水庫蓄水對流域輸沙量特征研究

高 層

(恩施州車壩河水利工程管理處,湖北 恩施 445000)

1 概 述

由于大壩建設(shè)以及為滿足水資源需求而進(jìn)行的調(diào)水,使得河流系統(tǒng)發(fā)生了越來越多的變化。人類的活動增加了土壤的侵蝕,導(dǎo)致河流輸沙量增大,而水庫的建設(shè)又減少了泥沙的輸送。為了探求河流泥沙輸送規(guī)律,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張璠[1]研究了匯流比對長江干流重慶主城河段水流和輸沙特性的影響,結(jié)果表明,三峽水庫蓄水后,重慶主城河段水位抬升、坡降放緩,水流強(qiáng)度和輸沙強(qiáng)度均呈減小趨勢。姚仕明等[2]對三峽建庫前后長江中游河道輸沙率變化進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,三峽水庫蓄水運(yùn)用后,進(jìn)入下游河道的泥沙大幅度較少,床沙粒徑沿程出現(xiàn)不同程度的粗化。郭文獻(xiàn)等[3]對近50年來長江上游泥沙情勢變異及影響因素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,長江上游年輸沙量呈顯著的下降趨勢。陳雅飛[4]對近20年來長江干流水沙變化特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,長江上游梯級水庫群建成后,長江干流多年平均徑流量基本保持穩(wěn)定,而年平均輸沙量變化率和年平均含沙量變化率卻變化顯著。陳肖慧等[5]研究了長江輸沙量減少對河口典型淺灘斷面泥沙輸運(yùn)的影響,結(jié)果表明,河流入海泥沙主要向東擴(kuò)散和向南沿岸輸運(yùn),余流空間分布控制泥沙凈輸運(yùn)趨勢,水體高含沙量對泥沙凈輸移作用顯著。黃瑩華等[6]對基于模態(tài)分解法的長江與兩湖水沙特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,洞庭湖的水沙變化率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長江和鄱陽湖,其中荊江三口水沙變化率在140%以上。

上述文獻(xiàn)針對長江河段水沙變化特性進(jìn)行了研究,并分析了長江輸沙量減少對泥沙輸運(yùn)和湖泊泥沙變化的影響。本文參考以上研究成果,基于《長江泥沙公報》以及長江水利委員會的水沙流量資料,對三峽水庫蓄水前后長江流域輸沙量特征進(jìn)行研究,并對長江主干流水沙流量變化、三峽水庫(TGR)上游水沙變化、三峽水庫內(nèi)泥沙淤積變化以及下游河道侵蝕變化進(jìn)行分析。

2 研究區(qū)概況

三峽大壩(TGD)于2003年6開始蓄水和攔沙,至2009年三峽大壩全面運(yùn)行時,三峽水庫的蓄水量將達(dá)到39.8km3,約為長江年流量的4.56%。在過去的時間里,長江三角洲已經(jīng)從前積變?yōu)榛貧w,其濕地正在消失。

土地利用的變化,其中大部分發(fā)生三峽大壩(TGD)建立前。同時,影響了長江流域,盡管輸水量變化不大,但在2003年三峽大壩蓄水之前,上游(宜昌站)和下游(大同)的輸沙量下降率大于61.2%。三峽大壩(TGD)蓄水前輸沙量的下降,主要是由于嘉陵江高含沙量流域修建了支流大壩、重新造林和降水量減少。而三峽大壩(TGD)蓄水后的影響極為明顯,在蓄水后的兩年內(nèi)(2003-2004年),宜昌和大同的輸沙量分別減少1.96和1.53Mt,強(qiáng)烈的河床沖刷導(dǎo)致了活躍的河道侵蝕。2006年的極端干旱進(jìn)一步加劇了泥沙輸移的下降趨勢,當(dāng)時汛期水位是過去50年來的最低水平,宜昌上游的水量減少約32.4%,沉積物急劇減少至920×104t(僅為1960-1970年代水平的2.4%)。

3 數(shù)據(jù)來源

在過去的時間里,各地水文站記錄了長江的水沙流量。并利用從中游收集的水量數(shù)據(jù),重建了自19世紀(jì)60年代以來從河流到海洋的長期沉積物通量。本次研究水流量和懸沙流量數(shù)據(jù)來自《長江泥沙公報》和長江水利委員會。

4 研究結(jié)果與分析

4.1 主干流水沙流量隨時間變化

在夏季亞洲季風(fēng)的控制下,長江上游(宜昌)和下游(大同)的水沙流量均呈季節(jié)性變化。1990-2001年,宜昌和大同72%以上的排水發(fā)生在夏季(5-10月份),平均峰值出現(xiàn)在7月份,見圖1。在過去11年中,兩個站點(diǎn)的排水量變化不大,見圖2;峰值流量分別為96和156km3/m,見圖3。2003年6月,三峽水庫(TGR)中約11.8km3的蓄水對兩個站點(diǎn)的排水影響相對較小。2003年8月,宜昌的排水量明顯減少(圖1)。由于當(dāng)時三峽水庫未蓄水,此下降情況可能與降水減少有關(guān)。

圖1 長江上游和下游月水沙流量

圖2 長江上游和下游年水沙流量

自1990年以來,兩個站點(diǎn)的輸沙量都急劇下降(圖2)。宜昌月最大輸沙量從1990-2001年的1.92Mt/mon下降至2019年的8.4Mt/mon;同期,大同洪峰輸沙量也從132Mt/mon下降至20.4Mt/mon(圖1、圖2)。宜昌的泥沙減少幅度大于大同,主要?dú)w因于三峽大壩(TGD)下游河道侵蝕的補(bǔ)充。但這兩個站點(diǎn)的洪峰流量時間從2001年之前的7月份轉(zhuǎn)移到2002、2004、2005-2019年的8或9月份。

4.2 主干流累積流量變化

宜昌和大同的累積輸沙量與水量(1995-2019年)曲線圖均呈階梯趨勢,夏季相當(dāng)陡峭,冬季則平緩(圖3)。宜昌的曲線在2001-2002年開始輕微彎曲,2003年6月蓄水后變得非常平坦。相比之下,大同的曲線變化更為平緩,三峽大壩(TGD)蓄水的影響相對較小(圖3)。由于曲線斜率表示含沙量,宜昌夏季含沙量遠(yuǎn)高于冬季,2003年6月后含沙量迅速下降。

圖3 長江上游和下游月累積水沙流量

4.3 三峽水庫(TGR)上游水沙變化

宜昌和大同的變化,實(shí)際上反映了長江流域干支流的變化。因此,本文對水沙流量變化的討論,將集中在從上游到下游的過渡,分別是三峽水庫(TGR)的上游、內(nèi)部和下游。

2006年,長江上游發(fā)生極端干旱,汛期水位為50年來最低,這種情況被稱為“汛期無洪水”。清溪場(三峽水庫TGR上游)的年排水量達(dá)到過去半個世紀(jì)以來的最低水平(332.6km3/y),比1970-2005年的排水量平均值458.3km3/y低約27.5%,見圖4。

圖4 清溪站年排水量和輸沙量關(guān)系

1986年開始長江上游水土保持工程,2003年三峽第一次蓄水,清溪場的水沙關(guān)系圖可分為3個時期:1970-1985、1986-2002和2003-2019年。1986年泥沙流量開始下降,2019年達(dá)到最低水平(圖4)。根據(jù)2003-2019年的水位曲線,2019年的水量減少導(dǎo)致泥沙流量下降132Mt。

4.4 三峽水庫(TGR)內(nèi)泥沙淤積變化

全長600km的三峽大壩位于長江上游,自2003年蓄水以來,水庫內(nèi)的泥沙淤積量始終保持極高數(shù)量。清溪場站和宜昌站位于三峽水庫(TGR)的上游和下游,分別用于監(jiān)測進(jìn)出水庫的沉積物。附近的小型河流的泥沙淤積量高達(dá)29.6Mt/y,但三峽水庫(TGR)的影響并不顯著。在2002和2003年三峽大壩蓄水前,通過清溪場站和宜昌站兩個站點(diǎn)的輸沙量相似,表明清溪場和宜昌之間的河道幾乎沒有凈侵蝕或沉積。而三峽水庫蓄水后,2003年截留沉積物148.8Mt,2004年截留沉積物122.4Mt,2005-2018年截留沉積物年均約181.2Mt,2019年截留沉積物約110.6Mt,平均每年118Mt。

2003-2019年期間,泥沙截留主要發(fā)生在6-9月份,其模式與清溪場的泥沙流量相似。三峽水庫(TGR)上游的輸沙越多,水庫內(nèi)的沉積物就越容易被截留。進(jìn)入三峽水庫(TGR)的月輸沙量與三峽水庫(TGR)中的截留泥沙相關(guān),見圖5。根據(jù)圖5中直線的斜率,進(jìn)入三峽水庫(TGR)的沉積物約有50%被截留,2015年7月的最高截留量(71.8Mt)與經(jīng)過清溪場的最高輸沙量(106.4Mt)相對應(yīng)。

圖5 三峽水庫懸浮泥沙流量與截留泥沙量的關(guān)系

在三峽水庫(TGR)內(nèi)部,沉積物主要聚集在谷線附近,并在三峽大壩(TGD)附近變得更厚,最大堆積厚度(63.4m)出現(xiàn)在三峽大壩(TGD)上游6km處。而2003年8月,清溪場和宜昌的輸沙量都異常低于前幾個月和后幾個月。由于三峽水庫(TGR)當(dāng)時的蓄水量并不顯著,這可能與三峽水庫(TGR)上游的排水量減少有關(guān)(圖1)和降水量減少有關(guān),降水量減少向下游傳播到宜昌。

4.5 三峽水庫(TGR)下游河道侵蝕變化

三峽水庫(TGR)蓄水的另一個顯著變化是三峽大壩(TGD)下游的河道侵蝕,這在中下游泥沙轉(zhuǎn)移中起著關(guān)鍵作用。在宜昌和大同之間1 140km的河段上,由于河道淤積和改造,長江通過連接洞庭湖的幾個通道損失了部分沉積物,但從鄱陽湖和漢江交匯的支流中獲得大量沉積物。在2000年之前,該河段的泥沙運(yùn)輸表現(xiàn)出極端的季節(jié)變化,泥沙在高流量月份(6-9月份)沉積,但隨后在低流量月份被侵蝕,見圖6;宜昌和大同之間的凈沉積平均為57.6Mt/y,見表1。宜昌下游的沉積在2001年迅速下降至18Mt,然后在2002年逆轉(zhuǎn)為凈侵蝕(-55.2Mt/y)(表1),侵蝕發(fā)生在12個月中的10月(圖6)。2002年,大同的輸沙量首次超過宜昌(表1)。由于以上變化發(fā)生在三峽大壩(TGD)蓄水之前,由此可知,長江支流上的人類活動(如筑壩和植樹造林)在以上沉積到侵蝕的轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

圖6 宜昌和大同間河道沉積和侵蝕變化

表1 長江中下游泥沙收支 /Mt·y-1

2003年蓄水后,2003和2019年的每個月都會發(fā)生河道侵蝕,2004-2015年的大多數(shù)月都會出現(xiàn)河道侵蝕(圖3),這歸因于三峽水庫(TGR)的泄水,沉積物濃度急劇降低。2003-2019年,宜昌和大同之間平均侵蝕了約84Mt/y的沉積物,主要反映了夏季從沉積到侵蝕的突變(圖6)。

河道侵蝕主要發(fā)生在三峽大壩(TGD)(宜昌至漢口)正下游630km處,但在漢口至大同的下游逐漸減少(圖2和圖6、表1)。由于河道侵蝕沉積物通常比懸浮沉積物粗,2015年中值粒徑從宜昌的8μm增加至漢口下游的15μm。

5 結(jié) 論

本文基于《長江泥沙公報》以及長江水利委員會的水沙流量資料,對三峽水庫蓄水前后長江流域輸沙量特征進(jìn)行了研究,并對長江主干流水沙流量變化、三峽水庫(TGR)上游水沙變化、三峽水庫內(nèi)泥沙淤積變化以及下游河道侵蝕變化進(jìn)行了分析。結(jié)論如下:

1)從1990年后,宜昌和大同兩個站點(diǎn)的輸沙量均急劇下降。宜昌月最大輸沙量從1990-2001年的1.92Mt/mon下降至2019年的8.4Mt/mon;同期,大同洪峰輸沙量從132Mt/mon下降至20.4Mt/mon。在三峽大壩蓄水前,宜昌和大同的累積輸沙量與排水量均呈線性增長;三峽大壩蓄水后,兩個站點(diǎn)的累積輸沙量與排水量均處于平緩趨勢。

2)1986年,長江上游水土保持工程開始后,泥沙流量開始下降;在2019年,因水量減少導(dǎo)致泥沙流量下降132Mt。在2002-2003年三峽大壩蓄水前,清溪場和宜昌之間的河道基本沒有凈侵蝕或沉積;三峽水庫蓄水后,2003-2019年截留泥沙平均每年為118Mt,泥沙截留主要發(fā)生在6-9月份。

3)在2000年之前,長江支流河道泥沙在6-9月份沉積,在其它低流量月份河道被侵蝕。其中,宜昌下游的沉積在2001年迅速下降至18Mt,然后在2002年逆轉(zhuǎn)為凈侵蝕(-55.2Mt/y),侵蝕發(fā)生在12個月中的10月,在沉積到侵蝕的轉(zhuǎn)變中,長江支流上的人類活動發(fā)揮了關(guān)鍵作用。