了得網工業技術_河流水沙生態綜合管理

內容簡介

《河流水沙生態綜合管理》以河流水沙過程和河流生態為基礎，繫統闡述了河流綜合管理的

理論體繫和科學方法。作者在總結30餘年科研實踐的基礎上，對泥沙運動

及河床演變、築壩河流管理等傳統河流泥沙學科問題作了繫統回顧；同時，

對河流泥沙學科新興發展的重要研究方向，如植被-侵蝕動力學模型和應

用、山區下切河流演變及管理、河流生態評價和生態修復方法及河流綜合管

理方略等作了深入闡釋。其中，關於河流綜合管理的基本理論的總結，包含

了作者在雅魯藏布江、長江、黃河、東江、三江源的大量野外調查、試驗和長

期思考得出的規律性認識。

前言
第0章緒論1
第1章基本概念與河流管理問題5
1.1 河流基本概念5
1.1.1 水循環5
1.1.2 河網6
1.1.3 小能耗原理11
1.1.4 泥沙13
1.1.5 輸移質17
1.1.6 河型20
1.1.7 河流特征23
1.1.8 化學特征25
1.1.9 河流生態27
1.2 我國河流管理的主要問題33前言

第0章緒論1

第1章基本概念與河流管理問題5

1.1 河流基本概念5

1.1.1 水循環5

1.1.2 河網6

1.1.3 小能耗原理11

1.1.4 泥沙13

1.1.5 輸移質17

1.1.6 河型20

1.1.7 河流特征23

1.1.8 化學特征25

1.1.9 河流生態27

1.2 我國河流管理的主要問題33

1.2.1 水資源33

1.2.2 洪水35

1.2.3 土壤侵蝕42

1.2.4 污染和富營養化44

1.2.5 水庫管理47

1.2.6 河流利用51

1.2.7 生態保護與河流綜合管理53

思考題55

參考文獻56

第2章植被-侵蝕動力學60

2.1 侵蝕與植被60

2.1.1 侵蝕60

2.1.2 植被66

2.2 作用於植被的生態應力72

2.2.1 自然生態應力72

2.2.2 人為生態應力74

2.2.3 長期生態應力?短期生態應力和瞬時生態應力76

2.2.4 致死應力和損傷應力78

2.2.5 脆弱植被79

2.2.6 植被演替80

2.3 植被-侵蝕動力學82

2.3.1 損傷應力作用下植被活力的動力學響應82

2.3.2 植被-侵蝕動力學方程組84

2.3.3 植被-侵蝕動力學模型及參數的確定86

2.3.4 植被-侵蝕狀態圖及其應用92

2.4 我國主要流域植被-侵蝕動力學分析97

2.4.1 我國典型水土流失地區的選取97

2.4.2 植被-侵蝕動力學參數的經驗關繫98

2.4.3 黃土高原植被-侵蝕動力學分析105

2.4.4 長江上遊地區植被-侵蝕動力學分析110

2.4.5 華北土石山區植被-侵蝕動力學分析114

2.4.6 南方紅壤侵蝕區植被-侵蝕動力學分析115

2.4.7 水土流失地區人工加速植被演替的動力學過程116

2.4.8 造林加速植被恢復發育與土壤侵蝕變化過程118

2.4.9 造林加速植被演替過程120

2.5 濱河植被123

2.5.1 衝積河流的濱河植被123

2.5.2 濱河植被在河床演變中的作用125

2.5.3 樹木年輪地貌學129

2.5.4 河邊植被調查方法132

思考題135

參考文獻137

第3章滑坡和泥石流143

3.1 簡介143

3.1.1 崩塌與滑坡143

3.1.2 泥石流145

3.2 滑坡和泥石流引起的災害146

3.2.1 滑坡和泥石流在我國的主要分布146

3.2.2 滑坡災害148

3.2.3 泥石流災害150

3.3 滑坡?泥石流的機理154

3.3.1 滑坡154

3.3.2 兩相泥石流156

3.3.3 偽一相泥石流166

3.4 滑坡和泥石流的預報與防治175

3.4.1 滑坡的預報和防治175

3.4.2 泥石流的預報178

3.4.3 預警繫統179

3.4.4 泥石流控制工程179

附錄非牛頓體滾波現像的數學推導184

思考題187

參考文獻187

第4章山區下切河流的演變與管理190

4.1 概述190

4.2 河道下切的原因193

4.3 下切河流的演變197

4.4 基岩河道202

4.5 階梯-深潭繫統209

4.5.1 山區河溪中階梯-深潭繫統209

4.5.2 階梯-深潭繫統的實驗研究215

4.5.3 階梯-深潭繫統在河床演變中的作用219

4.6 河床阻力結構223

4.6.1 肋狀結構223

4.6.2 滿天星結構224

4.6.3 岸石結構225

4.6.4 簇叢結構226

4.7 河道下切對環境的影響228

4.8 控制河道下切的方法232

4.8.1 概述232

4.8.2 控制河道下切的人工結構235

4.8.3 修復方法238

思考題241

參考文獻242

第5章泥沙運動和河床演變過程256

5.1 衝積河流的水文特征256

5.2 明渠水力學258

5.2.1 層流和紊流258

5.2.2 急流和緩流260

5.2.3 渦黏性繫數260

5.2.4 明渠流的流速分布262

5.2.5 猝發過程263

5.3 河流床面形態264

5.3.1 床面形態的發展264

5.3.2 低能態和高能態271

5.4 阻力273

5.4.1 明渠流的消能273

5.4.2 阻力的組成成分275

5.4.3 衝積河流阻力的處理方法276

5.5 沉速和起動流速280

5.5.1 液體中顆粒沉速280

5.5.2 浮力和群體沉速282

5.5.3 起動流速284

5.6 輸沙285

5.6.1 Meyer-Peter和Muller推移質公式285

5.6.2 懸移質公式286

5.7 高含沙水流288

5.7.1 概述288

5.7.2 高含沙水流性質289

5.7.3 高含沙洪水時的輸沙特性291

5.7.4 高含沙洪水的衝淤特性297

5.7.5 衝淤過程對水力特性的影響302

5.8 河型及河床演變304

5.8.1 彎曲型河流304

5.8.2 順直河流307

5.8.3 分汊河流308

5.8.4 遊蕩河流311

5.8.5 網狀河流314

5.9 非恆定輸沙和河道運動力學315

5.9.1 河道運動力學315

5.9.2 河道運動強度和水流移床力316

5.9.3 河床慣性319

5.9.4 改道321

5.10 河床演變分析的新方法323

5.10.1 水沙動態圖323

5.10.2 河流泥沙矩陣324

思考題326

參考文獻327

第6章防洪和水沙管理——以黃河為例332

6.1 洪水災害和防洪332

6.1.1 黃河流域332

6.1.2 歷史上的洪災334

6.1.3 黃河治理的歷史338

6.1.4 治理河流的理念341

6.2 現代的治理策略341

6.2.1 寬河固堤341

6.2.2 束水攻沙342

6.2.3 水庫調控343

6.2.4 堤防工程343

6.2.5 分滯洪工程345

6.2.6 植樹造林和淤地壩345

6.2.7 調水調沙347

6.2.8 疏浚348

6.3 水資源開發350

6.3.1 概況350

6.3.2 實例分析——黃河三角洲352

6.4 黃河治理新問題35

6.4.1 水力發電降低河道過流能力356

6.4.2 灘區的開墾增加洪災的損失359

6.4.3 黃河引水造成斷流360

6.4.4 工程出險362

6.4.5 引水改變河道演變過程364

6.4.6 黃河三角洲河道穩定和造陸366

6.5 三門峽水利樞紐的經驗教訓371

6.5.1 三門峽水利樞紐372

6.5.2 水庫泥沙管理376

6.5.3 潼關高程和渭河泥沙淤積379

6.5.4 平衡輸沙模型383

6.5.5 河型384

6.5.6 三門峽水庫壩下衝淤385

6.6 黃河水沙管理新策略387

6.6.1 改寬淺河槽為窄深河槽387

6.6.2 海水衝刷388

6.6.3 人造高含沙洪水390

6.6.4 跨流域調水391

6.6.5 解放滯洪區391

思考題392

參考文獻392

第7章築壩及水庫的管理395

7.1 河流築壩395

7.2 大壩對環境和生態的影響400

7.2.1 水庫水質400

7.2.2 水庫洩流404

7.2.3 水質控制405

7.2.4 生態影響407

7.3 水庫泥沙淤積管理413

7.3.1 水庫泥沙淤積及其對環境的影響413

7.3.2 水庫淤積的類型415

7.3.3 水庫淤積治理策略416

7.3.4 異重流421

7.4 潰壩與拆壩423

7.4.1 潰壩423

7.4.2 風險分析428

7.4.3 拆壩429

7.5 三峽工程建設及管理435

7.5.1 工程目的435

7.5.2 大壩設計439

7.5.3 三峽工程的施工441

7.5.4 泥沙淤積和管理措施443

7.5.5 環境和社會影響451

思考題457

參考文獻457

第8章河流生態與河流生態修復464

8.1 河流生態繫統464

8.1.1 河流生態繫統的空間要素464

8.1.2 生物群落468

8.1.3 生態條件473

8.2 生態功能及動態平衡476

8.2.1 河流的生態功能476

8.2.2 棲息地477

8.2.3 通道479

8.2.4 過濾和屏蔽480

8.2.5 源和彙481

8.2.6 動態平衡481

8.3 生態應力483

8.3.1 概述483

8.3.2 自然應力483

8.3.3 人為生態應力487

8.3.4 外來物種入侵495

8.4 河流生態繫統評價499

8.4.1 指示物種499

8.4.2 生物多樣性指標502

8.4.3 快速生態評價505

8.4.4 棲息地評估508

8.4.5 棲息地模擬511

8.5 生態修復518

8.5.1 河內結構用於棲息地恢復518

8.5.2 河道恢復524

8.5.3 生態修復的設計527

8.5.4 人工濕地與食物斑塊528

8.5.5 流域和濱河植被恢復530

8.5.6 建壩河流和渠道化河流的生態修復532

8.5.7 其他生態應力作用下的生態繫統恢復533

思考題535

參考文獻535

第9章河流綜合管理545

9.1 河流綜合管理原則545

9.1.1 河流治理545

9.1.2 河床穩定性547

9.1.3 河流管理的原則553

9.1.4 河流極限流速定律561

9.2 泥沙與河床結構564

9.2.1 河流網絡565

9.2.2 河床結構與推移質運動的等價律570

9.2.3 泥沙概算——粒徑級配分析方法584

9.3 河流綜合管理595

9.3.1 采用人工階梯-深潭繫統防治河流災害和修復河流生態596

9.3.2 人工階梯-深潭繫統治理泥石流603

9.3.3 陸地生態繫統管理中的人工林樹種選擇613

思考題617

參考文獻618

彩圖

在線試讀

第0章緒論

地球上所有的陸地都是流域的一部分,水在陸地中穿行,塑造了所有的景觀?圖0.1所示是我國黃土高原被河流雕琢的景觀?即使在干旱的埃及,一年到頭幾乎不下雨,地表形態仍然主要由水流衝積而成(圖0.2)?實際上,地球上大部分陸地地貌都是由河流衝刷或淤積形成,因此河貌比地貌更貼切?河流不僅僅輸水入海,而且還挾帶泥沙?溶解物和動植物營養碎屑?河床?河岸和地下水都是河流整體的組成部分,甚至草地?森林?沼澤和河漫灘也可看成是河流的一部分;當然,河流也可以看成是它們的一部分?

圖0.1 水流塑造的我國黃土高原

生態是指生物在一定的自然環境下生存和發展的狀態,包括生物與生物之間的相互關繫?生物與供其生存並維繫其繁衍生息的環境之間的相互關繫?生態繫統是具有以上關繫的構成的復雜繫統?河流生態是指棲息於河流並依賴於河流而生存的生物與河流之間的相互關繫?

河流的主要功能是排洪?供水?灌溉?輸沙?發電?排污?航運?魚類生存和維持生態等?人類通過建造壩堰和引水渠?開闢航道和捕魚等方式開發河流資源,這些開發活動改變了河流的水文?徑流?泥沙運動,同時也改變了濱河及河道的生物棲息地及水質?

圖0.2 干旱的埃及水流形成的地貌

流域是指河流的干流和支流的整個集水區域,始於山頂?融雪和降水流經高地彙成小溪,小溪進而交彙成急速流動的山溪?水流在向下遊流動過程中,支流和地下水的彙入使其水量增加,從而形成河流?當河流離開山區後,流速減緩,河道形狀開始變得彎曲,並出現分叉,在上千年挾沙洪水淤積而成的衝積灘地上,尋找著阻力的路徑?後,河流流入湖泊或海洋?當河流挾帶著泥沙流經平坦陸地處時,泥沙淤積會形成三角洲?圖0.3顯示河流繫統?河流輸移物質及河流影響的主要方面?

圖0.3 河流繫統?河流輸移物質及河流影響的主要方面

河流由山區河流?衝積河流和河口區構成?山區河流是河流的上遊部分,包括河源和穿行於山區的河流上遊,其水流受山體所限制?山區河流河床通常由卵石和礫石組成?山區河流多是下切河流,由此引發岸坡不穩?溝道侵蝕?滑坡和泥石流?山區河流的主要管理問題是植被發育?控制侵蝕和河道下切?防治滑坡和泥石流?衝積河流是在過去衝積地貌上經水流下切侵蝕而形成的河流,或具有侵蝕性邊岸的河流?衝積河流繫統自身具有自我調節的反饋機制?從河流的形成歷史看,衝積河流挾帶的泥沙塑造了河道,並不斷重新塑造其橫斷面,以維持一定的水深和河道比降來產生可維持河道平衡的挾沙能力?衝積河流大多數是常年流水的河流,其河床組成物質主要是沙和粉沙?大河通常發源於山區,流經衝積平原,終彙入海洋?所以,其上遊為山區河流,中下遊為衝積河流?衝積河流多是大河的平坦部分,如黃河下遊和長江中下遊,為了防止洪水泛濫,這些衝積河流通常被人工建造的大堤所控制,河流形態和河型主要取決於泥沙輸移和沉積?衝積河流是農業灌溉?城市供水和工業用水的主要水源?洪水是衝積河流地區主要的自然災害,其造成的損失占自然災害總損失的1/3?河流水質對人類的健康非常重要,洪水和輸沙是河流的自然過程,而引水?渠道化和航運是人類對河流主要的干擾?因此,衝積河流重要的管理問題就是泥沙?河床演變?水資源開發和防洪?河口區是河流與其所流入水體(湖泊?海洋或海灣)的連接部分,包括河口?感潮河段和河水影響的水域?河口區是河流淡水和海洋咸水交彙的地方,是河流和海洋生物生產力豐富的一部分?近年來,沿海城市與海洋資源可持續發展的需求已經對環境問題帶來挑戰?城市發展導致大範圍的土地利用變化和人口增長,排污量增加給生態繫統帶來很大的壓力?赤潮是藻類大量繁殖引起海水變色的一種現像,有些藻類產生很強的毒素,毒素在食用這些藻類的貝類中累積,通過食物鏈引起人類患上藻類毒素綜合征?在過去的幾十年,赤潮事件在全球均有明顯增加,我國渤海?東海和南海海域在20世紀90年代都曾發生罕見的赤潮?因此,三角洲和近岸過程?富營養化和赤潮等是河口管理的主要挑戰性問題?過去,各種各樣的河流利用是社會發展的動力,而現在,河流利用在經濟和文化發展中變得更加重要?河流及其所維繫的豐富動植物為人類提供了水?食物?藥材?染料?纖維和木材等資源?農業生產上,農民利用河水灌溉提高農作物產量;城鎮利用(和濫用)河流排洩污水;同時,河流也用做商業?探險和開闢新大陸的通道?河流維繫著生命和繁衍,大千世界,河流所到之處充滿生機?河流綜合管理協調多方面的河流利用,得到各國的重視?像我國這樣的發展中國家,除了通過支持高效和可持續發展的農業及輕工業以減輕貧困外,現在也特別強調重視防洪?水資源開發和環境保護?一般認為,水通過農業?給排水?公眾健康?發電?防洪等方面而對經濟發展潛力產生顯著的影響?除此之外,水因維繫了生態繫統而具有經濟價值,水生態反過來又能支持健康的河流利用?貧困人口通過對水的利用改善生活條件,而富裕並受過良好教育的人認識到水資源緊缺的壓力,能夠更加謹慎地利用水資源,以免預支下一代從河流繫統中可以獲得的利益?河流綜合管理的目標是協調河流沿岸居民的防洪安全和水土資源的可持續利用,同時也促使水的利用經濟有效?社會公正和環境可持續?通過河流綜合管理,人們優先考慮共同的長遠利益,而不是個人的近期利益?目前,全球很多地方實施了“基於流域”的水管理方式?對於河流綜合管理而言,必須充分了解整個水繫統,包括了解河流的所有問題?自然和人為繫統的方方面面及其相互間的聯繫?據次全國水利普查數據(2011年度),我國流域面積超過100km2的河流22909條,其中流域面積大於1000km2的有2221條?大部分河流位於我國的東部和南部?其中,重要的7條河流是長江?黃河?松花江?遼河?海河?淮河和珠江?

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