前言

第1章 長江水沙調控的現狀與趨勢

1.1 長江流域水資源開發現狀與發展趨勢

1.1.1 水量資源開發利用趨勢

1.1.2 水能資源開發利用趨勢

1.2 長江流域水沙輸移特點及其效應

1.2.1 來水來沙特點

1.2.2 河湖邊界的衝淤特點

1.2.3 人類因素對水沙輸移及河床演變的影響

1.3 長江水沙調控的必要性及可行性

1.3.1 長江水沙調控的必要性

1.3.2 長江水沙調控的可行性

1.4 河流水沙調控現狀及發展趨勢

1.4.1 水沙調控工程實踐的發展歷程

1.4.2 水沙調控面臨的問題

1.4.3 水沙調控相關理論的發展趨勢

1.5 長江水沙調控的獨特性

1.5.1 長江水沙調控的復雜性

1.5.2 長江水沙調控的關鍵問題

1.6 本書的主要內容

參考文獻

第2章 長江水沙調控的原理

2.1 水沙調控的對像與目標

2.1.1 長江水沙調控的對像

2.1.2 長江水沙調控的特點

2.1.3 長江水沙調控的原則

2.2 水沙調控的模式與途徑

2.2.1 水沙調控的目標分解

2.2.2 水沙調控的多模塊集成

2.3 水沙調控的關鍵技術

2.3.1 邊界條件的確定原則

2.3.2 模擬技術的要求

參考文獻

第3章 水沙過程與河床變形耦合作用機理

3.1 水利工程對水沙過程的影響效應

3.1.1 單個水利工程

3.1.2 水利工程群體

3.2 非平衡狀態下河道縱向水沙輸移特性

3.2.1 水庫淤積平衡縱剖面與其影響因素的關繫

3.2.2 衝刷條件下非均勻沙的沿程恢復機制

3.3 水沙過程與河道平面形態穩定性

3.3.1 河床橫向變化的一般特性

3.3.2 水庫下遊河床橫向變化

3.4 衝積河流淺灘演變規律

3.4.1 淺灘演變一般特性

3.4.2 水沙條件變化後的淺灘演變

參考文獻

第4章 水沙調控數學模型關鍵技術

4.1 水沙調控模擬繫統

4.2 水沙輸移模型的方法與模式

4.2.1 長河段大範圍水沙輸移模擬的計算方法

4.2.2 水沙輸移模擬的計算模式

4.2.3 水沙輸移快速計算方法

4.3 水沙調控模型

4.3.1 水庫調度模型

4.3.2 洪水調度模型

4.3.3 平面形態控導模型

參考文獻

第5章 長江上遊大型水利工程與水沙過程相互作用

5.1 大型水利工程調度與水庫泥沙淤積

5.1.1 三峽水庫概況

5.1.2 水庫一維泥沙數學模型驗證

5.1.3 三峽水庫泥沙淤積特征

5.1.4 調度方式對泥沙淤積的影響

5.1.5 上遊建庫對三峽水庫泥沙淤積的影響

5.2 變動回水區泥沙淤積對航運的影響

5.2.1 三峽水庫變動回水區概況

5.2.2 水沙條件

5.2.3 泥沙淤積對水庫回水及淺灘水深的影響

5.2.4 重點淺灘演變規律及航運狀況

5.2.5 上遊建庫後泥沙淤積對變動回水區航道條件的影響

5.3 大型水利工程對下洩水沙過程的影響

5.3.1 三峽水庫下洩水沙過程變化

5.3.2 上遊建庫後三峽下洩水沙過程變化

參考文獻

第6章 長江中下遊衝刷與河勢調整

6.1 三峽水庫下遊水沙條件及河床衝淤變化

6.1.1 出庫水沙過程與沿程水沙條件

6.1.2 沿程河床衝淤及河床組成變化

6.2 沙卵石河段衝刷與枯水位下降

6.2.1 衝淤與枯水位的關繫

6.2.2 衝刷極限狀態的枯水位與局部比降

6.2.3 重點淺灘變化趨勢

6.3 荊江河段衝刷及河勢變化

6.3.1 衝刷過程中的河勢變化

6.3.2 重點淺灘段變化

6.4 分汊河段演變特點及衝後刷過程中河勢變化

6.4.1 分汊河道演變規律及影響因素

6.4.2 分汊河段衝刷特點

6.4.3 典型分汊淺灘段演變

參考文獻

第7章 長江中遊河湖水沙輸移與洪災相互作用機理

7.1 長江中遊致災性洪水的組成與遭遇特性

7.1.1 洪水來源與組成

7.1.2 洪水遭遇特性

7.1.3 長江中遊設計洪水

7.2 長江中遊江湖水沙分配調整與洪災加劇

7.2.1 長江中遊水沙分配調整與河湖形態變化

7.2.2 泥沙淤積對長江中遊洪水蓄洩能力的影響

7.3 三峽工程建成後長江中遊河床衝淤與水位變化

7.3.1 三峽水庫蓄水以來荊江河段衝刷量分析

7.3.2 三峽水庫蓄水後河床衝淤對城陵磯水位的影響

7.3.3 三峽水庫蓄水後長江中下遊長河段衝刷數值模擬

7.3.4 三峽水庫蓄水後荊江三口分流比變化趨勢

7.4 三峽工程建成後長江中遊洪災發展趨勢

7.4.1 三峽水庫對長江中遊的防洪效應

7.4.2 三峽水庫蓄水對漢江堤防的威脅

參考文獻

第8章 長江中下遊河床變形與水流條件控導原則

8.1 長江中下遊河道崩岸機理及判別方法

8.1.1 長江中下遊崩岸分類及其特點

8.1.2 穩定岸坡的計算方法

8.1.3 穩定岸坡影響因素分析

8.1.4 穩定岸坡變化規律

8.1.5 穩定岸坡合理性檢驗

8.2 長江中下遊衝刷過程中航道整治原則與參數

8.2.1 設計水位變化

8.2.2 整治水位及整治寬度變化

8.3 水庫下遊不同河型河勢控導原則

8.3.1 河勢控導原則

8.3.2 整治建築物布置

參考文獻

第9章 長江水沙調控應用與實踐

9.1 長江水沙調控體繫

9.1.1 長江水沙調控需求

9.1.2 長江水沙調控原則

9.1.3 長江水沙調控體繫分解與集成

9.2 長江上遊水庫調度

9.2.1 三峽水庫蓄水過程優化調度

9.2.2 梯級水庫水沙聯合優化調度

9.3 長江中遊洪水調度

9.3.1 長江中遊洪水調度原則

9.3.2 長江中遊蓄滯洪區的簡化

9.3.3 長江中遊荊江洞庭湖區河網結構的形成

9.3.4 模型驗證

9.3.5 長江中遊水庫及蓄滯洪區聯合洪水調度

9.4 長江中下遊崩岸控制

9.4.1 三峽水庫蓄水後深泓衝刷深度分析

9.4.2 三峽水庫蓄水後崩岸預測方法

9.4.3 三峽水庫蓄水後長江中下遊可能崩岸位置分布

9.4.4 三峽水庫蓄水後實測資料檢驗

9.4.5 三峽水庫蓄水後長江中下遊河道崩岸防治方略

9.5 長江中遊沙卵石河段治理

9.5.1 三峽水庫蓄水後沙卵石河段的航運問題

9.5.2 蘆家河坡陡流急整治

9.5.3 宜昌與昌門溪水位下降控制

9.6 長江中下遊沙質河段航道整治

9.6.1 三峽水庫蓄水對沙質河段洲灘演變的影響

9.6.2 三峽水庫蓄水後沙質淺灘的航道問題及治理思路

9.6.3 典型淺灘整治實例

參考文獻

第1章長江水沙調控的現狀與趨勢

開發利用長江流域豐富的水資源，不僅可提供大量電力、改善我國能源結構、

緩解能源緊缺問題，而且有利於促進西部經濟社會發展、提高中下遊防洪能力、實

現水資源優化配置，以及向北方跨流域調水、解決北方干旱缺水問題。然而，隨著

水資源開發力度的增加，工程規模和體繫不斷擴大，必然將對天然的徑流、泥沙過

程造成較大干擾，對上、中、下遊的河流環境造成明顯影響，甚至危及河流繫統功能

整體健康。世界大河流域水資源開發的經驗表明，對河流的水沙過程進行科學有

序的調節，將其控制在合理的限度之內，是避免負面效應的有效途徑。長江流域水

資源極為重要，保持流域河流繫統功能健康更加重要。如何在水資源開發利用的

同時，避免負面效應或災害的發生，已成為急迫需要研究和解決的重大關鍵問

題。本章結合長江流域水資源開發的現狀和趨勢，論述了長江水沙調控的必要性

和可行性，結合當前相關領域的發展趨勢以及長江流域的實際特點，分析了長江水

沙調控的特殊性。

1.1長江流域水資源開發現狀與發展趨勢

長江是我國大河，流域內80%以上的土地面積適宜於人類的生活、生產

和各類社會經濟活動，在全球流域面積大於100萬km2的大江大河中舉世無雙。

長江橫跨我國東、中、西三大經濟區，東達太平洋，西控大西南，區位優勢無與倫比。

長江經濟帶迅速崛起，發展成為我國基礎原材料、機電工業和高新技術等優勢產業

集中地、現代金融密集區，比較優勢全國領先。隨著西電東送、西氣東輸、青藏鐵路

和南水北調等與長江流域息息相關的四大戰略性工程的實施，隨著以上海為龍頭，

以南京、武漢、重慶為中心的開放型一體化經濟的迅速發展，長江流域的戰略地位

更加重要。

經濟社會的不斷發展必然帶來越來越高的資源和能源需求。長江流域豐富的

水量與水能資源，是維持流域乃至國家經濟社會穩定發展的基本保障。從水資源

蘊藏量來看，多年平均長江流域水資源總量為9616億m3，占全國水資源總量的

36%，其中地表水資源9560億m3，每平方千米水資源量54萬m3，為全國平均值

的1.9倍，是我國水資源較為豐富的地域之一。從水能資源蘊藏量來看，長江流域

水繫龐大，河川徑流豐沛，落差達5400m，水能理論蘊藏量為2.68億kW，約占全

國水能資源的40%；可能開發的約為1.97億kW，占流域總量的89%，占全國可

能開發水能資源的53.4%。

眾所周知，長江經濟帶的發展依賴於水，西部大開發成敗的關鍵在於水，解決

我國北方干旱缺水問題的“南水北調”工程的成敗仍在於水，長江的水資源是這些

重大經濟發展戰略實施中重要的戰略資源。長江流域的水能資源可開發率遠遠

超過世界其他大河，充分開發利用長江水能資源，無疑對促進西部大開發、改善我

國能源結構、促進西電東送等均有不可替代的作用。

1.1.1水量資源開發利用趨勢

水資源是世界各國公認的根本、基礎的戰略資源。雖然長江流域水資源

豐富，但目前長江流域的用水、耗水量約為總水量的20%，大大低於國際通行的

35%～40%的標準，尚有較大的開發餘地，而我國的水資源分布呈現南多北少、汛

枯分明的不均衡局面，進一步開發長江水資源對於提高流域乃至全國的水資源保

障能力具有重要意義。

，長江流域的洪水是中華民族的心腹之患。據歷史記載［1］前206

年（西漢1911年（清末）的2117年間，長江共發生洪災214次，平均約10

年一次。其中，唐代平均18年一次時期平均5年一次，明、清時期平均4年

一次。近代以來，長江中下遊連續發生1931年、1935年、1954年、1998年特大洪

水，嚴重威脅著兩岸人民群眾生命財產安全。因而，利用水資源調節工程對徑流過

程實施調節，降低洪災風險，是保障流域經濟、社會可持續發展的迫切需要［2］。

第二，長江徑流主要由降雨產生，季風對水資源的年內、年際分配影響很大。

以宜昌以上的長江上遊為例，5～9月主汛期的降雨量占了年均總量的79.1%，枯

期僅占20.9%，而大氣環流異常常造成周期性的干旱事件。研究表明，我國的西

南、長江中下遊等區域存在以5～20年為周期的春季干旱缺水［3］，2004年大氣環

流異常導致長江南部出現1951年以來為嚴重的秋季干旱事件［4］，2006年7～8

月持續的高溫與少雨導致長江上遊出現大範圍嚴重干旱，長江上遊7月份來水量

比歷史同期平均值偏少超過40%，長江上遊水位大幅下降，8月9日宜昌出現歷史

小流量。這些事實表明，長江流域內的水資源利用程度仍需提高，尤其需要更加

完備的水資源保障工程體繫來提高水資源調蓄能力，使汛期洪水能夠資源化［5］，增

加可供水源。

第三，我國水資源分布總體呈現南多北少的局面，北方地區自20世紀80年代

以來水資源短缺的矛盾日趨嚴重，采用南水北調工程實現跨流域調水，將長江流域

一部分水量輸送至北方可緩解該區域的水資源短缺。根據規劃，南水北調工程從

東、中、西三條線路合計年調水量380億～480億m3，占長江水資源總量的4%左

右［6］，相當於在北方增加一條黃河的供水量。

第四，經濟發展、人口增長對水資源的需求越來越高。根據預計，至2020年全

國年用水總量將達6000億～6500億m3，是2002年的1.1～1.2倍［7］。長江流域

人口密集度高，經濟發達，需水增加更快。相關預測表明，長江流域2010年總需水

量約3029億m3，2030年總需水量達3926億m3，遠景水資源利用率將可能達到

40%～50%［8］。如果不安排新的供水工程，開源與節流並舉，水資源供需矛盾將會

隨著經濟發展而日益突出。

1.1.2水能資源開發利用趨勢

除了水資源利用方面的需求之外，開發長江水能資源也是我國經濟社會發展

的必然趨勢。近幾十年來，我國的GDP年增長率持續保持在8%以上，預計達

2020年國內生產總值要比2000年“翻兩番”。經濟增長必然伴隨能源需求的高速

增長，根據2003年國內發電總裝機容量3.91億kW計算，估計2020年裝機容量

將達9.5億kW以上。我國的能源結構組成中，煤電占74%左右，居於主導地位。

然而，我國的人均煤炭占有量隻有世界平均水平的55%，煤炭屬於不可再生資源，

按照當前的開采速度17億t／a，80年後我國的煤炭資源將會耗竭。除此之外，火

力發電還造成環境污染、交通運輸等方面的壓力，從發達國家的經驗來看，采用水

力發電改善能源結構成為一種普遍趨勢。我國的水能資源居世界位，人均接

近世界平均水平，水能是我國現有能源中可以大規模開發的可再生能源，其開

發兼有一次能源建設與二次能源建設的雙重功能，並且有利於減少環境污染、緩解

交通壓力。然而，目前我國的水電裝機容量僅占全國電力的24%，開發程度僅

22.3%，遠遠滯後於世界其他國家。因此，經濟發展和能源結構決定今

後15～20年內將是我國水電的快速發展期［9］。

長江流域是我國水能資源的“富礦”，流域內可開發水能資源1.97億kW，占

全國的53.4%，而煤炭和石油資料蘊藏量僅為全國的7.7%和2.4%，水能占長江

流域能源資源總量的50%以上［10］。據統計，長江流域的水能全部開發之後，年均

發電量將達10275億kW·h，相當於12個三峽電站，每年可發電用煤

5.6億t，少排CO2約12億t、SO2約2400萬t以及大量廢渣、飄塵［6］。因此，長江

流域的能源分布情況決定了在電力結構上必須“因地制宜”，把優先發展水力發電

作為搞好長江流域能源平衡的戰略性措施，加快水能資源開發。除此之外，長江流

域的可開發水能資源主要集中於上遊，占全流域89%，加快西部水電開發，加大

“西電東送”的力度，也是推進西部開發，實行區域協調發展戰略有效可行的戰

略措施。

綜上所述，今後一段時期內長江流域水資源（包括水能資源）開發將是大勢所

趨，優先開發建設綜合效益大的大型工程將是其主要途徑。實際上，大壩是具有防

洪、水資源開發、清潔能源生產、航運等綜合功能的基礎設施，長江上遊大型水庫群

的建成，不但使長江流域的水資源保障工程體繫得到加強，而且能夠滿足本流域綜

合治理和開發的多項需求。

1.2長江流域水沙輸移特點及其效應

長江流域呈東西長、南北短的狹長形，其中宜昌以上的上遊長度約4500km，

控制流域面積100萬km2。長江上遊主要流經山地、丘陵，河谷深切，河道窄深，比

降較大，河床穩定；長江中下遊進入衝積平原，河道比降變小，水流平緩，河道邊界

易於衝淤變形。這些地質、地貌特點決定了長江水沙來量主要源於上遊，而天然情

況下水沙輸移引起的邊界條件變化，主要集中於中下遊的衝積平原區。

1.2.1來水來沙特點

長江流域內雨量豐沛，多年平均降雨量為1100mm左右，降雨量自西向東遞

減，降雨主要集中於夏秋季節，4～10月的雨量占全年降雨量的70%以上。由於上

遊面積占了流域面積的絕大部分，因而盡管中下遊存在著洞庭湖水繫、鄱陽湖水繫

以及漢江等眾多支流沿程入彙，但宜昌水量仍占大通入海水量的50%左右

，洞庭湖、鄱陽湖各占大通流量16%～22%。由於支流眾多，干流相繼

承洩各支流來水，因而長江干流徑流年際變幅不大，變差繫數為0.11～0.16。長

江干流徑流的多年變化主要是豐枯水年的交替。以出現頻率P＜25%者為豐水

年，P＞75%者為枯水年，對長江各站年平均流量做頻率分析，表明在宜昌、漢口兩

站100年左右的繫列中，連續豐水期和枯水期交替出現各有6～7次，平均15～16

年出現一次連續豐水期與連續枯水期的循環過程。

盡管長江中下遊的洪水徑流也主要來源於上遊，但洞庭湖、漢江、鄱陽湖幾大

支流水繫的作用也不可忽視。一般情況下，上遊與中下遊干支流洪水彙集時間先

後錯開，且中間有湖泊、河槽調蓄，不致釀成嚴重洪水，但由於洪水來源眾多，相互

迭加，自上而下使得洪水歷時逐漸延長，洪峰緩漲緩落，宜昌站一次洪水過程在

20～30d，漢口、大通超過50d。超長的洪水歷時使得較長時段內江湖水位較高，一

旦天氣反常，上遊洪水與中下遊洪水遭遇，將造成潰口分洪的不利局面。

長江泥沙含量不大，但因徑流量大，總輸沙量仍然較大。類似於徑流量主要來

源於上遊的特點，長江干流來沙量也集中於宜昌以上，並且其集中程度較徑流更加

明顯。從天然情況下多年平均的沿程含沙量變化來看，干流屏山站含沙量為

1.71kg／m3，隨著沿途嘉陵江、烏江水量不斷入彙，至宜昌站含沙量減為

1.20kg／m3，進入中下遊後，隨著洞庭湖四水、鄱陽湖水繫低含沙水流的不斷彙入，

干流含沙量減小為0.5～1.0kg／m3；從沿程的懸移質輸沙量來看，屏山站為2.4億

t，宜昌為5.3億t，大通站多年平均輸沙量約4.7億t。宜昌以下輸沙量減小的原

因主要在於中下遊河湖繫統的沉積所致，以洞庭湖為例，三峽水庫蓄水前長江干流

輸入洞庭湖的泥沙占洞庭湖入湖沙量的77%～87%，大部分淤積在湖內，年淤積

量超過1億t。長江泥沙輸移的年內特征主要表現為來沙量集中於汛期，宜昌站汛

期輸沙量占全年的85%～98%。其中，7～9月占57%～79%，較徑流量更加集

中。金沙江干流汛期（6～9月）輸沙量占年輸沙量的84.1%～97.5%，汛期與枯期

相差6～40倍，其中月平均輸沙量是小月平均輸沙量的80～3400倍。

長江的輸沙量年際也存在波動，除了受徑流量影響之外，與主要產沙區的降雨

情況也緊密相關。宜昌以上的沙量來源主要集中於金沙江與嘉陵江流域，金沙江

多年平均懸移質輸沙量約占宜昌的46%，嘉陵江占27%，兩者合計占宜昌站的

73%，特大年份如1974年高達90%。由於產沙區較為集中，因而很大程度上這兩

個流域的降雨影響著年際沙量的波動，汛期降雨量大小、時空分布直接影響水沙量

的組合搭配，這些將引起中下遊河床年內、年際的衝淤變形。

1.2.2河湖邊界的衝淤特點

長江自宜昌出三峽進入中下遊衝積平原區，其中宜昌—江口為山區河流向平

原河流的過渡段，河床組成主要為沙卵石。該河段內兩岸多低山丘陵，河岸抗衝性

強，河道外形穩定少變，在荊江裁彎、葛洲壩蓄水等原因引起的衝刷過程中，河床調

整主要表現為縱向衝刷引起的深泓變化和水位降低。

長江中下遊自江口以下為沙質河床，其中又以城陵磯為界，上下遊分別呈現彎

曲和分汊的河型特征。枝城—城陵磯河段習稱荊江，該河段的演變特征主要表現

為凹岸衝刷、凸岸淤積引起的彎頂曲率、頂衝點位置等方面變化，尤其以藕池口以

下的下荊江河段為典型，歷史上不斷蜿蜒擺動，反復裁彎取直。除此之外，由於

沙質河床抗衝性弱，易於因外界條件的變化而產生明顯衝淤變化，20世紀60年代

末至70年代初實施的下荊江人工裁彎工程縮短河長78km，造成了劇烈的溯源衝

刷，裁彎前後沙市枯水位下降達1m以上。雖然隨著兩岸護岸工程的逐漸完善，近

期以來江口以下彎曲河段的平面輪廓已比較穩定，但以邊心灘切割消長，主泓移位

為主的局部河勢變化一直存在。

城陵磯以下分汊河段的形成與兩岸分布的低山、基岩等控制性節點有密切關

繫，呈現出順直放寬型、鵝頭型等不同特征。除了鵝頭型分汊段周期性的主支移位

之外，長江中下遊的分汊河段比較穩定，汛、枯期之間支汊分流比周期性調整，使得

支汊能夠長期維持衝淤平衡。然而，由於泥沙易於在分汊段進出口的分彙流區淤

積，在一些水沙條件較為不利的年份，汊道進出口會形成礙航的淺區。

總體來看，長江中下遊的各段河道經歷了復雜的歷史演變過程，雖有部分山丘

階地的控制而沒有發生重大遷徙和改道，但主流擺動、河道形態的變化仍然十分頻

繁。近代以來，兩岸的堤防、護岸工程逐漸完善，河道擺動逐步得到控制，長江的總

體河勢輪廓已基本穩定，但一些局部河段的河勢變化依然存在，主要表現為主流局

部擺動，主支汊易位，江心洲灘的切割、淤並，彎曲河段頂衝點擺動等，這些變化與

水沙條件的年際波動，尤其是一些特大洪水事件有關。

長江中下遊河道邊界變化的另一種主要形式是泥沙淤積引起的河湖關繫調

整。長江中下遊沿岸分布著眾多通江湖泊與窪地，這些湖泊主要位於古雲夢澤經

長江泥沙長期淤積而形成湖積平原上，其中以洞庭湖、鄱陽湖及江漢湖群為典

型。這些湖泊與長江干支流之間存在著復雜的連通關繫，對於長江洪水起著重要

的分洩、調蓄、滯納作用，同時也是泥沙沉積的主要場所。長期以來，隨著干支流泥

沙的逐年淤積，湖泊變淺，洲灘不斷被圍墾開發利用，湖泊面積日益減小，其調蓄洪

水的功能日趨減少。目前，平原區內的兩個湖泊——洞庭湖和鄱陽湖仍與長

江相通，它們的演變與長江河道演變息息相關，同時也制約著區域內防洪形勢、生

態環境等方面發展趨勢。

1.2.3人類因素對水沙輸移及河床演變的影響

長江流域開發歷史悠久，各種人類活動顯著影響著流域內的水沙輸移過程及