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《武汉大学》 2006年
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水库下游水沙过程调整及对河流生态系统影响初步研究

张为  
【摘要】: 水库是人类开发河流资源、征服大自然的杰作,其对人类文明的发展起了非常重要的促进和保障作用。大坝对河流和人类社会的影响具有双重性。水库的修建在促进河流服务功能发挥和改善河流生态环境的同时,也产生了一定的负面效应,一旦超出了河流系统的承受能力,不仅阻碍了河流服务功能的发挥,严重时使整个河流生态系统失调或退化,破坏河流的健康。恶化的生态环境己成为许多区域社会经济发展的主要障碍。水库的修建最根本的是改变了河流原有的水沙过程,其引起的水沙输移变化、河床边界调整是存在于多种时间、空间尺度内的复杂过程,具有多方面的表现形式,其不仅造成河流生态系统的各种响应,还对河流系统各项服务功能产生多方面的影响,这些变化的结果直接决定着河流系统的健康状态。因此,深入研究水库下游水沙过程变化引起的水沙输移、河道形态以及河流生态系统的调整机理,对于维护河流系统健康,以及实现流域的可持续开发都具有重要意义。 目前水利学家、生态学家在相关领域都开展了大量的研究,然而由于对水库下游水沙输移、河道形态的变化规律还缺乏足够的认识,其与生态系统相互作用机制的研究也不多见,学科之间缺乏必要的交叉和融合。这些均制约了对河流系统调整机理研究的深入和水沙调控体系的建立。 本文以水库下游水沙过程变化为主线,力图揭示水沙特性、河道形态的变化规律以及与水库下游河流生态系统调整之间的相互作用关系。研究的特色在于:抓住了引起水库下游河流系统调整之根本,致力于水沙输移、河道形态以及生态系统之间各种动力关系的研究,为水库下游河流系统调整预测,维护河流系统健康以及水沙调控体系的建立打下基础。论文对水库下游的水沙输移、河道横向调整、微地貌变化、洪水特性等的变化规律开展了深入研究,以之为基础,对河流生态系统与上述因素的相互关系进行了详细讨论,根据河流生态系统调整的整体性、层次性和多尺度性等特点,提出了水库下游河流生态系统的模型框架。这是河流动力学与河流生态学相融合的初步尝试。所得的一些结论对于水库下游冲淤预测、河道调整、洲滩演变等方面也具有参考价值。 全文主要讨论了以下几个方面的问题: (1)简要叙述了本文所研究问题的起源、背景和研究意义。明确了水库下游产生的一系列变化都应归结于水沙过程的改变,无论是发挥河流的各种服务功能,还是维护河流健康,水沙过程的调节是十分必要的。深入研究水库下游水沙输移、河道形态以及生态系统的调整机理是实现水沙合理调节的重要基础。总结了水库下游水沙输移、河道调整、微地貌演变、洪水变化、生态系统的研究现状,拟订了本文的主要研究内容。 (2)总结了水库下游水文特性改变的一般特点。鉴于目前对水库下游泥沙输移特性未形成明确的统一认识,通过对建库前后水流能量及泥沙特征等影响因素变化特点的分析,表明建库后下游河道的输沙能力显著降低,并结合国内外众多水库的实测资料,得出以下规律:水库下游河道不同粒径的泥沙输沙量不会超过建库前天然水平,这与水库的运行方式、河流的河型等具体情况无关。 (3)分析了河道横向调整的各种影响因素,其中水流能量和河岸物质组成起着决定性作用。修建水库以后各种条件的变化是有利于使下游河道向较为稳定的方向转化的。从河宽及河道横向率的变化来看,水流能量的减小以及河床边界抗冲性的增加使得最终河宽向着束窄方向发展,横向摆动率向着减小方向发展。但在调整过程中,其不会呈单一变化,往往会出现反复,这取决于水流的作用力与河岸或河岸和河床的相对抗冲性对比。根据三峡水库下游各段的水沙变化特点和河床边界条件,分析了可能的横向调整趋势。上荆江限制性弯曲河段,由于水流能量的增加以及河床迅速粗化,会对上荆江河段局部薄弱位置的横向稳定性产生威胁。下荆江非限制性蜿蜒河段,由于水流能量有所增大,且河岸抗冲性相对较差,局部位置会出现侧蚀、展宽现象。对于城陵矶以下的稳定江心洲河段而言,由于建库前后流量变幅差别不大,而且距坝距离较远,沙量恢复程度高,因此不会发生明显的变化。 (4)以已建水库的资料为基础,对不同地貌单元对各种水、沙要素变化的响应特点进行了总结。选取长江中游沙市河段作为典型,分析了建库前后的洲滩的演变特点和变化趋势;在基础上,建立二维水沙数学模型对建库二十年洲滩的演变趋势进行了预测。得到以下认识:水沙输移特性是影响洲滩演变的关键因素;所建模型能够准确地反映该河段的水沙输移特性,对河段内洲滩,尤其是三八滩以及三八滩与腊林洲边滩等复杂的演变规律模拟较好,与实测结果和演变分析结论吻合较好。 (5)对水库下游洪水大小、出现时机、持续时间等特征值变化的一般规律进行了总结。以长江中游螺山~汉口段为例,分析了建库前后河道冲淤特性的改变对洪水过程的影响,得到以下认识:泥沙淤积使得洪水的重现期减小,洪水出现更加频繁。三峡建库后二十年,由于该段淤积量较小,洪水位没有明显变化。 (6)分析总结了水库下游水沙过程、水质条件、河道调整、洲滩分布、以及洪水特性与生态系统的相互作用关系,并分析了水库对下游生态系统的影响范围和强度。在此基础上,考虑了水沙过程、河床演变与生态之间的双向动力关系,建立了水库下游河流生态系统模型,根据地貌与生态系统相互作用关系,将河流生态系统划分成不同的层次单元,对不同层次各种研究对象所采用的模拟方法以及模型的集成进行了论述。
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