【摘要】：河流系統(tǒng)連接著陸地和海洋,其中流域泥沙輸移過程是許多學(xué)科研究的基礎(chǔ)問題。隨著人類文明的發(fā)展,人類對于河流的干擾越來越強(qiáng)烈,尤其是大壩的修建,直接改變了自然河流系統(tǒng)的水沙輸移過程,并對上下游的人類生產(chǎn)生活造成很大影響。自然要素控制下的河流系統(tǒng),在受到建壩的影響下,水、沙等要素都可能發(fā)生改變,也將打破河流原來的平衡狀態(tài),促使河床地貌調(diào)整,重新適應(yīng)新的平衡狀態(tài)。建壩導(dǎo)致清水下泄引起河床沖刷,細(xì)顆粒物質(zhì)被清水以懸沙形式帶走,粗顆粒物質(zhì)保留原地,且相對含量不斷增加,導(dǎo)致底床粗化,形成粗化層,并逐漸降低水流挾沙力,從而實(shí)現(xiàn)新的平衡狀態(tài)。在河床地貌調(diào)整中,河床粗化層的形成以及底床形態(tài)調(diào)整等過程,體現(xiàn)了河流動力地貌從不平衡向平衡演變,且對沙礫質(zhì)河床糙率估算、河床產(chǎn)沙有重要影響,與河段實(shí)際可沖刷泥沙量密切相關(guān)。作為世界第三大的河流,長江的物質(zhì)輸送影響著長江三角洲自身的發(fā)展、演變,且因三角洲地區(qū)人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、航道及港口工程密集分布,故而成為學(xué)界和政府重點(diǎn)關(guān)注的熱點(diǎn)。特別是三峽大壩的修建,作為世界上最大的水利工程,自2003年大壩完成之后,長江入海泥沙通量從4.9億噸/年驟減至1.3億噸/年,這必然導(dǎo)致長江中下游地區(qū)水文地貌、營養(yǎng)鹽、生態(tài)環(huán)境等顯著變化。當(dāng)前長江入海泥沙包括5個主要來源,即,三峽大壩下泄泥沙、洞庭湖流域、漢江流域、鄱陽湖流域以及壩下游河床沖刷。隨著長江上游金沙江溪洛渡、向家壩等梯級水電站陸續(xù)上馬,未來三峽入庫泥沙將進(jìn)一步減少。這將導(dǎo)致未來三峽大壩下泄泥沙不會超過如今的5000萬噸/年,也使得壩下“清水下泄”這一格局不可逆轉(zhuǎn)�？傮w而言,上游來沙直接受控于三峽大壩,漢江和鄱陽湖直接向長江輸送泥沙,且目前趨于穩(wěn)定,而洞庭湖與長江干流既有輸入又有輸出,較為復(fù)雜,因此長江入海輸沙量的主要變量來自壩下游河床的沖刷以及洞庭湖輸沙。三峽建壩前后,壩下河床動力地貌存在何種演變過程和機(jī)理,以及未來長江入海泥沙何時達(dá)到最低?這個問題主要取決于壩下河床泥沙的可沖刷量及其可沖刷時間,也就是說,河床沖刷何時達(dá)到一個新的平衡點(diǎn)。本研究基于資料收集以及野外實(shí)測等相關(guān)數(shù)據(jù),1)探討了洞庭湖水沙歷年的變化趨勢,并分析洞庭湖向長江泥沙輸送情況及未來變化趨勢,明晰洞庭湖作為邊界條件對于長江中游地區(qū)的影響和作用;2)同時,利用水流挾沙力等水沙動力變化,分析建壩前后中游河段河床粗化過程以及河道沖淤的泥沙動力變化情況;3)在此基礎(chǔ)上,設(shè)定完善的邊界參數(shù),包括洞庭湖水沙、中游主河道糙率、混合層厚度(沙波形態(tài)法)、底床泥沙級配等,進(jìn)行SOBEK 一維水沙模型的模擬工作,分析長江中游地區(qū)泥沙輸移情況,并探討了未來長江入海泥沙通量的變化趨勢。本研究主要得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識:1、洞庭湖區(qū)水沙總體都呈現(xiàn)下降趨勢,但泥沙通量下降更為顯著。其中湖區(qū)徑流量主要受到降雨控制,而泥沙通量的變化主要分為三個階段:第一階段為1970年之前,降水影響占主導(dǎo)的;第二階段,1970～2003年,人類活動干擾加強(qiáng),降水對泥沙的影響趨于減小;第三階段,2003年三峽封壩之后,人類活動對于洞庭湖泥沙的影響占主導(dǎo)地位。從2008年開始,洞庭湖已經(jīng)由“匯”向“源”轉(zhuǎn)變,從建壩前淤積狀態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)榻▔魏鬀_刷狀態(tài),目前洞庭湖通過城陵磯向長江干流輸沙基本維持在2000萬噸左右,且趨于穩(wěn)定。2、三峽建壩后,大量泥沙在庫區(qū)被攔截,導(dǎo)致中下游河段泥沙通量大幅下降,出庫泥沙由建壩前5億噸/年降到僅有0.5億噸/年左右,入海泥沙量由建壩前4.4億噸/年降為年均1.3億噸泥沙。三峽工程打破了自然河流的平衡,使得河流中水沙關(guān)系不匹配,中游河段由建壩前季節(jié)性沖淤轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｄ隂_刷,建壩后宜昌至漢口河段年均沖刷量總計達(dá)6500萬噸左右。一般而言,河床的沖刷量到達(dá)某個極值后,床沙粗化,沖刷潛力減弱,沖刷量逐漸下降,沖刷中心隨之逐漸下延。目前宜昌床沙(2 mm)90%已被沖刷,河床粗化甚至達(dá)到了 20 mm,且宜昌站目前的水流挾沙力已經(jīng)趨近臨界的水流挾沙力,宜昌基本沒有可被沖刷的潛力。荊江河段,目前沙市的床沙中值粒徑粗化為0.5 mm,監(jiān)利的床沙中值粒徑僅粗化到0.28 mm,水流挾沙力離極限值較遠(yuǎn),沙市至監(jiān)利河段每年沖刷量目前仍在加強(qiáng),未來時期內(nèi)河道沖刷應(yīng)該主要河段應(yīng)該集中該河段。到了城陵磯以下河段,由于受到坡降等因素的干擾,其水流挾沙力、單位水流能量較低,未來三峽引起的壩下河床沖刷有可能到達(dá)城陵磯為止。3、未來清水下泄、河床沖刷加強(qiáng)的背景下,壩下河段沙質(zhì)河床將發(fā)生明顯的“粗化—產(chǎn)沙—底形強(qiáng)化”這一轉(zhuǎn)變,這將直接影響到中游河段泥沙輸移調(diào)整。目前荊江河段的底形沙波情況,由于上荊江河段沉積搬運(yùn)的作用要強(qiáng)于下荊江河段,上荊江河段波形指數(shù)平均值為25.77,下荊江河段波形指數(shù)平均值為19.39,上荊江河段波形較大,同時,該河段底床沉積物的中值粒徑與沙波波長表現(xiàn)出良好的相關(guān)性,呈現(xiàn)越往下游,泥沙變細(xì)的趨勢。4、基于以上研究,設(shè)定完善的邊界參數(shù),包括洞庭湖水沙、中游主河道糙率、混合層厚度(沙波形態(tài)法)、底床泥沙級配等,建立SOBEK 一維水沙模型,并利用長江中游河段的實(shí)際沖刷情況進(jìn)行驗證,SOBEK模型對于長江中游宜昌至城陵磯河段的年際泥沙輸移問題的模擬是可信的。本文設(shè)計五套方案,其中水沙邊界條件的改變能直接影響到壩下河床沖刷情況,而拋開水沙條件變化而言,總沖刷量區(qū)別不是很大,只是考慮的因素不同,不同方案各河段達(dá)到的最大沖刷量及時間有一定的差別。方案一在建壩后第46年完成最大沖刷量14.6億噸;方案二在建壩后第41年完成最大沖刷量15.3億噸;方案三在建壩后第49年完成最大沖刷量14.7億噸;方案四在建壩后第32年完成最大沖刷量23.4億噸;方案五在建壩后第36年完成最大沖刷量24.3億噸。結(jié)合實(shí)際情況,我們選擇方案一為基本方案,進(jìn)行深入分析討論中游河段沖刷變化情況。5、三峽建壩后,“清水下泄”,壩下河床沖刷侵蝕,這種過程是由近及遠(yuǎn)的,在建壩初期10年,主要集中在壩下游前100 km,平均沖刷深度能達(dá)到3.65 m,宜昌至沙市河段,在此階段沖刷強(qiáng)烈,到了第19年沖刷停止,累計沖刷達(dá)3.9億噸泥沙。沙市至監(jiān)利河段,在建壩后10～20年達(dá)到巔峰,此階段該河段平均下切了 2.75 m,到了建壩后第32年,該河段沖刷基本完成,累計沖刷達(dá)4.9億噸泥沙。隨著上游河段沖刷完成,沖刷中心逐漸下移。建壩后20～30年,沙市以上河段完全停止了下切,沖刷中心逐漸已經(jīng)轉(zhuǎn)移到下游河段,監(jiān)利至城陵磯河段,建壩后20年該河段開始強(qiáng)烈沖刷,一直持續(xù)到建壩后第46年,該河段累計產(chǎn)沙達(dá)6億噸。6、目前長江流域輸沙格局主要由三峽出庫泥沙,洞庭湖輸沙,漢江輸沙,鄱陽湖輸沙,以及壩下游河道輸沙五個方面組成,其中三峽出庫泥沙通量年輸沙量穩(wěn)定在2000萬噸左右;洞庭湖每年大約向長江凈輸沙在800萬噸左右,隨著三口來沙減少,洞庭湖向長江輸沙將進(jìn)一步增多;漢江流域每年向長江輸送大約300萬噸泥沙;鄱陽湖流域每年向長江凈輸沙約1200萬噸。壩下游河道輸沙是主要變量,根據(jù)SOBEK的模擬結(jié)果,在2025年之前,長江入海泥沙通量能維持在每年1.3億噸左右,隨后入海泥沙量逐漸開始下降,直到2049年,長江入海泥沙通量達(dá)到最低點(diǎn),約為每年5500萬噸泥沙,此后,長江流域?qū)崿F(xiàn)新的動態(tài)平衡。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TV147
【圖文】：

人類的建壩修建行為會攔截大量泥沙，并導(dǎo)致該流域的入海泥沙逡逑通量的減少。全球尺度上，基于６３３個大型水庫以及４４０００多個小型水庫攔截泥逡逑沙的數(shù)據(jù)表明（圖１－１），全球超過５０％的泥沙通量被攔截在水庫中，其中小型逡逑水庫貢獻(xiàn)大約２３％，大型水庫貢獻(xiàn)了大約３０％，其中最為顯著的是科羅拉多流逡逑域、尼羅河流域入海泥沙幾乎完全被攔截在上游水庫之中（Ｖ６ｒｔ５ｓｍａｒｔｙ邋ｅｔ邋ａｌ．，逡逑２００３）。還有學(xué)者通過模型研宄認(rèn)為，一開始人類活動導(dǎo)致入海泥沙通量每年增逡逑加了邋２３億噸，之后由于人類的建壩攔截了大量泥沙，又使得入海泥沙通量減少逡逑１４億噸／年，其中在過去的５０年里，大約有１０００億噸的泥沙被攔截在水庫中，逡逑尤其以非洲和亞洲的入海泥沙通量減少最為明顯（Ｓｙｖｉｔｓｋｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，２００５）。逡逑１．２．１．２長江入海泥沙通量的研宄逡逑冰后期以來，海平面快速上

三峽大壩建成之后，入海泥沙減至約１．３億噸／年，僅為１９５０ｓ年代的１／３邋（Ｃｈｅｎ邋ｅｔ逡逑ａｌ”邋２０１０＇）。逡逑當(dāng)前長江入海泥沙包括５個主要來源（圖１－２），即：三峽大壩下泄泥沙（Ｃｌ邋）、逡逑洞庭湖流域（Ｃ２）、漢江流域（Ｃ３）、鄱陽湖流域（Ｃ４）以及壩下游河床沖刷（Ｃ５邋）。逡逑最新研宄表明，三峽所攔截泥沙總量約占整體入海泥沙（１９５０ｓ－２０１０ｓ）減少總逡逑量的３０％邋（Ｙａｎｇ邋ｅｔａｌ．，邋２０１５）。隨著長江上游金沙江溪洛渡、向家壩等梯級水電逡逑站陸續(xù)上馬，未來三峽入庫泥沙將進(jìn)一步減少（Ｙａｎｇ邋ｅｔａｌ．，邋２０１４）。這將導(dǎo)致未逡逑來三峽大壩下泄泥沙不會超過如今的０．５億噸，也使得壩下“清水下泄”這一格逡逑局不可逆轉(zhuǎn)。漢江流域的丹江口水庫自１９６９年修建以來，漢江向干流輸沙趨于逡逑穩(wěn)定，建壩后年平均約為８００萬噸／年（Ｄａｉ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２０１３；長江水利委員會，逡逑２００３？２０１４）。鄱陽湖則在三峽建壩前后向長江干流輸沙凈輸出約１２００萬噸／年逡逑（Ｙａｎｇｅｔａｌ．，邋２０１４；長江水利委員會，２００３？２０１４）。逡逑因此

游建壩攔截大量泥沙，導(dǎo)致清水下泄，水帶泥，不匹配，此時水流對河床的塑造能力很強(qiáng)，為了降低水流攜床形態(tài)會相應(yīng)作出調(diào)整，如河床的展寬、沙波形態(tài)改變等（００３；韓曾萃等，２０１５）。逡逑床粗化調(diào)整逡逑化是影響河床沖刷、輸沙的主要因素之一。建壩導(dǎo)致清水下顆粒物質(zhì)被清水以懸沙形式帶走，粗顆粒物質(zhì)保留原地，且，導(dǎo)致底床粗化（圖１－３）。當(dāng)沖刷達(dá)一定程度時，粗顆粒逐漸阻止下覆床底泥沙進(jìn)一步被沖刷，該層位即為粗化層（ａｒｍｏｒｉｎｎ，邋１９５０；尹學(xué)良，１９６３；邋Ｋｌａａｓｓｅｎ，邋１９９０；邋Ｓｕｍｅｒ邋ｅｔ邋ａｌ．，邋２００１；邋Ｂｌｏｍ，形成過程是河流動力地貌從不平衡向平衡演變的過程，與河段密切相關(guān)。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2780084