长江中游河床演变及模拟|环球时快讯

开展强人类活动影响下的河床演变研究，不仅是学科发展的要求，也是江河治理必须解决的重要难题。

长江是横贯我国东西的水运大动脉，素有“黄金水道”之称。三峡工程运用前，长江中游河道处于相对平衡状态，河床调整幅度较小，1975～2002 年平滩河槽下的累计冲刷量仅为1.69 亿m³；而近20 年来，人类对长江的利用和干预强度不断加大，三峡工程及其上游水库群的运用，不仅改变了进入长江中游河道的水沙过程，而且使中游河床发生持续冲刷。2002～2018 年长江中游平滩河槽累计冲刷量达到24 亿m³(长江委水文局, 2018)，导致局部河段河势调整剧烈、堤岸坍塌、切滩撇弯、航槽移位，严重影响到航运及防洪安全(胡春宏和张双虎, 2020)。考虑到防洪安全与航槽稳定的需求，长江中游沿程修建了大量的河道整治工程(包括护滩、护底、护岸等工程)，仅在宜昌至城陵矶河段，护岸工程长度即达到300km(长江科学院, 2017)；而近年来中央更是投资44 亿元在荆江河段(枝城至城陵矶)实施了大规模的河道整治工程(殷缶和梅深, 2013)，进一步影响了该河段的水沙输移及河床调整过程。

▲ 长江中游干流河道崩岸和洲滩分布

(相关资料图)

总体而言，进入中游的水量变化不大，但沙量剧减70%～90%，坝下游河床持续冲刷。由于不同的河道特性和人类干扰程度，坝下游不同河型河段呈现出不同的演变特点，掌握强人类活动影响下长江中游河道的水沙输移及河床演变规律，不仅是当前长江中游河道系统治理与防洪体系完善的重要内容，而且也能为长江经济带发展提供坚实的水安全保障。

在冲积河流上修建水库，水沙条件的急剧变化将引起坝下游河流的再造床过程，包括河床冲刷、床沙粗化、横断面及纵剖面形态调整、崩岸及河型转化等。河床演变过程的影响因素错综复杂，实践中通常用实测资料分析、物理模型试验或数值模拟等多种手段来分析。其中，实测资料分析方法主要是通过分析水沙、地形及遥感影像等资料，研究河道的水沙输移及河床变形过程；而数值模拟则是通过建立水流、泥沙运动和河床变形的基本数学方程，采用离散化的数值计算方法，对河床变形进行计算。

一些传统的适用于天然河流的河床演变学理论已无法满足实际要求，相应的演变分析方法和数值模拟技术均需要完善和改进。因此，建立描述强人类活动影响下河流非平衡演变的分析与模拟方法，有助于深化对河道整治工程作用下坝下游河床演变规律的认识。

为此我们针对近期长江中游受人类活动干扰严重的现象，在国家自然科学基金等项目的资助下，采用实测资料分析、力学理论分析及数学模型计算相结合的方法，开展了长江中游典型河段河床演变分析及数值模拟的研究。

《长江中游河床演变及模拟》（夏军强，周美蓉，邓珊珊著. 北京：科学出版社，2023.1）为相关研究成果的总结，包括以下三部分内容。

1. 在水沙运动基础理论方面，提出了长江中游动床阻力的计算关系，确定了低含沙量条件下张瑞瑾水流挟沙力公式中两个关键参数的取值方法，建立了考虑床沙组成影响的非均匀悬沙恢复饱和系数的计算公式。

由于动床阻力与床面形态关系密切，而床面形态又与水流条件紧密相关，所以建立了曼宁糙率系数与水流强度(弗劳德数)及相对水深(水深与床沙中值粒径之比)之间的幂函数关系，并采用长江中游实测资料进行率定和验证。张瑞瑾挟沙力公式中参数k 和m 取值与水沙条件相关，故建立了这两个关键参数与水沙综合条件之间的计算关系，并采用长江中游低含沙量条件下的挟沙力资料进行率定，该方法解决了以往在低含沙量条件下不易确定挟沙力公式中关键参数的难题。针对长江中游河道含沙量大幅降低和床沙组成的中细沙成分大幅减少的情况，基于Markov 随机过程并考虑非均匀沙隐暴效应，提出了床沙补给受限条件下分组悬沙恢复饱和系数的计算公式。上述研究提高了对三峡工程运行后长江中游水沙输移特点及机理的认识。

▲三峡工程运行前后长江中游悬移质总含沙量(近似水流挟沙力)与水沙综合参数的关系

2. 在河床演变分析方面，研究了长江中游不同河型河段的平面形态、断面形态、过流能力变化特点及产生沿程差异的主要原因，揭示了河床形态与过流能力调整对不同边界条件变化的滞后响应规律。

在平面形态方面，长江中游岸线崩退速率及洲滩变形强度均表现为沿程减弱趋势，且在荆江河段最为显著；在断面形态方面，长江中游河床冲刷逐步向下游河段发展，但越靠近大坝床沙粗化越显著，不同程度地限制了河床下切；在过流能力方面，长江中游平滩流量的调整受区间支流入汇顶托等因素的影响较大，故其与河床沿程冲刷未呈现较为一致的变化趋势。针对宜枝河段，建立了综合考虑进口水沙变化与床沙粗化影响的滞后响应模型，用于描述该卵石夹沙河段平滩水深的调整过程；针对荆江河段，建立了综合考虑进口水沙变化和出口水位变动影响的滞后响应模型，其计算结果表明荆江段平滩河槽形态调整主要受进口水沙条件控制，而平滩流量变化与河段进出口水位差变化基本同步。

▲ 长江中游断面及河段尺度平滩流量的逐年变化

3. 在数值模拟方面，建立了适用于长江中游在水库运用及河道整治工程共同影响下河床演变的数值模拟技术。

针对三峡工程运用后长江中游沙量剧减、床沙粗化等显著变化，将改进的动床阻力、水流挟沙力及恢复饱和系数计算公式嵌入到数学模型中，使其能根据水沙因子自动调整参数，提高了模型的计算精度与适应能力。此外，基于长江中游实施大量河道整治工程的现状，研发了考虑大规模河道整治工程影响的一、二维水沙数学模型。对一维模型，提出了区分有无实施整治工程的河床边界条件确定方法；并基于有效水流挟沙力的概念，改进了悬沙输移及河床冲淤计算模块，用于考虑整治工程对河床冲刷的限制作用。对二维模型，进一步改进了床沙组成的平面插值方法，能更好地模拟整治工程对水沙要素横向分布、断面形态及平面形态调整的影响。

▲ 河床垂向分层示意图

本文摘编自《长江中游河床演变及模拟》（夏军强，周美蓉，邓珊珊著. 北京：科学出版社，2023.1）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-072706-0

责任编辑：范运年

本书以三峡工程运行后长江中游河段为主要研究对象，通过实测资料分析和数值模拟等手段，研究新水沙条件下长江中游的河床演变特点，并提出强人类活动影响下水沙输移与河床变形的数值模拟技术。本书主要研究内容：分析长江中游不同河型河段在多边界因素共同影响下的河床调整特点；提出适用于长江中游的动床阻力、水流挟沙力及非均匀悬沙恢复饱和系数计算方法；研发考虑大规模河道整治工程影响的一、二维水沙数学模型。本书可供从事河床演变与河道治理等方面研究的专业科技人员及高等院校相关专业的师生阅读和参考。

（本文编辑：刘四旦）

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