嘉陵江流域水庫攔沙及其減沙貢獻權重研究

(長江水利委員會 水文局,湖北 武漢 430010)

嘉陵江流域是長江上游支流中流域面積最大、輸沙量最大的支流，從多年平均情況來看，其流域出口北碚站徑流量和輸沙量分別占三峽入庫(朱沱站+北碚站+武隆站)來水來沙總量的17.3%和26.8%。近年來，該流域輸沙量顯著減少[1]，其水沙變化對三峽庫區(qū)水沙運動以及泥沙沖淤變化等產生了十分重要的影響，引起了社會的廣泛關注[2-5]。

近年來，嘉陵江流域水沙輸移特性發(fā)生了顯著變化，在徑流量變化不明顯的情況下，輸沙量大幅減少，圍繞這方面的問題，眾多專家學者開展了大量的研究工作，為深入研究新環(huán)境下嘉陵江流域乃至長江上游水沙輸移規(guī)律提供了十分重要的參考，主要可以分為3個方面進行論述。第一方面的研究成果主要是對流域內輸沙量減少的分析及影響因素的辨識,如高鵬等[6]根據嘉陵江控制水文站實測水沙資料，定量分析了嘉陵江流域年降水量、河道徑流量和輸沙量的變化趨勢； H.E.Kateb[7]對嘉陵江流域近50 a來的水沙變化趨勢及影響因素進行了研究；張信寶等[8-10]對嘉陵江流域泥沙輸移量變化的影響因素、水電開發(fā)對流域內的輸沙特性影響等進行了研究。第二方面的研究成果主要是區(qū)分各影響因素對流域內輸沙量減少的貢獻權重。如許全喜等[10]通過調查和分析，定量確定了北碚站各因素對泥沙減少的貢獻率；丁文峰等[11]采用水文學的方法對流域泥沙變化各驅動因子的貢獻率進行了研究，得出了人類活動和自然因素是導致輸沙量減小的主要影響因素，且人類活動的影響更為突出的結論。第三方面的研究成果主要是對各影響因素影響程度的預測[12-13]。如袁晶等[12]對近60 a不同階段金沙江中下游的水庫攔沙情況以及水庫建設對金沙江流域減沙貢獻權重進行了定量研究；段炎沖等[13]通過水庫分組及攔沙時段劃分，對2015～2050 年間長江上游梯級水庫群攔沙量、三峽入庫沙量進行預測。

綜上所述，以上研究成果對深入認識嘉陵江流域的泥沙變化具有很大的參考價值。其中第一方面和第二方面主要采用水文學以及類比分析的研究方法，第三方面則主要借助于數學模型的研究手段。

目前，嘉陵江流域是長江上游水利工程較密集的地區(qū)之一，隨著嘉陵江流域梯級控制性水電站的陸續(xù)建成運用，水庫攔沙對流域內輸沙量的影響逐步趨向主導地位[11]。因此，弄清嘉陵江流域水庫攔沙量及其對流域出口的減沙貢獻，對進一步研究三峽水庫來水來沙條件的新變化具有重要意義?，F有關于水庫的建設對流域內產生攔沙效應方面的研究尚不多見[14]，本文通過搜集整理嘉陵江流域內水庫建設情況，實地調查和計算典型水庫攔沙情況，采用由點到面、實測資料分析和經驗公式計算相結合的手段，在全面分析估算流域內5140座水庫不同階段淤積量的基礎上，對1956～1990年、1991～2005年和2006～2015年水庫的攔沙效應及其對流域出口——北碚站輸沙量減小的貢獻權重進行了定量研究。

表1 嘉陵江流域大、中、小型水庫建設情況調查Tab.1 Investigation on construction of large, medium and small reservoirs in Jialing River Basin

1 水庫建設基本情況

據調查統(tǒng)計，截至2015年，嘉陵江流域已建大、中、小型水庫5 140座(見表1)，總庫容236.24億m3。其中：大型水庫25座，庫容170.30億m3；中型水庫125座，庫容41.48億m3；小型水庫4 990座，庫容24.46億m3。其中,大型水庫基本情況見表2，1950年以來嘉陵江流域水庫庫容變化累計見圖1。1990年以前，嘉陵江流域僅建設4座大型水庫，且均建在支流末端，其攔沙作用對流域出口的影響可以忽略不計，中、小型水庫的庫容占比達64%。1991年以來，尤其是2006年以來，流域內的水庫建設則以大型水庫為主，其庫容占比達80%以上，其中庫容大于10億m3的大(一)型水庫主要包括位于支流白龍江1996年建成的寶珠寺水庫、嘉陵江干流2011年建成的草街水庫以及2013年建成的亭子口水庫，見表2和圖2。

2 水庫攔沙典型計算

2.1 東西關水庫

嘉陵江東西關樞紐于1995年10月蓄水發(fā)電，2000年6月全面竣工。樞紐正常蓄水位248.5 m，水庫長約53.0 km，庫區(qū)水面平均寬度約為500 m，系河道型水庫。1997年6月和2000年12月庫區(qū)地形測量表明，水庫淤積泥沙0.133 2億m3。此外，泥沙沖淤計算結果表明，東西關樞紐在2006年左右基本達到淤積平衡，其最大攔沙量可達2 700萬m3左右[15]。

圖1 1950年以來嘉陵江流域水庫庫容變化累計Fig.1 Accumulated chart of reservoir capacity change inJialing River Basin since 1950

水庫名地理位置控制流域面積/km2建成年份所在河流庫容/億m3碧口甘肅省文縣260001977白龍江5.2 魯班四川省三臺縣1980凱江2.9 風灘四川省平昌縣165951981渠江1.4 升鐘四川省南部縣17561984西河13.4 江口四川省宣漢縣63641992渠江2.8 東西關四川省武勝縣785001996嘉陵江6.0 新政四川省儀隴縣694032000嘉陵江3.4 寶珠寺四川省廣元市284281996白龍江25.5 紅巖子四川省南部縣694832002嘉陵江3.6 寶石橋四川省開江縣1622002渠江1.0 桐子壕四川省武勝縣789262004嘉陵江5.2 青居四川省南充市767532004嘉陵江6.0 富流灘四川省岳池縣380102005渠江2.1 水牛家四川省平武縣5732007涪江1.4 富金壩重慶市合川區(qū)289802008涪江1.5 金溪四川省蓬安縣734412008嘉陵江4.6 雙灘四川省平昌縣89452009渠江2.0 金銀臺四川省閬中市676942009嘉陵江1.7 小龍門四川省南充市高坪區(qū)758102009嘉陵江2.2 武都四川省江油市58072010涪江5.7 沙溪四川省閬中市615692010嘉陵江1.5 鳳儀四川省蓬安縣747222010嘉陵江4.2 草街重慶市合川區(qū)1561002011嘉陵江22.2 亭子口四川省蒼溪縣625502013嘉陵江41.2 苗家壩甘肅省文縣163282014白龍江2.7

圖2 嘉陵江流域典型攔沙水庫分布示意Fig.2 A schematic map of typical reservoir distribution inthe Jialing River Basin

2.2 碧口水庫

碧口水電站于1976年3月第1臺機組發(fā)電，1997年6月竣工?？刂屏饔蛎娣e26 000 km2，水庫總庫容為5.21億m3，為河道型季調節(jié)水庫。

根據1975～1998年資料分析，碧口水庫共淤積泥沙2.76億m3，年平均淤積量1 212.8萬m3，總庫容已損失54%。其中：1975～1996年庫內淤積2.64億m3(1980～1996年入庫總沙量為4.006億t，但該水庫采用低水位運用和異重流排沙，各泄水建筑物共排出沙量1.272億t，排沙比達到31.75%，年均攔蓄沙量為1 608萬t)[16]。截至目前，該電站已運行40余年，水庫淤積已趨于平衡。

2.3 寶珠寺水庫

寶珠寺水電站位于四川省廣元市、嘉陵江支流白龍江下游，距昭化18 km，距上游碧口水電站87 km。于1996年10月下閘蓄水，以發(fā)電為主，兼有灌溉、防洪等綜合利用效益。該水庫屬河道型水庫，水面較寬，水深較大，攔截了白龍江碧口以下的絕大部分泥沙(包括碧口水庫下泄泥沙)。

根據1995年7月至2001年4月庫區(qū)地形資料分析[15]，寶珠寺水庫年均入庫沙量為2 370萬t，1997～2000年共計入庫沙量為9 480萬t(約7 584萬m3)，水庫淤積量為7 122萬m3，年均淤積量為1 781萬m3。寶珠寺水庫泥沙淤積計算表明[17]，當寶珠寺水庫運用50 a，庫區(qū)泥沙淤積量達到7.49億m3。

2.4 亭子口水庫

亭子口水利樞紐工程是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。該工程于2009年11月正式開工，2010年1月23日大江成功截流，于2013年6月中旬完成初期蓄水目標，2014年建成投產，2013年以來，該水庫下游武勝站的水沙關系出現了顯著變化，同徑流量條件下輸沙量大幅減小(見圖3)。

圖3 嘉陵江、北培、武勝瓿水沙關系及徑流輸沙過程Fig.3 Flow-sediment relationship and process at Beibeiand Wusheng Station on the main stream of Jialing River

對于亭子口水庫而言，其水沙主要來自于嘉陵江上游干流、白龍江、下寺河和未控區(qū)間。由于嘉陵江上游干流廣元站、白龍江的三磊壩站和下寺河的上寺水文站的控制面積為57 377 km2，與亭子口水庫下游的亭子口水文站之間的未控區(qū)間面積為3 712 km2，因此根據2008～2016年各水文站的資料初步估算，該未控區(qū)間的輸沙模數為306 t/km2，年平均來沙量為113.8萬t。此外，由于上寺水文站沒有泥沙資料，其輸沙量資料參考嘉陵江上游干流廣元站的徑流量-輸沙量關系曲線確定(見圖4)，計算結果見表3。

為了估算該水庫的攔沙量，結合表3所示各控制站的輸沙量資料和區(qū)間來沙估算結果表明，近幾年亭子口水庫入庫輸沙量為1 874萬t，同時根據亭子口水庫泥沙淤積研究[17]表明：亭子口水庫運行10 a，其排沙比為26.4%，因此，亭子口水庫年均淤積泥沙量為1 874×(1-26.4%)=1 380萬t。

圖4 嘉陵江廣元站2008～2016年徑流量、輸沙量關系Fig.4 Relationship between runoff and sediment transport atGuangyuan Station of Jialing River from 2008 to 2016

年份上寺三磊壩廣元亭子口徑流量/億m3輸沙量/萬t徑流量/億m3輸沙量/萬t徑流量/億m3輸沙量/萬t徑流量/億m3輸沙量/萬t20081578793635331--200919969045671790200189020101893959074284020830202011157687357013501931430201215771114866140063-201325142109136733500212-20141470--311691263820161263671424821014

注：上寺站的輸沙量根據關系曲線推算而得，亭子口站(控制流域面積為61 089 km2)2013年以后的資料采用其下游蒼溪站的資料代替(控制流域面積為61 515 km2)。

2.5 草街水庫

草街航電樞紐位于嘉陵江江口以上68 km處的合川區(qū)草街鎮(zhèn)，以航運為主，兼顧發(fā)電、攔沙減淤、灌溉等，總庫容22.12億m3，調節(jié)庫容0.65億m3，于2011年6月全面竣工，2011年以來，該水庫下游北碚站水沙關系也出現了較為明顯的變化(見圖3)。

為估算草街水利樞紐的攔沙情況，依據2010～2015年嘉陵江北碚、武勝站,渠江羅渡溪、涪江小河壩4站的歷年水沙資料和控制流域面積估算武勝站、羅渡溪站、小河壩站至北碚站之間的區(qū)間來沙量為205萬t(見圖5)，在此基礎上采用輸沙量法，計算得到2011年以來草街水庫年均攔沙量為245萬t。

圖5 嘉陵江流域主要控制站來水來沙過程Fig.5 Flow and sediment process of the main controlstations in Jialing River Basin

3 水庫攔沙對流域出口的減沙作用研究

3.1 水庫淤積經驗模式

水庫對其控制流域面積以上區(qū)域輸沙量的攔截作用可以用下式定量表示[12,18]：

(1)

(2)

(3)

3.2 水庫攔沙研究

為了分析嘉陵江流域內水庫的運行對流域出口乃至三峽水庫入庫沙量的影響，本文在對嘉陵江流域截至2015年的水庫建設情況，主要包括水庫的建成運行時間、所處地理位置、規(guī)模大小等進行詳細調查分析的基礎上，對流域內各水庫的淤積攔沙情況進行了定量計算。其中，2005年以前水庫的淤積攔沙量仍沿用已有成果[18]，在對2006年以來水庫淤積攔沙量計算時，大型水庫以淤積調查、實測資料計算或輸沙平衡量計算為主，盡量考慮各水庫所在流域的位置、建設規(guī)模、時間以及調度運用方式等與水庫攔沙有關的關鍵要素，尤其是考慮了水庫泥沙淤積隨時間的變化以及其所導致的庫容損失，當水庫的計算淤積量達到水庫死庫容大小時，認為水庫達到淤積平衡，之后其攔沙作用將不再考慮；至于中小型水庫的攔沙作用，仍沿用淤積率的計算方法。主要結論如下。

(1) 1956～1990年，嘉陵江流域內水庫群年均攔沙量為2 436萬t。這部分水庫還將發(fā)揮一定的攔沙作用，但主要以中小型水庫為主，其淤積量占總淤積量的65%，大型水庫的淤積量則占35%。

(2) 1991～2005年，嘉陵江流域內水庫多年平均淤積泥沙5 248萬t。其中：大型水庫年均淤積量為3 360萬t，占總淤積量的64.0%；中型水庫年均淤積量為1 417萬t，占總淤積量的27.0%；小型水庫淤積量按1956～1990年小型水庫總淤積率13.7%估算，年均472萬t，占總淤積量的9.0%。

(3) 2006～2015年，流域內新建水庫118座，總庫容104.09億m3。其中：大型水庫12座，庫容91.89億m3；中型水庫35座，庫容11.27億m3；小型水庫71座，庫容0.94億m3。2006～2015年水庫年均淤積量為6 132萬t(見表4)。其中：① 大型水庫攔沙量為4.18億t，年均攔沙量為5 434萬t，占總攔沙量的88.6%。特別是2011年以來草街、亭子口等大型水庫蓄水運用后，近幾年平均新增的攔沙量達到了2 170萬t，其中亭子口年均攔沙量為1 380萬t，草街年均攔沙量為245萬t。② 中型水庫攔沙量按1956～1990年年淤積率0.4%估算，2006～2015年攔沙量為5 860萬t，年均586萬t，占總攔沙量的9.6%。③ 小型水庫攔沙量按1956～1990年總淤積率13.7%估算，2006～2015年攔沙量為1 118萬t，年均111萬t，僅占總淤積量的1.8%。

表4 嘉陵江流域已建水庫淤積情況(1956～2015年)Tab.4 Siltation of built reservoirs in Jialing River Basin(1956-2015)

3.3 水庫減沙貢獻權重研究

水庫攔沙淤積后將在一定范圍內對下游河道的輸沙量產生一定影響，但各流域水庫攔截淤積的沙量并不等于是河流減少的沙量，因為水庫攔沙淤積對其下游的影響是一個十分復雜的動態(tài)傳遞過程，在水庫攔沙淤積的同時，庫下游河道將發(fā)生泥沙調整，水庫下泄水流含沙量變小，引起壩下游河床沖刷，含沙量也會沿程得到不同程度地恢復，下游河道輸沙量相應有所增加，但河床沖刷強度也會沿程減弱，因此上游水庫攔沙量的多少，并不意味著下游河道輸沙量將減少多少，越往攔沙水庫下游，受到影響就越小。已有研究表明，水庫淤積攔沙對流域出口的減沙作用系數可以表達為

(4)

式中,St表示水庫淤積攔沙量，Sa表示水庫下游區(qū)間河床沖刷調整量，水庫減沙作用系數與其距河口距離的大小成負指數關系遞減。

1955～1990年，嘉陵江流域水庫大多位于較小支流或水系的末端，距離北碚站較遠，因而其攔沙作用對北碚站的影響較小。根據陳顯維等[19]的研究得到流域水庫群攔沙作用系數對1955～1990年水庫群攔沙量統(tǒng)計分析，其年均攔沙量為2 436萬t，因此對北碚站的年均減沙量為2 436×0.30≈730萬t，僅占北碚站同期年均輸沙量的5%。

1991～2005年水庫攔沙引起北碚站減沙量為3 880萬t，與1956～1990年相比，水庫新增減沙量為：3 880-730=3 150萬t，約占北碚站1991年后總減沙量1.062億t的30%，主要是寶珠寺和東西關水庫攔沙所致。

2006～2015年嘉陵江水庫攔沙引起北碚站新增減沙量為692.3萬t，其中，白龍江及嘉陵江干流水系水庫減沙量為547萬t，涪江水系水庫減沙量為53.7萬t，渠江水系水庫減沙量為91.6萬t。與1991～2005年相比，占北碚站減沙量的92%，主要是亭子口、草街、金銀臺、金溪、鳳儀等大型水庫攔沙所致。

綜上所述，從水庫攔沙對北碚站的減沙作用來看，近年來，水庫攔沙作用逐步增強。如2006～2015年，水庫攔沙對北碚站的減沙權重高達92%，較1956～1990年和1991～2005年均有大幅度增加。其中,1956～1990年水庫攔沙對北碚站的減沙權重僅為5%，1991～2005年水庫攔沙對北碚站的減沙權重有所增加，達到30%；從水庫減沙作用的空間分布來看，1991～2005年，對北碚站減沙造成影響的水庫主要分布在白龍江和嘉陵江干流；2006～2015年，對北碚站減沙造成影響的水庫則主要分布在嘉陵江干流。從長遠來看，本文所考慮的嘉陵江流域梯級水庫，均位于嘉陵江干流的主要產沙區(qū)，攔沙作用十分顯著，如果未來在此區(qū)域內規(guī)劃再興建水電站，其對北碚站的攔沙貢獻權重將不會發(fā)生較大變化，即攔沙總量不變，僅各梯級水庫內的淤積分布會有所變化。可見，本文計算得出的水庫蓄水攔沙作用基本能反映未來嘉陵江流域的水庫攔沙趨勢。

4 結 論

本文選取嘉陵江流域5 140座水庫為研究對象，結合實測資料分析和典型調查計算，對近60 a不同階段嘉陵江流域的水庫攔沙情況以及水庫建設對嘉陵江流域減沙貢獻權重進行了定量研究。主要結論如下。

(1) 截至2015年，嘉陵江流域已建大、中、小型水庫5140座，總庫容236.24億m3。其中1990年以前，嘉陵江流域僅建設4座大型水庫，中、小型水庫的庫容占比達64%。1991年以來，尤其是2006年以來，流域內的水庫建設以大型水庫為主，其庫容占比達88%。

(2) 1956～2015年，嘉陵江流域水庫年均攔沙2938萬m3，以大型水庫攔沙為主，占總攔沙量的59%。從水庫攔沙隨時間的變化過程來看，大型水庫的攔沙作用逐漸增強， 在本文研究的1990年以前、1991～2005年以及2006年以來3個時間段內，水庫年均攔沙量分別為0.187億t、0.404億t和0.472億t，其中大型水庫的攔沙量占總攔沙量的比例分別為34%、64%和88%。

(3) 在本文研究的1990年以前、1991～2005年以及2006年以來3個時間段內，嘉陵江流域水庫攔沙對北碚站輸沙量減少的貢獻率分別為5%、30%和92%，可見，近年來，水庫攔沙作用大幅增強。從典型減沙水庫的空間分布來看，1991～2005年，流域內對北碚站減沙造成主要影響的水庫主要分布在白龍江和嘉陵江干流區(qū)域，2006年以來，對北碚站減沙造成主要影響的水庫則主要分布在嘉陵江干流。