论文题目：人工控制下河口分汊河槽演变过程与稳定性研究
摘要：分汊河槽是自然河流地貌中的主要地貌单元,河口分汊河槽是水、沉积物和营养盐从上游流向下游直至外海的关键节点,在河流地貌塑造理论和河流治理工程应用中发挥着核心作用。河流通过河口分汊系统控制水沙再分配,分汊节点处的不均衡水沙输运导致节点上游大部分或全部流量流向下游中的一个汊道,致使河流改道甚至发生河道的废弃。因此,河口分汊河槽极不稳定,易发洪水灾害,并威胁河槽沿程水资源供应和航行安全。而且,径流下泄与潮汐的顶托产生回水效应,使得河口分汊河槽的水沙分配机制更加复杂;回水效应越强,导致城市洪水和航行安全风险越大。流域大坝、水土保持引起的来水来沙变异与人工改道、河口堤防、深水航道、分流口鱼嘴、疏浚等人工控制工程的不断增强,改变了河口分汊河槽的原有水沙输运模式,进而对人工控制下的河口分汊河槽水沙环境和冲淤产生叠加影响。因此,人工控制下河口分汊河槽如何演变及其稳定性如何,是确保人口集聚、经济发达的世界大河三角洲地区水资源、防洪御潮和航行安全亟待深入研究的科学问题。为此,本文以高强度人工控制的弱潮型阿查法拉亚河口人工分汊河槽系统与中潮型长江河口典型分汊河槽系统为研究对象开展深入研究,获得以下主要成果。（1）、人工控制下阿查法拉亚蜡湖人工分汊河槽回水效应减弱。收集和分析阿查法拉亚河口分汊河槽上、下游重要水文站历史与近期水位资料,计算水力梯度、河流功率、河床剪切应力、回水长度等四个水力系数,分析人工控制下河口分汊河槽的回水效应。结果显示,在阿查法拉亚上游Simmesport水文站日均高（18000±1000 m~3/s）、中（10000±1000 m~3/s）、低（1800±100 m~3/s）流量条件下,1977年摩根城主槽回水长度分别是489 km、436 km、188 km;蜡湖人工分汊河槽回水长度分别为295 km、420 km、225 km。在相同流量条件下,2010-2012年间摩根城主槽回水长度分别为519 km、451 km、195 km;蜡湖人工分汊河槽回水长度分别是253 km、318 km、191 km。与此同时,摩根城主河槽单位河流功率分别减少5.2 W/m~2、0.9 W/m~2、0.1 W/m~2,河床剪切应力分别减少0.8 N/m~2、0.6 N/m~2、0.4 N/m~2;蜡湖人工分汊河槽单位河流功率分别增加5.4W/m~2、0.6 W/m~2、0.1 W/m~2;河床剪切应力分别增加1.6 N/m~2、0.7 N/m~2、0.2 N/m~2。此外,1962-2018年间,阿查法拉亚下游河段水位明显下降,Krotz Springs水文站和Butte La Rose水文站水位分别下降了3.28 m和3.05 m;河口段水位却明显抬高,摩根城主槽Morgan City水文站和蜡湖人工分汊河槽Calumet水文站水位分别抬高了0.75 m和0.69 m。因此,自1963年密西西比下游干流和阿查法拉亚干流分汊节点处一级分汊老河河槽控制工程（Old River Control Project）和蜡湖人工分汊河槽控制工程竣工以来,蜡湖人工分汊河槽河流功率、河床剪切应力均增加,但回水效应明显降低。（2）、人工控制下阿查法拉亚河口一级分汊河槽持续冲刷,二级人工分汊河槽冲刷加剧,主槽淤积;长江河口南港冲刷与南槽上段强烈冲刷,南槽下段淤积。收集阿查法拉亚河口分汊河槽和长江河口南、北槽近期野外观测的沉积物、微地貌和多年历史水下地形数据,统计床面沉积物中值粒径、床面形态、宽度、床面高程及其冲淤体积变化,分析人工控制下河口分汊河槽冲淤演变特征。结果显示,1977-2006年间,阿查法拉亚下游河道平均缩窄约2 m,摩根城主槽平均缩窄约140 m,蜡湖人工分汊河槽平均展宽约20 m;下游河道整体冲深1.47 m,冲刷2.75×10~7m~3;摩根城主槽持续淤高0.96 m,淤积6.39×10~7 m~3;蜡湖人工分汊河槽持续冲深0.27 m,冲刷1.19×10~7m~3。因此,自一级分汊河槽老河控制工程竣工以来,阿查法拉亚下游河段总体冲刷,河口段二级蜡湖人工控制分汊河槽持续冲刷,相应的二级分汊摩根城主槽持续淤积。2002-2018年,长江口南港持续冲刷11.53×10~7m~3。在深水航道治理工程和南北槽鱼嘴工程共同影响下,北槽上段主槽侵蚀,两岸淤积,航槽泥沙回淤严重。南槽上段以冲刷为主,中段以淤积为主,整体呈淤积状态。2010-2012年洪季,长江口南港、南槽和北槽河床表层沉积物中值粒径分别增加0.065 mm、0.068 mm、0.037 mm,枯季分别增加0.056 mm、0.014 mm、0.008 mm,沉积物的这种粗化趋势与深水航道工程有关。2015-2018年间,长江口南港、北槽上段和南槽上段床面沙波平均波长分别增长1.35 m、5.21 m、3.34 m,平均波高分别增长0.06 m、0.08 m、0.11 m,沙波尺度明显增大。这种冲淤增强、床面沉积物粗化、沙波尺度增大态势系由三峡大坝等流域大型工程、青草沙水库和深水航道三期工程共同影响所致。（3）、人工控制下河口分汊河槽趋向冲淤平衡,稳定性增强。收集两个河口分汊河槽分流比与分沙比的实测值与计算值,通过冲淤速率与稳定性判别经验系数的计算,评估人工控制下大河河口分汊河槽稳定性。结果显示,1977-2006年间,阿查法拉亚蜡湖人工分汊河槽平均分流比上升10%,平均分沙比上升8%,河槽侵蚀速率下降67%,摩根城主槽淤积速率下降68%,河口分汊河槽稳定性系数增长一倍,由1977年的1.2增至2006年的2.4。因此,自1963年密西西比下游干流和阿查法拉亚干流分汊节点处一级分汊河槽老河控制工程和二级蜡湖人工分汊河槽控制工程竣工以来,二级人工蜡湖分汊河槽及其相应的摩根城分汊主槽冲淤速率逐渐减小,向冲淤动态平衡的稳定分汊河口发展。1998-2018年间,长江口南槽落潮分沙比与分流比变化趋势总体保持一致,呈先增长后稳定的趋势。南槽落潮分流比从45.9%增加至51.1%,之后稳定在57.0%左右;南槽落潮分沙比从40.0%增加至48.7%,之后稳定在63.9%左右。南槽净冲淤变化率下降90%,北槽净冲淤变化率下降33%。同时,南北槽稳定性经验系数k由鱼嘴工程竣工前（1998-2001年）的1.21增至鱼嘴工程竣工后（2002-2018年）的1.65。因此,自2001年南北槽分流口鱼嘴控制工程竣工以来,长江口南、北槽河槽向冲淤动态平衡方向发展。主要原因是长江河口工程控制了分汊口的边界条件,稳定了分流、分沙比,进而加强了长江河口南、北槽的稳定性。综上,两个河口尽管潮型不同,但在人工控制下产生的动力,冲淤变化存在一些共性,变化强度不同由河口类型造成。总体上,河口分汊河槽向稳定的方向发展。本文所取得的研究成果拓展了河口分汊理论知识,对于河口分流改道工程的安全运作和未来三角洲地区资源可持续利用具有重要的科学价值和现实意义。
关键词：河口分汊;回水效应;冲淤演变;河床稳定性;河口工程;阿查法拉亚河口;长江河口
学科专业：自然地理学
华东师范大学博士学位论文答辩委员会决议
学位论文导师评阅及同意答辩意见表
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 河口分汊河槽回水效应研究
1.2.2 河口分汊河槽冲淤演变研究
1.2.3 河口分汊河槽稳定性研究
1.3 本文的研究思路
1.3.1 研究目标
1.3.2 研究内容
1.3.3 拟解决的关键科学问题
1.3.4 论文工作量和技术路线
第二章 研究区域概况
2.1 阿查法拉亚河口
2.1.1 区域概况
2.1.2 径流量和输沙量
2.1.3 潮流特征
2.1.4 河口分汊控制工程
2.2 长江河口
2.2.1 区域概况
2.2.2 径流量和输沙量
2.2.3 潮流特征
2.2.4 风浪特征
2.2.5 河口分汊控制工程
第三章 资料来源和研究方法
3.1 资料来源
3.1.1 水文数据
3.1.2 沉积物数据
3.1.3 地形数据
3.2 水动力参数计算方法
3.2.1 水力梯度
3.2.2 河流功率
3.2.3 河床剪切应力
3.2.4 回水长度
3.3 微地貌数据分析方法
3.3.1 沙波特征参数
3.3.2 河床粗糙度
3.3.3 沙波起动速度与推移质输沙率
3.4 地形数据处理方法
3.4.1 河槽冲淤演变分析
3.4.2 声学多波束数据预处理
3.5 河床稳定性判别方法
3.5.1 分流比
3.5.2 分沙比
3.5.3 冲淤速率计算
3.5.4 稳定性判别式
第四章 人工控制下河口分汊河槽回水效应
4.1 水力梯度变化特征
4.2 河流功率
4.3 河床剪切应力
4.4 回水长度
4.5 本章小结
第五章 人工控制下河口分汊河槽冲淤演变特征
5.1 阿查法拉亚河口分汊河槽冲淤演变特征
5.1.1 微地貌特征
5.1.2 河槽宽度变化特征
5.1.3 床面高程变化特征
5.1.4 河槽冲淤体积变化
5.1.5 阿查法拉亚河口分汊河槽冲淤演变特征
5.2 长江河口分汊河槽冲淤演变特征
5.2.1 床面沉积物分布特征
5.2.2 河床微地貌特征
5.2.3 床面高程变化特征
5.2.4 河槽冲淤体积变化
5.2.5 长江河口南北槽分汊河槽冲淤特征
5.3 本章小结
第六章 人工控制下河口分汊河槽稳定性
6.1 阿查法拉亚河口分汊河槽稳定性
6.1.1 分流比变化特征
6.1.2 分沙比变化特征
6.1.3 冲淤速率变化特征
6.1.4 阿查法拉亚河口人工分汊河槽稳定性趋势
6.2 长江河口南、北槽稳定性
6.2.1 分流比变化特征
6.2.2 分沙比变化特征
6.2.3 冲淤速率变化特征
6.2.4 人工控制下长江河口分汊稳定性趋势
6.3 人工控制下河口分汊河槽演变与稳定性探讨
6.3.1 回水效应减弱下的弱潮型河口分汊河槽地貌演变
6.3.2 人工控制下河口分汊河槽微地貌发育趋势
6.3.3 人工控制下河口分汊河槽稳定性趋势
6.4 本章小结
第七章 结论
7.1 主要结论
7.2 创新与展望
7.2.1 主要创新点
7.2.2 研究展望
参考文献
致谢