三峡封坝前长江中下游河床沉积物分布及河床稳定性模拟研究

摘要

河流是连接陆地和海洋的枢纽，是全球变化在区域响应上最敏感的地理位置之一。随着社会的发展和需求，人们越来越重视河流环境的变化，不仅是因为河流培育了我们人类的文明，更重要的是河流的可持续利用关系到人类社会发展的千百年大计。河流沉积物作为河流地貌单元组成的核心，是探讨河流沉积地貌环境演化最基本的要素；发现和揭示沉积物在流域环境中的产生、搬运和沉积机理，特别是在不同条件下的沉积过程，是河流地貌学家一件十分有意义、而且十分艰巨的任务。 长江作为我国第一、世界第三大河，其流域地貌环境的变迁、季风降雨作用以及高强度人类活动对环境的影响已经引起国内外广大学者的高度兴趣和关注。三峡水库的建设和在2009年的最终封坝将对三峡以下流域地貌环境产生深刻的影响。这种影响的评估必须基于对封坝前长江流域进行的全面的调查与研究。本文通过研究组在三峡封坝之前所取得的长江中下游水文泥沙资料，建立了三峡封坝之前长江中下游干流床沙数据库，阐明了长江中下游干流在长期自然和社会影响下的水沙运动规律特征，结合同河段的水沙参数，利用各种泥沙运动力学模型，分析了中下游河床地貌的纵向和侧向的稳定性；并在大量历史数据的基础上，对长江中游河道随流量变化沉积物运移趋势进行模拟预测，为长江中下游洪水防治、河道整治以及三峡水库建成后的河道变迁比较研究提供科学的依据。 长江中下游沉积物颗粒分布基本呈现从向下游方向波动变细的趋势，从300μm下降到100μm；分选也相应变好(0.5-2.5)；偏度系数(SK)略向下游增大，分布一般在0-0.8之间；峭度系数(KG)波动性略强，分布在0-4之间。相对来说南部样品比北部样品略粗，而主航道的样品最粗，体现河流能量主要集中在主航道，而科氏力的作用使河道南部沉积物粒径有所增大。而两侧沉积物粒径波动性大于主航道，且趋势基本相反则表现了“凹岸侵蚀，凸岸堆积”河流运动特征。徐六泾以下河段沉积物明显变细，一般低于100μm，体现河口地区江面展宽，水流变弱，泥沙大量淤积。沉积物在鄂州—武穴河段和芜湖—徐六泾河段有粗化的趋势，平均值分别为203μm和178μm，推测其原因可能是受河道采沙影响。 有序聚类分析将长江中下游沉积物分布分成12段(Ⅰ-Ⅻ)，显示长江流域河流地貌形态对沉积物分布的控制作用。基岩控制的顺直微弯河段往往主航道和两侧沉积物均较粗，如宜昌—宜都河段(Ⅰ)和武汉—东流河段(Ⅵ-Ⅶ)，平均值达到200μm以上；弯曲河段和分汊河段两侧沉积物颗粒粗细不均、沿程波动很大，如下荆江河段(Ⅲ)和铜陵—芜湖河段(Ⅸ)，平均值分别为146μm和105μm。 以泥沙起动流速(SedimentInitialVelocity)和单位水流能量(UnitStreamPower)分析主航道床沙输移能力，得出长江中下游主航道沉积物基本受水流改造充分，存在12个采样点沉积物与河道水动力不匹配。用不同年份的航道图叠置研究河道断面演变趋势，结果发现，这些河段的主航道处于淤积状态而在剖面的其他位置具有冲刷趋势。单一河道表现为侧岸侵蚀；分汊河道表现为支汊刷深，尤其在下游铜陵-芜湖河段(Ⅸ)集中出现，是长江中下游河道整治的关注重点。下游江阴河段的主航道淤积则可能由潮流顶托作用造成。 以弗洛德数(FroudeNumber)、单位水流能量(UnitStreamPower)和水流摩阻流速(flowshearvelocity)作为水流动力的参数；以床沙起动流速(SedimentInitialVelocity)、河床剪切力(Shield'sStress)和河床摩阻流速(Riverbedshearvelocity)作为沉积物阻力的参数，对非洪季长江中下游河道沉积物输送能力进行分析，结果表明：长江中游各河段沉积物运移能力相差较大，宜昌-城陵矶河段(Ⅰ-Ⅲ)，水流动力逐步下降，弗洛德数从0.17下降到0.09，河床剪切力则持续上升，达到3N以上。与长江从宜昌开始逐步脱离基岩控制进入江汉盆地，河道弯曲多变的流域地貌相适应。尤其在下荆江段，受四口入洞庭湖影响，水流动力明显降低，水流摩阻流速从0.05m/s下降到0.03m/s，而河床摩阻流速则上升到0.06m/s，水流无法推动主航道沉积物运动，主航道处于淤积的趋势。同时下荆江河断侧向侵蚀力强，平均值达到0.17N/m2，表明下荆江河段具有强烈的侧向迁移趋势，是长江中游河道整治的重点。城陵矶以下河段水流摩阻流速基本大于河床摩阻流速，主航道沉积物基本处于运动状态。其中汉口-铜陵河段(Ⅵ-Ⅷ)顺直微弯河道和分汊河道相间分布，不同河型对沉积物运移控制明显。顺直河段水流摩阻流速与河床摩阻流速基本平衡，沉积物搬运不明显；而分汊河道主汊水流摩阻流速大于河床摩阻流速，底床搬运强烈，且对侧岸的侵蚀力也较大，马当地区甚至达到0.21N/m2。而芜湖-江阴河段(Ⅹ-Ⅺ)接近入海口，水流动力减缓，弗洛德数仅为0.06，但水流摩阻流速仍大于河床摩阻流速，主航道沉积物搬运相当明显。 利用长江中游水文站实测资料分析随流量上升水流摩阻流速与河床摩阻流速的相关关系，探讨长江中游地区大流量条件下床沙的输运能力。结果表明：长江中游河段沉积物搬运的临界值向下游方向逐步增加，宜昌—宜都河段流量大于20,000m3/s时，水流摩阻流速大于河床摩阻流速；上荆江河段上升至30，000m3/s，下荆江—汉口河段则为40，000m3/s。一方面受四口入洞庭湖影响水流动力减弱；另一方面也与河谷地貌发生改变，从两岸基岩控制到进入江汉盆地，河谷面积迅速增大有关。40，000m3/s流量以上长江中游沉积物均会发生运移，若水流中挟沙力不饱和，则水流不断使推移质变为跃移质和悬移质，快速向下游运移，河道发生冲刷；若水流中挟沙力达到饱和，则床沙难以进入水流进行悬浮运动，同时不断有泥沙从悬移质变为推移或跃移质随底床向下游运移，河床处于动态淤积状态。

目录

文摘

英文文摘

学位论文独创性声明及学位论文使用授权声明

第一章绪论

第二章区域概况

第三章研究方法与技术路线

第四章长江中下游干流沉积物及水文参数沿程分布特征

第五章长江中下游河道稳定性模拟

第六章基于三峡封坝前长江中下游干流沉积物预测的大流量下的河床纵向稳定性

第七章认识与结语

参考文献

附表

致谢