隨著長江流域大型水庫及水庫群的相繼建成和運行,河流干流尤其是中下游水沙條件和動力特征已經(jīng)或正在發(fā)生顯著改變,并將對河流河口水沙系統(tǒng)的主要功能產(chǎn)生影響。本書基于長序列水沙實測數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)學模型計算與理論分析等手段,對三峽工程及上游梯級水庫運行引起的河流水體輸運時間、干流懸沙濃度時空分布,以及感潮河段水沙動力地貌等關鍵水沙環(huán)境因子及物理過程的調(diào)整與改變進行了系統(tǒng)分析,探討了人類活動作用下的河流河口水沙系統(tǒng)的動力響應機制,預測了長江三峽水庫與中下游水沙過程及其發(fā)展趨勢。
為長江大保護、長江經(jīng)濟帶、長三角一體化等國家戰(zhàn)略的實施提供重要的科技支撐
長江是我國第一大河,流域廣闊、水系發(fā)達,在我國經(jīng)濟社會發(fā)展格局中具有重要的戰(zhàn)略地位。近20年來,隨著流域內(nèi)諸多大型水庫及水庫群的相繼建成和運行,河流徑流與懸沙濃度等基本的水沙環(huán)境條件發(fā)生了顯著的改變。大型水庫等人類活動影響下長江水沙環(huán)境的變化是一個綜合性問題,其中包括河流水流輸運作用的改變、懸沙特征的變化以及河口感潮河段的徑流潮汐相互作用、泥沙運動、動力地貌等重要過程的調(diào)整,而全球氣候變化進一步增加了這一問題的復雜性。水沙環(huán)境是影響水生生態(tài)環(huán)境的重要條件,影響甚至決定著河流的基礎理化指標、生物化學過程、水生動植物的生長繁衍,對整個河流生態(tài)系統(tǒng)起著重要的調(diào)控作用。自2010年以來,三峽工程已按正常蓄水位運行了10余年,上游金沙江梯級水庫也陸續(xù)投入運行,基于運行過程中的實際情況,針對水沙環(huán)境等基礎問題進行深入研究是科學保護長江和優(yōu)化水庫調(diào)控的重要前提。本書基于長序列水沙實測數(shù)據(jù),結(jié)合理論分析、模型開發(fā)、數(shù)值模擬等手段系統(tǒng)性地研究了長江干流從三峽水庫到河口感潮河段的水動力過程、懸沙變化特征、響應機理及其發(fā)展趨勢。研究成果可以豐富和發(fā)展人類活動影響對河流水庫河口系統(tǒng)的水、沙演變規(guī)律的認識,同時為長江大保護、長江經(jīng)濟帶發(fā)展、長三角一體化等國家戰(zhàn)略的實施提供重要的科技支撐。本書是在系列項目科研成果的基礎上總結(jié)提煉而成的,全書共分6章,各章主要內(nèi)容簡述如下:
第1章緒論,主要介紹了本書的研究背景,簡述了長江流域與流域內(nèi)大型水庫修建狀況,綜述分析了國內(nèi)外相關研究現(xiàn)狀與不足,最后提出了本書主要的研究內(nèi)容。
第2章三峽水庫運行對長江干流水體輸運時間的影響,建立了長江干流水動力和水齡模型,模擬量化了干流水體輸運的時間尺度,評估分析了三峽水庫的影響。
第3章水庫影響下長江干流懸沙濃度變化分析,基于實測水沙資料重構(gòu)和半經(jīng)驗半理論分析方法,揭示了長江干流懸沙濃度系統(tǒng)性時空變化特征,建立了干流懸沙濃度預測模型,揭示了未來兩湖和長江干流懸沙交換關系及入海懸沙濃度的變化趨勢。
第4章長江感潮河段水動力過程及其對水庫運行的響應,基于數(shù)學模型計算和理論分析,揭示了長江感潮河段季節(jié)性分潮傳播和流速轉(zhuǎn)向點的多時空尺度變化規(guī)律,評估了水庫調(diào)蓄影響下河道潮波傳播和潮流轉(zhuǎn)向的變化特征。
第5章長江感潮河段泥沙輸運特征與地貌演變,探討了長江感潮河段多時間尺度下的泥沙動力特征與地貌演變機制,分析了水庫運行對感潮河段泥沙動力地貌的影響,可為感潮河段當前的河道保護治理和中長期規(guī)劃提供參考。
第6章結(jié)語,總結(jié)了本書的主要結(jié)論,提出了對未來研究的展望。
本書第1章由孫健、張帆一、袁冰、林斌良、蕭子鈞撰寫,第2章由孫健、蕭子鈞、袁冰撰寫,第3章由張帆一、孫健、林斌良撰寫,第4章由張帆一、孫健、林斌良撰寫,第5章由袁冰、張帆一、孫健撰寫,第6章由袁冰、孫健、張帆一、林斌良撰寫。全書由孫健、張帆一統(tǒng)稿。
本書成果得到了國家重點研發(fā)計劃項目課題大型水庫影響下河流水文泥沙動力過程與水沙輸運通量變化(2016YFA0600901)、政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項應對轉(zhuǎn)型中的河口三角洲(2016YFE0133700)、水利部推廣應用項目長江中下游沖刷條件下沿江重大涉水工程疊加影響與對策(Sq221001)、南京水利科學研究院基本科研業(yè)務費專項資金青年基金項目近期長江感潮河段潮波傳播特征變化研究(Y221003)的資助,在此表示誠摯的感謝!
本書編寫過程中,得到了武漢大學張小峰教授、夏軍強教授,中國海洋大學楊作升教授、王厚杰教授,華東師范大學楊世倫教授、何青教授,南京水利科學研究院夏云峰教高、聞云呈教高的支持和指導,在研究成果評審過程中專家提出了很多有價值的建議,在此一并表示感謝!
限于編寫人員的水平,書中疏漏和不妥之處敬請指正。
作者
2022年8月于北京
孫健,清華大學水利水電工程系副研究員。長期從事計算水動力學、環(huán)境水動力學、河流動力學、河口近海水動力學等方向的數(shù)學模型研究。2007年獲天津大學流體力學專業(yè)博士學位;2010-2011年在英國卡迪夫大學訪問學習;2012年至今在清華大學水利系工作。承擔和參與國家自然基金、科技支撐計劃、重點研發(fā)計劃、全球創(chuàng)新計劃等多項科研項目,發(fā)表論文70余篇,曾獲英國土木工程師協(xié)會Robert Alfred Carr獎。研究內(nèi)容包括:長江口、珠江口和渤海灣的環(huán)境水動力學特性及污染物輸移過程,三峽等大型水庫對長江干流水熱和懸沙濃度的影響,雅魯藏布江辮狀河流演變特征,以及城市洪澇災害模擬等。
第1章緒論
1.1水庫建設與河流水沙環(huán)境變化概況
1.2長江流域及水庫修建概況
1.2.1長江流域概況
1.2.2流域大型水庫群運行概況
1.2.3長江口與感潮河段概況
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1水庫修建對河流水體輸運時間的影響
1.3.2水庫影響河流懸沙輸運特征的研究
1.3.3感潮河段的水沙運動對水庫運行響應的研究
1.3.4水庫作用下感潮河段地貌演變研究
1.4本書主要內(nèi)容
參考文獻
第2章三峽水庫運行對長江干流水體輸運時間的影響
2.1長江干流水動力水齡模型
2.1.1長江干流水動力模型
2.1.2長江干流水齡模型
2.1.3滯留時間
2.2水齡季節(jié)變化特征及其對水庫運行的響應
2.3水齡縱向分布特征及其對水庫運行的響應
2.4三峽庫區(qū)動態(tài)滯留時間和水力滯留時間對比
2.5不同子河段的滯留時間
2.6理想河道型水庫的水齡和滯留時間分析
2.7本章小結(jié)
參考文獻
第3章水庫影響下長江干流懸沙濃度變化分析
3.1干流懸沙濃度沿程分布的重構(gòu)方法
3.2長江干流懸沙濃度的時空分布格局
3.2.1長江干流徑流量時空變化
3.2.2長江干支流懸沙濃度的時間變化分析
3.2.3長江干流懸沙濃度的沿程分布
3.3人類活動對長江干支流懸沙濃度變化的影響
3.3.1雙累積曲線法評估人類活動的影響
3.3.2人類活動對長江懸沙濃度的影響評價
3.4流域主要沙源因子對干流懸沙濃度相對貢獻率的變化
3.4.1沙源因子相對貢獻率的定義
3.4.2水庫運行前后主要沙源因子對干流懸沙濃度貢獻率分析
3.5長江中下游兩湖相對貢獻率和入海懸沙濃度變化預測分析
3.5.1水庫下游宜昌城陵磯河段懸沙濃度沿程恢復模型
3.5.2上游水庫淤積和城陵磯大通河段懸沙濃度變化經(jīng)驗
模型
3.5.3兩湖對干流懸沙濃度相對貢獻率的變化趨勢分析
3.5.4大通站的年平均懸沙濃度變化趨勢分析
3.6三峽水庫蓄水前后干支流懸沙中值粒徑變化
3.7本章小結(jié)
參考文獻
第4章長江感潮河段水動力過程及其對水庫運行的響應
4.1長江口潮汐水流數(shù)學模型
4.2長江感潮河段分潮傳播過程
4.2.1近岸海域8個主要分潮的數(shù)值模擬
4.2.2感潮河段水位的年內(nèi)時空變化
4.2.3洪季感潮河段各分潮振幅的沿程分布
4.2.4洪季和枯季感潮河段各分潮傳播過程的比較
4.3感潮河段流速轉(zhuǎn)向點的時空分布
4.3.1感潮河段斷面流量的沿程分布
4.3.2流速轉(zhuǎn)向點的隨潮移動規(guī)律
4.3.3流速轉(zhuǎn)向點的季節(jié)性變化過程
4.3.4轉(zhuǎn)向點位置和數(shù)量的理論分析
4.3.5長江感潮河段潮流界的多時間尺度變化分析
4.4感潮河段水動力過程對水庫運行的響應
4.4.1水庫蓄水影響下的分潮振幅變化
4.4.2水庫運行影響下的流速轉(zhuǎn)向過程變化
4.5本章小結(jié)
參考文獻
第5章長江感潮河段泥沙輸運特征與地貌演變
5.1數(shù)據(jù)資料與基本方法
5.1.1長江感潮河段泥沙數(shù)學模型
5.1.2長江感潮河段數(shù)字高程模型建立及分析方法
5.1.3感潮河段地貌演變概化數(shù)學模型
5.2感潮河段年內(nèi)懸沙濃度分布對水庫運行的響應
5.2.1感潮河段年內(nèi)懸沙濃度隨潮變化分析
5.2.2水庫運行前后大通站入海水沙條件變化情況
5.2.3水庫運行前后感潮河段懸沙濃度變化
5.3感潮河段年代際泥沙收支平衡與地形演變
5.3.1長江感潮河段年代際泥沙收支平衡計算
5.3.2河道地貌年代際變化綜合分析
5.3.3長江感潮河段年代際地貌變化原因分析
5.3.4全球感潮河段對比分析
5.4來沙減少和海平面上升作用下感潮河段長期地形演變
5.4.1來沙減少對感潮河段地貌的長期影響
5.4.2海平面上升對感潮河段地貌的長期影響
5.4.3潮汐幅值、徑流、粒徑及輸沙公式敏感性分析
5.4.4一維感潮河段的平衡態(tài)過渡機理
5.4.5長江口實際地貌演變模擬與分析
5.4.6模型局限分析
5.5本章小結(jié)
參考文獻
第6章結(jié)語
6.1主要結(jié)論
6.2啟示與展望