2000—2015年長江干流水沙變化及成因分析

楊維鴿，代 茹，張 雁，李美蘭，龔 偉

(1.商洛學(xué)院，城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院；2.商洛學(xué)院，化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院：726000，陜西商洛)

河流系統(tǒng)是地球上重要且非?；钴S的自然系統(tǒng)，而水沙變化則是河流系統(tǒng)對氣候變化與人類活動的直接響應(yīng)[1]。隨著人類活動影響的不斷加劇，很多河流的徑流量和輸沙量均發(fā)生明顯變化，直接影響流域內(nèi)水資源的合理配置、開發(fā)與利用，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的物理、化學(xué)和生物過程[2]。河流水沙關(guān)系可以反應(yīng)徑流量與輸沙量的匹配關(guān)系，研究河流水沙關(guān)系，對于揭露河流和泥沙的來源與時空變化規(guī)律，分析河流與泥沙沉積特征與河道整治措施均有重要作用[3]。

近年來，由于人口數(shù)量增加，人類活動對長江流域的環(huán)境產(chǎn)生影響，致使長江流域內(nèi)的水沙關(guān)系發(fā)生改變。張信寶等[4]的研究表明自20世紀80年代以來，長江上游嘉陵江的泥沙呈減少趨勢，金沙江呈略有增加趨勢，究其原因是由于人類活動方式、程度、植被破壞與恢復(fù)、水土流失治理、水利工程攔沙和工程建設(shè)增沙等的明顯差異引起的。許炯心等[5]研究長江上游干支流2000—2007年輸沙量變化，發(fā)現(xiàn)各站點雙累積曲線上最近1次轉(zhuǎn)折點的出現(xiàn)均與水庫的修建有關(guān)。府仁壽等[6]研究發(fā)現(xiàn)1950—2000年長江干支流輸沙量均有明顯減少。王一斌等[7]研究發(fā)現(xiàn)1950—2010年長江上中下游河段的徑流量未出現(xiàn)明顯的趨勢性增減變化，輸沙量從20世紀80年代開始下降。以往的研究對2000年前長江上、中、下某一流域或支流變化規(guī)律、影響因素等方面都有較全面的闡述，但對2000年后長江干流水沙所表現(xiàn)出來的新的變化特征研究較少。筆者利用長江流域干流屏山、朱沱、寸灘、宜昌、沙市、漢口、大通7個水文站2000—2015年16年的數(shù)據(jù)，對長江流域干流的水沙變化進行分析，并探討其原因，其研究成果可為長江治理和長江流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長江流域位于E 90°33′～122°25′，N 24°30′～35°45′之間，面積約180萬km2，約占我國總面積的18.75%。長江全長約6 300 km，干流宜昌以上為上游，宜昌到湖口為中游，湖口至長江出?？跒橄掠?。長江上游，為高原山地氣候，海拔高，氣溫低；中下游地區(qū)位于秦嶺—淮河以南地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，受海陸位置和季風(fēng)等因素的影響，氣候溫和，降雨豐沛，四季分明，熱量充足，光照充足。年平均氣溫16～18 ℃，年平均降水量1 067 mm，多年平均蒸發(fā)量541 mm，降水多集中在5—10月。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

筆者選取長江干流屏山、朱沱、寸灘、宜昌、沙市、漢口、大通7個水文站點，其中，屏山、朱沱、寸灘、宜昌站位于上游，沙市、漢口站位于中游，大通站位于下游。選擇屏山、朱沱、寸灘、宜昌、沙市和漢口站是為分析在三峽水庫、丹江水庫等人類活動干預(yù)下長江干流水沙變化，選擇大通站是為反映長江流域總的水沙變化。各站點2000—2015年的徑流量和輸沙量數(shù)據(jù)來源于《長江泥沙公報》[8]，降水量數(shù)據(jù)來源于《長江水資源公報》[9]，其中，朱沱、寸灘和沙市站缺失2000—2002年的水沙資料。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

筆者采用雙累積曲線方法，繪制7個水文站的年徑流量和年輸沙量雙累積曲線。雙累積曲線是在直角坐標(biāo)系中繪制的同一期內(nèi)1個變量的連續(xù)累積值與另1個變量連續(xù)累積值的關(guān)系線，可用于水文氣象要素的一致性檢驗、缺值補差和校正，以及水文各要素的趨勢性變化及其強度的分析[10]。因其操作簡單、直觀、實用，受到許多科研人員的應(yīng)用，尤其是分析水沙變化。采用SPSS 16.0軟件統(tǒng)計分析各水文站徑流量、輸沙量的變化及其與降水量的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 長江流域上、中、下游水沙變化基本特征

3.1.1 水沙組成

長江上游屏山、朱沱、寸灘、宜昌水文站集水面積分別占大通站的28.65%、40.74%、50.81%和58.95%，徑流量分別占大通站的15.93%、29.75%、37.72%和48.16%，輸沙量分別占大通站的60.28%、72.66%、98.68%和108.81%；中游沙市站徑流量和輸沙量占長江的43.40%、52.30%；漢口站集水面積占大通站的87.25%，徑流量和輸沙量占長江的78.81%、9.48%(表1)。上游各站點的徑流量占大通站比重較小，但其輸沙量所占比重較大，說明長江干流泥沙主要來自上游地區(qū)。

2000—2015年各站點多年平均徑流量略微小于2000年之前的多年平均徑流量，減少率均<8%，而2000—2015年各站點多年平均輸沙量則明顯小于2000年之前的多年平均輸沙量，減少率均>47%，特別是宜昌站和沙市站，多年平均輸沙量占大通站的比例由2000年前的115.63%和85.06%的分別減少到2000—2015年的53.57%和34.52%，減少率分別為82.04%和84.32%(表1)。表明2000年后，長流流域干流輸沙量顯著減小，徑流量變化不明顯。此外，屏山、朱沱的輸沙量減少，但其輸沙量占大通站的比例增加，分別增加20.32%和12.63%(表1)，說明屏山站和朱沱站輸沙量減小幅度小于其余各站。

表1 長江干流水沙地區(qū)組成變化

注：T1、T2分別為2000年前的時間段、2000—2015年的時間段。Notes：T1 is the period before 2000 year, and T2 is the period of 2000—2015.

3.1.2 水沙年際間變化 2000—2015年間，7大水文站年平均徑流量極值比最大值是屏山站1.75，最小值是沙市站1.44，相差0.31，變化幅度不大。年平均輸沙量極值比最大是屏山站136，最小值是大通站4.72，相差131.28，變化幅度大(表2)。7大水文站年輸沙量極值明顯大于年徑流量極值，表明長江流域干流年輸沙量變化幅度大于年徑流量變化幅度。

表2 長江干流7大水文站年徑流量和年輸沙量極值統(tǒng)計

3.1.3 水沙年內(nèi)變化 長江流域降水主要集中在5—10月，占年降水量80%左右。汛期和雨季基本一致，一般為6—10月份，徑流在年內(nèi)汛期和非汛期的變化十分突出，汛期徑流占全年徑流的60%～80%，其中干流甚至占70%[9]。長江主要水文站宜昌、漢口、大通站5—10月徑流量占年徑流量分別為77%、74.5%、73.6%，輸沙量分別占99.7%、85%和85.38%，由此可知，長江干流徑流量和輸沙量年內(nèi)分配不均，變化大。

3.2 長江干流年徑流量與年輸沙量變化關(guān)系分析

3.2.1 水沙相關(guān)分析 根據(jù)7大水文站2000—2015年水沙相關(guān)關(guān)系圖(圖1(a)～(g))可知：屏山、寸灘、大通大部分相關(guān)點均密集的分布在相關(guān)線附近，未出現(xiàn)系統(tǒng)性偏離；宜昌、沙市、漢口相關(guān)點大部分相關(guān)點分布在相關(guān)線下側(cè)，說明各站徑流量較大，輸沙量相對有所減少；朱沱站大部分相關(guān)點分布在相關(guān)線上側(cè)，說明水量下沙量顯著增加。在2000—2015年間，各站點年徑流量與輸沙量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，但僅屏山站徑流—輸沙關(guān)系量相關(guān)系數(shù)較高(R2=0.67)，其余站點相關(guān)系數(shù)均較低(圖1(a)～(g))，這與王一斌等[7]、李九發(fā)等[11]、武旭同等[12]的研究結(jié)論一致。一方面是水庫攔沙、水土保持控蝕減沙等人類活動造成徑流量與輸沙量相關(guān)性弱，另一方面是因為長江流域來沙中粒徑>0.1 mm左右的泥沙參與河床沙交換，而大量<0.1 mm細顆粒沖瀉質(zhì)不參與河床沙交換，直接隨水流下泄河口水域，成為河口區(qū)主要泥沙來源，這也基本符合Einstein和錢寧[13]的床沙質(zhì)輸沙力理論。

圖1 7站徑流量-輸沙量相關(guān)圖Fig.1 Relationship between runoff and sediment at the 7 hydrologic stations

3.2.2 累計水沙關(guān)系 一般情況下，流域內(nèi)的泥沙特性若發(fā)生改變，徑流量和輸沙量雙累積關(guān)系曲線上會表現(xiàn)出明顯的轉(zhuǎn)折，即累積曲線的斜率會發(fā)生明顯變化[10]。屏山、朱沱、寸灘站在2010年和2012年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，2010年轉(zhuǎn)折點后累積曲線斜率均略有減小，表明長江上游的年輸沙量逐漸減小，但變幅不大，2012年轉(zhuǎn)折點后累積曲線斜率均明顯減小，表明長江上游2012年后輸沙量減少幅度大(圖2(a)、圖2(b)和圖2(c))；沙市站在2002和2007年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，且斜率減小，說明輸沙量有減少趨勢(圖2(e)；宜昌、漢口和大通站在2002年和2005年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點，累積曲線斜率減少，說明2005年后長江中下游輸沙量已經(jīng)得到了一定的控制(圖2(d)、圖2(f)和圖2(g))。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是三峽大壩于2003年開始蓄水，上游大量來沙在庫中淤積，中下游年輸沙量均有大幅度的減小，故長江中下游水文站的雙累積曲線圖在2002年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，且斜率減小；2006年，三峽水庫實施了156 m蓄水方案，泥沙淤積達0.932億t，且2006年為枯水少沙年，長江中下游年輸沙量明顯降低，導(dǎo)致2005年宜昌、漢口和大通站出現(xiàn)第2個明顯的轉(zhuǎn)折點[14]。

圖2 7站年徑流量-年輸沙量雙累積曲線Fig.2 Relationship between accumulated runoff and accumulated sediment at the 7 hydrologic stations

3.3 水沙變化成因分析

自然和人為因素是造成河流徑流量和輸沙量發(fā)生改變的原因。自然原因包括降水、植被覆蓋面積、土壤等因素，人類活動主要包括水利工程建設(shè)、水土保持和采沙用水等因素。

3.3.1 降水因素 筆者將大通站2000—2015年徑流量和輸沙量作為長江流域干流的徑流和輸沙量，繪制了年降水總量和徑流量變化過程圖(圖3)、年降水總量和輸沙量變化過程圖(圖4)。近15年來，長江流域干流年徑流量在時間序列變化趨勢不顯著，徑流量和年降雨量變化趨勢一致性較好(圖3)，而年降水量和年輸沙量變化趨勢在2003—2009年一致性較差，且輸沙量在時間序列上呈下降趨勢(圖4)，說明2000—2015年間降水量對長江流域干流的泥沙含量影響比較小，流域內(nèi)輸沙量減少主要是受到水庫攔沙和水土保持措施控蝕減沙以及河道取沙等人為因素影響[14]。

圖3 2000—2015年長江流域降雨量與徑流量變化圖Fig.3 Total annual precipitation and runoff of Yangtze River during 2000 to 2015

3.3.2 水利工程攔沙 水庫具有攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的作用。長江流域共建水庫4萬余座，泥沙在庫內(nèi)落淤，影響水庫下游來沙。丹江水庫自1968年建成到2015年，淤積泥沙14.103億t，2015年泥沙淤積量為113萬t[8]；三峽水庫自2003年6月進行蓄水，到2015年水庫淤積泥沙量由1.24億t淤積到16.0億t[8]，這是三峽水庫下游年輸沙量顯著減小和宜昌、漢口、大通站年輸沙量于2002年發(fā)生突變的主要原因。長江上游嘉陵江、岷江、烏江、漢江和贛江流域分別修建3、7、13、7和14座大型水庫，總庫容分別為32.36億m3、70.85億m3、150.55億m3、267.3億m3和51.01億m3，受上游水庫蓄水?dāng)r沙影響，下游來水來沙發(fā)生改變[15]。

3.3.3 水土保持 在長江流域內(nèi)，國家實施長江上中游水土保持重點防治工程(簡稱“長治”工程)和六大國家水土保持重點工程(水土流失重點治理工程、坡耕地水土流失綜合治理工程、丹江口水庫及上游水土保持工程、巖溶地區(qū)石漠化治理工程、國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水土保持項目、國家水土保持重點建設(shè)工程)。2001—2004年，長江流域僅實施“長治”工程，2004年完成水土流失治理面積1.31萬km2，年攔蓄徑流量5.6億m3，年減少土壤侵蝕量0.6億t[8]。2005年實施“長治”工程和丹江口水庫及上游水土保持工程，分別完成水土流失治理面積3 619和8 919 km2[8]。2006年，“長治”工程完成水土流失治理面積3 130.15 km2。2007年，流域內(nèi)實施4項工程，完成水土流失治理面積3 857.42 km2[8]。2009—2012年，實施5項工程，每年完成水土流失治理面積分別為6 869、5 760、2 538和4 584 km2[8]。2013—2015年，實施了7項工程，每年完成水土流失治理面積分別為8 466、6 039.18和6 159.42 km2[8]。截至2015年，累積水土流失治理面積達37.8萬km2[8]。水土保持項目的實施改善了流域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境，植被覆蓋率增加，控蝕減沙能力增強，這也是近年來長江流域泥沙量減少的主要原因。

3.3.4 采沙用水 近年來，隨著人口的快速增長和經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對長江的開發(fā)力度不斷加大，長江流域用水量不斷增加，河道采沙規(guī)模也不斷增大。2000—2015年，總用水量從1 727.0億m3增加到2 054.6億m3，增加了327.6億m3，其中，工業(yè)和生活用水不斷增長，農(nóng)業(yè)用水相對有所下降；根據(jù)統(tǒng)計，2015年長江干流河道總采沙量達到4 150萬t，其中建筑采砂達到846萬t，吹填造地采砂3 304萬t，開采量較前幾年有所下降。同時跨流域調(diào)水即南水北調(diào)工程也對流域內(nèi)的水沙變化產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié)論

1)2000—2015年長江干流7大水文站多年平均輸沙量比之前下降顯著，減少率均>47%，特別是宜昌站和沙市站，減少率分別為82.04%和84.32%；多年平均徑流量略有下降，減少率均<8%。

2)除屏山站外，其余6站徑流量與輸沙量相關(guān)性較弱。徑流量-輸沙量雙累積曲線表明表明長江上游2012年后輸沙量減少幅度大；長江中下游輸沙量2005年后已經(jīng)得到了一定的控制。

3)長江干流各水文站輸沙量減少的主要原因是水庫攔沙和水土保持措施控蝕減沙。