本文摘自《长江中下游河槽物理过程》序及前言，内容有所删减，标题为编者所加。

长江是我国第一大河，在我国区域和国家发展总体格局中具有重要战略地位。自20 世纪 60 年代以来，一系列大型工程在流域得到兴建，包括大规模围垦、深水航道、跨江大桥和毗连的洋山深水港等重大工程。这些工程不可避免地对长江中下游干流河槽产生影响，其影响程度如何以及如何应对应该得到公众的关注和科学上系统的梳理。程和琴教授等多年来在此方面做了大量、深入的研究，经过对已有资料和成果进行深入分析、总结和理论研究，撰写的专著《长江中下游河槽物理过程》很有必要，也很及时。

该专著体系较为科学，从地球系统科学角度，将流域-河口-海洋作为一个连续的水动力、沉积、地貌系统，界定了该系统基本物理过程主要研究内容，资料丰富，分析深刻，机理阐述清楚，特别强调观测技术和理论上的概括。该书有不少进展和创新，有很多内容涉及流域系统河槽物理过程研究的前沿，特别表现在以下几个方面。第一，在长江中下游流域侵蚀基准面方面，对于长江口相对海平面上升幅度及其驱动要素方面和贡献率进行了深入研究，得到了一系列成果，并且已用到河口城市海堤工程规划标准和排涝工程规划标准、城市地面沉降控制标准以及供水安全标准的制定和实施。第二，对长江潮区界、典型河槽潮动力变化特征、推移质运动规律、河床阻力变化特征等方面的科学研究，是作者长期工作的积累和总结，该书有助于丰富和发展河流地貌学、沉积动力学、工程地貌学等理论和实践。第三，采用多波束测深系统、侧扫声呐、浅地层剖面仪、双频多普勒声学剖面仪、实时动态差分测量仪、三维激光扫描仪和 TM 光学遥感等多模态传感器系统，对长江宜昌-上海干流近 2000km 的河槽水深、水动力、沉积、陆上与水下地形地貌开展了综合同步、准同步测量以及历史数据的收集与对比分析，取得创新性成果，具有重要的学术价值和应用价值。第四，对长江中下游河床推移质运动和河床阻力做了专门论述，从观测和理论上证明了随着流域来沙减少，河床底形尺度增大，发育链状沙波与伴生凹坑构成的韵律性链珠状沙波，其为流域重大水利工程后河床自适应调整产生的韵律底形；提出了以弗劳德数、沙粒雷诺数和希尔兹数三个无量纲数推导出床面形态分界面方程，获得床面形态判别函数，并进行了验证，可应用于河床低流速区床面形态的预测。第五，对中下游干流沿程岸坡滩槽接合处和过江桥墩局部冲刷坑进行了高分辨率地形地貌、浅层沉积结构和同步、准同步水动力观测，在观测技术上进行了创新和探索，提出了基于推移质起动流速的桥墩局部冲刷深度计算公式的改进公式，对流域大型工程与气候变化叠加作用下的岸坡与桥墩失稳机制和稳定性评估等在理论上有进展和新的内容。

综上所述，《长江中下游河槽物理过程》内容颇为新颖、全面，理论概括水平较高，已使长江中下游河槽物理过程的观测和研究向多元、综合发展。书中有一些探索，对促进学术研究、引导后续工作有一定价值。总之，这是一部很好的长江中下游河槽演变趋势方面的专著，对我国目前正在开展的长江经济带建设和长江大保护的研究与规划，尤其是对沿程生态保护、防洪除涝、航运和粮食、污染治理、过江大桥和线缆等众多国计民生重大基础设施安全将有很大意义。

对该书的出版，我由衷地表示高兴和祝贺。

王光谦

中国科学院院士

2021年4月

内容简介

长江是我国第一大河，也是货运量位居全球内河第一的黄金水道，在区域和国家发展总体格局中具有重要战略地位。自 20 世纪 60 年代以来，长江流域兴建了以三峡大坝为核心的一系列拦、蓄、引、调大型工程，入海河口建设了大规模围垦、深水航道、造船基地、跨江大桥和毗连的洋山深水港等重大工程。这些工程不可避免地对长江中下游干流河槽产生影响，其影响程度如何以及如何应对是目前学界及公众关注的焦点科学问题。

为此，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室受中国地质调查局南京地质调查中心“长江经济带地质环境综合调查工程”委托，成立了“重大水利工程对长江中下游地质环境影响调查评估(2015～2021)”专题研究项目组。该项目组在 20 多年研究基础上，自 2015 年始，在工程项目首席科学家姜月华研究员的领导和全程参与策划下，采用多波束测深系统、浅地层剖面仪、双频多普勒声学剖面仪、实时动态差分测量仪、三维激光扫描仪等多模态传感器系统，多人次对长江宜昌-上海入海河口干流约近 2000km 长的河槽水深、水动力、沉积、陆上与水下地形地貌开展了综合同步、准同步测量以及历史数据的收集与对比分析，发现长江中下游潮区界、相对海平面、河槽冲淤演变、河床沉积物和阻力及微地貌发生了显著变化，水下岸坡变陡，河岸稳定性变差，崩岸增强，跨江大桥主桥墩冲刷加剧，对沿岸防洪抗旱、水陆运输乃至生态环境产生了不利影响。

第一，受上游重大水利工程影响，长江径流和输沙时空过程大幅改变，影响潮波向上传播，最新研究发现长江洪季潮区界与 2005 年相比上移 82km，枯季上移约 220km，潮区界显著上移。

第二，上游大型工程与河口大型工程和气候变暖叠加，导致长江河口区相对海平面上升 0.15～0.43m，潮动力增强，涝灾趋重。

第三，宜昌以下干流河槽冲刷强烈，坡度大于 20°的水下高陡边坡占比高达 22%以上，窝崩、条崩多达 30 余处，防洪与航运安全堪忧。

第四，河槽沉积物粗化，河床阻力下降，侵蚀型沙波发育且尺度增大，桥墩局部冲刷深达10～19m，水上与陆桥交通安全风险增大。

本书获得 2019 年度国家科学技术学术著作出版基金的资助，还得到了国家自然科学基金委(NSFC)与荷兰科学研究组织(NWO)和英国研究理事会(ESPRC)联合资助项目“长江河口最大浑浊带沉积动力过程对大型工程的自适应机理研究”(51761135023)、国家自然科学基金专项基金项目“长江河口河槽演变过程对大型工程的响应”(41340044)、面上项目基金项目“长江河口河槽沉积物捕集对河口大型工程的响应”(41476075)、“长江流域大型工程对河口沙波特征的影响研究”(40776056)及“长江流域大型工程对河口沙波特征及稳定域的影响研究”(40576048)、上海市教委Ⅳ类高峰学科“岛屿大气与生态”(ECNU-IEC-202001)的支持。

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序

前言

第 1 章 绪论

1.1 研究长江中下游河槽物理过程在生产实践中的重要意义

1.2 地貌概况

1.3 径流输沙概况

1.4 流域与河口工程简介

1.5 本书编写的构思和布局

1.6 河槽物理过程的研究现状

1.6.1 流域侵蚀基准面

1.6.2 潮区界

1.6.3 潮动力

1.6.4 河口河槽悬沙运动与观测

1.6.5 河口河槽水动力信息的定量采集与分析

1.6.6 推移质运动观测与研究

1.6.7 河床阻力

1.6.8 河口河槽冲淤演变与微地貌对人类活动的自适应行为

1.6.9 长江中下游干流河槽河势演变

1.6.10 江湖汇流河段河槽演变分析

1.6.11 河槽边坡稳定性分析

1.6.12 感潮河段桥墩冲刷研究

第 2 章 长江河口三角洲系统海平面上升

2.1 海平面上升

2.2 上海沿岸海平面上升原因

2.3 理论海平面上升

2.4 城市地面沉降

2.5 局域海平面上升

2.6 局域海平面下降

2.7 海平面上升预测值

2.8 地区深度基准抬升

第 3 章 河口潮区界

3.1 研究方法

3.1.1 水文数据收集与预处理

3.1.2 水位频谱分析

3.2 近年潮区界变化范围

3.2.1 极端流量

3.2.2 潮区界上界

3.2.3 潮区界下界

3.2.4 潮区界变动特征

3.2.5 流量、潮差与潮区界关系

3.2.6 影响潮区界变化的影响因素

3.2.7 潮区界变动的影响因素

第 4 章 长江河口潮动力变化

4.1 研究区域和分析技术路线

4.1.1 长江大通至南京河段

4.1.2 长江河口段

4.2 研究方法

4.2.1 水文数据的收集与预处理

4.2.2 水下地形数据收集与处理

4.2.3 水文年分级

4.2.4 水位序列分析方法

4.2.5 潮汐特征系数计算

4.3 长江河口潮汐动力变化特征

4.3.1 近口段(大通至南京河段)潮汐动力变化特征

4.3.2 河口段潮汐动力变化特征

4.4 长江河口潮汐动力特征影响因素

4.4.1 近口段(大通至南京河段)潮汐动力特征对径流变化的响应

4.4.2 河口段潮汐动力特征对地形变化的响应

4.4.3 河口潮汐动力特征对气候变化及海平面上升的响应

4.5 结语

第 5 章 长江河口段典型河槽悬移质变化

5.1 资料与方法

5.1.1 历史资料收集

5.1.2 现场测量

5.1.3 水样采集及悬沙浓度分析

5.1.4 调和分析

5.1.5 数据同化处理

5.1.6 优势流、优势沙计算

5.2 潮汐变化特征

5.2.1 北港上段潮汐变化特征

5.2.2 北槽中上段潮汐变化特征

5.2.3 南汇南滩水域潮汐变化特征

5.3 潮流变化特征

5.3.1 北港上段潮流变化特征

5.3.2 北槽中段潮流变化特征

5.3.3 南汇南滩水域潮流变化特征

5.4 悬沙浓度变化特征

5.4.1 北港上段悬沙浓度变化特征

5.4.2 北槽中段悬沙浓度变化特征

5.4.3 南汇南滩水域悬沙浓度变化特征

5.5 河口河槽悬移质输运机制

5.5.1 研究方法

5.5.2 潮流特性

5.5.3 泥沙动力特性

5.5.4 水体纵向输运机制

5.6 重大工程对长江口典型河槽水沙特征的影响

第 6 章 基于光学遥感的河口最大浑浊带水动力信息分析

6.1 资料来源

6.1.1 TM/ETM 数据

6.1.2 潮位数据

6.1.3 方法概述

6.2 遥感影像预处理和流态信息增强

6.2.1 遥感影像预处理

6.2.2 流态信息增

6.2.3 表层悬沙浓度反演

6.3 基于遥感 TM/ETM 影像纹理特征的流态信息定量化

6.3.1 纹理分析方法

6.3.2 流态信息定量化

6.3.3 流态信息定量化结果的验证

6.3.4 流态信息遥感解译方法的时序特征

6.4 长江口及邻近水域流态特征分析

6.4.1 南槽、北槽水域的流态特征

6.4.2 南汇嘴水域的流态特征

6.4.3 东海大桥水域的流态特征

6.5 基于光学遥感的河口最大浑浊带水动力信息分析有效性

第 7 章 长江中下游河槽推移质运动观测与研究

7.1 长江河口非均匀细颗粒泥沙起动流速的估算

7.1.1 数据的采集

7.1.2 均匀细颗粒泥沙起动流速公式推导

7.1.3 长江口南槽非均匀细颗粒泥沙起动流速

7.1.4 基于原位观测的长江河口非均匀细颗粒泥沙起动流速估算有效性

7.2 长江河口非均匀细颗粒泥沙扬动流速

7.2.1 数据采集

7.2.2 数据分析

7.2.3 底沙扬动流速公式

7.2.4 扬动流速公式检验

7.2.5 基于原位观测的长江河口非均匀细颗粒泥沙扬动流速估算有效性

7.3 基于 ADCP 的长江口推移质运动

7.3.1 基于 ADCP 的长江口北港推移质运动遥测技术研究

7.3.2 基于 ADCP 的长江口推移质运动特性

7.3.3 基于 ADCP 测量的长江口推移质运动速度研究

7.4 1998 年长江全流域特大洪水期河口区床面泥沙运动特征

7.4.1 研究区概况

7.4.2 方法

7.4.3 床沙组成

7.4.4 床面形态特征

7.4.5 水面以下 1m 处流速变化特征

7.4.6 床沙再悬浮和底形运动

7.4.7 沙波移动速率的精度

7.4.8 长江流域特大洪水期间河口河槽床面泥沙主要运动的观测与特征

7.5 长江口沙波运动高分辨率探测研究

7.5.1 研究区域和研究方法

7.5.2 水下微地貌运动特征

7.5.3 大河口区细颗粒底沙大尺度底形输移模式

7.5.4 沙波空间尺度变化影响因素

7.5.5 沙波运动速率的精度

7.6 近期长江河口沙波发育规律研究

7.6.1 现场观测和数据处理

7.6.2 近口段至河口段沙波统计特征及沙波发育的主要影响因素

7.6.3 2013 年河口段沙波输移规律和发育影响因素

7.7 长江口南支-南港沙波的稳定域

7.7.1 研究方法

7.7.2 长江口沙波相图参数

7.8 利用沙波运动估算长江口南港推移质输沙率

7.8.1 研究方法

7.8.2 推移质输沙率

7.9 水下沙波分布区安全航行水深的计算方法

7.9.1 航道底床顺平情况下安全航行水深的计算(海港总平面设计规范)

7.9.2 粉砂质与淤泥质底质水域安全航行水深的确定

7.9.3 沙波分布区对安全航行水深的计算探讨

7.10 长江口沙波分布区底沙再悬浮对重金属迁移的影响

7.10.1 研究方法

7.10.2 潮周期内表层流速流向变化

7.10.3 潮周期内含沙量的变化

7.10.4 底沙再悬浮对重金属迁移的影响

第 8 章 长江下游河床阻力变化特征

8.1 研究方法与数据来源

8.1.1 粒度采样、分析

8.1.2 水力坡降计算

8.1.3 水深、流速测量及摩阻流速计算

8.1.4 沙粒阻力计算

8.1.5 床面形态的现场测量与数据处理及沙波阻力的计算

8.1.6 水下地形数据的收集与处理

8.2 基于多参数的床面形态判别方法

8.2.1 床面形态测量和分类及分界参数的判别标准

8.2.2 床面形态分界线、分界面确定方法

8.2.3 九江-长江口段水流及泥沙参数统计

8.2.4 床面形态分界函数

8.3 近 15 年长江下游河床阻力变化特征及影响因素

8.3.1 河床阻力分布变化特征

8.3.2 河床阻力与宽深比的关系

8.3.3 河床阻力与粒度的关系

8.3.4 河床阻力与流速的关系

8.4 基于河床阻力的南京河段洪水流量预测

8.4.1 Delft3D 模型建模

8.4.2 模型的率定及验证

8.4.3 南京河段洪水数值模拟

第 9 章 长江河口段河槽冲淤和微地貌演变对人类活动的响应

9.1 资料来源与研究方法

9.1.1 水深、流量和输沙量数据收集

9.1.2 河槽地貌及其演变测量

9.1.3 数据分析

9.1.4 沙波特征的确定和统计分析

9.1.5 长江河口大型工程

9.2 近期长江河口段河槽演变规律

9.2.1 三峡工程实施之前的长江河口河槽演变过程

9.2.2 三峡工程影响下的长江河口段河槽演变特征

9.3 长江河口段河槽表层沉积物分布及变化特征

9.3.1 河槽表层沉积物的类型和分布特征

9.3.2 河槽表层沉积物中值粒径变化特征

9.4 长江河口段河槽微地貌分布与特征

9.4.1 微地貌类型及其几何特征

9.4.2 微地貌空间分布特征

9.5 长江河口段河槽演变的影响因素分析

9.5.1 流域来水来沙变化

9.5.2 河口工程的影响

9.5.3 河槽演变对盐水入侵的影响

9.5.4 沉积物分布和变化的影响因素

9.5.5 长江河口微地貌形成和分布的影响因素

9.6 河口段河槽冲淤、沉积和微地貌对人类活动的响应特征

第 10 章 长江河口典型河槽河势演变

10.1 长江潮区界变动河段河床演变特征

10.1.1 平面形态变化

10.1.2 河槽断面形态变化

10.1.3 冲淤特征分析

10.1.4 典型冲淤区域床面微地貌特征

10.1.5 近期潮区界变动河段冲刷环境

10.2 长江口典型二级分汊河槽(北港)河势演变

10.2.1 长江口北港演变研究现状

10.2.2 研究区域概况

10.2.3 资料来源与研究方法

10.2.4 北港近期演变特征

10.2.5 大型工程对长江口北港河势演变的影响

10.2.6 基于尖点突变的长江口北港稳定性评价

10.2.7 重大水利工程对长江口二级分汊北港河势演变的影响及对策建议

10.3 河口段典型四级分汊(北港北汊)河势演变及动力沉积特征

10.3.1 研究区域概况、资料来源及研究方法

10.3.2 长江口北港北汊河势变化特征及演变趋势

10.3.3 长江口北港北汊动力沉积特征

10.3.4 长江口北港北汊河势演变影响因素探讨

第 11 章 汉口-吴淞口河槽冲淤与微地貌演变对人类活动的自适应行为

11.1 研究区域概况

11.1.1 地貌概况

11.1.2 动力分区与研究区域选择

11.2 研究方法

11.2.1 数据采集

11.2.2 分析方法

11.3 干流河槽冲淤演变特征

11.3.1 汉口-湖口干流河槽冲淤演变特征

11.3.2 湖口-大通干流河槽冲淤演变特征

11.3.3 大通-吴淞口干流河槽冲淤演变特征

11.3.4 不同河段河槽演变共性与差异性

11.3.5 长江汉口-吴淞口河段河槽冲刷量与误差分析

11.3.6 长江干流汉口-吴淞口河段河槽主要冲淤演变特征

11.4 干流河槽表层沉积物特征

11.4.1 汉口-湖口干流河槽沉积物特征

11.4.2 湖口-大通干流河槽沉积物特征

11.4.3 大通-吴淞口干流河槽沉积物特征

11.4.4 汉口-吴淞口干流河槽主要表层沉积物特征

11.5 干流河槽沙波空间分布特征

11.5.1 长江九江-吴淞口干流河槽沙波统计

11.5.2 长江九江-吴淞口干流河槽沙波空间分布特征

11.5.3 河槽沙波空间分布的共性与差异性

11.5.4 长江干流汉口-吴淞口沙波主要空间分布特征

11.6 干流河槽冲淤与微地貌对人类活动的自适应行为分析

11.6.1 河槽沉积物粒度变化对人类活动的自适应行为分析

11.6.2 河槽整体冲淤对人类活动的自适应行为分析

11.6.3 局部河槽强烈冲淤对人类活动的自适应行为分析

11.6.4 河槽床面沙波对人类活动的自适应行为分析

11.7 长江汉口-吴淞口干流河槽冲淤和微地貌对人类活动自适应行为

第 12 章 长江典型江湖汇流河段河床演变及微地貌特征

12.1 研究区域概况

12.1.1 水文泥沙特征

12.1.2 洞庭湖与鄱阳湖区采砂现状

12.1.3 河床边界条件

12.1.4 重点研究区域

12.2 研究方法

12.2.1 历史水下地形数据分析

12.2.2 表层沉积物样品采集与粒度分析

12.2.3 河床微地貌的现场测量与数据处理

12.2.4 床面微地貌统计

12.2.5 流速数据获取

12.2.6 床面剪应力与临界河床剪应力计算方法

12.3 长江与洞庭湖汇流河段河床演变与微地貌特征

12.3.1 平面形态变化特征

12.3.2 河槽断面形态变化特征

12.3.3 冲淤变化特征

12.3.4 河槽表层沉积物特征

12.3.5 微地貌分布与特征

12.3.6 河槽冲淤演变的影响因素

12.3.7 微地貌发育与河床演变的关系

12.4 长江与鄱阳湖汇流河段河床演变与微地貌特征

12.4.1 平面形态变化特征

12.4.2 河槽断面形态变化特征

12.4.3 冲淤变化特征

12.4.4 河槽表层沉积物特征

12.4.5 微地貌类型与特征

12.4.6 河槽冲淤演变的影响因素

12.4.7 微地貌发育与河床演变的关系

12.5 江湖汇流河段冲淤变化及微地貌特征对比

12.5.1 冲淤变化对比

12.5.2 微地貌特征对比

12.6 长江中游江湖汇流河段冲淤演变和微地貌特征对人类活动响应

第 13 章 长江中下游典型河槽边坡稳定性分析

13.1 研究区域及测区布设

13.1.1 典型工程岸段河槽边坡

13.1.2 典型河漫滩岸段边坡

13.1.3 典型弯道段河槽边坡

13.1.4 典型顺直岸段河槽边坡

13.1.5 典型支流交汇段河槽边坡

13.2 研究方法

13.2.1 多模态传感器系统的构建

13.2.2 水陆一体化地貌模型的构建

13.2.3 水动力特征的处理分析

13.2.4 沉积特征的采集与处理

13.2.5 典型河段海图数字化与冲淤变化分析

13.2.6 基于 BSTEM 模型的边坡稳定性计算

13.3 研究河段冲淤及断面演变特征

13.3.1 长江九江-宜昌干流典型岸段稳定性分级

13.3.2 窝崩边坡岸段

13.3.3 河漫滩边坡岸段

13.3.4 条崩边坡岸段

13.3.5 支流汇流段崩岸边坡岸段

13.3.6 石首水道护岸坍塌边坡岸段

13.4 典型河槽边坡稳定性分析

13.4.1 窝崩边坡

13.4.2 河漫滩边坡

13.4.3 条崩边坡

13.4.4 支流汇流段崩岸边坡

13.4.5 石首水道护岸坍塌边坡

13.5 基于多模态传感器系统的长江中下游典型河槽边坡稳定性

第 14 章 长江感潮河段桥墩冲刷研究

14.1 研究区域概况与桥梁介绍

14.1.1 铜陵长江大桥

14.1.2 芜湖长江大桥

14.1.3 大胜关长江大桥

14.1.4 南京长江大桥

14.1.5 南京长江第二大桥(南汊)

14.1.6 南京长江第四大桥

14.1.7 上海长江大桥

14.2 数据获取与处理

14.2.1 数据获取

14.2.2 数据处理

14.3 桥墩冲刷实测结果与分析

14.3.1 径流作用下桥墩冲刷

14.3.2 潮流作用下桥墩冲刷

14.3.3 长江感潮河段桥墩冲刷特征分析

14.4 桥墩局部冲刷深度计算与分析

14.4.1 桥墩局部冲刷深度计算方法

14.4.2 径流作用下桥墩局部冲刷计算与分析

14.4.3 潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算与分析

14.4.4 基于推移质起动流速的桥墩局部冲刷深度计算公式改进公式

14.5 重大水利工程对长江感潮河段桥墩冲刷的影响分析

14.5.1 铜陵长江大桥

14.5.2 芜湖长江大桥

14.5.3 大胜关长江大桥

14.5.4 南京长江大桥

14.5.5 南京长江第二大桥(南汊)

14.5.6 南京长江第四大桥

14.5.7 上海长江大桥所在河段断面变化特征

14.6 大型工程与气候变化叠加作用下长江感潮河槽桥墩冲刷深度

参考文献

作者简介

程和琴，华东师范大学河口海岸学国家重点实验室研究员，博士生导师，长期开展基于天基、岸基、有人船载和无人艇载等多模态传感器的现场测量与历史资料、数值模型、解析模型相结合的综合分析，研究气候变暖、海平面上升与强烈人类活动叠加作用下大河流域-河口-海洋连续水动力系统的基本物理过程对沿江沿海防汛、交通等重大基础设施和淡水、渔业资源的影响评估。主要研究领域包括动力沉积地貌、水下工程地貌与海岸带管理。

姜月华，中国地质调查局南京地质调查中心研究员，博士生导师，副总工程师，水文地质环境地质室主任，自然资源部流域生态地质过程重点实验室主任，中国地质调查局长江经济带地质环境综合调查工程首席科学家。长期在长江经济带和长三角等地区从事环境地质调查研究工作。

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END

责任编辑：李秋艳 张力群

本文编辑：董墨

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