三峽工程蓄水前后監(jiān)利站水沙變化分析

劉鵬飛，李一兵

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點試驗室，天津 300456）

三峽工程蓄水前后監(jiān)利站水沙變化分析

劉鵬飛，李一兵

（交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點試驗室，天津 300456）

隨著三峽水庫的蓄水運用，清水下泄使壩下游河床受到不同程度的沖刷，江湖關系發(fā)生改變，引起水沙特性的改變。對收集到的三峽蓄水前后監(jiān)利站實測水沙資料進行分析，結果表明：三峽蓄水運用后監(jiān)利站年平均流量減小，年內(nèi)汛期流量削減，枯季流量增大，其中主汛期6～9月份平均流量建庫后較建庫前減少了6%～15%，主汛后10月份和11月份流量減小幅度分別為12%與15%，枯水期1～4月流量平均增幅6%～13.3%，年內(nèi)流量變幅減小，同流量條件下水位降低。蓄水后監(jiān)利河段含沙量顯著減少，減少率最多達到74.6%。懸沙中值粒徑和床沙中值粒徑均增大，河床呈粗化趨勢。

水沙變化；監(jiān)利站；荊江河段；三峽工程

Biography：LIU Peng-fei（1985-），male，assistant engineer.

三峽工程的蓄水運用，改變了水庫下游河道的來水來沙條件，并在一定程度上引起河勢的相應調(diào)整，進而對下游河道的防洪、航運等產(chǎn)生一定影響［1］。為此分析研究三峽蓄水運用后水庫下游的水沙特性具有重要意義。

監(jiān)利河段位于長江中游荊江河段的下段，該河段歷史上洪災頻繁，河道演變劇烈，是長江防洪、航運的重點關注河段。黃莉、藺秋生［2］通過對該段監(jiān)利站水沙資料分析認為，該河段年徑流量變化過程和年輸沙量變化過程呈不規(guī)則性周期變化，監(jiān)利站水沙變化除了受長江上游來水來沙變化的影響外，下荊江裁彎工程、荊江口分流分沙變化及三峽工程等水利樞紐的建設均是主要影響因素。而對于該河段在三峽運用后水沙變化的具體情況，前人文獻中論述尚不充分。文章通過對比三峽蓄水運用前后監(jiān)利站實測水沙資料，分析監(jiān)利河段流量、水位、含沙量、泥沙級配等各種水沙變化趨勢和變化幅度，以研究三峽工程的運用對該河段的影響。

1 測站基本情況

監(jiān)利水文站為監(jiān)利河段水沙特征的代表站，監(jiān)利站的來水來沙變化規(guī)律很大程度上反映了該河段的水沙特性。該站地處長江中下游，距長江口約1 532.5 km，距三峽大壩約353 km，測驗河段長約2.5 km。左岸為大堤外坡，河床為沙質(zhì)，中高水有淤積，斷面為復式，低水江中有沙洲，右岸有高灘。每年5～10月為汛期，徑流量年內(nèi)分配不均勻。

2 蓄水前后流量變化

根據(jù)收集到的資料，分析建庫前后監(jiān)利年平均流量及年內(nèi)分配。考慮到其間有幾次大型的人類活動，以葛洲壩的運用時間為節(jié)點，建庫前取1981～2002年（缺2001年）的流量資料與建庫后進行對比分析。為說明三峽工程的調(diào)蓄作用，將位于庫區(qū)的萬縣站水文資料與監(jiān)利站資料進行對比分析，比較入庫流量和監(jiān)利流量的變化。三峽蓄水前后監(jiān)利站多年年內(nèi)流量分配對比見表1。

表1 三峽蓄水前后監(jiān)利站多年年內(nèi)流量分配對比Tab.1 Comparison of flow distribution at Jianli station before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

1981～2002年多年平均流量12 176 m3/s，歷年最大流量46 300 m3/s，歷年最小流量3 650 m3/s。對比建庫前后監(jiān)利站流量變化，可以看出建庫后監(jiān)利站年平均流量變小，為11 251 m3/s，比建庫前減少7.6%，年內(nèi)流量分配規(guī)律有所變化。建庫前汛期流量占總流量的75%，建庫后為73.2%，在主汛期6～9月份月平均流量建庫后較建庫前減少了6%～15%。其中7月份減少了3 528 m3/s，8月份減少了3 198 m3/s。相應地枯季流量有所增加，一般主汛前（1～4月）偏大，主汛后（10～12月）偏小。1～4月流量平均增幅在6%～13.3%，如3月份平均流量增加了642 m3/s，增幅為13.3%。10月份和11月份流量減小幅度分別為12%與15%，10月份減少了2 348 m3/s，減小量較大，12月份基本不變。對比分析建庫后萬縣流量過程和監(jiān)利站流量過程，可以看出1～5月份、11～12月份監(jiān)利站流量比入庫流量增大，6～10月份流量減小，說明三峽水庫的運用起到了加大枯水流量，攔蓄洪水的作用。

選取三峽蓄水前后典型水文年，分析年內(nèi)流量變幅［3］的變化（最大流量與最小流量之比），見表2。由表2可以看出，三峽水庫運用后，監(jiān)利河段各典型年內(nèi)流量變幅總體變小，說明該河段流量年內(nèi)分配趨于均勻化。其中2006年為長江枯水少沙年份，監(jiān)利站流量、輸沙量均為歷史最低值，流量變幅偏小。

表2 蓄水前后監(jiān)利站年內(nèi)流量變幅Tab.2 Amplitude of flow before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

3 蓄水前后水位流量關系變化

由監(jiān)利站2002～2007年水位流量相關資料，擬合水位流量關系曲線［4］（圖1）。

從圖1可以看出：三峽蓄水后監(jiān)利站同流量條件下水位下降，水位下降值隨流量不同而不同，大流量條件下水位降幅小于中水、枯水流量下的水位降幅。2002～2007年實測數(shù)據(jù)表明，流量在1萬m3/s以下時，監(jiān)利站水位下降約0.4 m，流量為2萬m3/s時，水位下降約0.12 m，流量為4萬m3/s以上水位變化不大。水位降落是由河床沖刷所引起的，沖刷自上而下發(fā)展，由于監(jiān)利河段距三峽大壩較遠，水位降落幅度有限。從圖1還可以看出三峽蓄水運用后2005、2006、2007年流量水位關系曲線趨于接近，說明經(jīng)過多年的持續(xù)沖刷，河床沖深速率減緩，水位流量關系趨于平穩(wěn)。水位下降會帶來兩種后果，一是凹岸水流沖擊部位在垂線上下移，對岸坡穩(wěn)定造成更大威脅；二是凸岸邊灘相對升高，使水流漫灘機會減少，洲灘的淤積機會減少，從而對河道中洲灘沖淤變化產(chǎn)生影響［5-6］。

圖1 監(jiān)利站多年水位流量關系圖Fig.1 Stage discharge relation of several years at Jianli station

4 蓄水前后含沙量變化

三峽蓄水運用后，壩下游水沙關系發(fā)生明顯變化。主要表現(xiàn)為同流量下來沙量減小。根據(jù)三峽水庫蓄水運用以來下游河道觀測資料分析，三峽水庫運用初期，上游來沙60%被攔蓄在庫內(nèi)［7］。上游來沙中的大量推移質(zhì)以及懸移質(zhì)中較粗的部分攔在庫內(nèi)，排往庫外的則主要是懸移質(zhì)中較細的部分，同流量下出庫含沙量顯著減小，下泄水流挾沙處于次飽和狀態(tài)。分析監(jiān)利站蓄水前后年平均含沙量變化（表3），2002年平均含沙量為0.564 kg/m3，三峽蓄水以后含沙量大幅降低，呈逐年遞減的趨勢。2006年為枯水年，平均含沙量降低至0.143 kg/m3。2007年平均含沙量恢復至0.179 kg/m3。

表3 監(jiān)利站蓄水前后年平均含沙量變化表Tab.3 Variation of average sediment concentration before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

根據(jù)監(jiān)利站2002～2007年的含沙量資料，點繪2002～2007年的月平均含沙量過程線，分析監(jiān)利站建庫前后年際與年內(nèi)含沙量的變化過程（圖2）。

從圖2可以看出，監(jiān)利站在三峽蓄水后各月平均含沙量明顯低于蓄水前，汛期和枯水期含沙量分配發(fā)生改變。蓄水后，河段汛期含沙量占全年比重減少，2002年汛期含沙量占全年的80.7%，2006年降低為68.4%，2007年為77.5%。相應地枯水期含沙量占全年比重增加。

河道流量大小與含沙量呈正相關關系，即所謂大水挾大沙，河段含沙量隨流量過程的變化而變化，在蓄水后的豐水年含沙量也會變大。如2005年汛期流量比2004年大10.3%，同期的含沙量較2004年增加了39.1%。2006年為枯水年，年平均流量比2002年減少了22.3%，平均含沙量與2002年相比降低了74.6%，特枯的水情是造成該年份含沙量銳減的重要因素。圖2中2003年8月含沙量降低也主要是由流量迅速減小所致。雖然含沙量會隨著來流的增大而增大，但一般不會超過蓄水前水平。三峽關閘蓄水導致下泄含沙量顯著減小，打破了建庫前的輸沙動態(tài)平衡狀態(tài)，進而引起下游河床沖刷，在一定程度上影響河床穩(wěn)定性。

圖2 監(jiān)利站近年來含沙量的年內(nèi)分配過程Fig.2 Distribution process of sediment concentration before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

5 泥沙級配變化

5.1 懸沙級配變化

表4 監(jiān)利站懸沙d>0.125 mm粒徑級沙重百分數(shù)及中值粒徑變化表Tab.4 Variation of weight percentage of d>0.125 mm suspended load and median particle diameter

監(jiān)利站在三峽蓄水運用后懸沙顆粒明顯變粗，蓄前中值粒徑均值為0.009 mm，2007年為0.056 mm，2008年為0.109 mm。該河段粒徑大于0.125 mm的泥沙重量百分數(shù)由蓄水前的9.6%增大至2008年的46.8%。為分析監(jiān)利站懸沙粒徑的變化，統(tǒng)計三峽壩下至監(jiān)利段主要控制水文站粒徑大于0.125 mm的懸沙比重沿程變化情況（表5）。由表5可見該粒徑范圍的泥沙比重沿程顯著提高，輸移量沿程增加。2008年宜昌—監(jiān)利段粒徑大于0.125 mm的泥沙含量沿程由1.4%增大至46.8%，表明蓄水后荊江河段懸沙補給主要來自河床沖刷，沿程逐漸恢復，這與荊江河床可沖性的物質(zhì)組成密切相關［8］。值得注意的是2006年中值粒徑增大至0.15 mm，大于0.125 mm的泥沙含量增大至57%，這與該年份特殊的水情有關，其中的原因還有待于進一步研究。

表5 三峽水庫壩下游主要控制站d>0.125 mm懸沙沙重百分數(shù)對比表Tab.5 Comparison of weight percentage of d>0.125 mm suspended load at the lower reaches of the Three Gorges

5.2 床沙級配變化

監(jiān)利站近年來床沙中值粒徑變化見表6。

表6 三峽工程蓄水后監(jiān)利站床沙中值粒徑變化統(tǒng)計表Tab.6 Variation of median particle diameter of bed load at Jianli station after impoundment of the Three Gorges Reservoir

由表6可以看出，床沙中值粒徑呈變大的趨勢，2002年中值粒徑為0.179 mm，2007年為0.198 mm，其中2006年最大，為0.239 mm。表現(xiàn)了水庫下游清水沖刷條件下河床的粗化。

6 結論

通過對監(jiān)利站三峽蓄水運用前后水沙過程對比分析，認為三峽蓄水運用對監(jiān)利河段水沙條件改變最為顯著的是年內(nèi)流量分配的調(diào)整和水流含沙量的減少等。水沙變化具體體現(xiàn)在以下幾點：（1）三峽蓄水運用后，監(jiān)利站年均來流減小，年內(nèi)枯季流量增大，汛期流量減小，其中主汛期6～9月份平均流量建庫后較建庫前減少了6%～15%，10月份和11月份流量減小幅度分別為12%與15%?？菟?～4月流量平均增幅6%～13.3%，年內(nèi)流量變幅減小。（2）三峽蓄水運用后，監(jiān)利站同流量條件下水位降低，大流量水位降幅小于中枯流量水位降幅。隨著沖刷歷時的增加，該站水位流量關系有趨于穩(wěn)定的趨勢。（3）建庫后監(jiān)利河段來流含沙量顯著減小，減少率最大達到74.6%，且含沙量呈逐年減小的趨勢。（4）懸沙粒徑較建庫前明顯變大，懸沙中值粒徑由建庫前0.09 mm變?yōu)?.109 mm，上游和本河段床沙成為本河段懸沙的主要來源。（5）建庫后本河段床沙中值粒徑變大，河床呈粗化趨勢。

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Analysis on flow and sediment changes at Jianli hydrologic station before and after impoundment of the Three Gorges reservoir

LIU Peng-fei，LI Yi-bing
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

The impoundment of the Three Gorges reservoir and the release of clear water will cause different degrees of erosion in downstream of reservoir，and result in changes of river-lake relation and the characteristics of flow and sediment.According to observed data of Jianli hydrologic station，the changes of flow and sediment condition before and after impoundment of the Three Gorges reservoir were analyzed in this paper.The results show that the mean annual discharge at Jianli hydrological station is reduced.The flow is increased in dry seasons，and reduced in flood seasons after the impoundment of the Three Gorges reservoir.In the main flood season from June to September，the average flow of Jianli station is reduced to 6%～15%after the construction of the Three Gorges reservoir，and the decrease ratio of the flow in October and November is respectively 12%and 15%.The amplification range of the average flow in dry seasons from January to April is 6%～13.3%，and the flow variation of Jianli station is decreased within the year.The water level is lowered under the same flow conditions.The sediment concentration of Jianli station is reduced significantly，and the decrease ratio is up to 74.6%.The particle size of the suspended load and bed load increases，and the river bed is coarsening.

water and sediment variation；Jianli hydrologic station；Jingjiang River；the Three Gorges Project

TV 141

A

1005-8443（2011）06-0408-05

2010-11-30；

2010-12-23

西部交通建設科技項目（2009328224061）

劉鵬飛（1985-），男，山東省人，助理工程師，主要從事航道整治研究。

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