河流沉积物补给策略研究：堆积体侵蚀动力学与下游地貌响应机制

本文创新性地采用二维水沙耦合数值模型（TELEMAC-2D）系统研究了日本那珂川沉积物补给（SR）工程的实施效果，揭示了冲刷流量（40% Q0为最优）、补给物粒度（1mm细颗粒提升侵蚀率15%）及堆体布局（双堆体设计使输移比提升3%）对堆积体侵蚀及下游地貌重塑的关键影响，为全球河流修复工程提供了量化设计依据。

　　

1 引言

大坝建设导致的"饥饿水流"现象引发下游沉积物赤字问题，沉积物补给（SR）作为关键修复手段在全球广泛应用。日本那珂川的长期SR实践与欧洲短期项目（如法国Bu?ch河）形成鲜明对比，其独特的补给策略和地貌响应机制亟待深入研究。现有二维模型在模拟侧向侵蚀和床面演化方面存在局限，特别是对补给物粒度效应和多次洪水脉冲的耦合作用缺乏量化分析。

2 研究区域与方法

研究聚焦那珂川Kohama段，该区域自1991年起实施年度SR，年均补给量20万m³（D₅₀=9mm）。创新性地采用空间-时间图像测速技术（STIV）获取洪水期表面流速，结合Green Lidar地形数据构建高精度模型。模型引入"Maxslope"算法模拟堆体失稳过程，设定休止角为30°，并通过Van Rijn公式计算泥沙输移，验证显示床面高程模拟误差仅0.48m（NSE=0.976）。

3 关键发现

3.1 冲刷流量的阈值效应

模拟显示流量增至原始值100%时输移比（TR）仅提升2%，而40% Q₀的冲刷量可实现最优侵蚀效率。双洪水脉冲方案（间隔16小时）使侵蚀量增加2000m³，TR提升1.5%。下游地貌响应呈现空间异质性：凸岸区域沉积厚度达0.07m，而凹岸则出现深度达1.2m的侵蚀。

3.2 粒度效应的非线性特征

细颗粒补给物（1mm）的TR-max值约14%，较中粗颗粒提前达到平衡状态。添加20%细颗粒可使2km内河床淤积量增加8000m³，促进浅滩-深潭结构的形成。但模型未考虑"魔法沙"效应（magic sand effect），可能低估粗颗粒在混合基质中的实际输移能力。

3.3 堆体设计的工程优化

传统单堆体方案（高25m）的TR仅14.1%，而双堆体布局通过增加可蚀表面积使TR提升至25.3%。计算流体力学显示，双堆体使近岸流速增至4.5m/s，显著促进泥沙输运。下游0-2km区间的床面变化指数（BCI）达0.095m，较传统方案提高80%。

4 讨论与展望

研究揭示了SR工程中"流量-粒度-形态"的耦合机制：

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  流量调控应优先考虑频率而非强度，推荐采用40% Q₀的双脉冲模式

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  细颗粒组分可加速地貌重建，但需警惕孔隙堵塞（clogging effect）对底栖生态的影响

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  三维螺旋流（helical flow）效应在弯曲河段的模拟精度仍需提升

未来研究需整合地貌多样性指数（HMID）和形态单元调查法（GUS），并开展多年尺度模拟以评估SR的长期生态效应。该成果为长江、黄河等大型河流的泥沙管理提供了重要范式。