河流系统连接着陆地和海洋,其中流域泥沙输移过程是许多学科研究的基础问题。随着人类文明的发展,人类对于河流的干扰越来越强烈,尤其是大坝的修建,直接改变了自然河流系统的水沙输移过程,并对上下游的人类生产生活造成很大影响。自然要素控制下的河流系统,在受到建坝的影响下,水、沙等要素都可能发生改变,也将打破河流原来的平衡状态,促使河床地貌调整,重新适应新的平衡状态。建坝导致清水下泄引起河床冲刷,细颗粒物质被清水以悬沙形式带走,粗颗粒物质保留原地,且相对含量不断增加,导致底床粗化,形成粗化层,并逐渐降低水流挟沙力,从而实现新的平衡状态。在河床地貌调整中,河床粗化层的形成以及底床形态调整等过程,体现了河流动力地貌从不平衡向平衡演变,且对沙砾质河床糙率估算、河床产沙有重要影响,与河段实际可冲刷泥沙量密切相关。作为世界第三大的河流,长江的物质输送影响着长江三角洲自身的发展、演变,且因三角洲地区人口稠密、经济发达、航道及港口工程密集分布,故而成为学界和政府重点关注的热点。特别是三峡大坝的修建,作为世界上最大的水利工程,自2003年大坝完成之后,长江入海泥沙通量从4.9亿吨/年骤减至1.3亿吨/年,这必然导致长江中下游地区水文地貌、营养盐、生态环境等显著变化。当前长江入海泥沙包括5个主要来源,即,三峡大坝下泄泥沙、洞庭湖流域、汉江流域、鄱阳湖流域以及坝下游河床冲刷。随着长江上游金沙江溪洛渡、向家坝等梯级水电站陆续上马,未来三峡入库泥沙将进一步减少。这将导致未来三峡大坝下泄泥沙不会超过如今的5000万吨/年,也使得坝下“清水下泄”这一格局不可逆转。总体而言,上游来沙直接受控于三峡大坝,汉江和鄱阳湖直接向长江输送泥沙,且目前趋于稳定,而洞庭湖与长江干流既有输入又有输出,较为复杂,因此长江入海输沙量的主要变量来自坝下游河床的冲刷以及洞庭湖输沙。三峡建坝前后,坝下河床动力地貌存在何种演变过程和机理,以及未来长江入海泥沙何时达到最低?这个问题主要取决于坝下河床泥沙的可冲刷量及其可冲刷时间,也就是说,河床冲刷何时达到一个新的平衡点。本研究基于资料收集以及野外实测等相关数据,1)探讨了洞庭湖水沙历年的变化趋势,并分析洞庭湖向长江泥沙输送情况及未来变化趋势,明晰洞庭湖作为边界条件对于长江中游地区的影响和作用;2)同时,利用水流挟沙力等水沙动力变化,分析建坝前后中游河段河床粗化过程以及河道冲淤的泥沙动力变化情况;3)在此基础上,设定完善的边界参数,包括洞庭湖水沙、中游主河道糙率、混合层厚度(沙波形态法)、底床泥沙级配等,进行SOBEK 一维水沙模型的模拟工作,分析长江中游地区泥沙输移情况,并探讨了未来长江入海泥沙通量的变化趋势。本研究主要得到以下几点认识:1、洞庭湖区水沙总体都呈现下降趋势,但泥沙通量下降更为显著。其中湖区径流量主要受到降雨控制,而泥沙通量的变化主要分为三个阶段:第一阶段为1970年之前,降水影响占主导的;第二阶段,1970～2003年,人类活动干扰加强,降水对泥沙的影响趋于减小;第三阶段,2003年三峡封坝之后,人类活动对于洞庭湖泥沙的影响占主导地位。从2008年开始,洞庭湖已经由“汇”向“源”转变,从建坝前淤积状态,转变为建坝后冲刷状态,目前洞庭湖通过城陵矶向长江干流输沙基本维持在2000万吨左右,且趋于稳定。2、三峡建坝后,大量泥沙在库区被拦截,导致中下游河段泥沙通量大幅下降,出库泥沙由建坝前5亿吨/年降到仅有0.5亿吨/年左右,入海泥沙量由建坝前4.4亿吨/年降为年均1.3亿吨泥沙。三峡工程打破了自然河流的平衡,使得河流中水沙关系不匹配,中游河段由建坝前季节性冲淤转变为常年冲刷,建坝后宜昌至汉口河段年均冲刷量总计达6500万吨左右。一般而言,河床的冲刷量到达某个极值后,床沙粗化,冲刷潜力减弱,冲刷量逐渐下降,冲刷中心随之逐渐下延。目前宜昌床沙(<2 mm)90%已被冲刷,河床粗化甚至达到了 20 mm,且宜昌站目前的水流挟沙力已经趋近临界的水流挟沙力,宜昌基本没有可被冲刷的潜力。荆江河段,目前沙市的床沙中值粒径粗化为0.5 mm,监利的床沙中值粒径仅粗化到0.28 mm,水流挟沙力离极限值较远,沙市至监利河段每年冲刷量目前仍在加强,未来时期内河道冲刷应该主要河段应该集中该河段。到了城陵矶以下河段,由于受到坡降等因素的干扰,其水流挟沙力、单位水流能量较低,未来三峡引起的坝下河床冲刷有可能到达城陵矶为止。3、未来清水下泄、河床冲刷加强的背景下,坝下河段沙质河床将发生明显的“粗化—产沙—底形强化”这一转变,这将直接影响到中游河段泥沙输移调整。目前荆江河段的底形沙波情况,由于上荆江河段沉积搬运的作用要强于下荆江河段,上荆江河段波形指数平均值为25.77,下荆江河段波形指数平均值为19.39,上荆江河段波形较大,同时,该河段底床沉积物的中值粒径与沙波波长表现出良好的相关性,呈现越往下游,泥沙变细的趋势。4、基于以上研究,设定完善的边界参数,包括洞庭湖水沙、中游主河道糙率、混合层厚度(沙波形态法)、底床泥沙级配等,建立SOBEK 一维水沙模型,并利用长江中游河段的实际冲刷情况进行验证,SOBEK模型对于长江中游宜昌至城陵矶河段的年际泥沙输移问题的模拟是可信的。本文设计五套方案,其中水沙边界条件的改变能直接影响到坝下河床冲刷情况,而抛开水沙条件变化而言,总冲刷量区别不是很大,只是考虑的因素不同,不同方案各河段达到的最大冲刷量及时间有一定的差别。方案一在建坝后第46年完成最大冲刷量14.6亿吨;方案二在建坝后第41年完成最大冲刷量15.3亿吨;方案三在建坝后第49年完成最大冲刷量14.7亿吨;方案四在建坝后第32年完成最大冲刷量23.4亿吨;方案五在建坝后第36年完成最大冲刷量24.3亿吨。结合实际情况,我们选择方案一为基本方案,进行深入分析讨论中游河段冲刷变化情况。5、三峡建坝后,“清水下泄”,坝下河床冲刷侵蚀,这种过程是由近及远的,在建坝初期10年,主要集中在坝下游前100 km,平均冲刷深度能达到3.65 m,宜昌至沙市河段,在此阶段冲刷强烈,到了第19年冲刷停止,累计冲刷达3.9亿吨泥沙。沙市至监利河段,在建坝后10～20年达到巅峰,此阶段该河段平均下切了 2.75 m,到了建坝后第32年,该河段冲刷基本完成,累计冲刷达4.9亿吨泥沙。随着上游河段冲刷完成,冲刷中心逐渐下移。建坝后20～30年,沙市以上河段完全停止了下切,冲刷中心逐渐已经转移到下游河段,监利至城陵矶河段,建坝后20年该河段开始强烈冲刷,一直持续到建坝后第46年,该河段累计产沙达6亿吨。6、目前长江流域输沙格局主要由三峡出库泥沙,洞庭湖输沙,汉江输沙,鄱阳湖输沙,以及坝下游河道输沙五个方面组成,其中三峡出库泥沙通量年输沙量稳定在2000万吨左右;洞庭湖每年大约向长江净输沙在800万吨左右,随着三口来沙减少,洞庭湖向长江输沙将进一步增多;汉江流域每年向长江输送大约300万吨泥沙;鄱阳湖流域每年向长江净输沙约1200万吨。坝下游河道输沙是主要变量,根据SOBEK的模拟结果,在2025年之前,长江入海泥沙通量能维持在每年1.3亿吨左右,随后入海泥沙量逐渐开始下降,直到2049年,长江入海泥沙通量达到最低点,约为每年5500万吨泥沙,此后,长江流域实现新的动态平衡。