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水沙变异条件下河流系统调整机理及其功能维持初步研究

孙昭华  
【摘要】: 世界各国河流开发历史和经验教训表明,由于对人类活动引起水沙条件变化后河流系统的调整机理认识不足,流域开发中普遍引起某项或多项河流功能受损或衰竭。造成这种现象的深层原因,一是对河流系统中水、沙、河床之间的整体联系和互相影响的机理认识不足,导致河流系统中出现意想不到的现象和负面效应;二是对水沙变化和河流系统调整的后续环境、生态和社会效应认识不足,在保障或优化某项河流功能的同时,却导致河流系统整体健康的损害。因此,从整体上研究水沙变异条件下河流系统的调整机理,对于河流健康的保障具有重要意义。 保持河流各方面整体协调是流域开发研究的重点和必然趋势。然而,目前相关的研究大多是针对河流功能受损后的修复和防护,而对于水沙调节可能引起的河流系统功能调整研究甚少。大量事实表明,当人们意识到各种工程对河流系统的影响时,往往河流系统功能已受到明显损伤,对河流系统自然、生态环境的修复和重建是十分困难甚至不可能,防患于未然胜于任何补救措施。水沙变异后河流系统调整涉及领域广,时空跨度大。当前的研究已经在各相关领域中开展了相当广泛而深入的工作,但这些成果往往是从不同的角度出发,具有不同的时空尺度,而且由于是在单学科内结合河流系统的单方面属性开展,对相互之间的因果制约以及层次关系缺乏深入的认识,不利于对河流系统整体调整趋势的预测和分析。 本文以水沙变异为主线,遵循从原因至结果的顺序,力图建立不同变化与河流系统不同响应之间的联系,以便最终能够达到根据水沙变化而预测河流系统功能调整的目的。研究的特色在于,同时注重了河流系统动力特征、形态特征的动态变化及其防洪、生态等方面的效应,为河流系统调整预测和功能评估打下基础。论文对水库下游的泥沙输移、河型转化、浅滩演变等方面开展了深入研究,并对河流系统调整对区域整体的防洪形势、生态环境状态影响进行了详细讨论,是从不同方面、不同尺度同时研究河流系统的首次尝试,在河流系统动力与形态、微观与宏观、地貌与生态等变化的层次性、联系性方面得到了一些有益的认识。同时,论文结合了长江三峡下游的实际背景,一些结论对于长江水资源开发过程中河流系统功能的整体维持具有参考价值。 全文主要讨论了以下几个方面的问题: (1)分析了水沙变异与河流系统的作用特性,明确了河流系统各方面的调整实际上是系统输入特性的不同方面变化造成的;回顾了对河流系统及其功能的认识过程与研究现状,说明了建立水沙变化与河流调整对应关系的意义和必要性。 (2)鉴于目前对水库下游泥沙输移特征未形成明确的统一认识,本文以大量实测资料证明:水库下游的泥沙输移能力不可能超出建库前的天然水平,全沙和分组输沙量都符合这个规律,而且与水库运用方式、下游河床形态调整等因素无关。 基于水库下游泥沙输移变化一般特征,讨论了黄河小浪底调水调沙的可行性和三峡下游冲刷冲淤计算的合理性。利用水库调水调沙使下游河道输沙能力超过天然水平的尝试是值得斟酌的;目前对三峡下游的冲淤预测结论中,冲刷发展进程和冲淤分布存在值得商榷之处。 (3)分析了水、沙过程各种特征因素对河型过程的影响,明确水、沙、河床边界在河型塑造过程中的地位与作用。根据丹江口等水库下游水沙变异特点,分析总结了不同变异情况下可能发生的河型调整;结合三峡下游水沙条件的变化以及河型转化的机理,预估了不同河型区段的变化趋势:下荆江河段建库后首先发生下切,但由于流量增大的影响,冲刷将主要转为侧蚀,曲率有所增大。对于城陵矶以下的稳定江心洲河段而言,对流量变幅比较敏感,但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河型变化。 (4)以往对浅滩演变的研究多是针对个别浅滩特例,不够系统。文中尝试从水沙条件和河床形态的角度分析浅滩演变的实质,认为浅滩的主要影响因素是河床局部形态,河段挟沙力与来沙量二者之间的跟随性差是形成浅滩的主要原因,提出了通过断面挟沙力随流量变化的指数值来判别浅滩恶劣程度的认识。结合丹江口水库下游相关资料,总结了水沙变异条件下不同特征河段浅滩的变化规律;分析总结了天然情况下长江中下游浅滩成因并预估三峡建库后演变趋势。 (5)文中分析了修建水库对下游洪水过程时空分异性的影响,并以三峡下游为例开展了深入讨论。采用多种方法推求长江中游各种组合类型的典型洪水,为复杂区域的设计洪水推求提供参考,以此为基础,比较了三峡调节作用、下游的河道冲淤对中游各类型洪水过程的影响,三峡建库后前20年,长江中游尤其是城陵矶附近洪水形势依然严峻。 总结流域洪水泥沙过程模拟与调控方法,文中建立了适用于复杂大型河网的泥沙数学模型,水流、泥沙系数矩阵均可分组求解,提出了多种汊点分沙模式。 (6)分析了修建水库等水沙调节措施对下游河流生态环境影响的时空范围、作用方式;深入分析了生态需水量的概念内涵与基本要素,对各种估算方法的原理、适用性等进行了比较。 文中一定程度上也对河流地貌—生态系统之间的联系,生态环境的层次分级,状态评估指标确定原则等进行了探讨,为今后研究打下基础。 (7)探讨了如何利用水沙、河床、生态等各方面信息对河流系统整体功能进行评估,限制水沙过程最大调节程度的途径。 全文主要从水沙变异的角度讨论了河流系统的调整机理,强调了调整过程的层次性、关联性、时空分异性等特征,为水沙变异条件下河流系统功能预测和评估打下初步的基础。


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