水位变化条件下植被对下荆江河段岸坡稳定性影响分析

针对下荆江河段典型的上黏下砂二元岸坡,选用香根草-高羊茅组合植物护坡型式,综合考虑植物根系锚固作用及植被蒸腾作用,利用GeoStudio软件模拟岸坡强度指标和热力学指标,运用单因子分析方法研究河道水位下降幅度M、水位下降速率R、初始水位I因素对岸坡稳定性的影响,并运用灰色关联分析方法对比三种因素对岸坡稳定性的影响程度。结果表明:在水位下降过程中,岸坡稳定安全系数先快速下降,后趋于稳定;岸坡稳定性受水位快速下降的影响最大,当下降速率小于1 m/d时,素土岸坡能保持在基本稳定状态;当下降速率大于3 m/d时,岸坡失稳破坏。植被有助于提升岸坡的稳定性,有植被岸坡与素土岸坡相比,其稳定安全系数最大可提升4.33%;岸坡稳定安全系数与M、R、I三种影响因素的关联度在有植被条件下依次有所下降,最大降低3.73%。本文研究结果明确了水位变化条件下植被对下荆江岸坡的稳固效果,可为生态护岸工程的设计提供基础支撑。

基于时间卷积网络的长江下荆江航道水位预测

航道水位的精准预测对保障船舶通航安全具有重要意义。以长江下荆江航道为研究区域,采用2019—2020年水文时间序列数据为训练集,2021年数据为验证集,构建基于时间卷积网络(TCN)的长江下荆江水位变化预测模型,并与基于长短时记忆神经网络(LSTM)和支持向量机(SVM)的水位预测模型进行计算精度的对比。结果表明:不同站点TCN对应的最优输入时间窗口存在一定差异,监利站、调弦口站及石首站的最优输入时间窗口分别为前2 d、前2 d和前3 d;TCN在2021年下荆江各站点水位预测结果的纳什系数(ENS)和决定系数(R^(2))均高于0.995,均方根误差(ERMS)小于0.21 m,整体预测效果优于LSTM,两者预测精度均较高,均显著优于SVM;但随着预测时间尺度的增加,水位预测精度整体呈下降趋势;TCN模型各站点枯水期大部分时段的水位预测绝对误差小于0.2 m,这表明TCN在航道水位预测领域具有较好的应用潜力。通过分析TCN在航道水位预测中的适用性和优越性,可为长江航道水位预测精度提升和船舶安全通航提供技术支撑。

下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理

三峡水库蓄水后下荆江河段河床冲刷下切,局部河段崩岸险情频繁发生。为研究下荆江二元结构河岸的土体特性及崩岸机理,结合近期该河段崩岸情况,现场查勘了6个崩岸点,并对河岸土体进行了室内土工试验。试验结果表明下荆江河岸土体的垂向组成具有典型的二元结构特征:下部非粘性土(沙土)层较厚,上部粘性土(低液限粘土)层较薄且松散。以河岸崩塌过程分析为基础,提出了二元结构河岸发生绕轴崩塌时上部土层稳定性的计算方法。结合近岸水动力条件计算及土工试验结果,定量分析了二元结构河岸的崩塌机理及其影响因素:①下部沙土层的起动流速比近岸流速小得多,故该土层容易受水流冲刷;②上部粘性土层崩塌前抗冲强度很大,但多为低液限粘土且相对松散,崩塌后堆积在岸边容易分解并被水流带走;③河岸稳定安全系数在一个水文年内呈周期性变化,落水期安全系数最小,故容易引发崩岸,该计算结果与近期崩岸实际统计结果一致。

三峡建库前后洞庭湖对下荆江的顶托与消落作用研究

自然通江的洞庭湖与长江间复杂的关系影响着下荆江尾闾河段的水文情势变化。三峡建库后洞庭湖出口基准面的变化,使得湖对江的顶托与消落关系发生调整,进而影响防汛抗旱与生态保护。从水面比降变化出发,以顶托消落比表征湖对江的顶托消落作用,利用1991—2017年监利站、螺山站、七里山站水文资料,分析洞庭湖对下荆江顶托、消落作用及其变化规律,并根据平衡比降公式,从理论上解释了蓄水前后比降变化的合理性。结果表明:蓄水后监利—城陵矶、城陵矶—螺山水面比降均有所增大。3个时期即:1991—2002年、2003—2007年、2008—2017年以来,监利—城陵矶河段年内月最小水面比降的出现时间有所推迟,对应的城陵矶水位有所升高,汇流比有所减小,湖对江的顶托作用有所减弱。1991—2017年湖对江综合表现为顶托作用,3个时期顶托消落比减小的原因为顶托作用减弱而非消落作用增强。从年内变化看,湖对江表现为消落作用出现在汛后(9—10月)及2008—2017年枯水期(1—3月)。3个时期顶托消落比均受汇流比的影响,当汇流比小于0.5,洞庭湖易产生消落作用;当汇流比大于1,洞庭湖顶托作用增强。当长江流量小于6000 m3/s,湖对江均表现为顶托作用。1991—2002年顶托消落作用主要受洞庭湖出流的影响,而2008—2017年主要受长江干流流量的影响。研究结果可为江河湖泊治理与保护提供科学依据。

下荆江河槽形态及过流能力调整对上下游边界条件的响应

受三峡工程运用与洞庭湖出流顶托影响,下荆江河段的进口水沙条件及其出口侵蚀基准面发生改变,河床冲淤调整剧烈,平滩河槽形态及过流能力变化显著,威胁到两岸的防洪安全。首先采用一维水动力学模型及河段平均的河床演变分析方法,计算了下荆江2002—2016年河段尺度的平滩特征值(平滩宽度■、水深■、面积■及流量■),以及石首与监利两站相应警戒水位下的过流流量(QwnSS、QwnJL)。其次分析了上述参数对上下游边界条件的响应,并建立了这些参数与前5年汛期平均水流冲刷强度■(上边界)、当年上下游汛期平均水位差■(下边界)之间的单因素及多因素响应关系,并对综合关系式进行了率定与验证。结果表明:(1)受大规模护岸工程控制,下荆江河床调整以河段平滩水深增加为主,增幅为8.8%,相应宽深比减小8%,河床趋于窄深;(2)河道过流能力年际间变化较大,无明显单向增加或减少趋势,其中河段平滩流量介于27 401~34 548 m3/s之间,多年平均值为31 335 m3/s,而石首及监利两站警戒水位下过流流量的多年平均值分别为36 976、34 381 m3/s;(3)在综合关系式中,对于河段平滩面积■而言,上边界■占比的平均值约为96%,且■随■的增加而增大;对于河道过流能力(■、QwnSS、QwnJL)而言,下边界■占比的平均值约为86%,且■、QwnSS和QwnL均随■的增加而增大。故下荆江河段平滩河槽形态调整主要与进口水沙条件有关,而过流能力调整主要受出口侵蚀基准面条件(洞庭湖出流顶托)控制。

下荆江窑监河段河床演变及整治初步研究

三峡水库蓄水后,改变了下游来水来沙条件,河床演变也相应发生变化.长江中游窑监水道属典型的弯曲分汊河型,在分析三峡蓄水运用前后河床演变的基础上,采用二维水沙数学模型预测了三峡工程蓄水运用后20 a河床演变趋势.计算表明,窑监河段主流仍保持在乌龟洲右汊,主支汊的河势没有发生变化,虽然整个河段呈冲刷趋势,但出浅碍航段航深随着枯水位降落有减小的趋势.在对历史演变分析及演变趋势预测的基础上,利用建立的数学模型研究了航道整治方案.

下荆江二元结构河岸崩退过程模拟及影响因素分析

三峡水库蓄水后下荆江河段河床持续冲刷,局部河段崩岸险情时有发生,研究下荆江二元结构河岸的崩退过程,有利于全面掌握该河段的演变规律。以下荆江荆98断面为研究对象,结合实测水文资料及断面地形资料,应用BSTEM模型计算了该断面右侧河岸2007及2010年的崩退过程,同时分析了弯道二次流及岸顶植被对崩岸过程的影响。结果表明:下荆江二元结构河岸的崩岸一般多发生在洪水期和退水期,其中洪水期为崩岸强烈阶段,退水期为崩岸较强阶段;弯道二次流的影响使得河岸坡脚冲刷更为严重,不利于凹岸的稳定性;岸顶植被增强了上部黏性土层的抗剪强度,有利于河岸的稳定性。

长江下荆江段分形学特征与河道演化

采用盒数维法对长江下荆江各不同时期河道岸线的分形学特征进行探讨。研究表明,下荆江河道岸线的盒数维介于1.078~1.23之间,较黄河、海河、滦河等河流的维数要小,相当于黄河下游和长江下游平原区的维数,反映出下荆江河段是高成熟度的河段。这与长江中游地区的其他河段不相称,可能是由江汉—洞庭湖平原长期沉降所造成。河道裁弯之后,河道岸线由复杂变简单,分维数显著减少。裁弯取直事件发生在分维数值为1.19~1.23之间,即分维数可作为河道突变事件发生的一个预警参数。

基于数字地图的下荆江河道变迁研究

根据不同历史时期的下荆江河道图形建立了供分析用的数字地图 ,在此基础上应用地理信息系统技术对下荆江河道图形进行了量测、计算、河道演变规律分析与模拟显示 ,并用最新的下荆江河道图形资料对其结果进行了检核 ;结合地质、地貌及其它因素 ,对下荆江河道的演变进行了分析和预测 .

下荆江典型河段芦苇根系特性及其对二元结构河岸稳定的影响

植被根系能有效加强河岸土体的抗冲蚀能力,从而影响河岸的稳定性。针对下荆江天子一号典型崩岸河段,调查了典型植被(芦苇)的覆盖情况。通过现场取样及室内试验,分析了芦苇根系的垂向分布、根系的抗拉强度及根-土复合体的抗剪强度。基于试验结果,定量分析了芦苇根系及植株重量对上层黏土、下层中细沙的二元结构河岸绕轴崩塌及剪切崩塌的影响。研究表明:研究区域内芦苇根系分布较浅,平均直径约为0.55 mm,根系的抗拉强度多介于13.0~175.0 MPa,且随着直径的增加而减小,两者存在幂函数关系;根-土复合体的黏聚力较素土有显著的增加;随着芦苇根系的增多,河岸根-土复合体的平均抗拉强度逐渐增加,河岸土体发生绕轴及剪切崩塌的临界悬空宽度均有所增大,河岸稳定性增强;芦苇自身重量对河岸稳定性的影响不明显。

基于Matlab的下荆江二元岸坡崩塌过程动态模拟

三峡水库运行后下荆江河段冲刷下切,局部失稳崩岸频繁发生。针对下荆江河段概化的上粘下砂二元岸坡,文章推导了崩塌土体坡脚堆积掩护公式,结合下部砂土层冲刷计算与上部悬空粘土层稳定性分析,同时考虑水位、土体性质、岸坡形态等随时间的耦合变化,利用Matlab编程建立了岸坡崩塌分析模型;应用该模型动态模拟了下荆江二元河岸崩退过程,与现场实测符合良好;在此基础上,探讨了不同水位变化模式对二元河岸崩塌过程的影响。研究结果表明:水位下降期较之水位上升期上部粘土层更易发生绕轴崩塌;水位变化至两土层交界面附近时是岸坡崩塌的最危险时期;与未考虑坡脚掩护相比,考虑掩护后落、涨水期的坡脚累计冲刷距离分别减少约45%和17%。

下荆江人工裁弯30年

下荆江裁弯工程实施已 ３０年。工程实践表明，下荆江裁弯工程是按照蜿蜒性河段演变规律改造下荆江的治本工程，取得了预期工程效益，但也出现了一些原来认识不足的问题。裁弯工程是动态工程，要深入认识河道演变规律，因势利导，还要加强河道演变与工程效果观测分析，及时修改设计，更好发挥工程效益。引河工程是裁弯工程成败的关键，新河及其上下游河势控制工程则是保持和发挥裁弯工程长期效益的保证。

下荆江蜿蜒河道分形弯曲的物理机制探讨——Ⅰ.非线性机制

下荆江河流是一个耗散系统,其平面形态具有分形结构,这种分形结构形成的物理机制之一是河流系统内部诸因素之间(如河床与含沙水流)及河流内部与外部环境(如流域)因素之间存在复杂的非线性依存关系和非线性相互作用,系统外界的扰动如洞庭湖顶托或各种人类活动(如沿江围垸)等是下荆江河型突变的触发力量。

下荆江蜿蜒河道分形弯曲的物理机制探讨——Ⅱ.随机性

河流水沙时间序列是随机过程,为探讨它们对蜿蜒河流分形结构形成和演变的影响,分析计算了这些随机过程的数值特征和涨落规律。研究发现,这些随机过程的涨落及二阶矩随时间变化的幂律振荡在下荆江这类蜿蜒河流分形结构的形成和演变中具有重要的调制作用。

三峡建库前后下荆江有效流量研究

有效流量是天然河流某一时段内悬移质输沙量最大所对应的流量,可反映中、短期造床作用。根据监利水文站1991—2016年逐月流量、输沙量及悬移质级配,分析三峡建库前后流量频率及不同粒径组悬移质泥沙输移特性;运用理论分析法与分组频率法计算下荆江分组悬移质输沙量对应有效流量的大小、重现期、历时。研究成果表明:受来水来沙、水流挟沙能力以及床沙补给等因素影响,有效流量随泥沙粒径增大而减小。建库后,因河床冲刷各粒径组间有效流量偏差增大,0. 062 mm<d<0. 25 mm粒径组泥沙对应的有效流量增大,其他粒径泥沙和全部悬移质对应的有效流量减小; d<0. 125 mm粒径组泥沙有效流量重现期增大,d>0. 125 mm粒径组泥沙有效流量重现期减小;细颗粒泥沙含沙量严重不饱和河道输送粗颗粒泥沙的能力相对较大,悬移质级配粗化;累积50%的泥沙输移需43%～82%的累积流量以及62%～90%的累积历时,且累积流量和累积历时随着泥沙粒径的增大而减小和缩短。研究三峡建库前后有效流量变化对分析冲刷条件下下荆江河段河床演变具有重要意义。

下荆江河道水力几何形态的研究

根据 195 0— 1980年下荆江监利 (姚圻脑 )站的水文测验资料 ,运用L B Leopld河床水力几何形态原理 ,建立下荆江河道的河相关系式 ,研究该河道水力几何形态的特点及变化 .研究表明 ,下荆江河道河宽指数b随流量的变化较小 ,而水深指数f随流量的变化较大 。

下荆江七弓岭弯道崩岸机理研究

三峡水库蓄水以来,下荆江末端七弓岭弯道颈口上下游河岸的崩岸速率加快,极有可能发生崩岸型颈口裁弯,导致下荆江河道强烈冲刷和河势横向调整。采用水文资料、遥感影像、野外调查和BSTEM数值模拟相结合的方法,分析了七弓岭弯道60余年平面形态变化,颈口上下游的崩岸速率及主控因素,揭示其崩岸过程与机理。七弓岭河段河岸上层为密集的芦苇根系,剪切式和悬臂式崩岸兼有,上游侧崩岸速率约为12.5 m/a,上游颈口处崩岸速率大于八姓洲其他部位,而下游侧略有淤积。考虑到潜水位变化和坡脚冲刷作用,在持续相同流量条件下比实际水位流量过程的崩岸速率更大。

下荆江熊家洲河段平面形态与河床冲淤变化

熊家洲河段位于长江中游下荆江尾端,其平面形态从顺直过渡到微弯再逐渐演变成S型,是目前荆江最为弯曲的河段。受水沙条件、河岸边界条件、自然裁弯和人工裁弯等因素影响,局部河势调整频繁。熊家洲凸岸斜槽裁弯形成新河槽,导致主流与支汊成为共生的分汊河势,改变了熊家洲出口段水流条件,进而影响下游七弓岭弯道崩岸速率和河床冲淤。为全面分析熊家洲河段平面形态演变过程和河床冲淤变化,选取枯水期遥感影像数据及沿程代表性断面进行分析。结果表明:熊家洲河段整体向下游蠕动且河道展宽,熊家洲弯道新生河槽呈冲刷扩大趋势,7 a平均展宽70 m;出流沿程断面深槽从左岸向右岸方向发展,熊家洲下游的深泓线偏向右岸;三峡水库建成运行后,深泓线开始贴近七弓岭凸岸,而原深槽回淤形成2个沙洲,经过七弓岭弯顶后逐渐向凹岸偏移,出熊家洲弯道后河道沿程呈现冲刷下切趋势。研究成果对目前该段河势控制工程的实施提供了参考意见,为下一步研究三峡水库运行的河势控制提出了思路。

下荆江裁弯与城陵矶水位抬高的关系

本文根据下荆江裁弯前后的实测资料,分析了荆江与洞庭湖水沙关系的变化;下荆江与洞庭湖出流相互顶托的关系;汇流口河段的河床演变,获得了裁弯后城陵矶枯水位抬高约1.0m,洪水位抬高趋势明显的结论,最后探讨了水位抬高的原因,

洞庭湖顶托对下荆江泄洪量的影响

从分析监利水文站水位流量关系入手，提出了相应落差的概念，建立了该站水位流量关系的幂级数表达式，计算了特定条件下的流量增量，定量地回答了洞庭湖顶托对下荆江泄洪量影响问题。