随着人类对河流开发利用程度的不断增长,大型水利工程的建设改变了河流的自然水文形势,在产生一系列防洪、发电、航运、生态环境等综合效益的同时,打破了水沙输移与河道形态长时期形成的自适应关系。长江全长6300余公里,是我国第一、世界第三大河,具有丰富的淡水资源、突显的航运能力。人类活动如水土保持、水库修建、整治工程、人为采砂等在长江流域频繁发生,造成了水沙情势的改变,特别是水利枢纽工程的修建,对长江流域干支流水沙变化影响显著。三峡水库蓄水拦沙运用后,对年内流量过程进行调节,下泄水流泥沙处于不饱和状态,改变了下游河道原有的冲淤特征,河床再造是河床冲淤调整与变化的水沙条件相互调整、适应的过程。水库不同的运行方式对水沙过程的改变程度存在差异,而河道形态又直接关系到水沙输移特征,揭示重大水利工程作用下变化的水沙条件与河道响应性调整之间的相互驱动机制,对深化水沙造床作用认识、完善河流自调整原理、合理评估水库修建对河道演变的影响、优化水库运行方式等具有重要的理论与实践意义。河床自调整作用使得河床变形适应于变化的水沙条件,朝一定的平衡形态或水力几何形态发展,达到水沙过程与河道输沙能力的相对平衡状态。河床调整包括了沿程纵向冲淤调整、垂向冲淤部位变化、洲滩微地貌变形等一维、二维乃至三维的变形特征。本文基于大量原型观测资料,以荆江河段为研究对象,从整体到局部、远期到近期、现象到机理,采用实测资料分析与数学模型相结合的方法,多角度动态研究了三峡水库蓄水后不同运用时期坝下游水沙输移特征、宏观河道调整及洲滩微地貌变形,揭示水沙条件变化与河床调整的响应关系及相互作用机制,预测有、无水库调蓄及不同调蓄方式下典型河段冲淤变化。研究成果完善了大型冲积河流水沙输移、河床调整等方面的研究内容,可为水库下游河床变形预测提供依据、为合理评估三峡水库效益提供部分参考。本论文主要探讨了以下三个方面的问题:(1)三峡水库影响下荆江河段水沙输移特性变化。以三峡水库2003年投入运用及2008年175m试验性蓄水为界,分析了水库蓄水前后及不同时期水沙输移特性变化。在来水方面,水库蓄水运用对于流量过程的影响主要在于汛后蓄水期,特别是在2008年175m试验性蓄水后,汛后退水期月径流量削减幅度进一步增大,年内流量过程更为集中、均匀。调洪演算结果表明,三峡水库调度使得5000m3/s以上、10000m3/s以下来流占比明显增大,占比由29.3%增长至54.6%,不同控制宜昌下泄流量对年内流量过程影响的差异主要体现在洪峰削减及洪水过程的调节。从来沙变化来看,月均输沙量的减小主要集中在洪季5~10月,减幅在90%左右。在2008年175m试验性蓄水后,年输沙量呈进一步减小态势,主要体现在年内洪季及退水期出库沙量锐减,退水期9月减幅最大。水沙造床作用变化表明,三峡水库蓄水后中水流量级对应的造床作用明显增强,且在175m试验性蓄水后更为显著,这与水库调蓄改变年内流量过程,使得洪峰削减、中水持续时间增长有关。非均匀泥沙纵向输移量的时空变化反映了坝下游河床调整对于水沙条件的响应。荆江河段悬移质分组沙输移在空间上存在自上而下的推移,悬移质分组沙输移、河床形态及流量过程三者之间存在一定的响应关系。细沙主要来源于上游及沿程分汇流,粗沙主要来源于河床补给。枝城至沙市河段河床粗化已基本完成,主冲刷带下移至沙市至监利河段。在三峡水库运行不同时期,沙市至监利河段粗沙补给并未随蓄水运用年份的增长、河床粗化程度的增加而减弱,水动力强弱是决定粗沙补给程度的主要因素。联合各级流量下的冲刷动力条件和建库前后的流量频率变化,得到了10000~25000m~3/s是对粗沙冲刷起主要作用的流量区间,从而揭示了泥沙输移动力条件、河床形态及流量过程三者之间的响应机制。(2)荆江河段垂向冲淤部位调整与水沙条件的相互作用机理。三峡水库蓄水前,荆江河段河床形态变化在平滩河槽以下,而蓄水后河槽变形主要集中在中枯水河槽,在2008年175m试验性蓄水后,中枯水河槽冲淤量占平滩河槽冲淤量的百分比增长速率有所减缓。三峡水库蓄水导致各级流量出现频率改变、水流输沙特性发生变化。从中水河槽形态参数与各流量区间内的累积输沙能力之间的相关关系来看,在流量区间中值为16500m~3/s左右时,冲刷强度与中水河槽形态相关系数最高,随流量增大,相关系数明显降低。从造床作用的角度来看,16500m~3/s左右的流量具有较高的水流不饱和程度,同时,三峡水库运行后,水库调蓄改变年内水沙过程导致16500m~3/s以下各流量级造床作用增加,是荆江河段冲淤部位调整的原因之一。从低滩的束水归槽作用来看,在蓄水后的十余年里,荆江河段尺度的低滩平均高程为35.28m,结合蓄水后沙市站水位流量关系,对应于沙市站流量大小为16500m~3/s左右。该特征流量对应于河段尺度的中低滩临界归槽流量,对于荆江河段浅滩治理、航道整治等均具有重要意义。水沙条件导致了河道的冲淤调整及断面形态变化,而河道形态、低滩的束水归槽作用又在一定程度上决定了荆江河段的水沙输移特性。(3)三峡水库调蓄影响下洲滩微地貌变形特征。受洪峰削减、中水时间延长、来沙量大幅减小的影响,荆江河段沙质河段洲滩变形表现为中低滩洲头迎流部位退缩、滩体面积冲刷萎缩,而2008年175m试验性蓄水后洲滩冲刷加剧。三峡水库蓄水后对荆江河段江心洲及边滩冲刷力度最强的流量级在15000~25000 m3/s左右。根据流量还原结果,2008年175m试验性蓄水后该流量级持续时间进一步增长,导致了洲滩仍以冲刷萎缩为主。受河床粗化、上游细沙来沙量大幅减小的影响,洲滩冲淤调整与粒径0.125<d<0.25mm沙量百分含量变化存在一定的响应关系,上游中细沙来沙量减少不利于边滩冲刷后的回淤。建立了塔市驿至城陵矶河段平面二维水沙数学模型,计算并分析了有无三峡水库调蓄以及不同调蓄方式下三种不同河型河床冲淤、滩槽变形特征。无水库影响下,研究河段的河床变形以小幅淤积为主,而现行调度方式调蓄下以冲刷为主,但有无水库调蓄下洲滩、河槽冲淤分布基本保持一致,主要原因在于蓄水前后水流与河床的相互作用物理机制并未发生变化,来沙量大幅减小导致了河段冲淤幅度的改变。随着控泄洪峰流量的增大,顺直河道边滩、弯曲河段凸岸边滩、分汊河道江心洲面积及滩顶高程呈小幅减小态势。