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。

掌握洪水条件下水库流场和水温结构的动态变化对于水质管理和生态安全至关重要。以河道型水库BLH水库为典型案例,基于Delft3D模型建立了三维水动力水温模型,使用水体相对稳定度(RWCS)量化水温结构,分析了不同洪水条件下的流场和水温特征。坝前和库中心表底层水温模拟的决定系数R²分别为0.989和0.982,模型效果良好。结果显示,水温结构受水流形态和流速影响,入库流量增加会降低水库RWCS/H,削弱水温分层;受洪水影响从河流区到湖泊区温跃层厚度逐渐增加,随入库径流增大各区温跃层占水深的比值呈现下降的趋势。洪水对水库温跃层的影响从库尾到坝前逐渐减弱。径流越大其潜入库区的位置越往下,水体扰动越强,水体热分层结构破坏程度越大,垂向水温分布会趋于一致。

研究库区泥沙淤积情况对于水库的运行和管理十分重要,结合陆水水库建库前及近期库区地形,复核了陆水水库建库前库容曲线,采用断面法和栅格地形法分析了陆水水库库区的淤积时空分布特征,开展了淤积重点区域的河道演变分析,并从多个方面综合分析了库区淤积的影响。总体而言,陆水水库泥沙淤积总量不大,但局部库段淤积比较突出,对防洪、航运、灌溉、发电等功能发挥带来了不利影响,建议采取机械清淤、加强汛期排沙调度等措施,控制库区泥沙淤积,保持水库有效库容。研究成果可为水库相关管理工作提供参考。

河道砂石是河床的重要组成部分,是保持河势稳定与河流健康的重要影响因素,也是基础设施建设的重要资源,具有重要的经济价值。河道采砂管理是保护江河湖泊的重要内容,事关防洪安全、供水安全、通航安全、生态安全和重要基础设施安全。科学高效地保护和利用河道砂石资源,是保障经济社会及生态平稳发展的基础。通过收集淠河河道采砂管理的相关资料并进行实地调研,分析了淠河河道采砂管理现状以及在采砂规划、许可、监管等方面存在的问题,并提出了强化采砂规划编制工作、提前谋划规划编制工作、科学编制采砂实施方案、建立跨市、县、区联合监管机制、加强采运砂全过程管理、采砂资料标准化管理等加强河道采砂监管工作的对策建议。研究成果可为全国河道采砂管理工作提供借鉴,为依法、科学、规范地采砂提供参考。

冲积平原河道崩岸问题长期受到广泛关注,其机理研究对于保障沿江地区防洪安全和航道稳定等具有重要意义。为了探究长江中游干流河道崩岸机理,从时间、空间角度,简述了长江中游干流河道崩岸特征,得到崩岸沿程分布和年内分布特征。从内因、外因2个方面总结了长江中游干流河道崩岸主要影响因素及作用机理,指出在水动力条件中,纵向水流冲刷作用是崩岸发生的主导因素,同时崩岸受到环流冲刷、水位变动,河道形态等因素的影响。展望未来,应注意护岸工程水下坡度控制,确保工程坡脚稳固。在三峡大坝下游“清水下泄”持续进行的情况下,应继续预防水流冲刷引发的崩岸,加强对上述河岸的防护与日常监测,提高流域防灾减灾预警能力,保障流域人民生命财产安全和经济社会高质量发展。

崩岸影响因素众多、机理复杂,其预测与预警难度大,近年来长江中游河道持续冲刷,局部河势调整剧烈,崩岸加剧,严重影响防洪、航运及沿江经济社会发展。采用的基于层次分析法的长江中游崩岸风险综合评估指标体系包含崩岸现状、基底条件以及近岸变化3个维度、6项特征指标。在此基础上,构建了长江中游崩岸风险综合评价模型,提出了崩岸预警3级划分标准,并将其应用于长江干流荆州河段。结果表明:2024年研究河段崩岸预测红色等级的高风险岸段共有9段,多分布在天然未护段,但局部已护段崩岸预警级别仍然较高。其中,Ⅰ级和Ⅱ级预警岸段总长分别为3.54、16.76 km。研究成果可为长江中游多指标崩岸风险评价模型建立与实践应用提供技术支撑。

滩槽交界带植被对水动力特性有重要影响,为研究植被不同布置方式对床面剪切应力的影响,基于Delft3D-FM构建了考虑二次流影响的二维水动力模型,分析了不同长度植被在平行布置、交错布置情况下床面剪切应力空间分布。结果表明:平行布置植被在植被区尾缘形成较大应力区且在植被区下游形成细长的应力区,植被区长度为0.5L(L为1 000 m植被区长度)时,最大应力区距离植被区尾缘下游(0.25~0.30)L:植被区长度为L时,最大应力区位置几乎与尾缘重合;植被区长度为1.5L时,最大应力区到尾缘距离为(0.25~0.5)L。交错布置植被在植被交错区和相邻植被单元处剪切应力最大,该区域长植被区形成的剪切应力明显低于短植被区。最后提出了用考虑植被影响的量纲为一的水力半径函数预测河床最大床面剪切应力。

通过三峡水库调度方式优化减少坝下游河道冲刷是一项非常有益的研究工作。在实测资料统计分析基础上,通过数学模型计算,对有利于减少坝下游河道冲刷的三峡水库调度方式进行了初步研究,提出了“以减冲为目标进行调沙,以调沙为目标进行调水,以调水为手段实现调沙”的泥沙调度思想,研究结果表明:长江中下游各河段代表性水文站输沙量均与流量有着较好的幂指数关系,建库后不同时期枝城、沙市、监利站水流输沙能力显著降低,枯水期小流量对应输沙量减小程度大于大流量。2008年以来,螺山、汉口、九江站大流量与小流量下输沙量的差距减小;汛期采用不同中小洪水调度方式时,对坝下游河道的冲刷有一定的影响,控泄流量相对较大时,可一定程度上减少河道的冲刷,预测了优化调度条件下坝下游河道冲刷长期演变趋势。研究成果可为三峡水库优化调度提供参考。

深入分析白鹤滩库区水沙及冲淤特性的变化规律,是白鹤滩库区河段诸多工程问题的基础支撑。基于实测水沙、地形及水流等观测资料,采用水沙关系分析、输沙量计算及冲淤量计算等方法研究库区水沙特征及冲淤规律。结果表明:乌东德与白鹤滩水电站相继运行后,河段年径流量略有下降,年输沙量剧降90%以上;月均径流量分布重分配,12月份径流量增加,7月份径流量减少。从整体来看河段呈淤积趋势, 2021—2023年总淤积量达到1 263万m³,而白鹤滩库尾区域,受乌东德坝下泄水流条件的影响呈现冲刷态势。乌东德坝下游20 km范围内水流非恒定流特性强,动能大,挟沙能力强,导致显著冲刷;下游河段水位趋于稳定,流速减缓,挟沙能力弱,加之支流入汇泥沙补给,共同作用促成库区河段淤积。

入海河口水体密度受盐水和淡水共同影响,形成不同水域密度梯度,进而产生斜压作用,对河口水沙结构存在明显影响。为探究密度梯度产生的斜压作用对长江口北槽水沙结构影响,构建了三维水沙盐耦合数学模型,研究了长江口北槽不同水层流速和含沙量对斜压作用的响应。研究结果表明,北槽水体密度斜压作用主要由盐度引起,斜压会增大底层涨潮流速,中下段水域尤为显著,对表层涨潮流速影响相对较小,对不同水层的落潮流速均呈现出减弱作用;斜压对航槽和两侧边滩水体的流速影响趋势一致,但航槽内水体流速影响更为明显。斜压作用会明显减小底层落潮平均含沙量,增大底层涨潮平均含沙量,使涨潮平均含沙量垂向梯度增大,落潮减小。

气候变化与人类活动正影响着中国河流与湖泊的演变过程,快速发展的遥感技术为河湖系统的演变监测与保护提供了新方法。基于文献计量分析方法对中国河湖演变研究的遥感应用进展进行梳理,剖析了中国河湖演变研究文献数量、研究区域分布与传感器应用的变化,归纳了遥感技术在河湖演变治理中的应用热点与发展趋势,并从提高河湖监测时空间分辨率与准确率、基于遥感技术的河湖演变特征变化定量表征、深化河湖演变驱动因素分析、促进河湖演变与生态系统相互作用研究和构建新一代河湖遥感监测体系5个方面对河湖演变遥感技术发展进行讨论。遥感技术在当前的研究中展现出了巨大的潜力,利用遥感技术提升对河湖演变的认识对于流域综合治理具有重要意义。

疏浚作业时,以底泥释放为代表的内源污染治理问题变得日益突出,减少疏浚带来的水体二次污染是河湖治理中的重难点。通过二维数学模型FS3M进行全尺寸数值模拟,讨论分析了抓斗下行至触底过程的流速分布及悬沙输运特性,探讨了挟沙流动机制与悬沙扩散规律。结果表明:抓斗下行拖曳水体形成逆时针回流区,触底时回流强度与出流速度达到最大,随后逐渐减弱;出流携悬沙扩散至外侧并向上层水体输运,最终影响整个计算域;抓斗下行过程中减速策略对悬沙扰动有显著影响,速度减幅越大或减速起始高度越高,悬沙量越小。综合对比可知,D3与D5方案可作为较优的抓斗下行控制方式。研究成果可为河湖疏浚作业中悬沙扰动控制与环境影响评估提供理论参考。

为明确淮河中游典型分汊河道水沙特性变化及分水分沙规律,采用累积距平、M-K分析法、R/S分析法和Morlet小波分析法等方法,研究了分汊河道濛洼段1985—2020年来水来沙特性,探讨了水沙条件突变及变化趋势的驱动因素,基于水沙关系曲线分析了水沙协同关系与输沙能力的变化,定量给出了濛洼段各汊分流比和含沙量比。结果表明:王家坝站(总)年径流量总体未呈明显增减趋势,含沙量则表现出明显的减小趋势,未来一段时间继续呈减小趋势,在1995年左右发生突变,水库拦沙、农业种植改变下垫面及水土保持措施是含沙量减小的主要驱动因素;来沙系数呈减少趋势,外界影响系数a值逐渐减少,输沙特性拟合系数b值逐渐增大;濛河分流比与本段总来流基本呈正相关,随着流量增加,濛河分流的权重也逐渐升高,6 000 m³/s流量级以下分流能力略有萎缩,6 000 m³/s流量级可以与淮河干流平分上游来流,各汊点河道的含沙量比值近似等于各河道的水流挟沙力比值。以上结果为淮河中游水沙数值模拟中分汊河道含沙量计算模式提供理论支撑,为淮河中游河道整治采用长距离疏浚方案提供科学依据。

近年来在人类活动增强、气候变化及海平面上升的多重影响下,河口海岸地区遭受极端洪潮破坏的风险呈上升趋势,严重威胁河口海岸堤防安全。河口海岸地区动力条件复杂多变、灾害成因多样,且相关作用过程突发性强、破坏性大,导致河口海岸堤防安全风险评估及灾害预报预警难度高。围绕河口海岸堤防安全风险评估及预警的国际科学研究热点和国家防灾减灾的重大战略需求,梳理其国内外相关研究的现状与趋势,分析了亟待解决的关键科学和技术问题,并针对现有研究的不足,对未来研究方向提出相关建议及展望。相关研究的突破可服务于河口海岸地区的安全保障能力提升,为防灾减灾科学决策提供重要支撑。

三峡工程及长江上游水库群建库运行以来,新水沙形势下荆江河段发生大范围、高强度持续冲刷,导致部分护岸工程段崩岸险情时有发生,对河势稳定、防洪安全及岸线利用等造成较大影响。以2023年下荆江已护险工段“天字一号”段突发崩岸险情及处置为例,通过实测资料分析,揭示了崩岸发生的主要原因为“清水下泄”情势下河床持续冲深、局部河势显著调整变化引起深泓深槽贴岸、河段岸坡地质条件较差以及持续中低水位影响等。基于险情特征,采取水下抛石方式对窝崩险工段及上下游影响段进行应急处置,提出亟需建立体制机制,保障相关建设资金,重视和加强对险工段坡脚变化的动态监测和整治技术研发,完善崩岸监测预警及应急抢护机制等中长期治理建议,为新水沙情势下长江中下游河道崩岸系统防治提供支撑。

三峡工程蓄水运用后太子矶河段右岸扁担洲附近河床近期冲刷明显,局部崩岸严重时将威胁堤防安全、影响附近河势控制节点和下游汊道分流比的变化及右汊东港主槽航道条件的稳定性。多年实测资料揭示了该河段近期河床演变特点及其变化趋势。结果表明:多年来岸线基本稳定;深泓线除长河口-幸福村顺直段变化较大外,其余河段变化较小;-5、-10、-15 m等高线深槽略有冲刷;铁铜洲汊道将继续维持左支右主的河势格局,右汊总体呈冲刷趋势;扁担洲附近局部河段河床累积冲刷明显。提出亟需对扁担洲局部冲刷严重段进行抛石防护,加强水文和险工段动态监测和跟踪分析等相关中长期防治措施建议,可为新水沙条件下该河段未来河道治理方案研究提供重要的技术支撑。

河流泥沙交换运动是河流泥沙运动力学中主要难题之一,泥沙交换运动的过程与强度决定了河床冲淤的速率,从而引起河床冲淤演变。归纳总结了河床泥沙上扬通量推演过程及影响因素、河床泥沙粗细交换中泥沙扩散方程以及泥沙交换层厚度方程的形成过程、泥沙交换数学模型的建立、泥沙交换试验研究的方法等最新研究进展,同时梳理该方向研究存在的关键问题和未来趋势。目前尚未统一化的理论公式,计算方法均以经验公式为主,且缺乏可靠实测资料的充分验证。研究有助于深入了解河流近底泥沙交换研究的最新进展,为未来深入研究泥沙交换的重点方向提供参考。