三峽工程運(yùn)用后壩下游河道泥沙輸移變化規(guī)律*

郭小虎，渠 庚，劉 亞，劉心愿

(長(zhǎng)江科學(xué)院水利部江湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

三峽壩下游宜昌至大通干流河段長(zhǎng)約1183 km，其中宜昌至枝城河段長(zhǎng)約60.8 km，屬山區(qū)性河道向沖積平原河道過(guò)渡的彎曲型河道，右岸有清江入?yún)R；枝城至城陵磯河段全長(zhǎng)約347.2 km，左岸有沮漳河入?yún)R，右岸有松滋口、太平口、藕池口和調(diào)弦口(1958年冬封堵)分流入洞庭湖，與洞庭湖水系(湘、資、沅、澧“四水”)在湖區(qū)調(diào)蓄后從城陵磯出口重新匯入長(zhǎng)江；城陵磯至湖口河段長(zhǎng)約547 km，有漢江、鄱陽(yáng)湖水系及其他支流入?yún)R，兩岸分布有對(duì)河勢(shì)起控制作用的天然山磯節(jié)點(diǎn)；湖口至大通河段長(zhǎng)約228 km，大通站受潮汐影響不大(圖1). 三峽工程蓄水運(yùn)用后，水庫(kù)攔截大量泥沙，“清水”下泄，壩下游河段水流含沙量沿程恢復(fù)，從而引起壩下游長(zhǎng)距離、長(zhǎng)歷時(shí)的河床沖淤調(diào)整，這種變化對(duì)壩下游防洪、水資源利用、水環(huán)境生態(tài)以及經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等可能帶來(lái)一定的影響，因此開展三峽工程壩下游河道泥沙輸移變化規(guī)律研究是十分必要的.

圖1 宜昌至大通河段示意圖Fig.1 Sketch map of the reach from Yichang to Datong section

目前關(guān)于水庫(kù)下游泥沙輸移特性的認(rèn)識(shí)多源于對(duì)已建水庫(kù)下游沖刷發(fā)展現(xiàn)象的分析. 文獻(xiàn)[1-7]顯示，水庫(kù)下游河床沖刷發(fā)展程度與距壩里程、流量、沖刷歷時(shí)、分匯流及河床邊界條件(河床組成、河床比降等)密切相關(guān). 根據(jù)丹江口水庫(kù)下游資料分析，認(rèn)為水庫(kù)下游存在“淤粗懸細(xì)”的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)襄陽(yáng)以下河段存在細(xì)顆粒沖刷同時(shí)粗顆粒淤積的粗細(xì)交換現(xiàn)象，并指出形成水庫(kù)下游長(zhǎng)距離沖刷的最根本原因是床沙級(jí)配沿程變細(xì)以及沖刷過(guò)程中上段輸送的懸移質(zhì)中的粗顆粒與床沙中的細(xì)顆粒發(fā)生交換[8]；但丹江口建庫(kù)后下游特定河段存在分界粒徑，且不同河段分界粒徑不同，粗沙淤積在一定河道邊界條件下才會(huì)發(fā)生[9]；黃河三門峽水庫(kù)運(yùn)用后壩下游細(xì)泥沙恢復(fù)量小且速率慢，恢復(fù)的距離長(zhǎng)；中、粗泥沙恢復(fù)快，恢復(fù)的距離短，這種變化主要與河床組成密切相關(guān)[10]. 三峽工程蓄水初期壩下游細(xì)顆粒泥沙長(zhǎng)距離沖刷的主要原因是補(bǔ)給嚴(yán)重不足，粗顆粒泥沙的沖淤特點(diǎn)與其上游河段能否補(bǔ)給充足密切相關(guān)[11]. 三峽工程2003-2011年蓄水期間，d < 0.125 mm粒徑沙量在長(zhǎng)江中游沿程緩慢恢復(fù)且恢復(fù)程度遠(yuǎn)小于蓄水前，這是壩下游河段發(fā)生長(zhǎng)距離沖刷的根本原因；而d>0.125 mm粒徑沙量在宜昌-監(jiān)利河段恢復(fù)速率較快，且在監(jiān)利站附近該粒徑沙量基本恢復(fù)飽和，這也造成了沖刷重點(diǎn)集中在荊江河段[12]；根據(jù)1987-2014年原型觀測(cè)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，三峽水庫(kù)蓄水后壩下游d < 0.125 mm各粒徑組沙量沿程遞增，并小于蓄水前均值；d>0.125 mm沙量在宜昌-監(jiān)利河段得到補(bǔ)給，其下游為淤積趨勢(shì)[13]. 以上成果均較好地分析了水庫(kù)下游泥沙輸移變化的規(guī)律，但由于長(zhǎng)江中下游江湖入?yún)R眾多，影響因素復(fù)雜，本文采用最新的實(shí)測(cè)資料進(jìn)一步深入分析了三峽工程運(yùn)用后壩下游河段泥沙輸移變化規(guī)律，探索不同粒徑組沙量沿程恢復(fù)對(duì)河床沖刷的影響. 該成果不僅豐富水庫(kù)下游不平衡輸沙基本理論，而且可為長(zhǎng)江中下游江湖規(guī)劃、治理及河道沖淤計(jì)算等提供技術(shù)支撐.

1 水庫(kù)下泄水沙變化

下面以宜昌水文站60多年實(shí)測(cè)的年徑流量和年輸沙量數(shù)據(jù)為代表，分析三峽工程運(yùn)用前、后的水沙變化. 該站年徑流量無(wú)明顯變化趨勢(shì)，較之蓄水前，三峽工程蓄水后年均徑流量減少了約6.7%，其主要原因是三峽工程蓄水后水庫(kù)上游未現(xiàn)大水年，且2006、2011年均為枯水年(圖2). 在1990年以前宜昌站年輸沙量無(wú)明顯變化趨勢(shì)，屬于隨機(jī)變化. 受水利工程攔沙、水土保持工程等因素的綜合影響，1990-2002年期間年均輸沙量呈遞減趨勢(shì)，較之1950-1989年，年均輸沙量減少了23.8%；三峽工程運(yùn)用后由于水庫(kù)攔截大量泥沙，2003-2012年期間該站年均輸沙量大幅度減少，較之1990-2002年，年均輸沙量減少了87.8%；2013年后長(zhǎng)江上游主要支流溪洛渡、向家壩等水庫(kù)陸續(xù)運(yùn)用，2013-2017年期間該站年輸沙量進(jìn)一步減小，其值為1100萬(wàn)t，基本接近于“清水”，僅為2003-2012年期間年均輸沙量的22.8%.

圖2 宜昌站年均徑流量、年均輸沙量歷年變化過(guò)程Fig.2 Annual average runoff and sediment load at Yichang Station

2 壩下游河道河床粗化

三峽工程運(yùn)用后，在“清水”沖刷下，河床將會(huì)由上而下逐漸發(fā)生粗化. 根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局測(cè)量壩下游河道主要水文站汛后床沙級(jí)配的資料，分析了三峽工程蓄水前、后長(zhǎng)江中下游河道主要水文站河床床沙顆粒級(jí)配的變化規(guī)律.

由于宜昌站離大壩較近，三峽水庫(kù)蓄水后，該河段首當(dāng)其沖，河床粗化明顯，逐步演變?yōu)槁咽瘖A沙河床，床沙中值粒徑由2002年汛后的0.175 mm變?yōu)?017年汛后的43.1 mm(圖3a). 由于枝城、沙市、監(jiān)利站距壩里程依次增加，在同一時(shí)間上述站點(diǎn)的床沙中值粒徑呈減小趨勢(shì)；其中蓄水后枝城與沙市站床沙中值粒徑均明顯增大，至2017年10月份枝城、沙市站床沙0.125 mm以下的粒徑組比重僅分別為0.1%和0.3%；隨著河床沖刷的影響，監(jiān)利站床沙組成呈粗化趨勢(shì)，其中0.125 mm以下粒徑組比重不斷減小，由2003年10月的29.8%減小至2017年10月的4.7%(圖3b～d). 三峽工程運(yùn)用后螺山站床沙中值粒徑略有增大，河床0.125 mm以下粒徑組比重呈減少趨勢(shì)，至2017年10月本站0.125 mm以下的粒徑組比重僅為1.7%，大通站河床0.125、0.031 mm以下的沙量比重均無(wú)明顯變化趨勢(shì)(圖3e～f).

3 江湖入?yún)R沙量變化分析

下面分析了三峽工程運(yùn)用后洞庭湖、漢江及鄱陽(yáng)湖入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量變化的規(guī)律，入?yún)R的沙量分別根據(jù)城陵磯、仙桃及湖口站水文資料統(tǒng)計(jì). 三峽工程運(yùn)用后可分為2003-2007年(蓄水初期)、2008-2012年(175 m試驗(yàn)性蓄水期)及2013-2017年(向家壩水庫(kù)運(yùn)用后)3個(gè)階段(圖4).

圖3 長(zhǎng)江中下游干流河段主要水文站汛后床沙顆粒級(jí)配曲線Fig.3 Variation in the particle grading curves of bed material at the hydrometric stations of the middle and lower reaches of Yangtze River

由圖4a可知，在以上3個(gè)階段，洞庭湖、漢江及鄱陽(yáng)湖入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量分別呈略有增加、遞減與略有減小的趨勢(shì). 近期漢江入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量減少的主要原因：一是漢江流域?qū)嵤┐罅克帘３止こ?，進(jìn)入漢江河道的沙量減少；二是“南水北調(diào)”中線工程實(shí)施后漢江中下游河道的徑流量減少，進(jìn)而導(dǎo)致水流挾沙能力下降；三是近期漢江中下游河道王甫洲、興隆等水利樞紐建成運(yùn)用也導(dǎo)致漢江入?yún)R長(zhǎng)江的沙量減少. 圖4b～d顯示，江湖入?yún)R長(zhǎng)江各粒徑組年均輸沙量與懸沙變化規(guī)律基本一致，但兩湖(洞庭湖與鄱陽(yáng)湖)入?yún)R長(zhǎng)江主要為d≤0.031 mm的沙量，而其它粒徑組的沙量較少，其主要原因?yàn)榍G江“三口”與洞庭湖“四水”(湘、資、沅、澧)、鄱陽(yáng)湖“五河”(贛江、撫河、信江、饒河、修水)匯入湖區(qū)后，水體中較粗泥沙顆粒一般均沉積于湖區(qū)，大部分d≤0.031 mm細(xì)顆粒泥沙從湖區(qū)入?yún)R長(zhǎng)江.

圖4 三峽工程運(yùn)用后江湖入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量變化規(guī)律Fig.4 Temporal variation in sediment transport in the Yangtze River after the operation of the Three Gorges Project

統(tǒng)計(jì)了三峽工程運(yùn)用后不同階段洞庭湖、漢江及鄱陽(yáng)湖入?yún)R各粒徑組沙量占長(zhǎng)江干流相應(yīng)沙量百分比，其中洞庭湖、漢江及鄱陽(yáng)湖入?yún)R后的長(zhǎng)江干流水文站點(diǎn)依次為螺山、漢口及大通，統(tǒng)計(jì)成果如圖5所示.

在以上3個(gè)階段，洞庭湖入?yún)R各粒徑組沙量占長(zhǎng)江干流相應(yīng)沙量百分比呈遞增趨勢(shì)，其主要原因是螺山站各粒徑組沙量逐漸遞減；漢江入?yún)R各粒徑組沙量占長(zhǎng)江干流相應(yīng)沙量百分比呈遞減趨勢(shì)，這與漢江入?yún)R長(zhǎng)江的沙量大幅減少有關(guān)；鄱陽(yáng)湖入?yún)R各粒徑組沙量占長(zhǎng)江干流相應(yīng)沙量百分比呈遞增趨勢(shì)，其主要原因是大通站各粒徑組沙量逐漸遞減.

4 壩下游河段泥沙輸移變化規(guī)律

三峽工程蓄水后，三峽水庫(kù)下泄沙量大幅度的減少，引起壩下游河道輸沙量發(fā)生較大調(diào)整. 圖6與表1給出了三峽工程運(yùn)用前、后長(zhǎng)江中下游河段主要站點(diǎn)懸移質(zhì)泥沙年均輸沙量的變化情況.

表1 三峽工程運(yùn)用后壩下游河床沖淤與江湖入?yún)R量統(tǒng)計(jì)*

Tab.1 Statistics of river bed scouring and silting and rivers and lakes in the lower reaches of the Three Gorges Project

河段與江湖20032007年/(萬(wàn)t)20082012年/(萬(wàn)t)20132017年/(萬(wàn)t)宜昌監(jiān)利500743083337監(jiān)利螺山-294-751413螺山漢口-382829374漢口大通144022663682河床補(bǔ)給577166527806洞庭湖148221582187漢江19281135423鄱陽(yáng)湖146410301018江湖入?yún)R487443233628河床補(bǔ)給/江湖入?yún)R比值1∶0.841∶0.651∶0.46

*負(fù)值表示淤積.

由圖6與表1分析可知，與蓄水前相比，蓄水運(yùn)用初期(2003-2007年)壩下游各主要站點(diǎn)沙量沿程呈遞增趨勢(shì)，至大通站年均輸沙量未達(dá)到蓄水前的水平，從整體來(lái)看，河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R的比值為1∶0.84，沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R共同的影響；從不同河段來(lái)看，監(jiān)利-漢口河段沙量恢復(fù)主要受洞庭湖與漢江入?yún)R的影響，宜昌-監(jiān)利河段沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給的影響，而漢口-大通河段沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給與鄱陽(yáng)湖入?yún)R共同的影響. 在175 m試驗(yàn)性蓄水期(2008-2012年)與向家壩水庫(kù)運(yùn)用后(2013-2017年)，三峽水庫(kù)下泄沙量大幅遞減，沙量沿程仍呈遞增趨勢(shì)，但均未達(dá)到蓄水前的水平；河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R的比值分別為1∶0.65與1∶0.46，沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給的影響，但江湖入?yún)R影響也較大；從不同河段來(lái)看，除在漢口-大通河段鄱陽(yáng)湖入?yún)R沙量的影響逐漸減小之外，其它河段沙量恢復(fù)的主要原因未發(fā)生較大改變.

圖5 三峽工程運(yùn)用后江湖入?yún)R各粒徑組沙量占長(zhǎng)江干流相應(yīng)沙量的百分比Fig.5 The amount of sand in each particle size group of the rivers and lakes accounts for the corresponding amount of sand in the main stream of the Yangtze River after the operation of the Three Gorges Project

圖6 三峽工程運(yùn)用前后壩下游河段主要站點(diǎn)年均輸沙量變化對(duì)比Fig.6 Comparison of annual average sediment load in the main stations of downstream rivers before and after the onset of the Three Gorges Project

由于洞庭湖與鄱陽(yáng)湖入?yún)R長(zhǎng)江干流主要為d≤0.031 mm的泥沙，在壩下游河段尤其荊江河段床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的分界粒徑約為0.125 mm，下面以d≤0.031 mm、0.031 mm0.125 mm粒徑組沙量來(lái)代表壩下游河道細(xì)、中、粗沙，并根據(jù)實(shí)測(cè)資料分別統(tǒng)計(jì)以上3組粒徑沙量在三峽工程運(yùn)用前、后的沿程變化情況.

圖7a與表2顯示，與蓄水前相比，蓄水運(yùn)用初期壩下游各主要站點(diǎn)d≤0.031 mm年均輸沙量沿程呈遞增趨勢(shì)，至大通站該粒徑組沙量未達(dá)到蓄水前的水平；從整體來(lái)看，河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R比值為1∶0.86，沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R共同的影響；從不同河段來(lái)看，宜昌-漢口河段沙量恢復(fù)主要受洞庭湖與漢江入?yún)R的影響，漢口-大通河段主要受河床補(bǔ)給的影響. 在175 m試驗(yàn)性蓄水期與向家壩水庫(kù)運(yùn)用后，水庫(kù)下泄該粒徑組沙量大幅遞減，沙量沿程遞增，但均未達(dá)到蓄水前的水平，河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R的比值分別為1∶0.85與1∶0.62，說(shuō)明該粒徑組沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R共同的影響.

由圖7b與表2可知，與蓄水前相比，蓄水運(yùn)用初期壩下游各主要站點(diǎn)0.031 mm

圖7c與表2顯示，與蓄水前相比，蓄水運(yùn)用初期d>0.125 mm沙量在宜昌-監(jiān)利河段沿程恢復(fù)速率較快，沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給的影響，且在監(jiān)利站達(dá)到蓄水前的水平，而監(jiān)利以下河段沙量以淤積為主；在175 m試驗(yàn)性蓄水期與向家壩水庫(kù)運(yùn)用后，水庫(kù)下泄該粒徑組沙量遞減，在宜昌-監(jiān)利河段沙量沿程恢復(fù)且速率仍較快，沙量恢復(fù)仍主要受宜昌-監(jiān)利河段河床補(bǔ)給的影響，在監(jiān)利站達(dá)到最大值，而在監(jiān)利以下河段以淤積為主；但隨著宜昌-監(jiān)利河段河床下切，流速減緩，河道輸沙能力減小，該粒徑沙量恢復(fù)逐漸小于蓄水前的水平.

圖7 三峽工程運(yùn)用前后長(zhǎng)江中下游主要站點(diǎn)d≤0.031 mm(a)、0.031 mm0.125 mm(c)年均輸沙量變化對(duì)比Fig.7 Comparison of annual average sediment load volume of d≤0.031 mm(a), 0.031 mm0.125 mm(c) in the main stations of downstream rivers before and after the onset of the Three Gorges Project

表2 三峽工程運(yùn)用后壩下游d≤0.031 mm、0.031 mm0.125 mm河床沖淤與江湖入?yún)R量統(tǒng)計(jì)

Tab.2 Statistics of river bed scouring and silting and rivers and lakes of d≤0.031 mm, 0.031 mm0.125 mm in the lower reaches of the Three Gorges Project

河段與江湖d≤0.031 mm0.031 mm0.125 mm20032007年/(萬(wàn)t)20082012年/(萬(wàn)t)20132017年/(萬(wàn)t)20032007年/(萬(wàn)t)20082012年/(萬(wàn)t)20132017年/(萬(wàn)t)20032007年/(萬(wàn)t)20082012年/(萬(wàn)t)20132017年/(萬(wàn)t)宜昌監(jiān)利2439996651771918709299423921962監(jiān)利螺山4573001317-310-212-8-441-691-895螺山漢口50018034-185527211-697130129漢口大通305723392755200826932-1817-926-5河床補(bǔ)給4257381847721476205818442994*2392*1962*洞庭湖134117531872117213260244456漢江956525177514306125458296120鄱陽(yáng)湖13439609331018872201113江湖入?yún)R364032372982732607457502351189河床補(bǔ)給/江湖入?yún)R比值1∶0.861∶0.851∶0.621∶0.501∶0.301∶0.251∶0.171∶0.151∶0.10

*因d>0.125 mm沙量在宜昌-監(jiān)利河段沖刷，而監(jiān)利以下河段一般淤積，河床補(bǔ)給則用宜昌-監(jiān)利河段沖刷量代替.

三峽工程運(yùn)用后，水庫(kù)攔截大量泥沙，“清水”下泄，壩下游河段水流將會(huì)長(zhǎng)期處于非飽和狀態(tài)，尤其隨著上游向家壩、溪洛渡等梯級(jí)水庫(kù)群陸續(xù)建成運(yùn)用后，水庫(kù)下泄的沙量更少，基本接近“清水”. 在這種沖刷背景下，壩下游河道將會(huì)長(zhǎng)期處于沖刷狀態(tài)，由于壩下游河道河床組成的差異性，越往下游河床組成越細(xì)，河床組成的不同與江湖入?yún)R的影響，壩下游河段不同粒徑組沙量恢復(fù)距離與程度呈現(xiàn)以下規(guī)律：蓄水初期d≤0.031 mm沙量沿程恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R的影響，隨著時(shí)間推移，水庫(kù)下泄該粒徑組沙量遞減，沙量沿程遞增，但均小于蓄水前的水平，沙量恢復(fù)仍主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R的影響；蓄水初期0.031 mm0.125 mm沙量恢復(fù)主要受宜昌-監(jiān)利河段河床補(bǔ)給的影響，蓄水初期該粒徑組沙量在宜昌-監(jiān)利河段沿程恢復(fù)速率較快，且在監(jiān)利站達(dá)到蓄水前的水平，隨著時(shí)間推移，水庫(kù)下泄該粒徑組沙量遞減，在宜昌-監(jiān)利河段沿程恢復(fù)且速率仍較快，在監(jiān)利站達(dá)到最大值，但其數(shù)值逐漸小于蓄水前的水平.

不同粒徑組沙量恢復(fù)距離與程度不同，也導(dǎo)致河床沖刷距離不同，壩下游河道河床d≤0.125 mm沙量相對(duì)較少，d≤0.031 mm與0.031 mm0.125 mm沙量大量存在，該粒徑組沙量沿程恢復(fù)主要受宜昌-監(jiān)利河段河床補(bǔ)給的影響，這是造成壩下游沖刷重點(diǎn)集中在宜昌-監(jiān)利河段的主要原因.

5 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析了三峽水庫(kù)壩下游泥沙輸移變化規(guī)律，探索不同粒徑組沙量沿程恢復(fù)對(duì)壩下游河道河床沖刷的影響，得到以下結(jié)論：

1)60多年來(lái)宜昌站的年均徑流量沒有發(fā)生明顯的趨勢(shì)性變化，但年均輸沙量自1990年來(lái)呈遞減趨勢(shì). 三峽工程蓄水后枝城與沙市站汛后床沙中值粒徑呈明顯增大趨勢(shì)，監(jiān)利站則略有增大，螺山站河床0.125 mm以下粒徑組比值不斷減少，大通站河床0.125、0.031 mm以下的沙量比重?zé)o明顯變化趨勢(shì).

2)在蓄水后的3個(gè)階段，洞庭湖入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量略有增加，漢江入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量呈遞減趨勢(shì)，鄱陽(yáng)湖入?yún)R長(zhǎng)江年均輸沙量則略有減小，兩湖(洞庭湖與鄱陽(yáng)湖)入?yún)R長(zhǎng)江主要為d≤0.031 mm的沙量，而其他粒徑組沙量很少.

3)蓄水后d≤0.031 mm沙量恢復(fù)主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R的影響；蓄水初期0.031 mm0.125 mm沙量在宜昌-監(jiān)利河段沿程恢復(fù)速率較快，且在監(jiān)利站達(dá)到蓄水前的水平，隨著時(shí)間推移，水庫(kù)下泄該粒徑組沙量遞減，在宜昌-監(jiān)利河段沿程恢復(fù)且速率仍較快，在監(jiān)利站達(dá)到最大值，但其值逐漸小于蓄水前的水平.

4)d≤0.031 mm和0.031 mm0.125 mm沙量沿程恢復(fù)主要受宜昌-監(jiān)利河段河床補(bǔ)給的影響，這是造成壩下游沖刷重點(diǎn)集中在宜昌-監(jiān)利河段的主要原因.