以三峡水库为核心的长江上游水库群陆续投用后,水库拦截大量泥沙,“清水”下泄,导致坝下游河道处于长时间、大范围冲刷下切,对河势稳定、防洪安全及供水安全等带来影响。基于实测资料分析了三峡等上游水库拦沙与长江中下游河道冲刷的关联性,得到以下结论:2003年7月1日—2021年10月31日三峡水库泥沙淤积量断面法统计结果为17.84亿m³,考虑库区区间来沙输沙量法统计为22.38亿m³,两者相对误差为25.4%,2种方法计算结果差异不大;长江中下游宜昌—大通河段累计冲刷量断面法测算为31.46亿m³,显著高于输沙量法的8.99亿m³,结合枯水期水位下降规律得到河槽冲刷量来判别,断面法结果更具合理性;流域减沙总量达84.95亿m³,不考虑中下游人类活动影响,流域拦(减)沙量与下游冲刷量比值为1∶0.48,这与典型已建水库的规律基本相符,其中三峡水库淤积量引起长江中下游河道冲刷量约为10.74亿m³。

水库修建后下泄水流的含沙量大幅减少,泥沙沿程恢复引起下游河道冲刷调整,可能会给下游防洪、水资源利用及水生态环境等方面带来一定影响,同时该研究也是河流泥沙动力学的难点之一。从泥沙恢复特征和理论研究2个方面归纳总结了现有研究成果,得到以下认识:①不同水库下游河道泥沙恢复过程呈现较大差异性,对下游河道泥沙恢复规律认识也不尽相同,其中粗、细泥沙沿程恢复过程中是否存在相互交换仍缺乏一致认可的观点;②泥沙恢复饱和系数的经验计算结果与实际资料具有较高的吻合度,但受限于实测资料的差异性,经验公式的适用范围受限,且其物理意义、计算表达式及取值等尚未形成统一认识;③在泥沙恢复饱和系数重要影响因素的研究中,关于平衡输沙含沙量垂线分布的成果较为丰富,其主要难点集中于次饱和水流条件下泥沙浓度的垂线分布,一些关键参数如非饱和系数c、加权系数$\mu $、底部含沙量S_b等计算取值仍未得到较好的解决。鉴于当前研究不足,未来可从以下方面推进研究:①加强原型观测,尤其应强化含沙量垂线分布的专题观测,利用人工智能等先进技术对观测数据进行整合与分析,为后续深入研究提供数据支撑;②利用先进精密的测量仪器,深入开展相关水槽试验,为理论研究提供精确、全面且系统的观测资料,推动相关理论关键参数的突破;③结合实测资料分析及水槽试验研究,深入研究泥沙沿程恢复的基础理论,并深化次饱和水流含沙量垂线分布等方向的研究。

为支撑乌东德水库实际调度排沙,建立乌东德水库干支流河道一维非恒定流水沙数学模型,利用蓄水后实测资料验证模型的可行性,继而模拟乌东德水库蓄水运用初期典型水沙过程的排沙特性。结果表明:7—8月份,乌东德水库在入库水量较大时均具有较强的排沙能力,水库具备利用大水排沙的有利条件;受入库沙量大幅减小影响,7—8月份乌东德水库变动回水区泥沙淤积量及占比均相对较小,水库具备开展优化调度的有利条件;汛期(7月份),来水较大时库水位>965 m后,变动回水区淤积占比开始逐步增加但淤积量很小,来水较小时变动回水区淤积规律类似,但对应临界库水位为960 m;蓄水期(8月份),来水较大时起蓄水位抬高对变动回水区淤积量及占比影响很小,来水较小时变动回水区淤积占比会随起蓄水位抬高而相应增大,但淤积量仍较小。研究成果可为水库优化调度提供参考。

塔里木河中游河道冲淤演变是影响流域水资源安全的关键因素。为明晰不同来水条件对河道形态的影响,根据实测地形资料,建立塔里木河中游典型河段8.41 km的一二维泥沙输运模型,探讨河道特征断面冲淤演变规律。结果表明:相较流量、含沙量、含沙量日变化量,流量日变化量是影响河道断面深泓点冲淤变化强度的主要水文因素;冲淤过程呈现显著季节性分异,其中,汛后期流量日变化量与深泓点高程日变化量的相关性更好,不同时段对河道主槽演变调整效果排序为汛后期>汛期>汛前中水期>汛前枯水期。研究成果为塔里木河干流中游河道治理、生态修复提供科学依据。

随着人类活动加剧和极端气候事件频发,长江河口面临来沙量锐减、汛期异常干旱以及极端洪潮灾害频发等一系列问题,导致长江口洲滩地貌显著调整。基于1958—2022年长江口水文、泥沙及地形实测资料,系统研究了长江口北支进口段与南支河段河道演变特征及规律,重点分析了北支进口段与南支河段近期河道演变的驱动因素及差异化特征,提出了针对长江口北支与南支河段河道演变特点的治理对策。结果表明:北支进口段近期受圈围等工程和自然淤积等因素影响,淤积趋势明显;南支河段受上游来沙量锐减、径流动力增强及整治工程实施等综合影响,河槽呈冲刷态势,但整体河势基本保持稳定。研究成果为长江口河道的综合治理提供科学依据和技术支撑。

长江中下游洲滩民垸众多,发挥着行蓄洪水、维持河势稳定、保障生态等重要作用。选取长江中下游下荆江河段、湖口至大通河段典型洲滩民垸,分别建立平面二维非恒定水流数学模型,计算分析了1954年经三峡及上游水库群调度后的洪水条件下典型洲滩民垸的行蓄洪作用,研究了洲滩民垸不同启用水位下的分洪运用效果及江心洲(垸)和外滩(垸)分洪效果的差异。结果表明:洲滩行蓄洪运用后可以有效降低短时间内河段洪水位,且洲滩仅蓄洪作用小于洲滩行蓄洪运用。当洲滩民垸均蓄满之后,河段洪水位降幅十分有限,在退水期,由于充蓄在洲滩内的洪水经口门进入河道,河段洪水位略有抬高;洲滩民垸启用水位越高,对控制站水位影响越大,但水位降低持续时间有所减少。研究结果可为长江中下游干流洲滩民垸分级优化调度运用方案及防洪治理建设提供借鉴和参考。

长江下游官洲段是典型的鹅头型汊道河段,洲滩汊道及分流分沙格局复杂多变。根据官洲段1966—2023年实测资料,分析了该河段近期河床演变特性,并对其演变影响因素及发展趋势进行了探讨。研究表明:在一系列护岸工程约束下,官洲水道总体河势稳定,新中汊目前已不具备大幅发展的条件,东江主汊地位将持续相对稳固;新水沙条件下,清水下泄、短汊发展,清洁洲头部仍有一定程度冲淤调整,继而可能引起南夹江口门进流及分流的小幅变化;与此同时,汊道汇流段左岸边滩的冲刷将长期存在,对下游河势变化会产生一定影响。结合研究结果提出今后河势发展控制要点:加强对清洁洲头、复生洲左缘及汊道汇流段左岸等关键区域的监测与防护,可为河势稳定和滩槽控导等提供技术参考。

近年来,长江中游城陵矶至武汉河段(城武段)航道尺度持续提升,但现有通过能力仍滞后于沿江经济发展。为充分发挥黄金水道的黄金效能,更好服务沿江经济社会发展,有必要对城武段航道尺度提升进行分析。基于新水沙条件下城武段航道的变化特点,利用近10 a的水沙观测资料和航道测图,对河段内22个水道的航道条件进行全面核查,分析了尺度提升的重难点,提出了治理思路和措施建议。研究表明:城武段共有9个问题水道无法全年满足6.0 m×200 m航道尺度,最低年均保证率为77%,累计存在浅区长度约8.95 km(占比3.92%),总体具备水深提升至6.0 m的自然条件;问题水道以分汊河型为主,按照“整疏结合、综合治理”的治理思路,通过整治工程适当限制支汊分流,增大主汊水动力,同时利用清水下泄冲刷河槽,配合疏浚手段,辅以智能导助航新技术,可实现航道尺度提升。

安庆下段鹅眉洲汊道位于长江下游,目前安庆段分汊河道河床冲淤变化仍较大,分流比变化具有一定周期性。为研究新水沙情势下左汊分流比变化和主航道条件的稳定性,以及左汊马窝一带涉水工程近期可能因汊道汇流段近岸河床淤积而带来的影响,结合平面二维水动力模型,采用最新原型观测资料跟踪分析了鹅眉洲汊道的周期性演变特征、影响因素和水流特性,并对未来安庆河段治理方向提出了建议。结果表明:鹅眉洲汊道段近几十年来,除鹅眉洲分流点和右汊头部附近以及中汊局部河段外,深泓摆动幅度整体较小,河势保持相对稳定状态。三峡蓄水运用后,鹅眉洲汊道左汊累计略有冲刷,右汊未来一段时间内将保持萎缩趋势。汊道水流特性数值模拟结果表明,1998—2006年中汊快速发展,流速增加,主流向右岸鹅眉洲摆动,左汊、右汊流速略有减小;2006—2021年,受河(航)道工程的导控作用,鹅眉洲汊道分流比基本稳定,中汊发展速度减缓,流速的变化主要集中在中汊下段。建议今后密切关注已有安庆河段治理工程的实施效果,必要时根据河道演变采取相关工程治理措施。

W型潜坝作为一种新型的堰坝结构,不仅具有消能、护岸、分流和改善通航条件等功能,而且具有显著的生态功能。选取鲫鱼幼鱼为目标鱼类,研究不同粒径组成的W型潜坝的河流流速分布及对目标鱼类聚集的影响,探明W型潜坝的生境改良效果,为裁弯河段生态涵养区建设提供依据。研究结果表明不同粒径的W型潜坝作用下,[10,20]mm较大粒径组成的W型潜坝透水性更好,流速梯度小于小粒径组,流态多样性高。在流量0.09 m³/s条件下,[10,20]mm粒径组成的W型潜坝鱼类聚集区域停留最多达到85次;[10,20]mm较大粒径组成的W型潜坝生境多样性高,可以为试验鱼提供更好的栖息和庇护场所。因此,在人工运河修建中裁弯河段生态涵养区建议选透水效果较好的大粒径潜坝方案。流态多样性指数与鱼类平均聚集度存在线性关系,可作为评价栖息地质量的依据,研究成果为河流生境异质性研究和生态优化设计提供理论支撑。

为识别人工运河持久性有机污染物(多环芳烃、多氯联苯、有机氯农药)的时空分布特征与生态风险,以京杭大运河江苏段为例,通过野外采样和7890-5975C型气相色谱-三重四级杆质谱仪检测,揭示了该运河污染程度与分布模式;基于风险商值评估了持久性有机污染物的潜在生态风险。结果表明:京杭大运河江苏段持久性有机污染物浓度沿程变化不明显,其生态风险在枯水期高于丰水期,总体水平高于国内外其它河流;目标污染物中,15种多环芳烃、11种多氯联苯、15种有机氯农药呈中高风险,其中,生态风险较为突出的为苯并[b]荧蒽、PCB180、PCB189和硫丹1。研究成果可为人工运河持久性有机污染物污染现状和治理提供研究基础。

为了探明扰流装置叶片形式对于泥沙冲淤效果的影响,通过改变装置叶片形式,在水槽中进行冲淤试验,对比分析冲坑形态、冲刷历时及水流流速、紊动强度分布等数据,最终得到冲淤效果最优的扰流装置叶片形式。试验结果表明,曲面式扰流装置在连续旋转过程中表现出最佳冲淤效果,主流经过曲面叶片旋转,向顺水流旋转一侧偏移,加速床沙起动,促进泥沙的迁移和输送。曲面式扰流装置冲淤比分别比扭面式和平面式增大48.5%和16.3%,曲面式底部紊动强度较平面式增大89.47%。研究成果为河道整治定点定向清淤提供一种环保节能技术方法,为被动旋转扰流装置结构优化提供依据。

潮汐河口往往通过丁坝群来实现其航槽整治等目的,坝田促淤效果决定了其主槽冲深的效果,而水沙动力条件和丁坝布置形式决定了坝田促淤的效果。基于长江口北槽坝田实测资料与长江口水沙动力条件分析发现,随着长江口深水航道治理工程丁坝建设的推进,坝田的总淤积量显著增加,促淤效果明显。坝田淤积强度受坝田相对间距和初始水深的影响显著,且对上游径流、含沙量、悬沙粒径、外海潮差的响应趋势也较为明显。通过构建坝田淤积综合动力参数及量纲为一的地貌参数,揭示了动力-地貌耦合作用下的淤积规律,并基于幂函数模型定量表征了两者关系;结合实测数据提出潮汐河口坝田淤积强度经验公式,验证表明其计算结果与实测值高度吻合,为丁坝群设计优化与淤积预测提供理论依据。

荆江-洞庭湖区域是长江中游典型的冲淤交互河湖系统,其泥沙输移与河床演变直接影响防洪安全及湖泊调蓄功能。针对传统二维水沙数学模型应用于大尺度河床冲淤演变模拟时存在的效率瓶颈,采用平面二维水沙数学模型,使用“地形加速因子”方法实现年代际尺度河床演变模拟。以干流2021年及湖区2011年实测精细化地形为基础,使用水沙整体二维模型预测未来30 a区域冲淤演变趋势。结果表明:受三峡工程调蓄及上游来沙减少影响,荆江监利以下河段河槽持续下切,湖区入江水道河槽坡度变缓;湖区内南、东洞庭湖区深槽区域呈现冲刷下切趋势,三口洪道及注滋口入湖处淤积较为明显,西洞庭无趋势性变化,湖区整体呈现微淤趋势,预测未来第30 a淤积约2.76亿m³,且年际淤积速率逐年减小。研究表明采用地形加速因子方法的平面二维水沙动力模型可在保证计算精度的前提下,显著提升模拟效率,实现大范围河湖系统的长期水沙模拟,为河湖系统治理提供高效决策工具。

西藏自治区河道非法采砂导致河床下切引发冻土退化、岸坡失稳、水生态系统破坏等一系列生态环境问题,威胁着高原河湖健康。针对这一情况,系统梳理了西藏自治区河道采砂管理现状,指出河道采砂管理工作中存在的问题,如法规制度不完善,部分要求操作性差、针对性弱;部分地区规划及年度方案编制未按技术标准执行,科学性、合规性不足;日常监管中部分水行政主管部门能动性不足,监管手段单一且技术力量薄弱等。结合西藏自治区河道采砂管理工作基础,从完善地方法规、科学编制规划、制定差异化监管和推进智慧监管建设等方面提出了针对性的建议,可为推进西藏自治区河道采砂管理规范化提供参考。

随着气候变化和人类活动等的影响,长江—鄱阳湖的江湖关系发生显著变化,解析其水动力过程是理解江湖系统运行机制的关键。因此,以长江干流和鄱阳湖交汇处为研究对象,通过建立大型物理模型(平面比例1∶800,垂直比例1∶100),试验研究不同洪枯水文条件下的江湖关系演变及其水动力特性。通过引入顶托系数α和能差F_e定量分析江湖顶托强度,研究发现顶托强度与长江—鄱阳湖汇流比呈正相关。当长江与鄱阳湖来流分别为60 000 m³/s和6 000 m³/s时,江湖关系表现为顶托,鄱阳湖入江水道段水位比降减小,断面流速分布均匀;随着长江来流进一步增加,交汇处鄱阳湖右岸侧出现回流,江水倒灌入湖;鄱阳湖洪水期流量为25 000 m³/s时,拉空效应显著,入江水道段水位比降和断面流速显著增大,鄱阳湖水流从表层进入长江,形成与顶托时不同的水动力交互模式。研究成果在维持长江中下游防洪安全等方面具有重要意义。

在非饱和挟沙水流作用下连续急弯河道易产生较大的河势调整与突发式演变,对防洪、航运、水资源利用等方面产生深远影响。以长江中游下荆江熊家洲至城陵矶河段为研究对象,通过物理模型试验成功模拟了自然裁弯,探讨了非饱和挟沙水流下急弯河道突发式演变条件与演变过程。结果表明七弓岭弯道自然裁弯过程中溃口最可能产生于距离后方堤防1 300~1 500 m之间的区域。漫滩水流冲刷3 d后开始产生窜沟,窜沟发展为全线贯通的溃口历时约30 d。裁弯后弯顶断面趋于窄深,过渡段断面则有宽浅化发展趋势。相关成果可为长江中游系统治理提供前瞻性的指引。

水文状况是维持河流系统健康的关键因子,利用监利站1966—2023年洪水要素摘录资料,从时间特征、频率和强度3个方面进行了量化分析。结果表明,下荆江漫滩洪水过程最早起始日期,相较于1960年代的中值7月5日,1970—2000年代提前了约8 d,2010年代以后有所推迟;最晚终止日期的中位数从1960—1980年代逐渐推迟至10月5日,1990年代以后则显著提前;1970—2023年的漫滩洪水过程频次波动减少,2020年代初剧减为2次/a; 总历时、 总落水历时、 总涨水历时、 平均流量、 最大流量和年总洪量均表现为在1960—1980年代逐渐增加,至1990年代以后逐渐较少;平均历时和最大漫滩洪水过程历时则呈波动变化;平均洪量在1960—1990年代逐渐增加,2000年代显著减少,2010年代后则大幅增加。反映出在1960—1980年代下荆江漫滩洪水过程与降水量的变化特征相一致,1990年代以后则很大程度受到了上游水库调洪作用的影响,但平均历时、最大漫滩洪水过程历时和平均洪量仍然具有对降水量变化的良好响应。研究结果可为理解下荆江河床演变及生态状况的变化及其生态修复提供信息。

为研究近年闽江下游干流河床下切演变特征,探讨采砂对河道下切的影响,利用1999—2020年7个不同年份实测地形资料进行河床平面、剖面和冲淤量变化分析,并结合采砂资料测算采砂对河道下切的贡献占比。结果表明:1999—2020年闽江下游干流冲刷剧烈,84.18%的区域发生冲刷,总冲刷量约2.55亿m³,平均冲刷深度5.09 m,深泓线平均冲刷深度7.87 m;1999—2011年整体急剧冲刷,冲刷总量占1999—2020年冲刷总量的82.51%,2011—2020年冲刷相对缓和;除2014—2017年河床整体略淤积外,其余各时间段均整体冲刷;水口坝下[15,30] km河段下切最剧烈;采砂是导致河床下切的最主要原因,估算其对河床下切贡献值超过50%。研究成果揭示了近年来闽江下游干流河床下切变化过程、特征及趋势,并首次得出采砂对河床下切的定量影响,可为闽江下游干流河道演变及治理、采砂规划提供基础支撑,并供防洪、河道保护管理及涉河项目建设等参考。

阻水比是衡量涉水工程建设对河道行洪影响程度的重要指标。对蜿蜒型、游荡型河道而言,其过水断面为曲面,常规的河道阻水计算方法无法适用。结合非正交于河道过水断面的工程线路,通过设置水流流向偏角阈值,将曲面过水断面划分为多个平面过水断面,提出了曲面过水断面非正交阻水计算公式,并在武汉—松滋高速公路东荆河大桥阻水比计算中进行了应用。计算结果表明,将东荆河大桥跨越处曲面过水断面划分为116个局部过水断面情况下,其阻水总面积为975 m²,阻水比为4.24%;通过经验公式和二维数学模型分析了阻水比计算的合理性,根据阻水比和Henderson公式计算河道内水位壅高值为1 mm,二维数值模型计算桥墩位置处水位壅高值为1~3 mm。考虑经验公式采用的是全断面平均流速,其计算的水位壅高值略小于二维水流数学模型计算的桥墩位置处局部水位壅高值是合理的。通过划分局部过水断面的方式计算曲面河道非正交工程的阻水面积及阻水比是可行的,可为水行政主管部门审批涉河建设工程的行洪影响提供参考。