長江泥沙變化及河床沖淤研究

許全喜 袁晶 董炳江

摘 要：本文利用長江干、支流主要控制站近60多年水沙序列和實測地形資料，探討長江流域不同河段、不同時段的水沙變化和河床沖淤情況，在分析長江上游來水來沙變化特性的基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地研究了三峽水庫蓄水運用以來，水庫泥沙淤積和壩下游河床沖刷演變特性，不僅有助于對長江流域不同河段進行河道整治與洪水治理，還可為三峽工程運行、管理，長江黃金水道建設(shè)、長江經(jīng)濟帶建設(shè)以及長江大保護戰(zhàn)略的研究和實施提供可靠的科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三峽工程;水沙變化;暴雨洪水;水庫淤積;河道沖刷

中圖法分類號：TV697.25? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0311

泥沙變化與河勢穩(wěn)定、河道演變、江湖關(guān)系等密切相關(guān)，是流域系統(tǒng)中最為活躍的部分，特別是近20多年來，長江流域治理開發(fā)取得了巨大成就，干、支流水利水電工程建設(shè)和長江上中游水土保持工程建設(shè)得到全面發(fā)展。這些工程在除害興利、發(fā)展生產(chǎn)、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮了積極作用，但也引起長江水沙及河床沖淤特性發(fā)生一些新的變化。特別是金沙江下游梯級電站相繼建成運用后，金沙江來沙大多被攔截在溪洛渡和向家壩庫區(qū)內(nèi)，導致長江上游的水沙來源發(fā)生了更為深刻的變化。多年來，許多專家學者對長江水沙變化及河床沖淤開展了研究工作[1-5]，特別是以三峽水庫為核心的長江上游梯級水庫群的陸續(xù)建成運用，將從根本上改變長江流域水沙時空變化和沖淤演變規(guī)律[6-14]，其出現(xiàn)的新情勢、新問題及將帶來的影響程度與范圍還需進一步研究。

本文根據(jù)實測水文泥沙及地形資料，對三峽水庫蓄水以來長江泥沙變化及河床沖淤演變特性進行了較為系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明：三峽水庫蓄水以來，長江上游來水偏小、來沙大幅減少，特別是金沙江下游溪洛渡、向家壩水電站相繼建成運用后，金沙江來沙大幅減少，在入庫泥沙減少的同時，上游個別支流出現(xiàn)大洪水時沙量較大，導致三峽入庫沙量往往集中于幾場洪水。2003年6月至2017年12月三峽水庫淤積泥沙16.691億t，年均淤積泥沙1.145億t，僅為論證階段的35%，泥沙淤積主要集中在常年回水區(qū)，變動回水區(qū)則有所沖刷。隨著三峽水庫的蓄水運用，長江中下游輸沙量大幅減小，壩下游河床沖刷強度加劇，并由蓄水前的“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┎劬鶝_”，2002年10月至2017年10月，宜昌至湖口、湖口以下河段平灘河槽沖刷量分別為21.24億m3、22.83億m3，以枯水河槽沖刷為主，強烈沖刷帶逐漸下移;長江中下游干流河道總體河勢基本穩(wěn)定，河床以縱向沖刷下切為主，河道崩岸時有發(fā)生，部分彎道段河床沖淤規(guī)律發(fā)生新變化，急彎段出現(xiàn)切灘撇彎現(xiàn)象;城陵磯以下部分主支汊地位懸殊的分汊河段出現(xiàn)“塞支強干”現(xiàn)象;局部河勢仍處于不斷調(diào)整變化之中。

1 長江上游水沙變化特性

1.1? 年際、年內(nèi)變化

1.1.1? 年際變化

20世紀90年代以來，長江上游徑流量變化不大，受水利工程攔沙、降雨時空分布變化、水土保持、河道采砂等因素的綜合影響，輸沙量明顯減少。與1990年前均值相比，1991—2002年長江上游徑流量除嘉陵江北碚站減少25%、橫江站和沱江富順站分別減少15%和16%外，其余各站變化不大;輸沙量除金沙江向家壩站增大14%和橫江站基本持平外，其它各站均明顯減小，其中尤以嘉陵江和沱江最為明顯，分別減小了68%和72%，長江上游地區(qū)主要測站各時段徑流量輸沙量統(tǒng)計見表1。

特別是三峽工程175m試驗性蓄水以來，長江上游各站徑流量無明顯趨勢性變化，與1991—2002年均值相比，富順站和北碚站徑流量分別偏多12%和22%，向家壩站和武隆站徑流量則分別偏少11%和17%，其他各站變化不大;與2003—2007年均值相比，除橫江站和富順站分別偏多15%和41%外，其余各站變化不大。長江上游來沙減小趨勢仍然持續(xù)，與1991—2002年均值相比，除北碚站輸沙量減少30%外，其余各站均減少50%以上;由于2003年沱江來沙量達到3 600萬t，居1957年以來實測最大值，導致富順站2008-2017年年均輸沙量較2003—2007年均值偏多7倍，此外橫江站和北碚站2008—2017年年均輸沙量分別較2003-2007年均值偏多4%和7%，其余各站則減少幅度為39%～69%。

2008—2017年，三峽年均入庫（寸灘+武?。搅髁繛? 721億m3，較初步設(shè)計采用的多年（1878—1990年）平均值減少了7%，較1991-2002年年均值減少了4%;入庫懸移質(zhì)輸沙量為1.21億t，較初步設(shè)計采用的多年（1951—1990年）平均值減少了75%，較1991—2002年年均值減少了66%，特別是溪洛渡、向家壩電站相繼運行后，由于水庫攔沙作用[15]，金沙江來沙大幅減少，向家壩站2013-2017年年均輸沙量由2003—2012年的14 200萬t減少至170萬t，2013—2017年三峽年均入庫泥沙僅為0.592億t。

可以預(yù)期，隨著上游干支流興建的水利水電工程陸續(xù)投入運行，長江上游流域水土流失綜合治理和防治石漠化的持續(xù)實施，長江上游懸移質(zhì)泥沙來沙在較長時期內(nèi)仍呈減少趨勢。

在三峽工程論證階段，寸灘站實測年均礫卵石推移質(zhì)輸沙量為27.7萬t（沙質(zhì)推移質(zhì)無實測資料）。20世紀90年代，進入三峽水庫的礫卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)泥沙數(shù)量總體均呈減少趨勢，寸灘站1991-2002年實測卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)的年均輸沙量分別為15.4萬t和25.83萬t;三峽水庫蓄水運用以來，推移質(zhì)輸沙量大幅減少，2003-2007年寸灘站實測年平均礫卵石推移質(zhì)和沙質(zhì)推移質(zhì)輸沙量分別僅為4.18萬t和2.50萬t，2008-2017年進一步減少至3.41萬t和0.42萬t，較1991-2002年均值分別偏少了78%和98%。

1.1.2? 年內(nèi)變化

三峽蓄水運用以來，長江上游各站水沙年內(nèi)分配規(guī)律未發(fā)生明顯變化，輸沙量年內(nèi)分配基本與徑流量一致，但沙量年內(nèi)分配較水量更為集中。

從1990年前后水沙年內(nèi)分配變化來看，金沙江向家壩站、岷江高場站水沙年內(nèi)分配規(guī)律未發(fā)生明顯變化;嘉陵江北碚站8月沙量占全年比例有所增大（主要是由于流域內(nèi)水庫和航電樞紐排沙所致）;烏江則由于上游烏江渡等電站蓄、泄影響，7月水沙量明顯增大。

1990年前后相比，寸灘站徑流年內(nèi)分配發(fā)生較明顯變化。1991-2002年與1950-1990年相比，寸灘站年徑流量減少177億m3，但1—4月徑流增大了20.3億m3，9—10月徑流則減少153.2億m3;2003-2017年與1991-2002年相比，寸灘站年徑流量減少77億m3，但主要集中在主汛期6—8月，其徑流量減少了170.3億m3，1—4月徑流增大了72.3億m3，9—12月徑流則略有增大。對于沙量來說，長江上游干、支流各站輸沙量均呈減少趨勢，尤以7—9月減少最為顯著。

此外，長江上游來沙量大幅減少的同時，上游主要支流如嘉陵江，一些低水頭的航電樞紐已運行數(shù)年，泥沙已基本達到淤積平衡，在遭遇大洪水時輸沙量較大，且輸沙過程集中，對嘉陵江沙量和三峽入庫泥沙產(chǎn)生較大影響。如2014年9月中旬渠江發(fā)生洪水，羅渡溪站實測最大含沙量達到3.13kg/m3，北碚站實測最大含沙量達到1.94kg/m3，經(jīng)統(tǒng)計9月10—23日洪水期間，羅渡溪站實測輸沙量為1 001萬t，占羅渡溪站全年輸沙量的91.8%。2018年7月，受強降雨影響，長江上游橫江、岷江、沱江、嘉陵江等支流出現(xiàn)“大水大沙”現(xiàn)象，水量沙量顯著大于多年均值，如7月12日，涪江小河壩站的含沙量達到22kg/m3，使得7月輸沙量高達0.42億t，為2014—2017年該站年平均輸沙量的32倍（見圖3）。

1.2? 水沙關(guān)系變化

從長江上游主要測站歷年水沙量相關(guān)關(guān)系（圖4）可以看出，三峽蓄水以來上游主要控制站的水沙關(guān)系均發(fā)生明顯變化，同水量下沙量減少明顯，特別是向家壩站受溪洛渡、向家壩水庫攔沙影響，2013年后的年徑流量—年輸沙量關(guān)系發(fā)生了顯著變化，同徑流量下輸沙量大幅減少，進一步導致寸灘站的年徑流量—年輸沙量關(guān)系也發(fā)生相應(yīng)顯著變化。

1.3? ?水沙地區(qū)組成變化

長江上游水沙異源現(xiàn)象十分突出，徑流主要來自金沙江、岷江、嘉陵江和烏江，泥沙則主要來自金沙江和嘉陵江。從三峽入庫泥沙地區(qū)組成來看，近年來，金沙江、烏江來沙量占入庫沙量的比重有所減小，特別是2013—2017年，隨著金沙江下游溪洛渡、向家壩水電站的建成運用，其在來水比重變化不明顯的情況下，來沙比重僅減小為3%。橫江、岷江、沱江、嘉陵江的來沙占比則均有所增大。見表2所示。

2? 三峽水庫泥沙淤積

2.1? 水庫泥沙淤積量

由于三峽入庫泥沙較初步設(shè)計值大幅減小，三峽庫區(qū)泥沙淤積大為減輕。根據(jù)三峽水庫主要控制站朱沱站、北碚站、寸灘站、武隆站、清溪場站、黃陵廟站水文觀測資料統(tǒng)計分析（圖5），2003年6月～2017年12月，三峽入庫懸移質(zhì)泥沙21.925億t，出庫（黃陵廟站）懸移質(zhì)泥沙5.234億t，不考慮三峽庫區(qū)區(qū)間來沙，水庫淤積泥沙16.691億t，近似年均淤積泥沙1.145億t，僅為論證階段（數(shù)學模型采用1961-1970系列年預(yù)測成果）的35%，水庫排沙比為23.9%。水庫的泥沙淤積量與水庫的調(diào)度運用方式息息相關(guān)，隨著壩前水位的逐步抬高，水深增加，流速減緩，水流挾沙能力減小，泥沙淤積部位逐漸上移，水庫排沙比也有所減小（圖6），但隨著入庫泥沙的減少，水庫淤積也隨之減輕（圖7）。

2.2? 水庫泥沙淤積形態(tài)及部位

2003年3月～2017年10月，175m高程下庫區(qū)干、支流累計淤積泥沙16.706億m3，其中干、支流分別淤積泥沙14.449億m3、2.257億m3。

從橫向分布來看：在145m高程下淤積泥沙15.46億m3，占175m高程下庫區(qū)總淤積量的92.5%，淤積在水庫防洪庫容內(nèi)的泥沙為1.246億m3，占175m高程下庫區(qū)總淤積量的7.5%，占水庫防洪庫容（221.5億m3）的0.56%，主要集中在奉節(jié)至大壩庫段。此外，庫區(qū)干流泥沙淤積以寬谷段為主，窄深段淤積相對較少或略有沖刷，2003年3月至2017年11月干流寬谷段（平均庫區(qū)水面寬大于600m）淤積量占全河段總淤積量的93.8%，且以主槽淤積為主。

從縱向分布來看：庫區(qū)干流變動回水區(qū)累計沖刷泥沙0.741億m3;常年回水區(qū)淤積量為15.575億m3。由于近年長江上游來沙量大幅減少，庫區(qū)泥沙淤積強度也隨之減小。從淤積強度沿程分布來看，近壩段（廟河至大壩）淤積強度最大，2003年3月至2017年11月累計淤積泥沙1.594億m3，但絕大部分泥沙淤積在90m高程以下，且顆粒較細，不會影響水庫的運行。

3? 長江中下游水沙變化

河道的沖淤狀態(tài)取決于來水來沙條件和河床邊界條件。長江中下游干流床沙組成變化總的趨勢由粗變細，其中：宜昌至枝城段主要由細砂、中砂和砂卵石組成，沿程變化相對復(fù)雜，有數(shù)個卵石洲灘;上荊江床沙為中砂和卵石，而下荊江床沙為細砂;城陵磯至九江及下游河段，床沙基本為細砂組成。

20世紀90年代以來，受上游來沙量減小影響，長江中下游干流輸沙量也呈減小態(tài)勢，如宜昌站1991-2002年平均輸沙量為3.91億t/a，較1950-1990年均值減小了1.30億t/a，減幅25%;下游漢口、大通站沙量也分別減小了1.14億t/a、1.31億t/a，減幅分別為27%、29%，沙量減小值和減幅都與宜昌站基本相當。

三峽水庫蓄水運用以來，長江中下游各站年均徑流量除監(jiān)利站變化不大外，其他各站均偏少6%～11%;受水庫攔沙影響，壩下游輸沙量大幅減小，但減幅沿程遞減。2003-2017年宜昌、漢口和大通站年均輸沙量分別為0.358億t/a、1.01億t/a和1.37億t/a，分別較蓄水前均值減小了93%、75%和68%（表3）。由于上游來沙的大部分粗顆粒泥沙被攔截在三峽水庫內(nèi)，出庫泥沙粒徑明顯偏細;壩下游河床沿程沖刷，干流各站床沙明顯變粗，粗顆粒泥沙含量增多，以監(jiān)利站最為突出，其中值粒徑由蓄水前的0.009mm變粗為0.045mm，粒徑大于0.125mm的沙重比例也由9.6%增多至38%左右。

4? 長江中下游河道沖刷

三峽工程蓄水前，長江中下游河道總體沖淤相對平衡，但部分河段沖淤幅度較大。三峽工程蓄水運用后，河道沿程沖刷幅度加劇，長江中下游河道強烈沖刷帶逐漸下移，全程沖刷已發(fā)展至湖口以下，河床沖刷由蓄水前的“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┎劬鶝_”。

4.1? 長江中游

三峽壩下游宜昌至鄱陽湖口為長江中游，長955km，沿江兩岸匯入的支流主要有清江、洞庭湖水系、漢江、倒水、舉水、巴河、浠水、鄱陽湖水系等。荊江南岸有松滋、太平、藕池、調(diào)弦（于1959年建閘封堵）四口分流入洞庭湖。

三峽水庫蓄水前，長江中游河道不斷調(diào)整，河床總體沖淤達到相對平衡，1966-2002年宜昌至湖口河段平灘河槽累計沖刷泥沙1.687億m3，年均沖刷量僅0.047億m3/a。從沿程分布來看，以城陵磯為界，表現(xiàn)為“上沖下淤”的特征（表4）：宜昌至城陵磯段總體沖刷，且“灘槽均沖”，以枯水河槽沖刷為主，平灘河槽累計沖刷泥沙4.42億m3，年均沖刷量為0.123億m3/a;城陵磯至湖口段有所淤積，總體表現(xiàn)為“沖槽淤灘”，其中平灘河槽累計淤積泥沙2.733億m3，年均淤積量為0.076億m3/a，枯水河槽下沖刷量高達6.365億m3。

三峽水庫蓄水后，攔截了約80%的入庫泥沙，導致壩下游河段泥沙顯著減少，河道沖刷明顯加劇。2002年10月～2017年11月，宜昌至湖口河段平灘河槽總沖刷量約為21.24億m3，且“灘槽均沖”，年均沖刷量約1.38億m3。沖刷仍主要集中在枯水河槽，其沖刷量占平灘河槽沖刷量的92%。從沿時分布來看，三峽工程圍堰蓄水期（2002.10～2006.10），宜昌至湖口河段普遍沖刷，宜枝河段沖刷強度最大，荊江河段沖刷量最多;初期蓄水期（2006.10～2008.10），河床略有沖刷，沖刷強度遠小于圍堰蓄水期;三峽水庫175m試驗性蓄水以來，壩下游河床沖刷強度又有所增大，2008年10月～2017年11月，平灘河槽沖刷泥沙14.98億m3，占蓄水以來平灘河槽總沖刷量的71%，年均沖刷泥沙1.66億m3。

隨著河床沖刷發(fā)展，長江中下游河道總體河勢基本穩(wěn)定，河床縱向沖刷明顯，洲灘面積萎縮，斷面形態(tài)向窄深方向發(fā)展;部分彎道段河床沖淤規(guī)律發(fā)生新變化，切灘撇彎現(xiàn)象初步顯現(xiàn)，局部河勢仍處于不斷調(diào)整變化之中;試驗性蓄水以來，城陵磯以下部分彎曲半徑較大的分汊河段出現(xiàn)“塞支強干”現(xiàn)象。

4.2? 長江下游

下游河段長約938km，其中，湖口至大通段上起鄱陽湖口、下迄大通羊山磯，全長228km。河段歷史上沙洲散亂，支汊眾多，歷史上心灘淤積、洲灘合并，支汊淤積萎縮，長江河道南移;但近幾十年來河道基本形態(tài)變化不大，河床年際年內(nèi)沖淤交替，河勢逐漸趨于穩(wěn)定，僅局部河段河勢有所調(diào)整。大通以下屬感潮河段，長約610km，為藕節(jié)狀分汊河段，歷年來灘槽沖淤頻繁，但近年來河勢和灘槽格局逐漸趨于穩(wěn)定。

三峽水庫蓄水前，湖口至江陰河段河床沖淤可分兩個階段：1975—1998年河床累計淤積2.07億m3，年均淤積量為0.086億m3/a;1998—2001年河床則以沖刷為主，沖刷量0.550億m3，年均沖刷量為0.183億m3/a。三峽水庫蓄水后，湖口至江陰河段河床以沖刷為主，2001年10月至2016年10月，平灘河槽沖刷泥沙11.75億m3，年均沖刷量達0.78億m3/a，且主要集中在枯水河槽，其沖刷量占81%（如表5）;澄通河段和長江口段則分別沖刷泥沙4.742億m3和6.333億m3，其中北支段淤積泥沙2.097億m3。

與以往研究成果相比，壩下游宜昌至大通河段實測沖刷強度比原預(yù)測成果略偏大一些，發(fā)展速度也要快一些（圖8），主要是三峽入庫水沙條件、水庫調(diào)度運用方式與原設(shè)計計算條件之間存在差異，以及近年來河道采砂和河道整治工程活動增多等因素的影響[12]。

5? 結(jié)論

本文根據(jù)三峽水庫蓄水運用以來實測水文、河道地形觀測資料，對三峽水庫來水來沙、水庫淤積以及壩下游沖淤演變特性進行了較為系統(tǒng)地分析，結(jié)果表明：

（1）近年來，受上游水庫攔沙、水土保持工程、降雨變化和河道采砂等影響，長江上游總體來水偏小、而來沙大幅減少，特別是金沙江下游溪洛渡、向家壩水電站相繼建成蓄水運用后，金沙江來沙大幅減少，三峽入庫（寸灘+武?。┠嗌秤?003-2012年年均值的1.92億t減至2013-2017年的0.592億t。在入庫泥沙減少的同時，上游個別支流出現(xiàn)大洪水時沙量較大，導致三峽入庫沙量往往集中于場次洪水。此外，三峽入庫泥沙地區(qū)組成也發(fā)生明顯變化，金沙江來沙占寸灘站沙量的比重由2003-2012年的79.5%減少為2013-2017年的3.0%。

（2）2003年6月—2017年12月，三峽入庫懸移質(zhì)泥沙21.925億t，出庫懸移質(zhì)泥沙5.234億t，不考慮三峽庫區(qū)區(qū)間來沙，水庫淤積泥沙16.691億t，水庫排沙比為23.9%。從淤積強度沿程分布來看，近壩段淤積強度最大，但絕大部分泥沙淤積在90m高程以下，且顆粒較細，不會影響水庫的運行。從泥沙淤積的橫向分布來看，庫區(qū)干流淤積在高程145m～175m靜防洪庫容內(nèi)的泥沙為1.127億m3;從縱向分布來看，庫區(qū)干流泥沙淤積以寬谷段為主，占全河段總淤積量的93.8%，且主要集中在主河槽，窄深段淤積相對較少或略有沖刷。

（3）三峽水庫蓄水運用以來，長江中下游干流各站年均徑流量除監(jiān)利站變化不大外，其他各站均偏少6%～11%;受水庫攔沙影響，壩下游輸沙量大幅減小，河道沿程沖刷幅度加劇，長江中下游干流河道強烈沖刷帶逐漸下移，全程沖刷已發(fā)展至湖口以下，河床沖刷由蓄水前的“沖槽淤灘”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀┎劬鶝_”。2002年10月至2017年10月，宜昌至湖口河段平灘河槽沖刷量為21.24億m3，湖口以下河段沖刷泥沙22.83億m3。長江中下游干流河道總體河勢基本穩(wěn)定，河床縱向沖刷明顯，洲灘面積萎縮，斷面形態(tài)向窄深方向發(fā)展;部分彎道段河床沖淤規(guī)律發(fā)生新變化，切灘撇彎現(xiàn)象初步顯現(xiàn);城陵磯以下部分主支汊地位懸殊的分汊河段出現(xiàn)“塞支強干”現(xiàn)象;局部河勢仍處于不斷調(diào)整變化之中。

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Sediment Change and River Bed Erosion and deposition in the Yangtze River

Xu Quanxi，Yuan Jing，Dong Bingjiang

（Hydroculture Bureau of Yangtze River Water Resources Commission;Wuhan 430010，China）

Abstract：In this paper，we use the water and sediment sequences and measured topographic data of the main control stations of the Yangtze River and the tributaries for more than 60 years to explore the water and sediment changes and riverbed erosion and sedimentation in different sections of the Yangtze River basin and different periods. Based on analyzing the variation characteristics of incoming water and sediment in the upper reaches of the Yangtze River，this paper systematically studies the sedimentation and sedimentation evolution of the reservoir downstream of the Three Gorges Reservoir. This will not only help river regulation and flood control in different river sections of the Yangtze River Basin，but also provide a reliable science for the operation and management of the Three Gorges Project，the construction of the Yangtze River Golden Waterway，the construction of the Yangtze River Economic Belt and the research and implementation of the Yangtze River conservation strategy.

Key words：Three Gorges Project;Water and Sediment Change; Storm Flood;Reservoir Siltation;River Scouring