三峽水庫蓄水后上下游河段水沙特性變化及影響因素分析

毛海濤， 王正成， 林 榮， 鄒 敏

(1.重慶三峽學(xué)院 土木工程學(xué)院， 重慶 404100； 2.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 3.巫溪縣后溪河水電開發(fā)有限公司，重慶 405806；4.長江水利委員會水文局 長江上游水文水資源勘測局， 重慶 400021)

1 研究背景

泥沙問題是三峽工程的關(guān)鍵技術(shù)問題，由于長江流域的雨量十分充沛，流域年產(chǎn)沙量達到5.3×108t[1-2]。長江上游建設(shè)有大型梯級水利水電樞紐，對長江上游河道泥沙影響顯著[3]。此外，樞紐隔斷了河流泥沙的連續(xù)性，致使下游河道來沙量驟降，下游河道水沙情勢發(fā)生了較大變化[4]?？梢娏饔蛩匙儺悺⒛嗌沉矿E降或陡增、泥沙重分配的不確定性與復(fù)雜性，對于長江水利水電樞紐安全及干流河道治理策略的制定具有顯著影響[5]。

目前，實測資料分析是研究長江泥沙淤積問題的主要方法之一，旨在探明長江泥沙淤積問題、水電站蓄水?dāng)r沙作用對泥沙淤積的影響[6-7]。Dai等[8]研究表明2003年6月三峽水庫蓄水后長江中下游輸沙量呈減少趨勢。Yang Yunping等[9-10]提出三峽水庫對下游輸沙量的影響沿順?biāo)鞣较蛑饾u減小，含沙量的減小趨勢一直延續(xù)至河口區(qū)域。李義天等[11]基于三峽水庫蓄水前數(shù)據(jù)，預(yù)測蓄水后壩下游河床將產(chǎn)生沖刷，沙量恢復(fù)過程中各粒徑組輸沙量不會超過建庫前均值。朱玲玲等[12]提出三峽水庫蓄水后，長江干流含沙量銳減。李瓊芳等[13]研究表明水庫對河流泥沙的影響與水庫庫容大小、水庫運行方式、研究站點與水庫距離的遠(yuǎn)近有關(guān)；極端降雨事件的發(fā)生和河道的裁彎取直，會導(dǎo)致含沙量增大。殷鴻福等[14]基于長江中游站的監(jiān)測資料，對長江中游的泥沙淤積問題展開分析。郭小虎等[15]對比分析了三峽水庫蓄水前后不同粒徑泥沙的沖刷與淤積規(guī)律。

當(dāng)前的研究主要集中在水沙和數(shù)值模型的建立、泥沙沉積規(guī)律、泥沙的沉積影響因素、截留泥沙、三峽水庫蓄水對長江泥沙的影響等方面。但涉及三峽水庫的蓄水過程、上游大型梯級水電站修建及其他影響因素對長江上下游水沙特性的影響規(guī)律，還缺乏系統(tǒng)的研究。因此，本文依據(jù)三峽水庫上、下游重要控制站的水文及泥沙監(jiān)測資料，從時間和空間上系統(tǒng)梳理長江上下游水沙特性變化規(guī)律，探尋不同水文和泥沙參數(shù)間的相關(guān)性，分析水電站等諸多因素對泥沙的影響，為正確評價泥沙對三峽水庫的影響及長江泥沙治理策略的制定提供理論支撐。

2 研究區(qū)域概況及數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域為起于青海省玉樹藏族自治州，至安徽省池州市的長江河段。長江水利委員會和地區(qū)水文部門在該區(qū)域共設(shè)置有直門達、石鼓、攀枝花、向家壩、朱沱、寸灘、宜昌、沙市、漢口、大通、黃帝陵等11個重要控制性水文站。其中①～⑤水文站位于三峽庫區(qū)上游，下文中統(tǒng)稱“上游站”，寸灘站位于三峽庫區(qū)；⑦～○11水文站位于三峽庫區(qū)下游，下文統(tǒng)稱“下游站”，研究區(qū)長江流域水文站[21]及水利水電工程分布示意圖如圖1所示。

研究時段包括了三峽水庫從施工期蓄水、初期蓄水到正常蓄水，共計15 a(2002-2016年)。三峽水庫蓄水過程時間表如表1所示。

表1 三峽庫區(qū)蓄水水位

圖1 長江流域水文站及水利水電工程分布示意圖

由圖1可知，研究區(qū)域內(nèi)三峽水庫上、下游還修建了許多大型水電站，其中包括錦屏一級和溪洛渡等10余座大型水電站的蓄水時間均在三峽水庫蓄水之后。

2.2 參數(shù)來源

文中收集了三峽水庫蓄水以來(2002-2016年)長江水利委員會設(shè)置的重要控制站的觀測資料作為數(shù)據(jù)來源。與本文相關(guān)的重要水文泥沙觀測項目包括：年徑流量、年輸沙量、年均含沙量、泥沙中值粒徑、年輸沙模數(shù)、泥沙入庫和出庫量等數(shù)據(jù)。基于觀測數(shù)據(jù)，綜合考慮各類影響因素，系統(tǒng)地梳理三峽水庫上下游水沙特性及變化規(guī)律。

3 水文及泥沙特性分析

為了較準(zhǔn)確判斷三峽水庫對水文泥沙等參數(shù)的影響，文中根據(jù)各測站的位置，將2002-2016年三峽水庫上游、庫區(qū)及下游各測站數(shù)據(jù)分別進行梳理和歸納。

河流輸沙量為一定時段內(nèi)通過河道某斷面的泥沙數(shù)量，其大小取決于含沙量和徑流總量。因此，需要從徑流量、含沙量和輸沙量等方面進行數(shù)據(jù)梳理和分析。此外，針對泥沙的特性，還需要闡述輸沙模數(shù)和泥沙中值粒徑。

3.1 年徑流量分析

基于研究區(qū)域三峽水庫上、下游測站徑流資料，作年徑流量變化曲線如圖2所示。

由圖2(a)可看出，由于各測站集雨面積和支流入江(研究區(qū)域從上游開始依次有雅礱江、岷江、嘉陵江和烏江等主要支流匯入長江)等原因，年徑流量也隨著測站的下移而逐漸增大。朱沱站和寸灘站年徑流量呈上下波動變化趨勢，2002-2016年僅有較小的增幅，分別增大12.76%、7.47%。石鼓、攀枝花、向家壩、直達門站至2016年，分別降低11.8%、11.91%、9.74%、40.68%。

由圖2(b)可得，從2002至2016年，長江下游測站的宜昌、沙市、大通站總體呈上升趨勢，分別增大8.55%、6.49%、5.28%；漢口站降低2.64%。從宜昌至大通站，年徑流量先降低后增大；以2016年為例進行闡述，從宜昌至沙市站降低6.47%，從沙市至漢口站增大87.66%，原因在于漢江匯入長江，從漢口至大通站增大39.63%。

3.2 年均含沙量分析

進一步分析研究區(qū)內(nèi)年均含沙量的變化特性，作年均含沙量變化曲線如圖3所示。

由圖3(a)可得，直門達、攀枝花、向家壩、朱沱、寸灘站年均含沙量總體呈下降趨勢；至2016年分別降低36.79%、84.21%、98.85%、82.18%、80.06%；向家壩站降低最為顯著，從2012至2013年降低98.22%，隨后趨于穩(wěn)定。但石鼓站至2016年反而增大28.77%。

由圖3(b)可得，宜昌、沙市、漢口、大通站年均含沙量從2002至2016年分別降低96.54%、91.9%、70.65%、47.65%，越靠近上游降低幅度越大，反之則越小。各年均含沙量曲線變化規(guī)律類似，從2007年開始近似趨于穩(wěn)定，2013年存在小幅度降低，隨后又趨于穩(wěn)定。

3.3 年輸沙量分析

進一步分析年輸沙量的變化規(guī)律，作年輸沙量變化曲線如圖4所示。由圖4(a)可得，直門達、攀枝花、向家壩、朱沱和寸灘站的輸沙量雖存在上下波動的情況，但總體呈下降趨勢，至2016年分別降低62.64%、86.22%、98.92%、79.79%、78.21%，向家壩站降低最為顯著。朱沱和寸灘站在2006-2008年期間年輸沙量曲線近似重合，2014年后各曲線趨于穩(wěn)定。

圖2 2002-2016年三峽水庫上游、庫區(qū)及下游各測站年徑流量變化曲線

圖3 2002-2016年三峽水庫上游、庫區(qū)及下游各測站年均含沙量變化曲線

圖4 2002-2016年三峽水庫上游、庫區(qū)及下游各測站年輸沙量變化曲線

圖4(b)中各曲線波動較?。粡?002至2016年，宜昌站、沙市站、漢口站、大通站輸沙量呈下降趨勢，分別降低96.27%、91.33%、71.59%、44.73%，宜昌站降低幅度最大，2013年后各曲線逐漸趨于穩(wěn)定。下游各測站年含沙量自上而下呈增大趨勢，從宜昌至大通站增大20.61%～1688.24%。

3.4 泥沙中值粒徑分析

隨著河道徑流量和泥沙量的變化，泥沙的粒徑也會發(fā)生了較大變化。部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)水力條件與河床組成沿程變化情況下，粗顆粒在床沙中所占比例沿程減小，細(xì)顆粒所占比例沿程增加。具體分析時，中值粒徑是最具代表性的參數(shù)，需要系統(tǒng)梳理其沿程變化規(guī)律。以朱沱站2003-2012年泥沙為例，顆粒級配曲線如圖5所示，其他水文站顆粒級配曲線的獲取方法相同，不再贅述。

圖5 朱沱站泥沙顆粒級配曲線

顆粒級配曲線上含量50%對應(yīng)的泥沙粒徑為中值粒徑d50，能反應(yīng)泥沙的粗細(xì)程度；作各水文站泥沙中值粒徑變化曲線如圖6所示。

由圖6(a)可得，攀枝花、朱沱、寸灘站泥沙中值粒徑整體上趨于穩(wěn)定，波動幅度較?。恢?016年攀枝花、朱沱站分別增大9.09%、10%，石鼓、寸灘站分別降低20%、9.09%；僅向家壩站波動幅度較大，至2016年降低31.25%，2011至2012年降低60%。

分析圖6(b)不難發(fā)現(xiàn)，宜昌、漢口、大通站泥沙中值粒徑波動幅度較小，至2016年僅增大0～16.67%。但沙市站波動較大，從2005至2007年，中值粒徑先增大6.6倍后又降低82.83%，在2006年出現(xiàn)極大值。

4 各參數(shù)相關(guān)性分析

天然河道中年徑流量、泥沙參量、年輸沙量、年均含沙量等關(guān)鍵參數(shù)相輔相成，相關(guān)性強。但是隨著三峽大壩和上下游大型水電站的運行，上述參數(shù)相關(guān)性如何，仍需深入研究。

4.1 徑流量與輸沙量的相關(guān)性

隨著觀測系統(tǒng)和技術(shù)的逐步完善，本文所有監(jiān)測資料中，在2016年具有相對完善的水文泥沙資料。因此，基于該年的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。以2016年為例作月徑流量和月輸沙量的變化曲線如圖7所示。

圖6 泥沙中值粒徑變化曲線

圖7 月徑流量和月輸沙量變化曲線

由圖7可得，直門達和宜昌站月徑流量和月輸沙量變化規(guī)律類似，月徑流量和月輸沙量皆以7月為分界線，類似正態(tài)分布。兩參量具有較好的相關(guān)性，月徑流量能表征月輸沙量的大小。

此外，宜昌站7月份月徑流量和月輸沙量分別達到最大值7.0×1010m3、3.79×106t，分別占全年總量的16.37%、44.64%。月徑流量和月輸沙量主要集中在6-9月份，分別占全年的49.47%、88.52%?？梢?，在汛期降，對于河道某一斷面而言，月徑流量越大，流速就越大大，水流挾沙能力越強，月輸沙量自然就越大；其余月份(1-5、10-12月)，月輸沙量相對較小。

基于月徑流量和月輸沙量相關(guān)性，進一步分析年徑流量和年輸沙量的相關(guān)性。選取三峽水庫上游站朱沱、寸灘以及下游的宜昌、沙市、漢口、大通站作為代表，作年徑流量和年輸沙量的變化曲線如圖8所示。

由圖8可得，各監(jiān)測站年徑流量和年輸沙量在2004-2013年間具有較好的相關(guān)性，年徑流量與年輸沙量的升降規(guī)律類似。在2002-2003、2003-2013年間相關(guān)性較差，以寸灘站為例進行分析。

由圖8(b)可得，在2004-2013間年徑流量與年輸沙量的升降趨勢是一致的，皆在2005、2012年達到極大值，在2006、2011年達到極小值。2006-2007年、2011-2012年均出現(xiàn)顯著增幅，2005-2006、2012-2013年則出現(xiàn)大幅度下降。

4.2 其他關(guān)鍵參數(shù)相關(guān)性分析

寸灘站位于三峽庫區(qū)中，其各參數(shù)變化更能反映三峽水庫調(diào)蓄過程對相關(guān)參數(shù)的影響。作年徑流量和年輸沙模量、年輸沙量和年均含沙量的變化曲線如圖9，10所示。

由圖9、10可得，年輸沙模量主要受到年徑流量與年均含沙量的影響，在2004-2013年期間，年徑流量和年輸沙模量具有較好的相關(guān)性，升降規(guī)律相同，都是在2005、2012年達到極大值，在2006、2011年出現(xiàn)極小值。同理，年輸沙量與年均含沙量的相關(guān)性依然采用寸灘站監(jiān)測資料。年輸沙量與年均含沙量變化曲線變化規(guī)律類似，相關(guān)性較好；2012年前降低幅度較小，兩參量總體都呈下降趨勢，2002-2016年分別降低79.79%、82.18%。

圖8 年徑流量和年輸沙量變化曲線

圖9寸灘站年徑流量和年輸沙模量變化曲線 圖10寸灘站年輸沙量和年均含沙量變化曲線

4.3 相關(guān)性影響因素分析

(1)徑流量與輸沙量方面，上游站2013年之前，徑流量與輸沙量相關(guān)性較好(圖8)。但在2013年之后，二者的相關(guān)性明顯減弱，越靠近三峽大壩受影響越大，遠(yuǎn)離大壩的上游河道測站受三峽水庫蓄水影響不顯著。

下游的宜昌站和沙市站徑流量與輸沙量關(guān)系有顯著的3個階段與三峽水庫蓄水過程吻合，其中2004年前和2013年后相關(guān)性較差，期間相關(guān)性較好；漢口站和大通站的流量與輸沙量相關(guān)性較好。

(2)寸灘站位于庫區(qū)內(nèi)，受三峽水庫調(diào)蓄影響相對較大，在2002-2003年之間，三峽水庫從未蓄水到施工期初步蓄水，原天然河道各水文參數(shù)被強烈干擾，寸灘站各參數(shù)的觀測結(jié)果相關(guān)性受干擾因素影響較大，出現(xiàn)了弱相關(guān)甚至不相關(guān)。

2003-2013年，三峽水庫最大蓄水水位156 m，處于相對的低水位運行，各測站受水位影響也較小，該測站監(jiān)測數(shù)據(jù)類似于天然河道，隨著水庫蓄放調(diào)節(jié)，各參數(shù)相關(guān)性相對較好。

2013年后，寸灘站年徑流量與年輸沙量、年徑流量與年輸沙模量相關(guān)性較差。而同期，三峽水庫試驗性蓄水位達175 m，導(dǎo)致上游水庫和河道流速較小，導(dǎo)致挾沙力降低，年輸沙量也隨之減小?？梢姡龒{庫區(qū)水位達到175 m時，各主要測站(尤其是庫區(qū)內(nèi)水沙參數(shù))參數(shù)的相關(guān)性大大弱化。

總體而言，三峽水庫施工期蓄水和正常蓄水期間對各參數(shù)相關(guān)性影響較大，越靠近三峽大壩相關(guān)性越不明顯。試驗性蓄水期間，在135或156 m以下低水位運行階段，各參數(shù)相關(guān)性較好。

5 三峽水庫泥沙沖淤分析

5.1 出入庫泥沙量

三峽水庫在調(diào)控長江水沙特性的同時，對自身泥沙沖淤也存在較大的影響。根據(jù)三峽水庫主要控制站朱沱、寸灘、黃帝陵站水文觀測資料統(tǒng)計表明，三峽水庫入庫懸移質(zhì)泥沙在2003年6月-2013年12月期間為20.278×108t，出庫懸移質(zhì)泥沙為4.969×108t[16]。各年入庫量、出庫量和淤積量如圖11所示。

由圖11可得，泥沙入庫量的最大值、最小值分別出現(xiàn)在2005和2006年，分別為2.53×108、1.01×108t，泥沙入庫量在2003-2013年期間持續(xù)上下波動，但總體呈下降趨勢，2003-2013年由2.08×108t降低至1.27×108t，降幅達到38.94%。泥沙出庫量在2005年出現(xiàn)最大值1.08×108t，在2011年降低至最小值7.51×106t。以2007年(水庫蓄水位156 m)為分界線，2007年前泥沙入庫量顯著降低，從2003至2006年降低了51.14%；2007至2013年趨于基本穩(wěn)定，總體仍呈下降趨勢。

由于2010年泥沙入庫量較大，出庫量小，該年泥沙淤積量達到最大值1.95×108t；2006年泥沙入庫量和出庫量相對較為接近，該年泥沙淤積為最小值0.92×108t。三峽水庫蓄水位對泥沙淤積有較大的影響，當(dāng)2007年庫水位蓄至156 m時，淤積量的變化趨勢發(fā)生改變。以2007年為分解線，該年前淤積量逐漸增大，該年后淤積量逐漸減少； 2003-2007年淤積量增大36.4%，從2007至2013年降低44.53%。

5.2 三峽水庫排沙比

為進一步反映三峽庫區(qū)泥沙淤積特性，基于圖11計算出排沙比，三峽水庫排沙比(出庫量/入庫量)如圖12所示。

圖112003-2013年三峽水庫泥沙入庫量、出庫量和淤積量 圖122003-2013年三峽水庫排沙比

由圖12可得，三峽水庫排沙比總體呈現(xiàn)上下波動的趨勢，在2005年達到最大值40.45%，2011年出現(xiàn)最小值7.06%；從2005至2006年，排沙比出現(xiàn)大幅度降低，從40.45%降低至9.15%，降低77.38%。對比不難發(fā)現(xiàn)，2006年后排沙比波動幅度比2006年前小。

6 泥沙影響因素分析

6.1 三峽水庫蓄水的影響

年輸沙量方面，從三峽水庫蓄水以來，下游站年輸沙量降低44.73%～96.27%；距離三峽水庫越近的水文站，年輸沙量降低幅度越大，距離越遠(yuǎn)受到的影響越?。划?dāng)水位達到175 m時，下游站的年輸沙量趨于穩(wěn)定。

在年均含沙量方面，截至2007年三峽水庫蓄水位達到156 m，下游站的年均含沙量趨于穩(wěn)定。對比上、下游站不難得出，從寸灘站到宜昌站年均含沙量降低明顯，以2016年為例進行闡述，年均含沙量降低80%，可見，三峽大壩上、下游特性顯著不同，三峽水庫及上游各種因素，攔截了絕大多數(shù)泥沙。

在中值粒徑和年輸沙模數(shù)方面，受到三峽大壩蓄水的影響，宜昌、沙市、大通站的泥沙中值粒徑趨于穩(wěn)定，從2002至2016年僅增大0～16.67%。年輸沙模數(shù)在三峽水庫剛蓄水時出現(xiàn)較大的波動，在蓄水至175m后波動較??；2002至2016年，宜昌、漢口、大通站分別降低96.29%、71.68%、44.66%，可見距離三峽大壩越遠(yuǎn)，年輸沙模數(shù)受到的影響越小。三峽大壩蓄水后，從寸灘至宜昌站的年輸沙模數(shù)明顯降低，以2016年為例進行分析，年輸沙模數(shù)降低82.82%。此外，從三峽大壩至下游延伸，年輸沙模數(shù)先降低后增大。

6.2 研究區(qū)域其他水電站的影響

三峽水庫上游各水電站的修建并蓄水對年輸沙量的影響較大，對照本文數(shù)據(jù)，在5各方面有所體現(xiàn)：(1)2012年錦屏一級水電站開始蓄水，攀枝花站從2012至2013年年輸沙量降低74.21%；(2)向家壩和溪洛渡水電站分別于2012、2013年蓄水，從2012至2013年向家壩站年輸沙量降低98.68%；從攀枝花到向家壩站年輸沙量明顯降低，以2015年為例，降低76.92%。(3)草街航電樞紐2010年蓄水，從2010至2011年寸灘站年輸沙量降低59.87%。(4)亭子口水電站于2013年蓄水，從2013至2014年寸灘站年輸沙量降低57.11%。(5)由于清江和漢江的匯入，從宜昌到大通站年輸沙量增大20.61%～1688.24%。

在中值粒徑和年輸沙模數(shù)方面，向家壩站受到向家壩水電站2012年蓄水的影響，大壩攔蓄大量泥沙，向家壩站的中值粒徑由0.02 mm減小至0.008 mm，減小了60%。受到向家壩和溪洛渡水電站蓄水的影響，向家壩站從2012至2013年年輸沙模數(shù)降低98.66%，2013年后趨于穩(wěn)定。

6.3 河道斷面的影響

2003、2015和2016年，三峽水庫上游3個典型河道斷面S34、S113和S207的形狀對比如圖13所示。2003-2013年期間，監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)泥沙中推移質(zhì)數(shù)量急劇減少，部分河段甚至不能檢測到推移質(zhì)。其中一個主要原因是，隨著三峽水庫蓄水水位的抬高，河道的過水橫斷面逐漸增大，水流流速降低，其攜帶泥沙能力也隨之降低，依靠自重沉降的泥沙比例增大，往下游輸送的泥沙減小。水流特性的改變導(dǎo)致水動力降低，粒徑較大的顆粒沉入河床，僅細(xì)小顆粒被帶入下游。

圖13 2003、2015和2016年三峽水庫上游3個典型河道斷面形狀對比

圖13中顯示，2013年以后，河道最大過水?dāng)嗝孀兓伙@著，但隨著庫區(qū)河道泥沙淤積，過水?dāng)嗝娣炊鴷p小，并隨著沖淤平衡逐步趨于新的穩(wěn)定，其后，對泥沙的影響也相對較小。

此外，局部的人為因素和不確定因素，對河道泥沙特性的影響也不容忽視。但在具體分析時，應(yīng)區(qū)分奇異點年份和整體規(guī)律的關(guān)系。

7 結(jié) 論

(1)三峽水庫自施工期蓄水、初期蓄水、試驗性蓄水的整個過程，對三峽水庫上下游河道的水沙特性影響較大。越靠近三峽大壩的河段，受三峽水庫的影響越大。

(2)三峽水庫抬高水位，導(dǎo)致上游大部分河道流速變小，河道過水?dāng)嗝姘l(fā)生變化，水動力條件發(fā)生改變，導(dǎo)致入庫泥沙越來越少，越來越細(xì)。

(3)三峽水庫上游長江干流和支流上上修建了梯級電站，攔蓄了大量的泥沙，年輸沙量、年均含沙量、中值粒徑、年輸沙模數(shù)都顯著降低。

在上述3方面的影響下，水沙特性變化如下：

(1)上游段沿順?biāo)鞣较蚰陱搅髁恐饾u增大，至2016年直門達、石鼓、攀枝花、向家壩、漢口站降低2.64%～40.68%，朱沱、寸灘、宜昌、沙市、大通站增大5.28%～2824.11%；上游站(除石鼓站)年輸沙量至2016年降低62.64%～98.92%，下游站降低44.73%～96.27%；除石鼓站增大外，其他各站至2016年年均含沙量降低36.79%～98.85%。

(2)年徑流量和輸沙量、年均含沙量、年輸沙模數(shù)在2004-2013年間具有較好的相關(guān)性，曲線變化規(guī)律類似，2013年后受三峽水庫蓄水的影響，出現(xiàn)弱相關(guān)；年徑流量能表征泥沙參量的變化特性；年輸沙量和年均含沙量在2002-2016年間皆具有較好的相關(guān)性。

(3)2007年前三峽水庫淤積量呈增長趨勢， 其后三峽水庫泥沙淤積量逐漸降低。

(4)在水庫沖淤和泥沙特性方面，汛期三峽水庫水位對其影響較大；枯水期的高水位對其影響并不大。

除此之外，局部的人為因素和不確定因素，對河道泥沙特性的影響也不容忽視。