三峽庫區(qū)入庫泥沙監(jiān)測(cè)探討

楊軍

摘要：三峽水庫建成后，高峽出平湖，在長(zhǎng)江中上游形成了一道亮麗的風(fēng)景線。隨著江面變寬闊，水流平緩，流域生態(tài)環(huán)境也隨之發(fā)生了變化，對(duì)水庫泥沙淤積問題越來越引起人們的關(guān)注，水庫泥沙從何而來，如何監(jiān)測(cè)，如何控制，成為各方專家探討的科題。本文結(jié)合水土保持監(jiān)測(cè)和水土保持治理，做出以下論述。

關(guān)鍵詞：三峽庫區(qū) 入庫泥沙 監(jiān)測(cè)探討

一、庫區(qū)水土流失現(xiàn)狀

長(zhǎng)江流域山高坡陡、溝壑縱橫、地形破碎、土層淺薄，加之降雨充沛，一旦地表植被不復(fù)存在，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。三峽水庫建成后，長(zhǎng)江上游，良田無法滿足日益膨脹的人口，人們向大山要耕地，使坡耕地成為長(zhǎng)江水土流失最嚴(yán)重的地帶，荒山荒坡、疏幼林地和滑坡、崩塌、泥石流等也帶來大量泥沙，開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目則造成了人為的水土流失。水土保持監(jiān)測(cè)是水土流失防治的基礎(chǔ)工作，是完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、落實(shí)國(guó)家生態(tài)保護(hù)與建設(shè)決策的重要支撐。

二、水土流失監(jiān)測(cè)存在的問題

1、目前的監(jiān)測(cè)主要采用駐點(diǎn)監(jiān)測(cè)為主（站點(diǎn)稀疏），巡測(cè)為輔，無法準(zhǔn)確掌握入庫支流的泥沙情況。

2、監(jiān)測(cè)隊(duì)伍薄弱，監(jiān)測(cè)手段單一，監(jiān)測(cè)技術(shù)較為落后。

3、各系統(tǒng)對(duì)水土流失監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)尚未共享。

三、建議

（一）加強(qiáng)水土流失治理

1、長(zhǎng)江上游大于25度的坡耕地建議退耕還林。

2、在長(zhǎng)江消落帶進(jìn)行植物措施治理。

3、長(zhǎng)江中游禁止圍湖造田。

（二）加強(qiáng)水土保持宣傳

1、讓水土保持走進(jìn)校園，大力宣傳水土保持對(duì)生態(tài)環(huán)境的重要性。

2、對(duì)于項(xiàng)目開發(fā)，宣傳水土保持方案的審批，強(qiáng)化跟蹤監(jiān)督工作，嚴(yán)格把關(guān)。

（三）提高泥沙監(jiān)測(cè)技術(shù)手段

1、推移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀與建議

天然河道中的推移質(zhì)位于河流底層，在時(shí)間和沿河床橫向分布上隨機(jī)性較大，上述因素給推移質(zhì)測(cè)量造成了極大的困難，使得推移質(zhì)測(cè)驗(yàn)技術(shù)多年來進(jìn)展不大。目前，水土流失監(jiān)測(cè)站開展推移質(zhì)測(cè)驗(yàn)的方法主要為采樣器法，基本思路是沿測(cè)量斷面布設(shè)多個(gè)垂線，在各垂線依次投放采樣器進(jìn)行取樣，再沿?cái)嗝娣e分求得斷面輸沙率，所用的采樣器主要由壓差式和網(wǎng)式兩類。然而，由于推移質(zhì)輸沙率對(duì)水流條件的變化極為敏感，而采樣器投放到河底時(shí)對(duì)局部水流條件影響顯著，加之采樣器底部很難緊貼床面，使得現(xiàn)有采樣器的采樣效率較低（低于50%）;同時(shí)，現(xiàn)有斷面輸沙率測(cè)驗(yàn)方法自動(dòng)化和信息化水平不高，完成一次采樣歷時(shí)較長(zhǎng)（≤4小時(shí)），需要大量人力投入;上述因素使得河流斷面推移質(zhì)輸沙率尚遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、自動(dòng)測(cè)量的目標(biāo)。

2、懸移質(zhì)輸沙率測(cè)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀與建議

在懸移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)測(cè)量方面，最準(zhǔn)確的方法仍然是傳統(tǒng)的人工取樣后實(shí)驗(yàn)室分析級(jí)配和濃度，這種方法雖然結(jié)果準(zhǔn)確但是無法實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)化觀測(cè)。目前應(yīng)用較多的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)方法主要有紅外光或者超聲波散射技術(shù)測(cè)量懸移質(zhì)濃度。但這兩種技術(shù)均存在明顯的局限性，其中最嚴(yán)重的制約因素有兩個(gè)：一是只適應(yīng)于較低的泥沙濃度（稀疏顆粒），二是多局限于泥沙濃度的測(cè)量，然而泥沙濃度和級(jí)配測(cè)量二者存在極大相關(guān)性，僅僅測(cè)量單一參數(shù)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果精度極低。

因此，建議研制適用于野外河流泥沙的濃度和級(jí)配耦合測(cè)量系統(tǒng)。擬基于超聲波回波強(qiáng)度與泥沙濃度和級(jí)配的關(guān)系，采用多頻率超聲傳感器測(cè)量泥沙濃度和級(jí)配。根據(jù)瑞利反向散射原理，超聲波的回波信號(hào)強(qiáng)度與超聲波入射強(qiáng)度、超聲波頻率、測(cè)點(diǎn)距離探頭距離、測(cè)點(diǎn)水團(tuán)的含沙量、泥沙粒徑均存在相關(guān)關(guān)系。因此，在確定超聲波入射強(qiáng)度、超聲波頻率和測(cè)點(diǎn)距離探頭距離后，使用單一頻率探頭所得回波信號(hào)強(qiáng)度仍然同時(shí)受到含沙量和泥沙粒徑分布的影響。因此，單一頻率探頭只能在泥沙粒徑分布恒定的情況下標(biāo)定后測(cè)量泥沙含沙量，當(dāng)泥沙粒徑分布改變時(shí)，測(cè)量結(jié)果便會(huì)發(fā)生較大誤差。本項(xiàng)目擬在同一測(cè)點(diǎn)同時(shí)使用4種頻率的傳感器，中心頻率分別為1.5、3.5、9.0、22.0MHz，覆蓋帶寬0.8～30MHz。根據(jù)瑞利散射公式可知可檢測(cè)的最小粒徑為D=0.0016mm，可檢測(cè)的最大粒徑D=0.358mm，完全覆蓋長(zhǎng)江和黃河常見懸移質(zhì)的粒徑分布范圍。在相同濃度相同粒徑條件下，不同頻率探頭的回波強(qiáng)度不同，通過大量實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，得到四探頭條件下回波強(qiáng)度與泥沙粒徑分布和濃度分布的關(guān)系。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)泥沙粒徑分布和濃度分布的同時(shí)測(cè)量。

3、庫區(qū)淤積測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀與建議

常規(guī)的水庫淤積測(cè)量方法主要是斷面法測(cè)量水深，通過兩次的庫容相差獲得淤積量，操作較為簡(jiǎn)單，但因受前提斷面位置假設(shè)的制約，精度難以保證。隨著3S技術(shù)的迅速發(fā)展，水下地形測(cè)量方法取得了很大的進(jìn)展。通過全球定位系統(tǒng)GPS獲取平面坐標(biāo)，高精度測(cè)深儀獲取水深數(shù)據(jù)。例如，回聲測(cè)深儀是一種單波束測(cè)深設(shè)備，雙頻測(cè)深儀根據(jù)兩個(gè)頻率測(cè)量深度，通過相差獲得淤積層厚度。

為了保證淤積量的測(cè)量精度，需要對(duì)庫區(qū)進(jìn)行測(cè)線設(shè)計(jì)，GPS和測(cè)深采樣也要按照水下地形測(cè)量規(guī)范等間距或等時(shí)間采樣，如果水下地形出現(xiàn)變化，需加密測(cè)線。這樣有利于提高在水下地形變化復(fù)雜的測(cè)區(qū)淤積測(cè)量精度。為了提高淤積量測(cè)量精度，有學(xué)者提出了更為準(zhǔn)確的淤積量計(jì)算方法，例如“三角度體積法”等。通過先進(jìn)的測(cè)控設(shè)備可以高效測(cè)量水庫淤積量，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)保證已有地形數(shù)據(jù)和實(shí)際中多種測(cè)量?jī)x器測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果之間的坐標(biāo)基準(zhǔn)匹配準(zhǔn)確。

四、萬州區(qū)劉家溝小流域綜合觀測(cè)站監(jiān)測(cè)運(yùn)行現(xiàn)狀

（一）選址

劉家溝小流域控制站位于三峽庫區(qū)腹心的重慶市萬州區(qū)天城鎮(zhèn)萬河村，出口處地理坐標(biāo)：東徑108°21′45″、北緯30°53′45″，距萬州主城區(qū)約5 km，交通十分便利。劉家溝閉合小流域面積1.64km2，主河道長(zhǎng)3.10km，平均坡降20%，屬長(zhǎng)江流域一級(jí)支流。劉家溝小流域汛期及枯期的徑流、泥沙變化懸殊大，在設(shè)計(jì)上采用了復(fù)合式堰，即由三角堰和矩形堰復(fù)合而成的平坦“V”型堰。建站目的是觀測(cè)小流域治理前后徑流、泥沙的變化，從而分析水土保持防洪減災(zāi)作用以及水資源優(yōu)化配置在發(fā)展小流域經(jīng)濟(jì)方面的作用。

流域內(nèi)土壤以黃壤和棕紫色沙壤土為主，天然植被以松、杉、柏等為主，主要分布在流域上游，林草覆蓋率達(dá)到70%。人工植被以經(jīng)果林為主，主要有油桐、桑樹、柑桔、梨、板栗、杜仲等。

流域農(nóng)業(yè)種植以水稻、小麥、玉米、紅苕、洋芋等為主。

流域上游以成林和疏幼林為主，流失程度較輕;中游坡度大，荒山荒坡多，雜草雜樹較多，下游雖然坡度較小，但是坡耕地多，墾殖指數(shù)高，流域中下段水土流失較為嚴(yán)重。流域內(nèi)土壤侵蝕以面蝕為主。

（二）泥沙觀測(cè)

劉家溝泥沙觀測(cè)主要包括兩方面：懸移質(zhì)觀測(cè)和推移質(zhì)觀測(cè)。

1、懸移質(zhì)觀測(cè)

主要采用人工觀測(cè)和儀器觀測(cè)相結(jié)合。目前，水位觀測(cè)已基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，洪水發(fā)生時(shí)，人工觀測(cè)就是在卡口出口處用采樣器進(jìn)行人工采樣，儀器觀測(cè)目前采用了ISCO采樣器，通過水位觸發(fā)的原理實(shí)現(xiàn)儀器的自動(dòng)采樣。

2、推移質(zhì)觀測(cè)

主要采用人工觀測(cè)，劉家溝觀測(cè)站在修建時(shí)，在卡口上游修建了沉沙池，推移質(zhì)就是在沉沙池中人工采樣計(jì)算得到。

泥沙數(shù)據(jù)均需通過采樣后到實(shí)驗(yàn)室分析得到。

（三）立足劉家溝小流域的監(jiān)測(cè)工作，提出以下想法：

1、利用遙感、無人機(jī)等現(xiàn)代信息技術(shù)繪制流域地形圖，掌握萬州區(qū)全域入庫支流情況、項(xiàng)目開發(fā)情況、植被覆蓋情況等。在入庫重要支流合理布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)入庫泥沙數(shù)據(jù)。

2、在自動(dòng)化儀器不能及時(shí)跟進(jìn)的情況下，采取人工觀測(cè)結(jié)合儀器同時(shí)進(jìn)行，盡量保證泥沙數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。