长江中游河床演变及模拟

**篇　研究背景及方法概述 第1章　绪论 1.1　研究背景及意义 1.1.1　研究背景 长江是横贯我国东西的水运大动脉，素有“黄金水道”之称。三峡工程运用前，长江中游河道处于相对平衡状态，河床调整幅度较小，1975～2002年平滩河槽下的累计冲刷量仅为1.69亿m3；而近20年来，人类对长江的利用和干预强度不断加大，三峡工程及其上游水库群的运用，不仅改变了进入长江中游河道的水沙过程，而且使中游河床发生持续冲刷。2002～2018年长江中游平滩河槽累计冲刷量达到24亿m3（长江委水文局，2018），导致局部河段河势调整剧烈、堤岸坍塌、切滩撇弯、航槽移位，严重影响到航运及防洪安全（胡春宏和张双虎，2020）。考虑到防洪安全与航槽稳定的需求，长江中游沿程修建了大量的河道整治工程（包括护滩、护底、护岸等工程），仅在宜昌至城陵矶河段，护岸工程长度即达到300km（长江科学院，2017）；而近年来中央更是投资44亿元在荆江河段（枝城至城陵矶）实施了大规模的河道整治工程（殷缶和梅深，2013），进一步影响了该河段的水沙输移及河床调整过程。 根据地理环境及水文特征，长江中游可进一步划分为宜枝（61km）、荆江（347km）、城汉（254km）及汉湖河段（295km）。 宜枝河段为典型的顺直型河段，主要为沙夹卵石河床，砾卵石所占比例自上而下递减，故近期上游床沙粗化更为显著，一定程度限制了河床冲刷下切；至于河岸组成，宜枝段岸线主要由低山丘陵组成，且受多个基岩节点控制，河道平面形态变化不大，河势也相对稳定。 荆江河段九曲连环，素有“万里长江，险在荆江”之说。2002～2018年荆江河段累计冲刷量达11.38亿m3，河床平均冲深1.7m，昀大冲深达16m（调关弯道）。崩岸现象在荆江河段尤为普遍，据统计2002～2018年荆江段岸线累计崩退长度为124km，占总岸线长度的17.8%（夏军强等，2021）。2004年6月向家洲段长180m、宽40m的岸线发生崩退；2005年12月青安二圣洲段出现三处“坐崩”，昀大一处崩岸长度达80余米（姚仕明，2016）。近期荆江段河床冲淤变形较为显著，不仅影响防洪安全及河势稳定，还严重威胁沿江经济社会发展和群众生命财产安全。 城汉河段以分汊河型为主，沿程分布有界牌、陆溪口等多个重点碍航河段，是长江中游防洪和航道整治的重点河段。城汉河段内广泛分布的洲滩对航道条件造成了不利影响：一方面，分汊河段枯水期水流分散，汊道进出口处容易形成碍航浅滩；另一方面，河段主流摆动、航槽易位较为频繁，导致航道的稳定性极低（孙昭华等，2011）。三峡水库蓄水前，城汉河段总体河势基本保持稳定，仅局部河段有所调整；但蓄水后河床的普遍冲刷引起了河槽形态和洲滩格局的显著调整，河床演变趋势难以预测。 汉湖河段同样为分汊型河段，与城汉段河岸组成类似，均以亚黏土和亚砂土为主，河岸呈现出不均匀的抗冲强度，总体上抗冲性较弱。 此外，前期研究普遍认为，坝下游河床受低含沙水流冲刷而下切，会降低汛期水位从而提升河道防洪能力（Lietal.，2009;Yangetal.，2017）。然而近期的大规模洪水灾害表明，虽然三峡工程的运用削减了洪峰流量，例如三峡水库2020年第五号洪峰入库流量达到75000m3/s，经水库调蓄后下泄流量削减为49200m3/s，但长江中游河道本身的过流能力并未得到显著提升，故防洪压力依然存在。 1.1.2　研究意义 各种人类活动通常会对河流系统产生扰动，对河床调整的影响尤为显著，传统的适用于天然河流的河床演变学理论与方法已无法满足当前河床演变研究的实际需求。因此，亟须完善河床演变学的基础理论，发展用于描述强人类活动影响下河流非平衡演变的分析方法与模拟技术，深化对上游水库修建以及河道整治工程作用下坝下游河床演变规律的认识。强人类活动影响下河床演变分析方法与数值模拟技术是河流动力学研究的重要内容，这方面成果对拓展与丰富河床演变学的基本理论和研究手段，具有重要的科学意义。 开展强人类活动影响下的河床演变研究，不仅是学科发展的要求，也是江河治理必须解决的重要难题。一方面，采用河演分析方法研究坝下游河床调整的定量响应规律，用于预测其整体演变趋势，以确定河流开发的昀大限度。另一方面，采用数值模拟进行详细的过程预测，研究变化环境条件下的水沙输移及河床变形过程，不仅有助于评估整治工程的实施效果，还能为防洪规划及河道治理提供更有力的技术支撑。 近20年来，上游建坝和大规模河道整治工程的实施，对长江中游河段水沙输移及河床调整产生了显著的影响。总体而言，进入中游的水量变化不大，但沙量剧减70%～90%，坝下游河床持续冲刷。由于不同的河道特性和人类干扰程度，坝下游不同河型河段呈现出不同的演变特点，掌握强人类活动影响下长江中游河道的水沙输移及河床演变规律，不仅是当前长江中游河道系统治理与防洪体系完善的重要内容，而且也能为长江经济带发展提供坚实的水安全保障。 1.2研究现状 1.2.1　坝下游河床演变的分析方法 冲积河流上修建大型水库后，坝下游河床演变过程不仅复杂，而且涉及范围大、历时长，不同河型河道呈现出了不同的演变特点。目前，实测资料分析法仍是河床演变研究的主要手段（许全喜，2013;唐金武等，2014;卢金友和朱勇辉，2014），但具体应用方法仍在不断创新发展之中。一方面，实测资料趋于多源，除常规的水沙、地形资料外，遥感影像等也被逐步应用到河床演变分析中；另一方面，结合理论推导或统计分析，对实测资料的分析方法也在不断更新中。 1.基于多元数据融合的河床调整特点研究 以往关于河床调整特点的研究主要基于实测地形资料，包括固定断面地形、长程河道地形等。通过套汇相邻年份固定断面地形，可确定断面形态的调整情况。唐金武等（2012）基于断面地形资料，统计了长江中下游不同河型、不同河岸地质的稳定坡比，探讨了深泓冲刷深度计算公式，通过计算三峡水库蓄水后两岸实际坡比，并与稳定坡比对比，进而预测两岸崩塌位置。夏军强等（2015;2017;2021）基于固定断面地形资料，提出了断面及河段尺度的平滩河槽特征参数计算方法，确定了长江中游平滩河槽形态的调整特点。然而，在长江中游，通常间隔2km设置一个固定断面，在弯道、汊道位置断面布置相对较密，各断面的测量点从几十到上百不等。因此，固定断面地形资料具有不连续的特点，仅能较为准确地反映断面所在位置的河床形态变化，无法体现相邻断面间局部河段的河床形态调整特点。但长程河道地形一般间隔200m（水上80～150m，水下200～250m）布设测量点，能更好地反映河道的地形和走向。许多学者常基于长程河道地形，研究河床冲淤变形情况，但长程河道地形数据测量耗时耗力，长江中游长程河道地形一般每5年测量1次，故适用于分析长时段的河床调整特点。若需研究更短时段内的河床调整情况，长程河道地形资料不能满足需求。 随着研究手段不断进步，遥感影像由于其长序列、间隔周期短、易获取、精度较高等优点，已被广泛应用于主槽摆动、洲滩调整、岸线变化和裁弯等河道平面变形的分析（Jung et al.， 2010; Marcus and Fonstad， 2010; Thakur et al.， 2012; Rozo et al.， 2014; Rowland and Shelef， 2016; Li et al.， 2017; Xie et al.， 2018）。常用的遥感数据包括Landsat系列卫星获取的TM、ETM+和OLI/TIRS影像，每16天实现一次全球覆盖，影像空间分辨率为30m，基本满足河道平面变形研究的时间和空间要求。例如，Yang等（2015）基于1983～2015年遥感影像，提取了长江中游下荆 江河段的主槽中心线，研究了三峡工程运行前后该河段的主槽摆动特点。Wen等（2020）基于1985～2018年的枯水期遥感影像，总结了长江中下游140个洲滩面积的变化趋势。 长江中游河道条件复杂，存在顺直、弯曲、分汊等不同河型。尤其是上游建坝后，河床演变更趋复杂，不同河型河道呈现出不同的演变特点，既需关注长时段（十余年）的演变特点，也需关注较短时段内（年内汛期或非汛期）的具体演变情况。因此，有必要结合多源数据，更全面地分析典型河段的河床形态调整过程及特点。 2.河床调整对边界条件响应机制的研究 考虑到上游建坝引起的再造床过程所覆盖的时间尺度往往达到数十年甚至上百年，人们关注重点在于河床演变特征量在较长时间尺度内的调整方向和粗略状态（郑珊，2013），故近年来基于非平衡态河流调整过程的理论与方法逐渐发展起来，包括建立河床调整对边界条件变化的响应机制，用于预测上游建坝引起的长距离、长历时的河床调整趋势（夏军强等，2016）。这类研究主要经历了以下几个阶段。 1）从定性规律到定量规律的研究 冲积河流由于具有可动边界及不恒定的来水来沙条件，始终处于不断调整或动态冲淤平衡状态，这就决定了研究河床演变的关键在于掌握它的变化规律，并进行定性以至定量的预报（谢鉴衡，1997）。所谓规律，指的是事物之间内在的必然联系，决定着事物发展的必然趋向。在本书范畴，定性的规律指从性质上确定河床的演变规律；而定量的规律，指通过具体的数据来体现存在的属性，即给出河床演变规律的量化结果，包括河床调整与各影响因素之间的定量函数关系。 Lane（1955）提出，流量Q、输沙量Qs、河床纵比降J和来沙组成（中值粒径d50）是影响河道冲淤平衡的主要因素，其中，Q和J的乘积代表水流能量，Qs和d50的乘积代表输送泥沙所需要的能量，它们之间的关系可表达为QJ∝Qsd50。两者的相对变化将引起河床调整，式中任一变量的改变都将破坏河流的输沙平衡，河道将进行冲淤调整以重建平衡。根据该式可大致定性地判断河道可能发生的调整方向，但不能给出具体的调整大小（郑珊，2013）。 随着本学科的进一步发展，不少学者开始探求河床演变的定量规律，其中基于平衡态河流演变理论提出的各类经验公式或河相关系成为一种重要的方式（Leopold and Maddock， 1953; Park， 1977; Lee and Julien， 2006; Navratil and Albert， 2010; Shibata and Ito， 2014）。冲积河流经过长期的水沙作用而达到相对平衡状态时，河床形态与水沙等边界条件之间存在某种定量关系，这种关系即称为河相关系（钱宁等，1987）。由此可知，河相关系给出了河床调整与边界影响因素间的定量关系。