人类社会发展与河流地貌休戚相关,为了更好地利用河流资源,人类在流域内筑坝、防洪拦沙,创造良好的生存环境。但是过度和无序地开发利用水资源,引起河流地貌的强烈反弹,与人类改造和利用河流的初衷背道而驰。流域环境得不到改善,坝下河道强烈冲刷危及原有的整治工程和防洪安全、河口地区的生态系统也不断恶化,迫使人们对人与河流的相互作用进行反思,加深对河流系统的认识。河流地貌的发育与演化,简言之是一个河床从稳定到不稳定再趋向于稳定的过程,但其中受到众多自然和人类因素的干扰和制约,如流域地质、地貌和气候背景的控制,人类筑坝对河流水文与泥沙输移等影响。过去的一个世纪内,全球人口快速增加,流域内的人类活动加强,干扰了河流地貌环境的自然演化,因而河流地貌的变迁过程更加复杂,其演变趋势也更加难以预测。加强观察、讨论和总结河流地貌演变过程,尤其是强化人类建坝活动后对河流系统反馈过程的认识,是我们了解河流——这个自反馈系统的可行途径,对于完善和丰富河流地貌学理论具有重要意义,也是当前河流地貌学研究的重点内容之一。河流的水与泥沙过程具有多种属性,对于河流地貌结构和功能的维持起着至关重要的作用。水流是塑造河床的动力,泥沙则是改变河床形态的物质基础,不同的水沙组合特征决定了河床的形态特征。水、沙和河床之间表现为一种整体联系和相互影响的关系。河流上的建坝活动对下游径流大小及季节分配产生影响,但不同的河流或河段,由于气候背景、地质条件、水系分布格局、水库调蓄方案的不同,径流的改变程度也不一样,从影响甚微到原有的季节模式完全改变。大坝对泥沙的影响则表现为巨大的拦截作用,导致下泄泥沙显著减少。但受下泄水沙过程、河床床沙组成的影响,对于河道在冲刷条件下含沙量恢复过程在各河段表现并不一样。其问题本身的复杂性导致长期以来对大坝下游的泥沙输移规律-直难以形成明确的认识。河床形态的调整依据是根据水沙情况的改变而进行判断的,但是在不同流域、不同河段的水沙情况千差万别,因此河床的调整结果也不尽相同。所以对于河床演变趋势的分析需要从水沙动力角度出发,应用水流和泥沙的动力机制来定量分析河流地貌的形成机制,这已成为现代河流地貌研究的主要内容。长江是我国第一、世界第三的大河,流域内独特的季风气候、高强度的人类活动造就了现在的流域地貌环境。自上世纪90年代开始,流域内的人类活动呈现强化趋势,尤其是特大水利工程——三峡大坝的修建,使人们更加聚焦长江流域河流地貌环境演变的问题。本文选择长江中游宜昌至汉口河段开展工作,对这一区域在三峡建坝前后水沙过程及河床动力响应过程进行剖析,揭示河床地貌形态发生改变的水沙动力机制,同时运用水沙模型(SOBEK)对建坝后未来百年内的河床冲淤变化及泥沙供应情况进行预测。本论文通过对大量基础数据和资料进行综合分析,构建模型并计算,得到的主要结论如下：1、三峡建坝调节了径流的季节分配,拦沙过程直接导致了中游河段输沙量减少,悬沙颗粒细化,床沙粗化,分选性变好,河床发生侵蚀下切,由近及远逐渐减弱对长江中游从宜昌至汉口626km河段的径流观察表明,在三峡建坝以后,受水库蓄水的影响,上游来水量略有减小,流量的季节分配改变明显,在宜昌站,建坝以后的洪水季节的流量减少了1/8至1/6,枯水季节的流量则增加了1/4,平水流量的历时增加,季节差异降低。受大坝的拦沙效应影响,建坝以后中游河段的输沙量也呈现逐年减少的趋势,从建坝前的6亿吨/年降低到建坝后不足1亿吨/年,尤其在7、8月份,建坝后的输沙量不足建坝前的1/10,悬沙粒径也逐年变细,Dso从0.005mm降低到0.001mm。长江中游河床组成由中值粒径在0.2-0.3mm的中沙和细沙组成自上游至下游沿程波动变细,三峡建坝以后河床普遍冲刷,床沙呈现粗化的趋势,尤其在紧邻大坝下游的河段,河床组成已粗化为厘米级的卵石,伴随着床沙中细颗粒物质被水流冲刷带走,床沙的分选程度要优于建坝之前,分选系数主要集中在0.5-1.0的范围内,属于中等程度的分选。河床在冲刷过程中侵蚀下切,由近及远的宜枝河段-荆江河段-城汉河段,河床平均下切分别为3.7m、1.5m和0.4m；2、建坝以后中水流量历时增加,为河床的侵蚀下切提供了基本动力,弯道水流产生的侧向侵蚀力将使河床表现为侧向侵蚀迁移三峡建坝以后,水库的调蓄作用使长江中游枯季流量增加以及洪水发生时产生削减洪峰的作用,由此导致了河流的中水流量历时增长,这种径流的变化直接导致了塑造河床形态基本动力因素的改变,因此在最靠近三峡大坝的宜枝河段,河床冲刷下切明显,河床比降逐步减小,随着逐渐远离大坝,径流过程的改变减小,河床冲淤幅度也较弱。在荆江河段,由于水流的侧向侵蚀力较大(平均值为0.15N),在河床深槽部分下切侵蚀的同时,还伴随着河床的侧向侵蚀迁移；3、三峡拦沙导致中游泥沙供应不足,需要依靠床沙进行补充,中游河段的床沙能够被水流挟带运动,形成补给三峡建坝以后,宜昌站的来沙量大幅度减少,年均输沙量只有73mt,远低于不冲不淤的临界值300mt/yr,因此在中游河段泥沙供应不足的背景下,水流需要从河道中的床沙进行补给,来饱和水流的挟沙能力。对床沙的起动流速进行分析表明,长江中游河段的泥沙起动流速在0.4-0.6m/s的范围内波动,这意味着当宜昌站流量只要大于2000-4000m3/s时,床沙就能被水流挟带,因此,在三峡建坝后,即使是枯水季节的水流也能在河床表面进行冲刷。但是由于床沙发生粗化,泥沙起动流速也随之增大。建坝以后,宜枝河段粗化现象明显,泥沙起动流速迅速升高,泥沙起动流速从建坝前的0.55m/s增加到了6m/s,增加了10倍之多,河床上的砾石不易被水流所带动,即使是发生洪水的时段；4、水流挟沙力与含沙量的匹配程度反映了河床的冲淤变化,在三峡建坝后挟沙力的增大和含沙量的减小,导致中游河床常年冲刷加强、季节性冲刷逐年减弱、消失河段冲淤变化的实质在于水流挟沙能力与水流含沙量之间是否匹配。利用张瑞瑾公式对水流挟沙能力进行了计算,在三峡建坝之前,宜昌站的水流挟沙能力在流量小于20000m3/s时未饱和,大于该流量则表现为过饱和,因此河床的冲淤有季节性变化,三峡建坝以后,水流挟沙能力迅速上升,全年的含沙量都不能使水流挟沙能力得到饱和,河床常年冲刷,季节性的变化消失。汉口站在建坝前和建坝后,含沙量与挟沙能力匹配都较好,河床冲淤幅度较小。通过水沙关系曲线反映的冲淤变化变化显示,三峡建坝前荆江及以上河段,冲淤存在季节变化,在非洪季节河段以冲刷过程为主,洪水季节则变为淤积的过程,且往下游冲淤随季节转换的特征在减弱,到城陵矶以下河段则呈现为全年淤积的状态；在三峡建坝以后,整个河段呈现为全年都在进行的河床冲刷,但是随着距离大坝越远,冲刷强度在减弱,尤其在洪水季节,这种随距离减弱的趋势更明显；5、中游河段由建坝前的泥沙淤积转变为建坝后的河床冲刷,对于下游河段和河口而言成为了一个新的物源区对宜昌-汉口河段冲淤量的估算表明,三峡建坝前,长江中游河段每年在洪季淤积151mt泥沙,枯季则冲刷46mt的泥沙,全年净淤积泥沙105mt,是泥沙的“汇”；三峡建坝以后,河段全年冲刷泥沙61mt,其中在洪季冲刷29mt,非洪季节则冲刷32mt,全年都在向下游河段进行泥沙物质的供应,对于长江下游河段和河口地区而言,是一个新的泥沙物质来源；6、通过SOBEK模型对中游河段的输沙及河床演变进行预测表明,在保持目前的输沙水平,中游河床将持续冲刷,并产生至少40mt/yr的泥沙供应,河床在冲刷过程中趋于平整采用2002-2003年三峡建坝前实测的河床高程和床沙组成作为初始条件,按中游河段目前(2003-2010年平均值)水沙供应状况,构建了一维水沙模型SOBEK,模拟了宜昌-汉口河段的水沙运动并估算了中游河段在三峡建坝后的100年中河床冲刷导致的输沙量变化以及河床的下切速率。在保持目前长江中游的泥沙供应水平,即71mt/yr,在三峡建坝后的100年中河床将一直处于冲刷状态,并由此产生了40-65mt/yr的泥沙供应。中游河段的河床冲刷大致可以分为3个阶段,第一阶段为建坝以后的15年中,该阶段河床调整剧烈,年际间的输沙量变化大；第二阶段为建坝后的第15年至第45年,河床调整幅度减小,年输沙量呈现周期性的变化；第三阶段为建坝45年后至100年中输沙的变化,年输沙量呈逐年降低的变化趋势。在河床调整的过程中,不同河段的下切速率也会有所不同,宜枝河段河床下切明显,其下切速率从刚建坝时的近0.4m/yr逐渐降低至0.1m/yr；在上荆江河段的下切速率稳定在0.1m/yr；下荆江河段,河床的下切速率也呈现逐年降低的趋势,从0.3m/yr降低至0.05m/yr；城陵矶以下的城汉河段,河床的调整经历了由淤积转变为冲刷的过程,下切速率为0.02m/yr；考虑到河床在冲刷过程中不断粗化,在SOBEK模型中对粗化层位置进行了不同设置,当粗化层埋藏在距河床表面3.5-4m以下时,河床的下切将受到抗冲刷层的抑制,冲刷后的河床起伏趋于平整,河段的冲刷量将减少明显,在三峡建坝100年以后,中游河段产生的输沙量不足30 mt/yr。