第一章绪论
针对长江上游水库群联合调度运行后，金沙江下游梯级和三峡水库径流、泥沙的时空变化特点，开展溪洛渡、向家坝、三峡水库泥沙冲淤规律与减淤调度研究，对水库防洪、发电、航运、生态等综合效益的发挥具有重要的意义。本章主要梳理本书的研究背景与意义，简述主要研究内容，并阐述流域产流产沙、泥沙来源识别方法、泥沙实时预报及冲淤观测技术、水库及坝下游泥沙冲淤规律、水库联合减淤调度等方面的研究现状。
1.1长江泥沙研究概述
三峡工程是世界上*大的水利枢纽工程，三峡工程泥沙问题是影响水库长期有效使用和综合效益发挥的关键技术问题。针对三峡水库论证及设计的需要，国内相关单位自“七五”计划以来，对三峡水库来水来沙条件、库区淤积、优化调度、坝下游冲刷等问题进行了大量的研究。但近年来，随着长江上游干支流水库的不断建成，加之降雨分布及水土保持等自然条件和强人类活动的影响，长江上游产沙及三峡水库来沙均发生了重大变化：1991～2002年三峡水库入库（朱沱站+北碚站+武隆站，余同）年均径流量和输沙量分别为3733亿m3、3.51亿t，与《长江三峡水利枢纽初步设计报告（枢纽工程）》（以下简称《初步设计》）中的均值相比，分别减少126亿m3、1.30亿t，减幅分别为3%、27%。2003年三峡水库蓄水后，长江上游来沙减少趋势仍然继续，2003～2012年入库径流量和输沙量分别为3606亿m3、2.03亿t，较《初步设计》中的均值分别减少7%、58%；2013～2015年入库径流量和输沙量分别为3508亿m3、0.71亿t，较《初步设计》中的均值分别减少9%、85%。
随着以三峡工程为核心的长江上游水库群的逐步建成，水库群防洪与综合利用矛盾、梯级水库间的蓄泄矛盾也逐步显现。为统筹长江上游水库群防洪抗旱、发电、航运、供水、水生态与水环境保护等方面的需求，保障流域防洪和供水安全，2012年8月国家防汛抗旱总指挥部首次批复了《2012年度长江上游水库群联合调度方案》，之后长江上游又有一批控制性水库如亭子口、溪洛渡、向家坝水库等建成并投入运用，2015年国家防汛抗旱总指挥部批复的《2015年度长江上游水库群联合调度方案》（国汛〔2015〕13号）中，将金沙江梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩、溪洛渡、向家坝水库，雅砻江锦屏一级、二滩水库，岷江紫坪铺、瀑布沟水库，嘉陵江碧口、宝珠寺、亭子口、草街水库，乌江构皮滩、思林、沙陀、彭水水库，长江干流三峡水库等21座水库纳入联合调度范围。2017年国家防汛抗旱总指挥部又将水库群联合调度的范围扩展到了城陵矶河段以上的长江上中游28座水库。2018年国家防汛抗旱总指挥部批复的《2018年度长江上中游水库群联合调度方案》（国汛〔2018〕6号），将长江流域联合调度水库群增至40座，由2017年的洞庭湖、城陵矶以上的干支流控制性水库延展到湖口断面以上。
长江上游梯级水库群的联合调度运用，将显著改变溪洛渡、向家坝和三峡水库入库的水沙条件。2012～2014年，中国长江三峡集团公司组织开展了三峡水库入库泥沙的实时监测与预报工作，为三峡水库成功开展沙峰排沙调度试验打下了良好的基础。然而，对于溪洛渡、向家坝水库而言，其入库泥沙实时监测和预报尚属空白，其预报方法和预见期与三峡水库存在较大区别，也面临很大的困难。在新的水沙条件和上游水库联合调度条件下，将泥沙预报工作延伸至溪洛渡、向家坝水库库区，通过研究汛期入库泥沙实时监测与预报技术，在掌握沙峰在库区沿程输移特性的基础上，较为准确地预报溪洛渡、向家坝、三峡水库入库沙量大小及过程；利用水库的实时联合调度，使沙峰排出库外，对溪洛渡、向家坝、三峡水库减少泥沙淤积，延长水库寿命，优化库区泥沙淤积分布，*大限度地发挥工程综合效益等都具有十分重要的实用价值。
此外，随着三峡及上游大型水库的蓄水运用，水深大幅增加，泥沙大幅减少，水沙关系、冲淤特性发生改变，观测条件、观测要求也发生了很大的改变，对泥沙冲淤观测精度提出了更高的要求。迫切需要在总结近30年来观测的基础上，充分考虑长江上游泥沙冲淤观测的特点及来水来沙规律，开展三峡及上游大型水库泥沙冲淤观测关键技术与控制指标研究，更好地为水库的科学调度服务。
与此同时，长江上游较大的来沙量及组成变化，使库区淤积和坝下游冲刷出现了与论证阶段不同的情况，也给试验性蓄水调度带来了更多不确定因素。长江上游产沙情况是研究入库泥沙变化的基础，长江上游的来沙量及其变化趋势已成为工程界和学术界共同关心的热点问题。掌握长江上游流域产沙的主要影响因素和作用机制，揭示三峡水库上游河道泥沙输移过程，得出各支流在不同工况下的输沙量，对三峡水库等梯级水库的泥沙淤积和科学调度、长江流域泥沙输移过程机制研究、水土保持和水库淤积等本底调查有重大的应用价值，也对掌握整个流域地貌过程的演化具有重要的科学意义。受长江上游水土保持减沙、三峡工程及上游水利水电枢纽蓄水拦沙等因素的共同影响，近年来，三峡水库的出库泥沙和进入长江中下游干流河道的泥沙明显减少，打破了长江中下游干流河道总体上保持的冲淤基本平衡态势。加上近年来河道采砂、航道整治，以及汉江来沙变化、洞庭湖四水水利枢纽建设引起的洞庭湖湖区及出湖泥沙条件变化等的影响，长江中下游的河道边界条件和水沙条件也发生了明显的变化，其未来河道冲淤发展受到更多因素的影响，不确定性增大。针对长江中下游面临的新情况、新问题，深入研究长江上游控制性枢纽运用后，新水沙条件下三峡水库出库水沙过程变化，及长江中下游干流河道的冲淤变化等重大科技问题是十分必要且紧迫的。因此，开展变化环境下长江上游产沙、区间来沙变化，以及库区和坝下游河段的泥沙动力过程响应研究是十分必要的，不仅能够为三库联合优化调度提供技术支撑，实现三库调度“防洪安全可控、泥沙淤积可许”，为三库的“安全、高效、健康”使用奠定基础，还能够回应社会关注的泥沙淤积和水库长期使用问题。
长江上游水库群的联合调度不仅改变了流域径流的时空变化，还从宏观上改变了河流泥沙的时空分布格局，一方面水库内泥沙累积性淤积，影响水库长期使用，另一方面泥沙淤积部位的变化还可能影响库尾防洪和航运，特别是三峡水库试验性蓄水运用表明，随着三峡水库调度方式的不断调整、优化，水库泥沙淤积总量、淤积部位不断发生改变，变动回水区尤其是重庆主城区走沙时间和过程不断调整，一直受到社会各界的广泛关注。针对这些泥沙问题，仅仅依靠三峡水库难以有效解决实际问题，将金沙江下游梯级与三峡水库联合起来，有效分配不同调度时期各库区的泥沙淤积，优化和调整泥沙在各库区内的淤积分布，尽可能地将泥沙排出库外，开展金沙江下游梯级和三峡水库的联合减淤调度研究，针对长江上游水库群联合调度运行后，金沙江下游梯级和三峡水库径流、泥沙时空变化特点，提出金沙江下游梯级和三峡水库联合减淤调度方案，以进一步减少水库淤积，科学调控金沙江下游梯级与三峡水库淤积及其分布，减轻库尾淤积及其影响，对金沙江下游梯级与三峡水库开展更科学、合理的调度，充分发挥水库防洪、发电、航运、生态等综合效益，都具有十分重要的现实意义。
1.2研究现状
1.2.1流域产流产沙
流域产沙是土壤侵蚀的重要反映，影响流域产流产沙的主要因素包括流域下垫面条件、降水、人类活动三个大的方面（韦杰和贺秀斌，2012；刘毅和张平，1991）。一般来说，因为地质地貌条件相对稳定，所以产沙量的多少主要取决于降水和人类活动。流域降水是地表产沙的动力条件，其时空（包括时间、落区、强度、历时等）分布，对流域产沙有直接影响。长江上游地区来沙量的多少与降水密切相关，特别是对于长江上游重点产沙区，相同径流量下不同的降水落区、范围及强度可使输沙量相差数倍（许全喜等，2004）。人类活动对流域的下垫面、流域泥沙的输移条件等可产生重要影响，包括增沙和减沙两方面，如毁林毁草、开垦坡地和筑路、开矿等工程建设会增加水土流失，相反，植树造林、封山育林和退耕还林、改造坡耕地等水保措施及兴建水利工程等对减少河流泥沙作用明显（许炯心，2006）。
基于对流域土壤侵蚀和产沙过程的调查，对流域产沙的定量化计算与描述是侵蚀研究的重要目标。适应于不同条件的流域产沙模型相继被提出，通过输入相关的气象、地形、土地类型与管理等变量数据，经过相关数学经验计算或基于物理过程的计算，得到流域产沙量及相关输出变量（Moore and Burch，1986；Wischmeier，1959）。经过几十年的研究，模型计算得到了很大的改进和发展，许多主流模型出现并在不同地区得到了应用。整体上可以将流域产沙模型划分为经验模型和物理成因模型两大类。
对流域产沙模型的研究开始较早，19世纪后期即有针对流域侵蚀影响因子开展的定量研究，主要的经验模型是美国研制的用于预报土壤侵蚀的通用土壤流失方程（universal soil loss equation，USLE），该模型在经过一系列学者研究和发展后，*早由W.H.Wischmeier于1959年发文提出（Wischmeier，1959），随后由美国农业部于1965年正式发布并进行了一次修正。USLE用于预报年平均尺度下的流域产沙量，并且不考虑单次侵蚀事件。USLE没有考虑降雨-径流过程及其对土壤侵蚀的影响，同时植被及土壤的各向异性也不在模型的考虑范围内。随后，许多学者提出了基于USLE的改进模型，如修正通用土壤流失方程（revised universal soil loss equation，RUSLE）更多地考虑了侵蚀过程而不完全依靠经验计算（Renard et al.，1994）。
随着对流域侵蚀产沙过程理解的深入，更多基于物理过程的数学模型出现，模型应用拓展性和计算准确性都得到了提高与改善（Nearing et al.，1989）。物理模型除产沙模块通常还包含径流模块，根据模型复杂度不同，模型所需参数不同，所能分析的时间尺度也不同，并且主要模型往往根据缓坡等条件提出。对于其他地区，需要根据研究范围、区域条件及研究目标不同选择合适的模型进行计算（郑粉莉等，2004；Sidorchuk，1999；蔡强国等，1996）。
1.2.2泥沙概算及泥沙来源识别方法
泥沙概算的提法源于20世纪60～70年代。20世纪60年代以前，泥沙研究侧重于泥沙运动力学或侵蚀理论，多数研究只针对流域的土壤侵蚀过程、泥沙输移、泥沙在流域内的沉积及其在流域出口的输出等环节中的某一个或某几个环节。Leopold等（1966）在新墨西哥州第一次提出了较为系统的实地沙量平衡计算理论，该理论的提出开启了沙量平衡计算领域的新纪元。泥沙概算概念的提出使人们能够在统一的框架下综合考虑流域的土壤侵蚀、泥沙输移、泥沙沉积、泥沙输出等各个环节。20世纪90年代以后，解决泥沙概算中各种量的计算问题的方法相继出现，为理清流域土壤侵蚀量、泥沙输移量和泥沙沉积量三者之间的关系提供了一种有效手段。泥沙概算研究在20世纪60年代至今的这60多年的发展过程中，虽然分析方法不断更新，试验工具不断改进，研究地域不断扩展，但系统的研究方法并不多见，在现有的泥沙概算方法中，河流输沙部分也往往套用水文资料的数据，或者利用试验或水沙公式进行总输沙量的计算。相对而言，基于野外调查，大量采集第一手数据得到的资料具有时效性和可靠性方面的优势。
20世纪初，有学者开始研究泥沙来源问题（林承坤等，1984；龚时旸和熊贵枢，1979）。20世纪60年代以后，研究泥沙来源的新方法不断出现，至今为止学术界关于泥沙来源的研究方法主要分为两大类：传统的研究泥沙来源的方法和利用指纹识别技术研究泥沙来源的方法。虽然可以利用传统研究泥沙来源的各种方法来获得泥沙源地的一般信息和特征，但每种方法或多或少都存在一定的不足和局限性。20世纪70年代以来，利用指纹识别技术定量研究泥沙来源开始被国内外一些学者所采用。指纹识别技术突出的优点是只关注泥沙的物理、化学特性，以及泥沙源地的相关特性，研究过程并没有涉及泥沙运动过程，这与传统的间接研究泥沙来源的方法显著不同。指纹识别技术研究泥沙来源的方法包括两种
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