近20 a來長江干流水沙變化特性

陳雅飛

(重慶交通大學 河海學院,重慶 400074)

河流的水沙變化是引起下游河床沖刷和淤積的主要動力[1]，長江干流的水沙輸移規(guī)律及水沙變化對下游水生生境的影響一直是國內外學者研究的熱點。張冠華等[2]基于長江干流屏山、朱沱等6個水文站的實測水沙資料,采用線性回歸、Mann-Kendall趨勢分析和突變檢驗、Sen’s估計以及累積距平法,分析長江干流2001—2018年徑流輸沙年際、年內變化趨勢及其成因；楊維鴿等[3]基于長江干流7個主要水文站的實測水沙資料,采用徑流量—輸沙量雙累積曲線方法,分析長江干流2000—2015年的水沙變化及其成因。為此，本文基于長江干流七大水文站的實測水沙資料，采用徑流量—輸沙量雙累積曲線方法，重點分析長江干流2002—2019年的水沙變化規(guī)律及其成因。

1 研究區(qū)域概況

長江是中華文明的發(fā)源地，全長為6 300多km，降水總體上呈由東南向西北遞減的趨勢，降水豐沛、分布不均，年均降水量(MAP)為1 100 mm[4]；蘊含的水能資源豐富，水資源總量約為9 616億m3，流域面積達180萬km2，約占中國陸地總面積的1/5，屬于亞熱帶季風氣候;且內河航運發(fā)達，是我國新絲綢之路經濟帶的重要樞紐[5]，有“黃金水道”的美稱[6]。宜昌以上流域為上游，宜昌至湖口段為中游，湖口至入海口為下游。長江流域7個主要水文測站分布于沿線，向家壩、朱沱、寸灘位于上游，宜昌、沙市、漢口位于中游，大通站位于下游，其中大通站的集水面積最大，為170.54×104km2，7大水文測站分布如圖1示意。

圖1 長江干流7大水文測站分布示意

2 研究方法

2.1 數(shù)據來源

本文選取長江干流7個主要水文測站，即向家壩站、朱沱站、寸灘站、宜昌站、沙市站、漢口站和大通站的實測水文數(shù)據進行分析。選取向家壩站的目的是比較長江上游(金沙江下游)建設梯級水庫前后對長江中下游水沙變化的影響。本文的水文數(shù)據和泥沙數(shù)據均來源于《中國河流泥沙公報2002—2019》[7]，由于缺乏推移質泥沙資料，所以《泥沙公報》中的輸沙量一般指懸移質部分。溪洛渡水利樞紐2013年5月蓄水運行發(fā)電，是一座以發(fā)電為主,兼有防洪、攔沙和改善下游航運條件等綜合效益的水電站; 向家壩水利樞紐2012年10月蓄水運行發(fā)電，以發(fā)電為主,同時兼有改善通航條件、防洪攔沙、對溪洛渡水電站進行反調節(jié)等綜合效益[8]。

2.2 數(shù)據處理

本文采用雙累積曲線法來描繪長江干流7個主要水文測站的年徑流量與年輸沙量的關系，雙積累曲線[9](Double Mass Curve,簡稱DMC)方法是目前用于水文氣象要素一致性或長期演變趨勢分析中最簡單、最直觀、最廣泛的方法，最早由美國學者MERRIAM CF在1937年用于分析美國Susquehanna流域降雨資料的一致性[10]時提出；羅蘭花等[11]認為雙累積曲線就是在直角坐標系中繪制的同期內1個變量的連續(xù)累積值與另1個變量連續(xù)累積值的關系線，通過建立雙累積曲線法重點研究累積年輸沙量和累積年徑流量兩者之間的正比(正相關)關系，而忽略其他因素(如人類采砂活動)對這兩個主要變量的干擾。

3 結果與分析

3.1 長江干流主要測站水沙變化

3.1.1水沙組成

長江干流7大水文測站中，寸灘站的年平均徑流量變化率(T1年與T2年相比)最小，為1.7%，朱沱站的年平均徑流量變化率(T1年與T2年相比)最大，為6.7%；向家壩站的年平均輸沙量變化量從1956—2015年(T1年)的2.23億t減少到T2年的0.015億t，變化率最大，為99.3%，而大通站的年平均輸沙量的變化量(T1年與T2年相比)從3.68億t降到1.11億t，變化率最小，為71.5%，攔沙作用顯著。向家壩站的年平均含沙量變化量從1956—2015年(T1年)的1.57 kg/m3減少到T2年的0.01 kg/m3，變化率最大，為99.4%，大通站的年平均含沙量變化量從1956—2015年(T1年)的0.414 kg/m3減少到T2年的0.118 kg/m3，變化率最小，為71.5%。表1為長江干流主要測站水沙組成變化情況統(tǒng)計。

表1 長江干流主要測站水沙組成變化

綜上可知，7大水文測站的集水面積在不斷增加，其中大通站的集水面積達到最大，為170.54×104km2，原因是長江流域的地勢西高東低，呈階梯狀分布，加上長江各條支流水源的不斷匯入，使得下游測站控制的流域面積不斷增大。7大水文測站的年平均徑流量變化率(T1年與T2年相比)均未超過7%，上游水庫的建成在一定程度上改變了中下游徑流量時空格局分布，表現(xiàn)為汛期洪峰削減、枯水期流量增加、中水期時間延長等，但由于長江流域降水和徑流的內陸循環(huán)處于動態(tài)平衡的狀態(tài)，所以年徑流量變化并不明顯。從上游到下游，7大測站的年平均含沙量變化率與年平均輸沙量變化率整體呈下降的趨勢，向家壩站的年平均輸沙量變化率和年平均含沙量變化率均為最大，達到99%，原因是向家壩、溪洛渡等大型水利樞紐建成后充分發(fā)揮了攔沙蓄水的作用，但梯級水庫的泄水以清水為主，水流攜帶泥沙的能力強，所以這種非飽和水[12]在水沙輸移的過程中會帶走下游河床的大部分細泥沙顆粒，細泥沙顆粒的比表面積大，吸附水中的營養(yǎng)物質較多，其攜帶的營養(yǎng)物質是水中浮游生物及魚類生存繁衍的必需品，長期的水流沖刷改變河道的地貌及水生生境條件，打破原有河流生態(tài)系統(tǒng)的平衡，使河流生態(tài)系統(tǒng)營養(yǎng)缺失而變得越來越脆弱，進而給水生動植物的生存帶來巨大挑戰(zhàn)。

3.1.2水沙年際變化

水沙年際變化的分析可分為2個階段，第1階段是2002—2011年，第2階段是2012—2019年，主要原因是向家壩水電站2012年開始蓄水發(fā)電，所以將其作為觀測水沙變化的分水嶺(由于金沙江水庫大多是2012年蓄水發(fā)電，因此，以2012年為時間分界點)。從第1階段來看，長江上游7大水文測站中，宜昌站的年平均徑流量極值比、年平均輸沙量極值比和年平均含沙量極值比都是最大，分別為1.61，36.77和32.11；漢口站年平均徑流量極值比最小為1.44；寸灘站年平均輸沙量極值比和年平均含沙量極值比都是最小，分別為2.95和2.13。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是：長江三峽水庫自2003年運行以來,經過了6次蓄水過程,2009年啟動175 m試驗性蓄水，2010年蓄至175m運行[13]，期間經歷了7 a的蓄水時間，所以距離三峽大壩下游的宜昌站年平均徑流量極值比最大；因為大壩在蓄水的同時也攔蓄了上游來的大部分泥沙，使得下泄的水流呈現(xiàn)不飽和的狀態(tài)，而且攜帶泥沙的能力強，所以宜昌站所測得的年平均輸沙量極值比也是最大。

從第2階段來看，長江上游7大水文測站中，向家壩站年平均徑流量極值比、年平均輸沙量極值比和年平均含沙量極值比均為最大，分別為1.48、251.67和202.00；年平均徑流量極值比的最小值是漢口站1.19，大通站的年平均輸沙量極值比和年平均含沙量極值比最小，分別為1.94和1.55。主要原因是金沙江下游的向家壩水利樞紐2012年開始蓄水發(fā)電，溪洛渡水利樞紐2013年也相繼投入使用，2個梯級水利樞紐與三峽水利樞紐共同形成新的水沙條件，更好發(fā)揮發(fā)電、蓄水和改善航運條件的作用，在攔截了上游大部分泥沙的同時也造成長江中下游河道面臨長時期、長距離、大幅度的沖刷新問題。表2為長江干流主要測站年平均徑流量、輸沙量和含沙量極值統(tǒng)計。

表2 長江干流主要測站年平均徑流量、輸沙量和含沙量極值統(tǒng)計

3.1.3水沙年內變化——以朱沱站為例

根據以上圖表綜合分析得到，2012年長江干流主要測站朱沱站、向家壩站等的徑流量和輸沙量主要集中在5—10月，分別占全年的68%～82%、72%和99.9%[14]。查閱《水文情報預報規(guī)范》(GB/T22482—2008)中的距平百分率P作為劃分豐平枯的標準：距平百分率P=(某年年徑流量-多年平均徑流量)/多年平均徑流量×100%，通過頻率計算將2012年劃分為為平水年，圖2為典型測站—朱沱站的徑流泥沙年內分配情況示意，其中長江流域的汛期為6—10月，徑流量和輸沙量的年內分配不均勻，其中7月的徑流量最大，約為715億m3，約占全年徑流量的1/4,同樣7月的輸沙量最大，約為8 875萬t，占到全年輸沙量的47.5%；汛期的徑流總量占年徑流總量的74.6%，由于汛期的徑流量大，水流蘊含的能量比較大，所以其攜帶泥沙的能力也越強[4]，汛期的月輸沙總量占全年輸沙總量的94.5%。由此可見，汛期為含沙水流改變中下游河床形態(tài)、塑造河床地貌的的關鍵時期[15]。

圖2 2012年朱沱站徑流泥沙年內分配示意

3.1.4水沙年際變化——以朱沱站為例

圖3為2002—2019年朱沱站累積年徑流量與累積年輸沙量趨勢示意，累積年徑流量趨勢線相關系數(shù)和累積年輸沙量趨勢線的相關系數(shù)的平方分別為0.928 3和0.999 3，流域水沙特性的突變表現(xiàn)為水沙雙累積曲線上出現(xiàn)明顯轉折, 即累積曲線斜率明顯增大或減小,斜率發(fā)生的突變點對應的年份就是2個變量累積關系出現(xiàn)突變的時間。很明顯在2012年以后累積年輸沙量趨勢線出現(xiàn)了1個明顯的拐點(圖3中虛線分界點)，年累積輸沙量的變化曲線漸漸趨于平緩，(故以2012年為時間分界點)。主要原因是2012年以后金沙江下游的梯級電站-向家壩水電站和溪洛渡水電站分別投入使用[8]，上游梯級水庫采用蓄渾排清的運行方式，加之蓄水發(fā)電后，壩前水位逐漸上升使得入庫水流流速降低，大顆粒泥沙隨之下沉淤積在庫底，給水庫清淤工作帶來不便；同一河流上梯級水庫的攔沙作用相比于單一水庫更加顯著，造成下泄水流多為不飽和含沙水流，水流攜帶泥沙的能力很強[15]，下游河床長時間受到清水沖刷，久而久之河床地貌與河流走勢發(fā)生改變，塑造出邊灘、江心洲、深潭淺灘等地貌特征，河流生境也隨之改變，影響河流生物的物種多樣性分布。

圖3 朱沱站2002—2019年累積年徑流量和累積年輸沙量趨勢示意

4 結語

1) 長江干流7個主要水文測站T1年和T2年的多年平均徑流量變化率很小，均小于10%；T1年和T2年的年平均輸沙量變化率和年平均含沙量變化率大于90%的測站有向家壩站、宜昌站和沙市站，其余4個測站的年平均輸沙量變化率和年平均含沙量變化率也在60%～90%之間，可見長江上游梯級水庫群對于中下游減少泥沙淤積的作用明顯；同一個水文測站在T1年和T2年的年平均輸沙量變化率和年平均含沙量變化率相差甚小，均不超過2%，說明年含沙量隨年輸沙量的變化而變化，呈現(xiàn)正相關關系。

2) 以2012年朱沱站為例，長江汛期(6—10月)的徑流量約占全年徑流量的75%，汛期水能資源豐富，可用于航運和發(fā)電；輸沙量約占全年輸沙量的95%，由此看出長江汛期含沙量極高，也是含沙水流改變中下游河床形態(tài)、塑造河床地貌的的關鍵時期。

3) 長江干流7個主要水文測站年輸沙量和年含沙量減少的主要原因有兩個：一是長江上游實施水土保持工程，如退耕還林還草和沿江進行生態(tài)修復；二是上游梯級水庫群及三峽水利樞紐、長江中下游眾多支流上修建大量水庫的聯(lián)合調度攔截了大量泥沙。