旬,监利四大家鱼产卵场春季18.0℃的水温出现时间推迟1~3旬,并随着蓄水位的抬升,推迟幅度逐渐加大。     

Downstream grain‐size changes associated with a transition from single channel to anabranching

Downstream variation in grain size associated with changes in river pattern is a topic that interests multiple disciplines. How grain size varies between adjacent reaches with strongly contrasting river pattern is an outstanding question. This study presents a combined field and numerical modelling investigation of a river with a downstream planform change from single channel to anabranching, where the planform is controlled by a change in underlying lithology. This approach enabled exploration of the controls on sedimentology in a river for which there is very limited opportunity to collect flow and sediment transport data. This study shows that the surficial grain size decreases as a result of the downstream change in planform. This is because of a decrease in flow velocity and shear stress associated with a decrease in channel depth related to the planform change. Channel geometries in both the field and modelling data fit into distinct groups based on channel depth, the deepest being the single channel reach and the shallowest being the anabranching. This downstream reduction in channel dimension (depth) is caused because the total discharge is split from one channel into multiple channels. The coarsest grain sizes (cobble) are deposited at the terminus of the single channel and in the distributary channels; anabranching channels contain sand‐size sediments. This study shows that, in a transition from single channel to anabranching, the channel dimensions decrease as the number of channels increases, resulting in a decrease in bed shear stress and the fining of bed material downstream.     

考虑岩体劣化的库岸典型危岩体破坏过程与长期稳定性分析

自三峡库区蓄水以来,岸坡消落带岩体劣化趋势明显,加速了岩质岸坡向欠稳定和不稳定发展,潜在崩塌涌浪灾害威胁长江航道安全。以三峡库区板壁岩为例,采用抗剪强度折减法分析在岩体劣化工况下危岩体的破坏过程与长期稳定性。结果表明：在自然工况下,板壁岩危岩体处于稳定状态;在库水+岩体劣化工况下,中部锁固段处拉应力集中,拉张裂缝逐步向顶部主控裂缝及底部基破碎带延展并相互贯通,可能发生滑移-剪切破坏;在库水+岩体劣化+强降雨极端工况下,约40个水文周期后,岩体强度下降30%,板壁岩危岩体的稳定性系数降至约1.14,处于欠稳定状态,建议进行工程防治,提高危岩体稳定性,以保障航道安全。研究结果可为三峡库区板壁岩及类似危岩体的防灾减灾工作提供科学合理的依据。     

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。