长江中下游河槽物理过程

作者简介

内容简介

第1章 绪 论
　　1.1 研究长江中下游河槽物理过程在生产实践中的重要意义
　　长江发源于青藏高原唐古拉山脉各拉丹冬峰西南侧，横贯中国东西11个省份(青海、西藏、四川、云南、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、江苏、上海)，于上海注入东海，干流全长6397km，总落差约5400m(杨达源， 2006)，流域面积达180万km2，是我国**大河，在世界大河中列居第三，其长度仅次于尼罗河和亚马孙河。
　　长江中下游地区包括湖南、湖北、江西、安徽、浙江、江苏和上海六省一市，面积达88.58万km2，占全国总面积的9.23%，2010年第六次全国人口普查七省市人口总数3.83亿，占我国总人口的28.59%，2013年区域GDP总量达到20.05万亿元，占全国的35.81%，是我国人口分布密集、经济发达地区。长江中下游河流密布，河流两岸自古以来为人类繁衍生息之地，河流对人类活动的影响深远。河流有水利的一面，也有水害的一面，如何变水害为水利，是人类和大自然做斗争的主要内容之一。因此，自20世纪50年代以来，长江干流及其支流建造了超过50000座大坝和水库(Yang et al.， 2011)，与此同时，中下游地区有一系列拦蓄引调水利工程和水土保持工程、大规模采砂、过江大桥、滩涂围垦、滩涂和江心沙水库、深水航道及其上延工程、码头与港口扩建工程。这些工程建设，在有效治理水灾和经济发展、资源保障的同时，也改变了河流天然的水沙过程、边界条件和相对平衡，引起了河床的再造床过程和下游河道的冲刷和滩地的坍塌。即使是一些局部性的引水、裁弯和桥渡工程，也会引起当地河道的而改变。对于这些改变，过去钱宁等(1987)在其《河床演变学》中提到，如果事先不能做出预测、预报、预警和及时采取措施，不但会带来新的困难，甚至还会使工程失效。因此，这是目前国家战略之一的长江大保护和长江经济带建设亟须开展长江中下游河槽物理过程这一基础科学研究工作。
　　1.2 地 貌 概 况
　　根据河流地形、地质条件和气候差异等因素，以湖北宜昌、江西湖口为分界点将长江分为上游、中游和下游。其中，长江源头至宜昌为长江上游，长约4500km，流域面积约100万km2。在上游距宜昌约43km处，建有三峡大坝。宜昌至湖口为长江中游，长约955km，流域面积约68万km2。其中，从湖北省枝城到湖南省城陵矶长约420km的河段称为荆江，以藕池口为界又分为上荆江(枝城-藕池口)与下荆江(藕池口-城陵矶)，河道蜿蜒曲折。湖口以下为长江下游，长约930km，流域面积约12万km2(董耀华和汪秀丽， 2017)。
　　长江支流水系发达，集水面积超过1000km2的支流有437条；集水面积超过1.0万km2的支流有22条(余文畴， 2005)；超过80万km2的支流有8条，分别为雅砻江、岷江、嘉陵江、乌江、沅江、湘江、汉江和赣江。长江流域的湖泊面积约1.5万km2，约为全国湖泊面积的五分之一，拥有我国最大的通江淡水湖泊——鄱阳湖。流域内湖泊星罗棋布，往往呈群出现，形成广阔低洼的湖区，其中，我国五大淡水湖泊中有四个分布在长江流域(周兴志和赵建功， 2004)。
　　宜昌市以下河段为长江中下游，全长约1750km(图1-1)。整体上，宜昌至枝城河段为峡谷河段向平原河段过渡区，沿江两岸有多级阶地发育；城陵矶至鄱阳湖湖口两岸多山矶、节点；湖口以下为广阔的河流冲积平原，河流南岸有多处节点控制；大通以下受到东海潮汐影响，属于感潮河段(濮培民， 1994; 石盛玉等， 2017)。而且，长江中下游位于扬子准地台，受新构造运动的影响，以沉降作用为主；南北两岸的大地构造单元也不同，右岸相对抬升，左岸下沉。大通至河口河段由于淮扬地盾与江南古陆的构造运动的原因，流域内发生了强烈褶皱或断裂运动，形成了一系列断裂的破碎带(屈贵贤， 2014)。
　　图1-1 长江中下游干流示意图
　　长江入海河口三角洲地区是长江经济带发展的重心和我国人口最密集的区域之一，河口河槽及三角洲演变对我国经济发展、航运事业以及港口安全至关重要。1970年以前，长江水下三角洲体系的面积约2万km2(Milliman et al.， 2008; Yang et al.， 2015)，然而，在过去的几十年里，长江干流及其支流建造的超过5万座大坝和水库，已致长江中下游至河口三角洲地貌体系发生了不同程度的自适应调整现象(张晓鹤， 2016; Lai et al.， 2017; Luo et al.， 2017)；三峡大坝下游河槽剧烈冲刷(Chen et al.， 2007; Xia et al.， 2016；Zheng et al.， 2018a， 2018b; Shi et al.， 2018)、河口三角洲区域性侵蚀后退(Luo et al.， 2017)、通江湖泊特征水位与面积显著变化(Zhou et al.， 2016)等。与此同时，长江河口大量工程建设与相对海平面上升叠加导致潮区界变动段上移(石盛玉等， 2017；2018)，长江河口区潮位上升，动力条件也将发生变化，河口河槽冲刷加剧等一系列问题对长江中下游河槽演变的影响不容忽视(程和琴等， 2015; 程和琴和陈吉余， 2016; Cheng and Chen， 2017; Cheng et al.， 2018)。
　　因此，长江中下游河槽冲淤与微地貌演变如何自适应流域与河口人类活动的强干扰亟须进一步探讨，对预测长江河口三角洲演变、河流两岸城市防洪安全以及岸线资源的开发与利用具有重要的现实和科学意义。
　　1.3 径流输沙概况
　　长江水量丰富，入海口年均径流量达9156亿m3(根据1950～2003年水利部发布的“中国河流泥沙公报”计算)，约占全国河流径流总量的36%，在世界上仅次于亚马孙河和刚果河。长江流域年均降水量1067mm，但降水年内分配很不均匀，每年冬季(12月至翌年2月)降水量最少，从春季开始(3～5月)降水量逐月增加，到夏季(6～8月)长江中下游月降水量可超过200mm，秋季(9～11月)再逐渐回落，其中长江下游连续最大4个月降水量可占全年总量的50%～60%(长江水利委员会水文局，2010)。
　　长江流域多年平均降水量达1100mm，但时空分布不均(余文畴， 2005)。如四川盆地四周山地和高原高程为1500～3000m，形成了冬、夏季节气温变化小的封闭式气候；而金沙江流域由于西北高(高程3000～4000m)、东南低的地貌特征(高程仅约2000m)，形成了局部的立体气候，干湿气候特征明显，年降水量为600～1000mm，每年5～10月进入湿润季节，降水量为500～900mm；11月至翌年4月进入干季，降水量不足100mm (周兴志和赵建功， 2004)。
　　长江径流主要由降水补给(戴明龙和张明波，2013)，径流的地区分布与降水分布基本一致(长江水利委员会水文局，2010)，总体特征是南岸大于北岸，下游大于上游(水利部长江水利委员会，1992)。统计资料显示(图1-2)，汉口水文站多年平均径流量(1954～2015年)为7040亿m3，多年平均输沙量为3.37亿t。近十年(2006～2015年)汉口站平均年输沙量仅为0.90亿t；大通水文站1951～2002年以来，多年平均输沙量约4.27亿t，近十年来大通平均年输沙量迅速减少至1.40亿t，仅为以前输沙量的1/3。
　　图1-2 1953～2013年汉口水文站和大通水文站年径流量和年输沙量
　　(a)汉口站；(b)大通站
　　位于安徽池州的大通水文站是长江干流入海前最后一个具有长期观测资料的水文站，始建于1922年，距口门约624km，由于其下游河段汇入流量仅占3%～5%，可以较好地代表长江流域的径流情况，常被用作长江河口径流量的控制站。自运行以来，实测最大流量为9.26万m3/s(1954年)，实测多年平均流量为2.93万m3/s，最大年平均流量为4.13万m3/s(1954年)，最小年平均流量为2.2万m3/s(1972年)，最高月平均流量为8.42万m3/s(1954年8月)，最低月平均流量为6730m3/s(1963年2月)(恽才兴，2004)。年径流总量为9240亿m3，为珠江的2.6倍，黄河的17.5倍(陈吉余等，1988)。径流量随季节变化明显，洪季出现在5～10月，占全年径流总量的71.7%，主要集中于7月；枯季在11月至翌年4月，占全年径流量的28.3%，其中以2月最小。大通站实测最大年平均输沙量约为6.78亿t(1964年)，最小年平均输沙量为0.848亿t(2006年)，实测多年(1956～2009)平均输沙量约为3.88亿t(Jiang et al.， 2012)。输沙量也有明显的季节变化，在年内的分配比水量更集中，洪季6个月的输沙量约占全年输沙量的87%，以7月最高，约占全年的21%，枯季6个月的输沙量仅占全年的13%，以2月最小，输沙量不足全年的0.7%，月平均最大与最小输沙量之比为35.6(陈吉余等，1988)。据估计每年约有40%的悬沙沉积在长江河口(Zhu et al.， 2015)。
　　大通水文站近60年来水沙观测资料如图1-2(b)所示，1950～2011年年平均径流量为8944亿m3，1953～2011年年平均输沙量为3.63亿t(余雯等，2015)，1951～2010年年平均悬沙浓度为0.437kg/m3(中华人民共和国水利部，2006)。其中，最大年径流量(1998年)为12500亿m3，最小年输沙量(2011年)为0.718亿t。20世纪90年代以前，径流量与输沙量的变化趋势基本相同，90年代以后，径流量继续保持相对稳定，但输沙量逐渐减少，年均减少0.08亿t。尤其在2003年三峡水库的建成运行，一部分泥沙被拦截，输沙量迅速减少，直到近十年才小幅回升并逐渐稳定在1.3亿t左右(水利部长江水利委员会，2000，2011，2012，2013，2014)。
　　长江中下游河道泥沙主要来自宜昌以上，前人研究表明，河床表层沉积物从上游向下游逐渐细化，如宜昌-枝城河段河床表沉积中值粒径约0.23mm，至长江口南槽口外则为12.10μm(李茂田， 2005; 刘红等， 2007)。
　　长江河口的河槽表层沉积物主要由细砂、粉砂和黏土组成(Liu et al.， 2010)。长江河口位于副热带季风气候区，风向季节性变化较为明显，SE-ESE为其常风向，NW-NNW为其强风向，夏季盛行偏南风，冬季盛行偏北风，春季偏北气流逐渐减弱，偏南气流逐渐增强，东南风盛行在4月份，秋季情况正好相反，偏北气流逐渐增强，偏南气流逐渐减弱，偏北风盛行在10月份(Yang et al.， 2015)。河槽表层沉积物的中值粒径(D50)和D90分别是0.178和0.218mm(Wu et al.， 2016)。河槽近底层(1m左右)的流速为0.63m/s(郑树伟等，2016；Zheng et al.， 2016)。
　　1.4 流域与河口工程简介
　　长江中下游至长江三角洲是我国经济较发达的地区，治理与开发长江对我国经济发展具有重要的战略意义。水利部长江水利委员会于1990年通过的《长江流域综合利用规划简要报告》(1990年修订)制定了长江流域综合利用与规划的主要任务。其内容包括水资源开发与利用、防洪、水力发电、灌溉、航运、长江中下游干流河道整治、南水北调、长江沿岸城市发展规划布局意见、城市供水等。其中，在长江水系航道规划中提出了长江中下游通过疏浚与整治工程，稳定河势，固定岸线等形成水系航道网的要求。近年来，长江中下游流域进行也实施了航道渠化、岸滩整治、疏浚等工程(表1-1)。
　　一般而言，河槽作为河流地貌单位，其演变对气候变化和人类活动具有一定的自适应调整能力，这一过程主要通过泥沙的起动、搬运和堆积实现，在河槽地貌上表现为河槽冲刷、动态平衡和淤积现象(Lamberth et a