多模态传感系统助力长江沿岸水利工程防护

本报讯  《中国地质调查成果快讯》近日刊发了“长江经济带地质资源环境综合评价”项目近年来取得的重要地质调查成果。

该项目归属于“长江经济带地质环境综合调查”工程，由中国地质调查局南京地质调查中心承担，项目周期为2019~2021年。项目组通过构建一套多模态传感系统，实现了长江陆上和水下一体化水动力、沉积和地貌特征测量与数据采集。研究成果对长江岸滩防护和修复、航道整治、沿岸防洪、长江大桥桥墩维护等具有重要意义，已被长江水利委员会、上海水务局、扬中水利局、南京长江第四大桥有限责任公司等单位应用，支撑服务成效显著。

一是构建了一套多模态传感器系统，组合了三维激光扫描系统、多波束测深系统、浅地层剖面仪、声学多普勒流速剖面仪（ADCP）、全球定位系统（GPS）、差分定位仪（RTK）等，实现陆上和水下一体化水动力、沉积和地貌特征测量与数据采集。近5年，共计完成长江宜昌-河口段测线5000千米测量，积累了大量第一手实测资料，为沿江水下地形、潮流、悬沙浓度及级配组成、沿江跨江大桥冲蚀状况、河岸边坡稳定性等调查与评价提供了重要基础资料。

二是研究发现，流域大型水利工程建设使长江宜昌以下至上海吴淞口干流河槽整体冲刷强烈，岸线窝崩、条崩发育。汉口至湖口、湖口至大通以及大通至吴淞口等河段-5米～-10米河槽、0米～-5米河槽和10米以深河槽的冲刷贡献率分别占相应河槽总冲刷量60.2%、44.9%和49.1%。典型汇流河段（洞庭湖、鄱阳湖与长江交汇处）大部分横断面呈强烈冲刷状态，主槽大幅摆动，河槽下切刷深，0米浅滩多数侵蚀后退；-3米、-5米以深面积显著增加。河口河槽最大冲刷深度可达29.6米；九江至上海干流8座长江跨江大桥主桥墩冲刷深度达10米～19米。

研究显示，坡度大于20°、40°和60°的水下高陡边坡占比高达22%以上、2.5%以上和0.8%以上。坡脚发育深达10米、长达几千米冲刷槽，极易发生窝崩和条崩。如龙潭、太阳洲、螺山、砖桥等水道边坡发生窝崩，煤炭洲和蕲春等水道边坡发生条崩，窝崩、条崩总计多达30余处。这些不稳定岸段长度多在1000米以上，其中，武穴市和新厂镇等不稳定岸段长度可达2000米以上。窝崩形态多以“鸭梨”“耳”“月牙”形为主。研究认为，窝崩和条崩等的形成主要与向岸流或涡旋回流冲刷作用有关，此外，上游来砂减少、水厂抽水、深泓近岸、高低水位突变、堤内积水、堤基加载、河槽形态和岸坡土体特性、地下水渗流、地质构造、人为采砂等一种或多种因素均可导致其形成。

三是研究发现，河槽沉积物粗化，河床阻力下降，发育侵蚀型链珠状沙波。三峡大坝截流前，长江中下游河槽表层沉积物从上游向下游平均粒径从细砂（0.3毫米）波动下降至极细砂（0.1毫米），徐六泾以下河段基本小于0.1毫米。三峡大坝截流以来，汉口至吴淞口大部分表层沉积物中值粒径为细砂—中砂（0.63毫米～0.5毫米）。同时，河床沙粒阻力下降，三峡蓄水前后最大河床沙粒、沙波阻力和平均沙粒、沙波阻力分别减小85%和63%，表明在相近挟沙能力下水体含沙量降低使动力对床沙的起动作用相对增强，河槽多处于冲刷环境。

研究发现的河槽发育侵蚀型链珠状沙波，是一种由链状沙波和伴生底形椭圆形凹坑组成，初步推断链珠状沙波是长江九江至吴淞口河槽微地貌适应流域来沙量减少、水动力增强及边界条件改变而形成的一种新的侵蚀型沙波类型，其发育机制还需进一步研究。

四是研究发现，潮区界显著上移，潮区界变动河段地貌发生重要变化。长江洪季潮区界与2005年相比上移82千米，枯季上移约220千米。特大枯水时期，九江站流量8440m3/s时，潮区界在九江附近，特大洪水时期，九江站流量66700m3/s时，潮区界在枞阳闸与池口之间。潮区界的显著上移导致下泄洪峰顶托上移，安徽安庆至湖北鄂州、黄冈河段两岸城乡洪涝风险增大。此外，变动河段由长期动力条件形成的地貌发生变化，形成稳态转换，变动段冲刷显著。如张家洲南水道全断面表现为冲刷，最大冲刷深度5.08米；太子矶水道断面整体呈冲刷趋势，最大冲刷深度7.58米。研究认为，在较长的时间尺度下，潮区界变动河段冲刷地貌演变趋势仍将持续。 （姜月华  顾轩  程和琴）