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長江中游江-河-湖泥沙輸移及其對人類活動的響應 版權信息
- ISBN:9787030706041
- 條形碼:9787030706041 ; 978-7-03-070604-1
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
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長江中游江-河-湖泥沙輸移及其對人類活動的響應 內容簡介
本書采用近60年來的系列觀測資料,對長江中游江湖水沙過程、江湖關系水沙交換、氣候變化、大型水利工程、下荊江裁彎、湖區圍墾等自然變化及人類活動導致的水沙過程變異及其對江湖關系的影響等方面開展了較為系統的研究,全面反映20世紀50年代以來長江中游江-河-湖泥沙輸移規律、不同時期江湖分匯流變化、河床沖淤與泥沙交換、江湖關系變化及其驅動機制,為長江中下游江湖綜合治理與保護、江湖河道整治和三峽工程綜合效益的發揮,提供了極為重要的技術支撐。
長江中游江-河-湖泥沙輸移及其對人類活動的響應 目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及現狀 1
1.1.1 研究背景及必要性 1
1.1.2 國內外研究現狀 2
1.2 研究區域、數據源及主要方法 10
1.2.1 研究區域 10
1.2.2 數據源 11
1.2.3 主要研究方法 18
1.3 研究思路與主要內容 19
1.3.1 研究思路 19
1.3.2 主要研究內容 20
第2章 長江中游江-河-湖水沙基本特征 22
2.1 江、湖概況 22
2.1.1 長江中下游河道 22
2.1.2 洞庭湖 28
2.1.3 鄱陽湖 32
2.2 江湖徑流、泥沙特征 35
2.2.1 徑流 35
2.2.2 泥沙 42
2.3 長江中游江-河-湖泥沙通量變化過程 48
2.4 本章小結 52
第3章 長江中游江湖分流分沙關系變化研究 54
3.1 荊江三口分流口門河道演變 54
3.1.1 松滋口口門 54
3.1.2 太平口口門 61
3.1.3 藕池口口門 68
3.2 荊江三口分流洪道沖淤演變 73
3.2.1 河床沖淤變化 73
3.2.2 河床斷面形態變化 75
3.3 荊江三口分流分沙變化 83
3.3.1 年際變化 85
3.3.2 年內變化 90
3.3.3 分流能力變化 92
3.3.4 總體變化規律 95
3.4 三口分流分沙變化機理與趨勢探討 97
3.4.1 三口分流分沙變化機理 97
3.4.2 三口分流分沙變化趨勢探討 109
3.5 本章小結 110
第4章 長江中游江湖匯流關系變化研究 112
4.1 長江—洞庭湖匯流河道演變 112
4.1.1 深泓變化 112
4.1.2 深槽變化 114
4.1.3 典型橫斷面變化 115
4.1.4 河床沖淤變化 117
4.2 長江—鄱陽湖匯流段河道演變 118
4.2.1 深泓變化 118
4.2.2 灘槽變化 120
4.2.3 典型橫斷面變化 122
4.2.4 河床沖淤變化 124
4.3 長江—洞庭湖頂托關系變化 126
4.3.1 頂托關系變化特征 127
4.3.2 頂托作用大小及范圍 135
4.3.3 頂托影響因素 143
4.4 長江—鄱陽湖倒灌關系變化與機理 149
4.4.1 長江倒灌鄱陽湖基本特征 149
4.4.2 倒灌水流平面二維數值模擬 156
4.4.3 長江倒灌鄱陽湖基本條件 168
4.5 本章小結 171
第5章 江湖關系調整期泥沙交換及響應 173
5.1 江湖系統內、外部條件變化 173
5.1.1 水利樞紐工程 174
5.1.2 河(航)道整治工程 176
5.1.3 湖區圍墾與治理工程 180
5.2 江湖泥沙交換 182
5.2.1 長江干流沿程泥沙交換 183
5.2.2 長江—洞庭湖泥沙交換 188
5.2.3 長江—鄱陽湖泥沙交換 189
5.3 長江干流河道泥沙沖淤及響應 190
5.3.1 河床沖淤變化 190
5.3.2 河床形態響應特征 191
5.3.3 水位變化 197
5.4 洞庭湖、鄱陽湖泥沙沖淤及響應 200
5.4.1 洞庭湖 200
5.4.2 鄱陽湖 202
5.5 本章小結 204
第6章 江湖關系相對穩定期泥沙交換及響應 206
6.1 江湖系統內、外部條件 206
6.1.1 水利樞紐工程 208
6.1.2 河(航)道整治工程 211
6.1.3 水土保持工程 214
6.1.4 退田還湖、平垸行洪工程 218
6.2 江湖泥沙交換 219
6.2.1 長江干流沿程泥沙交換 220
6.2.2 長江—洞庭湖泥沙交換 222
6.2.3 長江—鄱陽湖泥沙交換 224
6.3 長江干流河道泥沙沖淤響應 224
6.3.1 河床沖淤變化 224
6.3.2 河床形態響應特征 227
6.3.3 水位變化 237
6.4 洞庭湖、鄱陽湖泥沙沖淤響應 239
6.4.1 洞庭湖 239
6.4.2 鄱陽湖 243
6.5 本章小結 247
第7章 新條件下長江中游江湖泥沙交換及響應 248
7.1 江湖系統內外部條件變化 249
7.1.1 河湖系統控制性水庫群 250
7.1.2 水土保持工程 255
7.1.3 河(航)道整治工程 256
7.1.4 人工采砂活動 261
7.1.5 地震、泥石流等 262
7.2 江湖泥沙交換 262
7.2.1 長江干流沿程泥沙交換 263
7.2.2 長江—洞庭湖泥沙交換 265
7.2.3 長江—鄱陽湖泥沙交換 266
7.3 長江干流河道泥沙沖淤響應 266
7.3.1 河床沖淤變化 266
7.3.2 河床形態響應特征 270
7.3.3 水位變化 289
7.4 洞庭湖、鄱陽湖泥沙沖淤及響應 291
7.4.1 洞庭湖 291
7.4.2 鄱陽湖 297
7.5 本章小結 303
第8章 長江中游江湖關系自然因素驅動機制 305
8.1 新構造運動 305
8.2 氣候(以降水為代表)變化 306
8.2.1 長江上游降水量變化分析 306
8.2.2 長江上游來水與降水關系分析 307
8.2.3 洞庭湖水系水量與降水量關系 309
8.2.4 鄱陽湖水系水量與降水量關系 311
8.3 長江中下游河床自適應調整 312
8.3.1 河床沖淤調整 313
8.3.2 河床粗化調整 315
8.3.3 河床縱剖面調整 318
8.3.4 河床斷面形態調整 320
8.3.5 洲灘形態調整 322
8.4 湖泊自然淤積 324
8.4.1 湖泊自然淤積成因分析 324
8.4.2 長江中游湖泊沉積特征 325
8.5 本章小結 326
第9章 人類活動對長江中游江湖關系演變的影響機制研究 328
9.1 湖區圍墾與退田還湖 328
9.1.1 湖區圍墾 328
9.1.2 退田還湖 332
9.2 下荊江系統裁彎工程 333
9.2.1 對干流河道的影響 333
9.2.2 對長江—洞庭湖關系的影響 339
9.3 水利樞紐工程 344
9.3.1 長江上游水庫群的攔沙效應 344
9.3.2 長江中下游河湖的水沙重分配效應 346
9.3.3 長江中下游河湖水沙平衡重建機制 353
9.3.4 長江中下游河湖水情綜合效應 361
9.4 水土保持工程 367
9.4.1 長江上游水土保持工程減沙作用 367
9.4.2 兩湖水土保持工程減沙作用 369
9.5 河湖采砂活動 373
9.5.1 干流河道及湖泊的采砂活動 373
9.5.2 河床采砂下切的概化模擬 376
9.5.3 河床下切對枯水的影響 377
9.6 本章小結 381
參考文獻 384
長江中游江-河-湖泥沙輸移及其對人類活動的響應 節選
第1章 緒 論 1.1 研究背景及現狀 1.1.1 研究背景及必要性 歷史上,長江沿江兩岸通江湖泊星羅棋布,形成了自然的江、河、湖復合水生態系統。長期演變形成的江湖水沙關系錯綜復雜,其變化歷經滄桑,一方面,隨著泥沙的逐年淤積,入湖水道淤塞、湖盆逐漸淤高,湖泊調蓄洪水的能力逐漸降低;另一方面,隨著沿江兩岸人口的快速增長和社會經濟的發展,湖泊蓄洪墾殖和圍墾活動增多,洞庭湖、鄱陽湖湖面日益分割縮小,洪水潰垸、湖垸互換現象頻繁,部分蓄洪墾殖區、圍墾區均已發展成為我國重要的商品糧、棉、油、麻基地,僅在江堤內的低洼地區保留著一些內湖作為蓄漬區。至1984年年底,長江中游尚存的大型通江湖泊僅有洞庭湖和鄱陽湖,其他通江湖泊均已建閘控制或墾殖。因此,當前長江中游江湖關系實際是指長江與洞庭湖和鄱陽湖的關系。 與國內外同類河-湖關系相比,自然通江的洞庭湖、鄱陽湖與長江之間形成的江湖水力聯系及水沙交換關系極為復雜。洞庭湖接納長江松滋口、太平口和藕池口(調弦口1958年建閘,以下簡稱荊江三口)分流及湘江、資水、沅江、澧水(以下簡稱湖南四水)來水來沙,調蓄后在城陵磯與長江匯流,形成吞吐長江之勢;鄱陽湖承接上游贛江、撫河、信江、饒河、修水來水來沙,由湖口北注入長江,與長江相互頂托(長江間或倒灌入湖),長江水情變化直接影響鄱陽湖的水量變化。長江與洞庭湖、鄱陽湖之間不同的水沙交換特性,形成了各具特色的江湖關系,其規模、復雜性及重要性獨一無二。近百年來,在一系列江湖整治工程、水土保持工程、水利樞紐工程等的影響下,江湖關系發生了劇烈調整,與長江中游江湖水系愈演愈烈的洪旱災害之間的互饋作用備受關注。特別是近年來,三峽工程等上游控制性水利樞紐相繼建成運行,強力驅動著江湖關系進入新一輪的調整,三峽工程運用引起的江湖關系改變及其對洞庭湖、鄱陽湖的影響越來越受到學術界的關注,從而大大提升了江湖關系這一概念的關注度,也極大地拓展了江湖關系概念的內涵。因此,從宏觀層面了解江湖關系的概念、內涵及其表征,剖析江湖關系變化與水資源季節性短缺、湖泊局部水質下降與富營養化加重以及湖泊和洲灘濕地生態退化等一系列水問題之間錯綜復雜的關系,客觀評價三峽工程蓄水運行的影響,成為政府、社會和學術界共同關注的焦點。 水沙交換關系是江湖關系的核心,也是江湖關系變化的紐帶。其變化影響著區域的洪水災害防治、水資源利用、水環境保護和水生態安全,是長江中游水問題的重要內容。水交換是江湖關系演變的驅動力,泥沙交換是江湖關系演變的物質基礎。同時,水和沙均是營養物質、微量元素、污染物等的載體。江湖之間水沙交換關系變化一方面會帶來河湖水資源量和泥沙總量的重分配、河道形態及湖盆形態的沖淤調整等直接效應;另一方面會對河湖調蓄能力、生態環境變化等產生間接效應,這些效應反過來又會影響水沙交換的強度。可見,水沙交換貫穿江湖關系變化的始終,是研究江湖關系的前提和基礎。 影響江湖水沙交換關系的驅動因子及其作用機制均十分復雜。國內外有關江湖關系的研究并不少見,但近60年以來的系統研究較少,僅有零星的關于河-湖水量交換變化特征的研究,對于江湖水沙交換的驅動研究也往往是單因子的研究,缺乏多因子的系統集成。縱觀長期以來江湖水沙交換格局的演變過程,其驅動因子主要包括以氣候變化、湖泊淤積、河床自適應調整為主的自然因子,以及水利樞紐工程、水土保持工程、湖區圍墾、河道(航道)整治工程、采砂活動等高強度的人類活動。 在不同時期,不同驅動因子對江湖關系演變過程的作用程度存在差異,特別是近年來以三峽水庫為代表的上游大型控制性水利工程建成運用后,江湖關系發生了一些新變化,這些變化帶來的影響成為社會各界高度關注的焦點問題。三峽工程對長江中游江湖關系變化的影響不是一個獨立的過程,而是在此前下荊江系統裁彎、葛洲壩水庫樞紐運行、水土保持工程實施等人類活動影響的基礎上的延展或疊加效應,且帶來的影響將更加深遠。因此,通過對荊江三口及江湖交匯河段水文資料和河道地形資料的整理分析及觀測試驗研究,探討近60年來長江中游鄱陽湖和洞庭湖與長江江湖水沙分流與頂托(倒灌)關系形成機制、現狀特征、作用強度與范圍,以及典型水文年江湖水沙交換通量的時空分布格局,對于深刻認識長江中游江湖水沙交換關系現狀及形成機制,科學評估不同驅動因子,特別是三峽工程等重大水利樞紐工程對江湖水沙交換關系的影響,都是十分必要的,也可為提出當前面臨的或將來可預見的主要問題的解決方案奠定基礎,是實現長江大保護的重要前提,意義非凡。 1.1.2 國內外研究現狀 江湖關系集復雜性、多變性、重要性于一體,歷來是國內外相關專業研究的重點領域,積累了大量的研究成果。水沙作為江湖連通的主要媒介,在江、湖之間的輸移交換中是河湖關系調整的動力條件和物質基礎。單就水沙交換現狀及驅動機制看,圍繞江湖水沙交換特征與規律、江湖水沙交換的宏觀效應、江湖水沙交換驅動機制及評估等方面的研究成果頗豐。 1. 江湖水沙輸移特征與規律 水沙輸移特征與規律是研究江湖關系的基礎。關于長江中游近幾十年河湖水沙輸移特征的研究主要可以分為三類:一是河湖來水來沙條件變化;二是江分入湖的水沙變化,通常是指荊江三口分流分沙變化;三是湖泊入匯水沙變化。 1)河湖來水來沙條件變化 長江中游干流河道的水沙大部分來自宜昌以上的干支流,區間還有較大的支流、湖泊入匯的水沙,因此,其變化特征有一定的區域性,并且水流和泥沙的變化規律近幾十年存在明顯的差異。Chen等(2001)根據宜昌、漢口、大通水文站1950~1980年資料分析長江徑流量和水沙量,認為徑流量變化不大,上中游輸沙量減少,但大通以下干流輸沙量穩定;將資料序列進一步延長至近期,可以發現近50年來長江入海輸沙量呈減少趨勢(劉成等,2007),且宜昌站、漢口站、大通站年平均輸沙量都有明顯的減少趨勢,各主要支流水文站減沙趨勢也較為明顯(府仁壽等,2003)。可見,早在三峽水庫蓄水前,長江干流沙量減少的現象就已經顯現。三峽水庫蓄水后,長江中游水沙來量及過程均發生了變化,徑流總量略偏枯,宜昌站年徑流量略有減少,由2003年前的3828億m3減少到2003年后的3607億m3,漢口站和大通站年徑流量長期以來沒有明顯的變化趨勢,在多年平均值上下波動(王延貴等,2014);中下游年內分配發生改變,包括中枯水期延長、*小流量增加(胡向陽等,2010),汛期水庫削峰防洪調度減小了壩下游洪峰流量(許全喜和童輝,2012)。與徑流變化相比,長江中下游干流泥沙輸移的變化基本達到變異的程度,Yang等(2005)研究表明,2003年三峽水庫的運行攔截了其下游長江干流河道和通江湖泊泥沙來源的88%,宜昌站、漢口站和大通站年輸沙量具有顯著的減少趨勢(王延貴等,2014),水流明顯變清,三峽出庫懸移質泥沙粒徑明顯變細,壩下游河床沖刷導致懸移質泥沙粗顆粒含量沿程增多,粒徑變粗,監利站粗沙量已基本恢復到蓄水前的水平,長江上游與中下游泥沙輸移的格局發生了變化,大通站泥沙來源和地區組成發生新變化(許全喜和童輝,2012)。因此,關于長江中游干流水沙條件的變化,已有研究在定性的認識上基本一致:徑流總量變化較小,年內過程在三峽水庫的調蓄作用下發生了改變,輸沙量的減少在三峽水庫蓄水前就已經出現,影響因素主要有流域水庫攔沙、流域水土保持、河道采砂等人類活動(王延貴等,2014),三峽水庫攔沙作用進一步加大了泥沙的減幅。 近60年洞庭湖水沙主要來自荊江三口和湖南四水,其中荊江三口既是洞庭湖水沙的重要來源,也是連接長江和洞庭湖的主要紐帶,關于荊江三口分流分沙變化的相關研究在后續章節詳細展開,本節側重于已有湖南四水來水來沙條件研究的闡述。與長江干流相似,湖南四水流域的水沙變化也集中體現在輸沙方面,并且影響因素也主要為水利樞紐工程和水土流失治理工程兩類。早期對洞庭湖水沙條件的關注大部分是基于湖區泥沙大量沉積和洪水調節效應,同步計算裁彎前后四水多年平均入湖徑流量、泥沙量,發現年徑流量減少2.3%,年輸沙量減少14.3%(張祥志,1996)。伴隨四水流域大量水利工程的修建和水土保持工程的實施,李景保等(2005)研究1951~1998年四水水沙變化規律發現,其徑流在時間序列上呈緩減緩增趨勢,且波動幅度很小,以致四水入湖徑流變化對洞庭湖徑流演變未造成深刻影響,但四水入湖輸沙量在時間序列上呈減緩趨勢(共減少約2030萬t),分析其主要原因:一是水庫截留了泥沙,全流域12825座大中小型水庫在20世紀60~80年代共持留泥沙9.549億t;二是水土流失綜合治理減少了河道泥沙來源。關于水庫攔沙的影響,林承坤和高錫珍(1994)研究認為資水和沅江上建成的柘溪、鳳灘兩座大型水庫的攔沙作用,不僅使得四水輸沙量減少,而且改變了四水的輸沙過程。 鄱陽湖與長江干流呈單連通關系,湖區的水沙主要來自江西五河流域,受多種自然因素和人為因素的綜合作用,流域水沙條件不斷變化。郭鵬等(2006)研究鄱陽湖湖口、外洲、梅港站1995~2001年水沙變化及趨勢發現,外洲站徑流量無趨勢性變化,沙量減少明顯,梅港站徑流增加而沙量無趨勢變化;鄱陽湖20世紀90年代入江水通量具有明顯的遞增趨勢,21世紀初則呈遞減趨勢,而沙通量在20世紀50~90年代間有明顯的遞減趨勢,2000年以來呈明顯遞增趨勢(羅小平等,2008)。五河徑流變化過程存在相似性,但輸沙量變化比較復雜,外洲、李家渡、梅港和虎山站的輸沙量在1985年以后減少趨勢顯著,萬家埠站直到1999年才開始減少,水利設施(尤其是水庫)對五河的水沙變化影響很大(孫鵬等,2010)。五河流域內人類活動引起水土流失*為嚴重的階段為20世紀70年代中期到80年代末,同時大量的水利工程建設也會影響流域的水沙狀況,尤其是對輸沙量的影響較大。鄱陽湖入湖水沙變化仍然是以輸沙量減少為*顯著的特征。長江水沙倒灌鄱陽湖,部分年份對入湖水沙有一定影響,如1963年倒灌沙量達到372萬t,占該年五河入湖泥沙總量的83.8%,倒灌的泥沙多淤積于湖口至星子之間的水道上(朱宏富,1982)。一般當長江上、中游來水增加,九江水位高于星子水位0.6 m,且湖口水位高于星子水位0.1 m時,江水倒灌入湖或阻礙湖水出湖,調蓄長江洪水。倒灌多發生在7~9月長江中上游主汛期(孫曉山,2009)。 縱觀已有關于長江中游河湖來水來沙條件的論述,其大體的結論認識存在相似性。無論是干流還是湖區的主要支流,近幾十年徑流變化的程度相對較小,諸如三峽水庫蓄水也是更多地改變了徑流的年內過程,對徑流總量的影響較小;輸沙量則不然,以水利樞紐工程和水土保持工程為代表的人類活動長期作用于輸沙量的變化,使得進入長江中游河湖系統的沙量均呈減少的趨勢,尤其是三峽水庫蓄水,更使得干流輸入長江中游的泥沙被大量截留,由此導致洞庭湖入湖泥沙減少。長江中游近60年的水沙變化過程更確切地說是徑流量波動性變化和輸沙量階段性減少的過程,水沙自身的變化必然引起河湖交換通量的改變。 2)荊江三口分流分沙變化 20世紀50年代以來,受高強度人類活動及自然條件變化的影響,荊江河段河勢、河床形態、水力因素、水沙條件均發生了較大的變化。下荊江人工裁彎、自然裁彎顯著改變了所在河段的河勢,引起本河段及上游一定范圍河段內水位、比降、流速等水力因素的劇烈變化,溯源沖刷現象明顯,上游葛洲壩水利樞紐運行后,1981~2002年平均每年有830萬t泥沙被攔截在庫內(Yang et al.,2007),使得荊江河段河床沖刷繼續發展,干流水位進一步下降。21世紀初,葛洲壩上游的三峽水庫蓄水后,進入長江中游的水流含沙量急劇減小(Dai et al.,2009;Dai and Liu,2013),荊江河段河床沖刷強度再次加大(Maren et al.,2013;Hu et al.,2015),與此同時,長江干流遭遇枯水水文周期,干旱頻發(Xu et al.,2008;Zhang et al.,
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