（自然地理学专业论文）长江干流水沙关系模型特征、河流地貌学意义及其应用浅析.pdf

长江干流水沙关系模型特征、河流地貌学意义及其应用浅析 摘要 水沙关系模型、即流量( d i s c h 甜g c ，q ) 与悬沙浓度( s u s p e n d e ds e d i l l l c n t c 0 n c e n t f a t i o n ，s s c ) 之间的指数相关关系；s s c = a q 6 ，已在国内外中、小型河流 中得到广泛应用。长江干流水沙关系模型不论在科学研究或者工程建设中都具有 重要的理论和实践意义。实践证明，水沙关系模型在长江流域的应用不十分广泛， 主要原因可能是由于本区复杂的气候和地貌特征所致。本论文在长期观测的水沙 数据库基础上，对长江干流水沙关系模型特征的时空分布及其形成机制作了初步 的探讨，目的在于更好地认识该模型形成机理及其应用。本论文基于寸滩、万县、 宜昌、枝江、新厂、监利、螺山、城陵矶、汉口和大通1 0 个主要水文站1 9 5 0 1 9 8 8 年逐日水沙资料和实测水沙资料，建立了不同时间尺度( 季节性、全年和十年逐 日模型；一年实测和长时间尺度实测模型) 的水沙模型。根据逐日水沙资料建立 了各站历年的全年模型，并统计模型相关性系数( r 2 ) 、模型系数b 、l 甙a ) 的时 空分布特征。通过分析，本文认为水沙关系模型时空分布主要受到流域气候和河 流地貌特征的影响： 1 ) 干流上游( 三峡河段) 水沙模型呈高相关性，r 2 都在o 8 5 m 9 0 以上，普 遍高于长江中、下游模型；在模型系数上表现为“高b 值，低l 甙a ) 值”的特点 ( b 1 6 0 0 ，l g ( a ) o ，8 5 ) 。 往中下游方向水沙关系的季节性变化愈趋明显。季节模型r 2 明显低于全年模型 r 2 。新螺河段表现出洪季模型相关性高于枯季模型的特点，洪、枯季及全年模型 相关性都不及其他河段。长江中游的汉口站和下游的大通站与上游河段类似，水 沙关系模型r 2 呈“全年，枯季 洪季”的模式，但是模型相关性，尤其是季节性模 型的相关性，已不如上游显著。 当然，长江干流水沙关系是多因素长期综合作用的结果，除了河流地貌、气 候条件的控制外，长江干流水流能量、悬沙粒径大小以及悬沙粒径级配对水沙关 系模型也有一定的影响。一般地，水流能量高、中值粒径大、过渡质悬沙浓度含 量较高的上游段，其水沙相关性要较中下游来的高。 长江水沙关系模型的时空分异性，导致了不同水沙关系模型在输沙量计算上 的差异。本文对洪季模型，枯季模型、全年模型、十年模型、一年实测模型和长 时间尺度实测模型的时空分布特征进行了较为深入地探讨，并分析了这些模型在 输沙量计算上的应用。其中前4 种模型建立在逐日水沙资料基础上，后2 种模型 则分别建立在一年和多年实测水沙资料基础上。对比结果表明，由于河流地貌形 态的差异，季节性模型可以很好地反映长江上游的水沙行为，可以直接用来进行 季节性输沙量计算；但此模型并不适合于中下游河段的应用，而全年逐日模型则 更合适于中下游输沙量的计算。针对洪峰期间不易捕捉“沙峰”现象，本文分别 用季节性模型、一年模型、十年模型和实测模型对1 9 7 7 年汉口站和大通站输沙 量进行估算。结果发现，1 ) 季节性模型对洪期“沙峰”的补测效果不及其他模 型；2 ) 一年逐日模型对“沙峰”的补测效果要好于十年模型和长时间尺度实测 模型。此外，利用一年模型、十年模型、和一年实测模型对长江下游大通站的输 沙量进行了计算，结果显示了一年实测模型能更好地反映河流输沙通量，提出了 大通站在1 9 5 1 1 9 8 7 年之间的年输沙量应该至少为4 9 6 亿吨，甚至更高。 关键词河流水沙模型时空分异性泥沙通量水文地貌学意义长江干流 毕咪师范丈学硕士论文长江千流水沙关系棱墅特祉、河流地貌学意义及其应用浅析 a b s t r a c t t h ep r e s e n ts t u d yr e l i e so nt h ew e l l - m e 嬲u r e ds u s p c n d e ds c d i l n e n t1 0 a d st h a t p l a y 雠i m p o r t a l l tr o l e i nb o t ha c a d e l l l i cs t u d y 锄de n 酉n e c r i n ga p p l i c a t i o n s ， e s p e c i a u yi nt h cc o a s t a la f e 硒g e n c r a l l y ，s u s p e n d e ds e d i m e tl o a d sc a b ec a l c u l a t e d l l s i n gd i s c h a r g c 锄ds u s p c n d c ds c d j m e n tc o n c e n 仃a t i o nd a t a h o w e v e r ，i ti su s u a l l y n o te a s yt 0m e a s u r es u s p e n d e ds e d i m e n tc o n c e n t m t i o n s ，b e c a u s em e t h o d su s e df o r m e a s u r i n gs u s p e n d e ds e d i m e n t 咖c e n t r a t i o n sa r ee i t h c re x p e n s i v eo fc o m p l i c a t i v e s u s p c n d e ds e d i m e n tr a t i n gc i l f v e ( s s r c ) h a sb c c nw i d e l yu s e di np 他d i c t i n g s e d i m e n tc o n c e n t r a t i o i l s ，w 1 1 i c ha r en e c e s s a r yf o rs u s p e n d e ds ed i 】n e n fl o a d p r e d i c t i o n s h o w e v e r ，t e m p o r a la n ds p a t i a lv 盯i a b i l i t i e so ft h es s r cr c s t r i c t i t s 印p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yi nah u g er i v e fc a t c h m e n tw j t hi n d e 6 n i t eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， s u c ha st h ey a l l 毋z er i v e rc a t c h m e n t 1 no f d c rt om a l 【eaf i l l lu s eo fs s r c ，i ti s i m p o r t a mt oh a v eaf i l i t h e rl l l l d e r s t a n d i n g0 nt h ec h a r a c t c d s t i c so fm es s r c ，d r i v i n g f 研c c sb e h i n dt l l e s e c h a m c t e r i s t i c s ， a sw c l la st h e i r i m p l i c a t i o n s o nt l l e h y d r o m o 咄o l 晒c a lf c a t u r e s t h i s 咖d ya i m sa tt h ec b 甜a c t e r i s l i c s0 fs s r c 缸o n g t h cy 柚g t z er i v e r ，i no r d c rt 0c x p l o r et h cm e c h a n i s m s 如di n t e r p f c tt h ei m p l j c a t i o s o fs s r c0 h y d f o m o m h o l o 酉cf c a t u 咒so ft h ey 柚百z e ，锄dt od i s c u s st h ep r o p e r s s r ci l lr e l a t i o nt op r e d i c t i o f 蛐s p e n d c ds e d i m e n tc o n c e n t 船t i o n s b 硒e do ns s r cf 如m 加h y d r o l o g i c a lg 卸g i n gs t a t i o n s ( c u n t 锄，w a 胍i 蛐， y i c h 孤g ，z 蛔i a n 岛x i n c h 姐舀c l l c n g h n 萄i ，l u o s h 扎，h a n k o ua n dd a t o n g ) a l o n gt h e y 柚g t z e 尉v c r t i l i ss t u d yi n d i c a t e sm a i nc h 盯a c t c r i s t i c so fs s r c f i r s t l y ，t h cp o w c r r c l a l i o n s h i pb e t 、j l ，e 锄r j v c rd i s c h a r g c ( q ) 趾ds u s p e n d e d s e d i m e n t n c e t m t i o n ( s s c ) v a r i e sb c m e d i 舰r tr e a c h e so ft h ey 蛐g t z e p c n e r - 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a n dl o w e 卜f c a c h u 叭a l l y r c a c h e sw i t l ih i g h c rs t r e 锄p o w e ra r co f l l i g h e rr 。，s u c h 勰t h eu p p c ry 锄g t z e ，a i l dv i c ev e f s a d i v e r s i t yo ft h es s r ca l o gt h ey 卸甜z er i v c rr e s u l t si nd i f 诧f e n to u t c o m e so f t h e i ra p p l i c a t i o ni ns e d i m e n tl o a d c a k u l a t i o n ( b m p a d n gs c d i h l e n tl o a dr c s u l t s p r e d i c t e db yd i f f e r e n ts s r c ，w ef b u n dt h a ts s r cf r o md r ys e a s o n sf 如mt l l eu p p e f r e i c ha f es u i t a b l ef o rs e d i | n e t1 0 a dp r e d i c t i 叫w i m i nc o r r e s p o n d i 】1 9s e a s o n s f o r e x a m p l e ，s u s p e n d e ds e d i m e n tl o a do fd r y f l o o ds e a s o nc a nb ep r e d i c t e db yu s i n g s s r cf r 啪d r y n o o ds e a s o n s h o w e v 盯，s e 船o n a ls s r ci sn o tap r o p e rm o d e lf o r p r e d i c t i n gs s c a tt h em i d - a n dl o w e r r e a c h e s b e c a u s es e a s o n a ls s r cc a nn o tr e n e c t t h es s cd u r i n gh i g hd i s c h a r g e s n i sr e s u l t si nu n d e r p r e d i c t i n gs s c d u f i n gt h eh i 曲 d i s c h a r g c s t a k i n gt h es u s p e n d e ds e d i m e n tl o a df r o md a t o n gi n1 9 7 7a sa ne x a m p l e ， t h i s s t u d yc o m p a r e sr e s u l t sw j t hd i f f e r c n ts s r c ( s e a s o n a is s r c ，a n u a ls s r c ， 华东师范大学颀士论文长江干流水沙关系模型特征i 河流地貌学蒽义及其应用浅析 d e c a d a ls s r ca n ds s r cb a s e do nm 卸u a lm e a s u r e dd a t a ) r e s u n ss h ( w 矿t h a t ，s s r c b 黔e do n l o n g t e 肌d a t a b a a r es u p _ e r i o r t os e 硒o m ls s r c ，w h i l e t h cs s r cb a s e do n o n c - y c a rm 蛐u a lm e a s u r c dd a t as e e m st h eb e s tf o fs u s p e n d c ds e d i m e n t l o a d p r c d i c t i o ni l lt h el o w c rr e a c h t 五cp r e n ts t u d yp r o p o s e st h a tf 如m1 9 5 1t o1 9 8 7 ，t h e 船肌a ls u s p e n d e ds e 曲n e n tl o a d 劬md a t o n gs t a t i o nw o u l ds u m u pt 04 9 6 1 t ，o r e v e nh i g i l e r ，r a l h e r 山柚4 6 7 1 矾鹤u s u a l l yd t c d w et l i o u g i l t t h a t 蛐s p e n d c d s c d i m e n t l o a dd u r i n gt h ep 舔t5 0y e a r sf m l d a t o n ge m e r i n gi n t ot l l es e aw o u l dh a v c b e e n2 5 0 1 0 8 to rc v e nm o r ct h 粕t h a t ，a c c o r d i n g l y k e yw o r d s ： d r i v i n gf o f c e ，h y d r o m o 神o l o g i c a li r n p l i c a t i o n s ， s e d i m e n t l 0 a d ， s u s p e n d e ds e d i m e n tr a t i n gc i i c ( s s r c ) ，y a i i 出er i v e rc a t c l l i n e n t 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个 人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 氰鼠埝 日期：巡! ：鱼：! 三 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：象胁导师签名： 日期：3 生! ! ：! ：1 2日期：兰二! ! ：! ，二r 华东帅范戈学坝鬻论文 长江干流水沙关_ 糸模型籽扯：翔流地貌学意义及其应用浅析 第一章前言 第一节研究的目的、意义及国内外研究现状 一、论文的研究意义 1 长江干流水沙关系模型研究的实践意义： 对泥沙通量的计算，涉及到对流量( d i s c h a r g e ) 和悬沙浓度( s u s p e n d e d s e d i l l l e n tc 0 n c e n t r a t i o n ，含沙量) 这两个数据的观测。我们注意到，连续或近似 连续的流量数据，可以用固定的装置测得，或者根据水位流量关系推算，但是 悬沙浓度值却不那么容易得到。首先，悬沙浓度的数据传统上只能通过手工的方 法测得通常是按照一定的周期、孤立地测得一个样点值，或者偶尔补充几个 事件值。从而导致的问题是，人工测量悬沙浓度的过程中难免出现漏测的现象。 关于这个问题，华东师范大学陈中原教授将其形象地描述为“我们很难抓住所有 的沙头”，即“洪水期洪峰对应的沙峰往往容易被漏测，正是由于这一方面，我们 往往不能精确地抓住这个沙峰的瞬间，测得的悬沙浓度值往往是在这个沙峰附 近，略低于沙峰的值；另一方面，即使我们抓住了某个，或者某几个沙峰，但不 能抓住所有沙峰。而这些沙峰瞬间的输沙量却是不容忽视的”( x u e f 口z 2 0 0 5 ) 。 其次，用断面上某一点或某一垂线的悬沙浓度值来代表这个断面的悬沙浓度值的 做法，显然不符合精确计算泥沙通量的要求。当然近年来也有新的方法和仪器来 获取悬沙浓度的数据，但或者因为操作繁杂，或者因为其运作、维护费用昂贵而 没有得到推广。因此，目前悬沙浓度数据不论其数值精度、或是其数据密度都不 能满足科研工作和工程建设的需要。 近6 0 年来，水文学家率先使用概率曲线来预测、推求河流悬沙浓度，以提 供泥沙通量计算之用。仅提出的概率曲线就有2 0 多种，但其中最普遍的是水沙 关系模型( s u s p e n d e ds e d i m e n tr a t i n gc u n r e ，水沙关系曲线) 。水沙关系曲线模 型是利用流量和悬沙浓度之间指数相关这个经验公式来预测悬沙浓度的。由于水 沙关系模型形式简便，自变量( 流量) 易于测量的特点，被广泛应用于科学研究 和工程运算中。长江水利委员会在推算逐日悬沙浓度值时也广泛地应用了该经验 模型。传统的长江泥沙通量值，即是借助于由该模型推算的悬沙浓度值估算得出 的。悬沙浓度值本身观测精度的不确定性导致了对泥沙通量精度的争议，而水沙 关系模型借助于流量与悬沙浓度之间的指数相关来估算悬沙浓度值，该方法可以 在定程度上弥补实际操作的不足，提供更精确的悬沙浓度资料。 长江流域以其占全国1 8 的面积养育着全国3 4 的人口，其国民生产总值占 华东师范大学硕士论文 长江十流水沙关系模型特征、河流地j 基兰寅爻度是些堕堕堕 全国g d p 的4 0 以上。长江三角洲更是以全国2 2 的陆地面积、1 0 4 的人口， 创造了全国2 2 1 的国内生产总值、2 4 5 的财政收入、2 8 5 的进出口总额。 这里已经成为中国经济、科技、文化最发达的地区之一。但是长江河道冲淤变化 对河道航运带来了众多不便；泥沙在长江中下游河段的淤积形成有名的“地上 河”，使近年来洪水呈现“小流量，高水位”的特点：另外，多年平均数据表明， 长江以每年向河口地区输送4 6 7 亿吨的沉积物，这个数据是否精确也在很大程 度上影响到相关工程设计。由此看来，长江河道来水来沙变化对长江口泥沙淤积 和河口工程有重要的影响( 陈西庆和陈吉余，1 9 9 7 ；y a n g 甜口f ，2 0 0 2 ；y a i i g 甜口z ， 2 0 0 3 ：x u 鲜以，2 0 0 5 ) ，从而迫切要求加深对长江水沙行为的认识，并改进水沙 通量的估算方法，以更好地评估水沙通量对长江河道、河口工程建设、河口生态 及流域经济等方面健康、持续发展的影响。因此，对长江干流水沙模型特征和应 用的研究对长江流域尤其是长江三角洲的经济稳定和持续发展有一定的实践意 义。 2 长江千流水沙关系模型研究的理论意义 由于水沙关系模型在泥沙通量计算上有着广泛的应用，但传统上使用单一的 水沙关系曲线估算不同时空的输沙量，甚至利用相邻水文站的水沙关系曲线在流 域内进行悬沙浓度计算的情况，显然不能满足精确计算的要求。尤其在长江这样 有着极其复杂地貌形态的大河流域，更需要加深对水沙关系模型的时空差异性及 其指示意义的认识，从而改进水沙关系模型在悬沙浓度及输沙量估算中的运用。 我们知道，河流泥沙的来源主要有二：其一，地表径流携带的大量泥沙进入 河道；其二，水流对河道的冲刷提供丰富的物源。而影响河流流量的因素也主要 有二，首先是气候控制下的径流强度，其次是流域面积的大小。从而，河流水沙 关系模型的两个变量悬沙浓度和流量，与河流的地貌形态、流域面积、植被 覆盖以及气候特征等有极其密切的关系，也就是说随着河流的地貌形态、气候特 征等因素的变化，水沙关系模型将呈现出极大的时空差异性。长江流域从上游向 下游横跨中国三级阶地，河流地貌形态的悬殊差异在这里一览无余；同时，长江 流域处在季风气候区，季节性降雨控制着长江水沙关系的季节变化，因此，长江 干流水沙关系模型随时空变化呈现出极大的差异性。 但是，目前对长江干流水沙关系模型的研究和应用还不够全面。已有的研究 主要是大通站的水沙关系及其在输沙量计算上的运用，对水沙关系的形成、变化 及形成机制的探讨尚还不多。基于此，本文旨在探讨长江干流水沙关系的空间分 异性和季节差异性；尝试从河流地貌学的角度来分析水沙关系模型的特征和应 用；对比、分析在不同的情况下，利用由该模型产生的悬沙浓度值进行泥沙通量 估算时所产生不同结果；最后就如何选用水沙关系模型来进行泥沙通量计算提出 2 华券帅范大学硪士论文长江干流水护关糸镇坐特祉、潮流地貌学意义及其应用浅析 几点看法。相信这些探讨对我国该领域的理论研究在这些方面的完善有一定的理 论意义。 此外，随着全球物质循环成为科学研究的重要课题之一，自2 0 世纪7 0 年代 以来，河流悬移质输送的研究受到越来越多的关注。因为世界上大大小小的河流 在全球物质循环中充当着一个重要的角色把陆源物质源源不断地输送到世 界大洋中，参与全球的物质循环。评估长江泥沙对全球泥沙通量的贡献以及对长 江河口影响的主要依据之一，是通过水沙关系模型计算的长江泥沙通量值。因此， 对长江水沙关系模型特征和应用的探讨，实现更精确地计算长江泥沙通量，是深 入研究全球物质循环的重要环节之一。 二、国内外研究现状 世界大河流每年向河口输送1 0 1 0 鲫吨的泥沙( x u 甜口f ，2 0 0 5 ) ，这些泥 沙对航道、河口地貌有着重大的塑造作用( 陈西庆、陈吉余，1 9 9 7 ；m i l l i m a n a i i d s ”i t s k i ，1 9 9 2 ；c o m w e l l 甜口z ，2 0 0 3 ) ；对河口生态、渔业安全关系密切( d e v i r i e s a i l d 尉a v e r s ，1 9 9 4 ；s h e n 甜口z ，2 0 0 0 ；s c h r c i e r 甜n f ，2 0 0 1 ) 。因此，对河流水沙关 系的深入认识，是航道、河口工程建设研究以及实现河口生态系统健康、持续发 展的一项重要内容。尤其近几十年来，众多国内外学者尝试通过对水沙关系模型 的研究来认识河流沉积物的侵蚀、堆积和搬运过程( b e l p c t i o ，1 9 7 9 ；f e r g u s 衄， 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ；j 锄s s o n