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1975-2017年河道冲淤变化,结果表明：近40年来,长江中游河床已发生了累积性的冲刷,近坝段砂卵石河段冲刷强度先增强后减弱,沙质河段冲刷强度呈增强态势.三峡工程运行后不同河型演变特征归纳为：分汊河段江心洲以冲刷为主,上荆江河段内实施的航道整治工程稳定了江心洲形态,但面积受清水下泄的影响呈减小态势,枯水期主汊分流比呈减小态势,部分汊道发生了主支汊交替变化;下荆江及下游分汊河段江心洲面积虽然交替变化,整体上航道整治工程控制了江心洲规模;弯曲河段凸岸侧边滩以冲刷为主,急弯段的凹岸侧深槽淤积,微弯段凸岸边滩冲刷,对应的凹岸侧深槽相对稳定.     

三峡工程运用后长江中游河床调整沿程变化特点

三峡工程运行后,坝下游河道发生持续冲刷。本文研究了长江中游(955 km)不同河段沿程演变差异及其原因。总体而言,河床形态调整幅度自上而下减弱,这是因为在河床持续冲刷过程中,水流含沙量沿程恢复,故越往下游冲刷相对缓慢。平面形态方面,长江中游岸线崩退及洲滩变形的强度均呈沿程减弱趋势,且在荆江河段最为显著。断面形态方面,河床冲深幅度在宜枝下段>荆江河段>宜枝上段>城汉河段>汉湖河段。理论上距离三峡工程最近的河段冲刷应最为剧烈,但由于宜枝上段床沙粗化显著,限制了冲刷的进一步发展。过流能力方面,宜枝河段由于距洞庭湖较远,并未受到入汇顶托作用,故其平滩流量的调整基本由进口水沙条件控制,并随着河床冲深下切而增大;对于荆江、城汉和汉湖河段,河床冲刷虽显著,但支流或湖泊的入汇顶托对平滩流量产生的影响大于前者,故平滩流量总体随上下游水位差同步波动。     

长江中游的泥沙淤积问题

长江上游年产泥沙5.12×10⁸ t, 经宜昌输入中游, 长江中游干流及各支流年产沙约 0.80×10⁸ t. 这两部分中约1.24×10⁸ t沉积于中游河湖中, 4.68×10⁸ t经大通输入下游, 沉淤于河道及长江三角洲或入海. 长江中游的泥沙, 总体是淤大于冲, 但是冲淤的地理分布、时间段分布和河床断面分布不均衡. 长江干流的宜昌-城陵矶段、九江-大通段冲大于淤或冲淤平衡. 淤积主要发生在长江干流以武汉为中心的螺山-武汉-黄石段以及洞庭湖区和鄱阳湖区. 即使在主要淤积江段, 也有局部时段和江段以冲刷为主. 主泓所在的河槽以冲刷为主, 而河道两侧或河道之间的洲滩, 则以淤为主, 形成高而平的漫滩, 往往被人为改造成圩垸. 荆江以北的江汉平原因有大堤从长江隔开, 只有汉水少量泥沙供应, 冲淤量很小, 再加上构造沉降的累计效应, 其地面高程绝大部分低于干流洲滩数米. 螺山-武汉-黄石段的淤积导致该段及以上江段洪水位抬高. 干流断面冲槽淤滩使长江中游河道的典型形态呈深河谷、高漫滩, 靠干堤保护堤内平原. 这种断面在洪水时成为在同等水量下, 水位不断抬高的原因. 高水位要高堤防来防堵, 这就增加了堤防压力、水头压力, 容易导致管涌、渗漏等险情. 堤外滩及洪水位与构造沉降的堤内平原间的高差不断增大. 三峡工程建成后, 水库拦沙及中游河道冲深, 可使同流量下水位大幅度降低, 但城陵矶-武汉段冲刷量很小, 不能解决该段及以下江段的泥沙淤积问题, 因此江汉平原因相对于洪水位地势过低而造成的洪涝灾害及相关环境问题, 仍将是中游长远的重大隐患.     

三峡工程运用后荆江河段崩岸时空分布及其对河床调整的影响

三峡工程运用后长江中游荆江河段河床持续冲刷,局部河段崩岸频发,影响河道内悬沙输移与河床形态调整.本研究采用实测长程河道地形及固定断面地形资料,确定了2002-2018年荆江河段的主要崩岸区域,估算了崩岸土体的泥沙总量,进而定量分析了河岸崩退对河床调整的影响.计算结果表明:荆江段累计河岸崩退体积约为2.0亿m3,约占该河...     

三峡工程蓄水后长江中游城陵矶—汉口河段过流能力变化及影响因素分析

受上游水库运行的影响,自2003年后长江中游河段河床调整,引起河道自身过流能力的变化.本文选取长江中游城陵矶-汉口河段作为研究对象,根据实测资料计算了2003-2016年两个水文断面的水位-流量关系及特征流量变化,并采用一维水动力学模型计算了河段尺度的平滩流量.结果表明:(1)螺山站及汉口站2003-2016年的水位-流量关系呈现枯水流量下水位降低、洪水流量下水位抬升的特点;(2)两站年最大流量下对应的水位整体抬升,警戒水位下对应的流量分别减小9%和16%;(3)2003-2016年城汉河段平滩流量有增有减,无明显单向变化趋势,2014年后呈减小趋势.分析断面的过流能力变化,发现螺山站与汉口站警戒流量与动床阻力呈明显的反比关系,过流能力由于河道阻力的增大而减小;床沙粗化、河道相对水深的减小及洲滩植被覆盖度的增大是引起河道阻力增大、过流能力减小的原因.     

近100年来长江与洞庭湖汇流河段水文特征演变

洞悉长江洞庭湖汇流河段的水文关系及其变化规律对确保长江中下游的防洪安全至关重要.为了掌握汇流河段水文特征演变情况,本文结合汇流河段处监利、城陵矶、螺山等国家重要水文控制断面的近百年水文资料,通过M-K检验、Morlet小波分析等方法研究了该河段逐日水位、流量等水文数据,分析了汇流河段年内分配、年际变化、变化趋势、突变点及变化周期等水文特征,并探讨了具体成因.研究结果表明:①长江与洞庭湖汇流河段年最高水位一般出现在7月,年最低水位一般出现在1、2月;②汇流河段年径流量主要集中在59月,占年径流总量的63.64%~73.44%;③近50年城陵矶水位高、中、低水分别约抬升0.98、0.56、1.46 m;④近10年城陵矶与监利年径流比降至0.66.⑤在长江中下游水利开发历程中,经突变检验表明,下荆江裁弯取直和三峡蓄水175 m对江湖水文特征的影响较为明显.⑥城陵矶站和螺山站的年径流量、水位平均周期约为16 a,监利站的年径流量、水位平均周期约为8 a.⑦19542017年间,汇流比最大值一直在降低,其发生时间在逐渐提前.以上成果为深入研究流域复杂的江湖演变规律提供了科学参考.     

三峡水库运行后长江中游洪、枯水位变化特征

流域大型水库蓄水后,坝下游河道调整过程中的洪、枯水位变化,对下游水安全、水生态和水资源利用影响甚大.利用1955-2012年长江中游各水文站水位、流量等资料,采用改进的时间序列分析方法,对三峡水库运行前后长江中游洪、枯水位变化特征进行了研究,结果表明:三峡水库蓄水前长江中游洪、枯水位变化的周期长度分别为9~14、11~15 a,在假设三峡水库运行后水位无趋势性变化的前提下,估算得到的水位变化周期长度基本在20 a以上,蓄水前的自然周期性已被打破,枯水位发生趋势性下降且无复归迹象,而洪水位波动周期虽有所延长,但上升幅度未超过历史波动变幅,仅可确定洪水位没有明显的下降趋势.三峡水库蓄水后坝下游长距离冲刷,枯水河槽冲刷量占平滩河槽的比例逐年增加,累计至2013年已达91.5%,是枯水位下降的主控因素.河槽冲刷导致的床沙粗化增加了河道床面阻力,高程在平滩水位附近的滩体上覆盖的大量植被增加了水流流动阻力,同时大量航道整治、护岸、码头等工程主体部分布设在枯水位以上,综合因素作用使得洪水河槽阻力增加.三峡水库蓄水后,虽然枯水期流量补偿作用显著削弱了枯水位下降的效应,但枯水位下降事实已经形成,不利于航道水深的提高及通江湖泊枯水期的水量存蓄,洪水位未明显下降,同级流量下的江湖槽蓄量不会明显调整.     

荆楚遗文脉 洞庭越千年

洞庭湖位于长江中游,横跨湘、鄂,水域面积2820平方公里,是我国第二大淡水湖。她北接长江,南通湘、资、沅、澧四河,因有调蓄江河洪水之能,也被称为“长江之肾”。     

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.     

长江中游地区洪泛沉积物与正常河流沉积物磁组构特征对比研究

在地层剖面中,洪泛沉积物与正常的河道沉积物的沉积学特征非常相似,仅靠沉积学特征很难将两者区分. 为了识别古洪灾事件,因而从环境磁学角度建立两种沉积物的识别标志是非常必要和有意义的. 本文通过对1998年长江黣洲湾溃口扇及其附近的长江现代河漫滩沉积物进行磁组构参数测量和对比分析,并结合长江下游河漫滩沉积物的磁组构参数特征,揭示出长江中游正常河流沉积物与河流溃口沉积物的磁组构参数特征具有明显的不同,并且它们与沉积时的沉积环境有着密切的关系. 因此,对长江中游地区沉积物磁组构参数的测试及磁化率各向异性量值椭球体形态的研究,是目前分辨洪泛沉积物和正常的河道沉积物的一个较有效的方法.     

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.     

水利工程兴建后洞庭湖径流与泥沙的变化

本文根据1951—1988年洞庭湖及其入湖河流的水文泥沙资料,研究大型水利工程兴建后洞庭湖径流与泥沙的变化。研究表明,近40年来洞庭湖的径流量减少了29.2％,输沙量减少了48.7％。引起水沙变化的主要原因是荆江四口分流河床的淤积,使荆江入湖的径流量与输沙量减少。1966—1972年下荆江三个弯道裁弯取直,使荆江河床下切,导致荆江及其分流水位的下降,也促使荆江分流的流量与输沙量的减少。40年来洞庭湖水流变化的趋势对洞庭湖、江汉平原与长江中下游的防洪较为有利。     

三峡工程运行后荆江河段分汇段航道水深资源及碍航驱动机制

系统解析长江中游河湖交汇区域航道水深资源的变化,可支撑“黄金航道”的可持续发展。本研究以洞庭湖-荆江交汇段为对象,研究洞庭湖分汇区域水沙条件、荆江河段滩槽演变与河湖交汇段航道水深资源的关系。研究表明:三峡工程运行以来,洞庭湖三口分流量和分沙量延续了三峡工程运行前的减少态势,伴随洞庭湖分流量减少,相对增加的长江干流径流量增强了河床冲刷强度,反馈使得洞庭湖三口分流量和分沙量均处于较低值;荆江河段河床冲刷给航道尺度提升奠定了有利基础,河湖分汇区域不满足4.5 m×200 m(水深×宽度)的长度为12.6 km,占荆江河段碍航总长度的68.35%。碍航驱动机制上:松滋口分流区段(枝城-昌门溪)的4.5 m水槽贯通但宽度不足200 m,汊道分流关系不稳定及洲滩萎缩制约航道条件稳定,枯水位下降及“坡陡流急”现象仍然严峻,不利于航道条件保障及船舶安全航行;太平口分流区段水位下降、洲滩萎缩、汊道交替发展使得枯水航路不稳定或水深不足4.5 m;藕池口分流区域的洲滩崩退、洲滩冲刷引起的向下游泥沙输移,碍航表现为航宽不足200 m或出现水深不足4.5 m的浅滩;洞庭湖入汇影响区段(熊家洲-城陵矶)受弯道冲淤...     

长江中游通江湖泊江湖关系研究进展

自然通江的洞庭湖和鄱阳湖与长江之间形成复杂的江湖水沙交换关系,其变化影响着区域洪水灾害防治、水资源利用、水环境保护和水生态安全维护,是长江中游水问题的核心.从长江中游大型通江湖泊江湖关系的概念与内涵、江湖关系演变过程、江湖关系变化的影响因素及效应等方面,系统梳理了长江中游通江湖泊江湖关系研究的进展.针对当前研究现状和存在的问题,提出了研究江湖关系表征指标体系是正确认识江湖关系的前提;定量区分人类活动和气候变化影响的贡献率是江湖关系研究的重点和难点;深入跟踪研究三峡等重大工程对江湖关系变化的影响是一项长期任务;评估江湖关系调整背景下江湖关系的健康状况,研究以江湖水系重大水利工程群联合调度为核心的江湖关系优化调控原理,维持江湖两利的长江中游健康河湖系统格局和相互作用关系是江湖关系研究的根本目标.     

三峡工程运用后长江中下游河道冲刷特征及其影响

三峡及其上游干支流梯级水库建成运用后,大坝下游“清水下泄”引起了长江中下游河道发生长时间、长距离的冲刷。2001—2021年期间宜昌至长江口已累计冲刷了50.3亿m³,需厘清河道冲刷对河势、防洪、航运等方面产生影响。分析表明:三峡工程运用后,长江中下游河势总体稳定,弯道段出现切滩撇弯、汊道段出现塞支强干等现象;河道槽蓄量的持续增加,进一步增大了河道调蓄和行洪能力,但水流顶冲点的变化和近岸河床的冲刷下切,使得河道崩岸频发,并影响河势稳定和防洪安全;在河道冲刷、河势控制与航道工程综合作用下,长江中下游航道条件总体得到改善,但河道不均衡冲刷使得坝下游砂卵石河段出现“坡陡流急”,沙质河段出现洲滩散乱、航槽移位等现象,影响航道条件;同流量下枯水位呈下降态势,逢极枯年份影响长江中下游用水安全;江湖关系发生新变化,“三口”分流道由原淤积转为冲刷,两湖湖区水位不同程度的降低,枯水位出现时间有所提前,不利于湖区水资源和生态环境的安全与可持续发展;三峡工程实施枯水期补水调度和“压咸潮”调度以及长江口北支淤积减缓,对于遏制长江口咸潮入侵有利,入海泥沙显著减少引起长江口近岸河床冲刷,影响...     

2017—2021年长江天鹅洲故道鱼类群落结构变化、成因分析及对长江江豚迁地保护的启示

长江天鹅洲故道是长江江豚首个迁地保护区,其中充足而适口的饵料鱼类资源是长江江豚种群健康发展的保障。为此,根据2017年10月—2021年4月对长江天鹅洲故道进行的7次鱼类调查数据,结合禁捕前的历史数据,对其鱼类群落结构演变进行了分析,并针对长江江豚饵料鱼的供应状况对天鹅洲故道内鱼类资源管理提出了建议。调查期间,共采集到鱼类57种,其中,蒙古鲌(Culter mongolicus)、鲢(Hypophthalmichthys molitrix)和鳙(Aristichthys nobilis)等大中型鱼类生物量明显增加,而?(Hemiculter leucisculus)和似鳊(Pseudobrama simoni)等小型鱼类生物量呈现下降趋势。鱼类群落优势种逐渐由太湖新银鱼(Neosalanx taihuensis)、短颌鲚(Coilia brachygnathus)和?等小型鱼类转变为鳙、蒙古鲌和拟尖头鲌(Culter oxycephaloides)等大中型鱼类,尤其是新近出现的拟尖头鲌种群发展迅速。同时,短颌鲚和?等小型鱼类的体重在减小,而鲢、鳙等大中型鱼类规格在持续提高。长江江豚以小...     

大禹治水与长江早期文明

水是大自然最富才华的艺术家,是它塑造了雄奇的长江三峡;水又是地球上一切生命的源泉,是它孕育了灿烂的长江文明.从某种意义上说,中国的上古历史是一部人类同洪水共存的历史,许多古史传说都与水有关.传说中的尧、舜、禹时代,是长江洪水频频发生的历史时期.大禹是中华民族广为传颂的治水英雄,我国第一个统一的国家政权——夏王朝的奠基人.大禹治水的故事发生在大约四千年前,他的足迹遍及华夏大地.中国古代地理学名著《尚书·禹贡》载述,大禹从上游开始经三峡地区一直疏导到长江的中、下游河段,书中曾多处提及禹从事疏浚长江河道制服洪水的水利活动.又据司马迁在《史记·夏本纪》的记载,大禹治水还到了位于江汉平原的古云梦泽.《水经注·江水》则明确指出,三峡河道是大禹开凿和疏通的.在长江三角洲地区,尤其在太湖流域,大禹治水的传说广泛流传,对大禹的崇拜与信仰也极为盛行.考古发现,在长江三角洲一些新石器时代遗址的文化缺失地层中,淤泥厚度达1-1.5 m.一些专家认为,那是4000a以前发生于良渚文化末期的那次特大洪水留下的痕迹.     

三峡工程的生态环境问题

对长江三峡工程有关的若干生态环境问题作了比较系统的综述。主要涉及生物多样性,珍稀物种和长江渔业;人、地、粮关系;中游湖泊与湖区环境;河口生态环境以及库区地质环境等。     

2022年极端干旱下洞庭湖区水体营养状态变化及改善对策

2022年夏季长江流域遭受极端干旱,在此背景下,围绕长江荆江河段(松滋-城陵矶),东、西、南洞庭湖,松滋河、虎渡河、藕池河三口水系,湘江、资水、沅江、澧水四水尾间河段,以及环洞庭湖主要垸区,开展了原位监测和采样工作,测定了湖泊、河道、沟渠、池塘等各类水体中氮、磷、碳等生源要素和叶绿素a浓度,以及浮游植物种类和丰度。结果显示,东、西、南洞庭湖中,总氮、总磷、溶解态有机碳和叶绿素a浓度均值分别为0.57 mg/L、0.45 mg/L、38 mg/L和5.38μg/L,氮、磷分别以溶解态和颗粒态为主;浮游植物共检出6门37种,以硅藻和绿藻为主,藻类生物量约1.337 mg/L。就综合营养状态指数而言,洞庭湖处于中营养状态,并不显著高于长江和三口四水。极端干旱导致荆江-洞庭湖的水文连通削弱,洞庭湖来自三口的生源要素通量减少,来自四水和湖内自源生产的比重增加;洞庭湖垸区与外部自然河湖的阻隔限制垸内水体自由流动,导致生源要素累积,造成富营养化。2022年极端干旱气象条件下,洞庭湖总磷、叶绿素a、浮游植物数量相比历史阶段数据处于高位,但总氮浓度低于历史水平。恢复水文连通,改善江湖关系,削减内源污染释...     

长江中游地区地震分布与地势

本文根据长江中游地区地貌基本特征和地貌分布特点,论述了地貌分布与山脉地势之间存在的一种关系,并运用地壳屈曲的观点对此进行了初步解释。