三峡水库干流消落带泥沙沉积影响因素

王彬俨， 文安邦， 严冬春

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,610041,成都; 2.中国科学院大学,100049,北京)



三峡水库干流消落带泥沙沉积影响因素

王彬俨1,2， 文安邦1†， 严冬春1

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,610041,成都; 2.中国科学院大学,100049,北京)

摘要：为揭示三峡水库消落带不同自然环境因素对泥沙沉积过程的影响及判别人类活动的干扰程度，采用原位观测方法，对三峡水库干流消落带的泥沙沉积量及其潜在影响因素(消落带微地形、河流水文泥沙条件、消落带土壤侵蚀、消落带植被状况和人类活动)展开调查、分析和量化测算，并利用典型相关分析和方差分析，研究不同因素对泥沙沉积量的影响。结果表明：1)库尾江津—涪陵河段以人类活动的影响最为剧烈，自然环境因素与泥沙沉积量均无显著关系。2)库中涪陵—奉节河段以消落带地形特征中的坡度和高程影响较为明显，二者与泥沙沉积量的相关程度分别为-0.508和-0.714；坡度越小，泥沙沉积越多；高程越低，消落带被含沙水流淹没的时间越长，泥沙沉积量也越多。3)库首奉节-秭归段则以坡度的影响为主，其与泥沙沉积量的相关程度为-0.517，坡度越小，泥沙沉积越多，不同高程间的泥沙沉积量并无太大差异。研究说明，三峡水库干流消落带泥沙沉积影响因素主要包括消落带坡度、高程、河流水沙条件和人类活动4种，植被盖度对消落带泥沙沉积过程没有影响，4种因素的影响范围存在较明显的空间变异性。

关键词：沉积泥沙； 影响因素； 消落带； 微地形； 河流水沙条件； 土壤侵蚀； 人类活动； 三峡水库

消落带是指位于陆地生态系统与水体之间、容易受到水位涨落影响的各种地貌单元的总和[1-2]，在本质上属于水陆生态交错带，是一种特殊而独立的湿地生态系统，具有水域和陆地双重属性[3-4]。根据生态交错带理论[5-6], 水陆生态系统随季节变化交替控制消落带的生态环境，导致消落带对外部应力变化极为敏感，具有生态脆弱性特征；同时，水陆生态系统的物种在消落带上共存，会提高消落带的生物多样性特征。泥沙沉积过程是消落带生态系统中至关重要的环节之一，其重要性主要体现在3方面：第一，直接决定河岸区域的地貌特征，包括河流阶地、河漫滩、分汊河道和台地都是河流泥沙发生侵蚀、搬运和沉积而形成的地貌形态[7-9]；第二，泥沙沉积过程在生物与地球化学循环中具有重要作用，特别是河岸生态系统的有机质与养分循环[10-11], 微量元素循环[12]和农业污染物扩散与吸附[13]；第三，泥沙沉积过程对消落带生物群落存在显著影响，上游植被种子随悬移质泥沙在消落带上发生沉积并萌发，提高消落带的植物多样性，但又导致本地底栖动植物的生境遭到破坏[14-16]。因此，消落带泥沙沉积现象的研究对于深入了解河岸生态系统具有十分重要的意义。

消落带泥沙沉积过程受许多因素影响：消落带微地形、河流水文泥沙条件、消落带土壤侵蚀和消落带植被状况都会加剧或阻碍消落带泥沙沉积[10,17-18]；然而，针对三峡水库消落带展开的相关研究目前仅涉及消落带土壤侵蚀，其余3类因素在本研究区影响作用的大小并不明确：因此，对三峡水库干流消落带的沉积泥沙进行观测，定量分析不同因素对泥沙沉积过程影响作用的大小，以明确三峡水库干流消落带的重点泥沙沉积区，为水土保持与泥沙治理工作提供参考。

1研究区概况

三峡工程建成并蓄水至175 m水位运行后，由三峡大坝(Three Gorges Dam，TGD)经万州至重庆主城全长约660 km的河段形成的狭长型水域即为三峡水库。水库总库容为393亿m3，防洪库容为221亿m3，水面面积1 084 km2。三峡水库位于长江上游四川盆地东部，地理坐标为E 105°11′～110°38′, N 28°10′～31°13′。库区属中亚热带季风性湿润气候，年均降水量1 120 mm；年平均气温16.3～18.2 ℃，高温时间多；无霜期300～340 d；日照时间偏少，大部分地区年日照时间为1 200～1 600 h。

根据三峡水库水位运行调度安排，每年10月末水库蓄水至高水位175 m并持续运行数月以满足发电需求，每年6月初回落至防洪低水位145 m以满足防洪需求，从而形成垂直落差达到30 m的水库消落带。受此影响，消落带的自然环境发生巨大变化，泥沙在消落带上的大量沉积，使得萌芽能力强的草本植物迅速在自然消落带中占据绝对优势，其中又以一年生草本植物为主；土壤理化特征：土壤密度、含水量、pH值、有机质、总氮和总磷等指标，在同一位置消落带高程H=146 m和H=160 m之间已表现出显著差异。

三峡水库消落带总面积344.24 km2。其中：高程在145～155、155～165和165～175 m的消落带面积分别占总面积24.58%、33.41%和42.02%；库区中部涪陵—奉节河段占水库河道总长约50%，形成的消落带面积占库区总量约68%，成为水库消落带分布较为集中的区域。库区坡度≤15°的消落带面积为209.8 km2，占总面积的60.94%；坡度在15°～25°之间的消落带面积为63.9 km2，占总面积的18.56%。由此可见，三峡水库中坡度≤25°的消落带占绝大多数。

2研究方法

2.1采样点选择与采样

根据长江三峡水库河道的形态与流向特征，选择具有不同高程、坡度、植被等下垫面特征的采样点或调查点共52处图1。其中：长江左岸28处、右岸24处；高程中位数为158 m；坡度中位数为11.5°；植被盖度中位数为30%。采样时间为2015年7月14—27日，采样时三峡水库位于防洪低水位(145 m)，干流消落带几乎全部露出水面。

图1　三峡水库干流消落带采样点分布图Fig.1　Sampling sites in riparian zone of Three Gorges Reservoir

在每一采样点挖取沉积泥沙剖面，使用100 cm3环刀对各剖面实施分层、连续采样，每层进行1次重复采样。随后将采集的样品带回实验室烘干、研磨，去除其中的植物根系与粒径>2 mm[19]的砾石，称取沉积泥沙质量。根据标准环刀(高5 cm、截面积20 cm2)的特点，结合密度基本公式，计算得到采样点每一层的泥沙沉积量，并进一步计算得到各采样点的泥沙沉积总厚度和单位面积总质量。

2.2数据获取

消落带泥沙沉积过程的4类潜在影响因素为消落带微地形、河流水文泥沙条件、消落带土壤侵蚀和消落带植被状况。其中，三峡水库干流消落带土壤侵蚀对泥沙沉积过程的影响[20]已验证：消落带土壤侵蚀以涌浪侵蚀为主，涌浪造成的侵蚀量占消落带侵蚀总量的70%以上，受此影响，水位停留时间越长，涌浪侵蚀越剧烈，所造成的沉积泥沙再次起动也就越多，沉积泥沙的剥离量也就越大。因此，本研究将不再对该因素进行分析，而着重研究消落带微地形、河流水文泥沙条件和消落带植被状况对三峡水库干流消落带的影响。此外，人类活动可能同样对消落带泥沙沉积过程存在影响；但该因素难以量化，因此，只对该因素作合理分析，不进行数值统计。

采用GPS(Magellan Triton 500)获取采样点坐标与高程；采用坡度仪(Tajima SLT-100)获取采样点坡度；根据研究区地图学信息获取采样点的坡向、坡度和距三峡大坝里程(沿江)信息；根据长江三峡集团公司提供的水情信息，计算自2006年10月首次到达145 m水位至2015年7月期间各高程的水流淹没时间。各采样点具体信息如表1所示。

2.3数据处理

统计方法采用SPSS 22.0软件中的回归分析模块，对数据进行线性回归分析，必要的时候进行控制变量条件下的偏相关分析或方差分析，判断不同影响因素与泥沙沉积量的相关关系及其相关程度，确定三峡水库干流消落带泥沙沉积的主要影响因素。

3结果与分析

3.1消落带微地形对消落带泥沙沉积的影响

3.1.1坡度坡度是影响泥沙沉积过程的重要因子之一，传统研究[21]认为：坡度越大，越有利于侵蚀，泥沙沉积量越小；坡度越小，越有利于沉积，相应的侵蚀量也越低。然而，这些针对侵蚀和沉积坡度特征的研究大多集中于坡面土壤侵蚀和河床泥沙淤积过程，对于消落带这一特殊生态环境区域的研究仍未见报道。回归分析表明：三峡水库干流消落带坡度与泥沙沉积量之间呈显著负相关关系(R=-0.336，P=0.015<0.05)(图2(a))。

坡度与泥沙沉积的关系同时还表现出比较明显的空间变异特征(图2(b))。第一，在三峡水库库首(沿主河道距离三峡大坝250 km以内)的消落带区域，泥沙沉积主要发生在坡度<15°的区域，而库中和库尾的泥沙沉积则主要发生在坡度<25°的区域。现场调查发现，造成这一结果的原因很可能是坡度连续性特征存在差异。库尾和库中的消落带以缓坡地为主，通常连续性较好且分布比较集中，坡面径流流速大多比较稳定；但库首消落带以中陡坡为主、缓坡地面积小且在坡面上呈散点状分布，使从缓坡地上部而来的径流具有较大水流动能，容易对已形成沉积的泥沙造成一定冲刷，使坡度在15°～25°之间的消落带区域难以观测到足量沉积泥沙，甚至还可能发生侵蚀。第二，典型相关分析结果表明：在涪陵(南沱镇)—秭归河段，消落带坡度与泥沙沉积量之间存在极显著负相关关系(R=-0.508，P=0.001<0.01)；但在巴南(珞璜镇)—涪陵(蔺市镇)河段，消落带坡度与泥沙沉积量之间关系不显著(R=0.140，P=0.648>0.05)。这表明，在三峡水库常年库区，坡度因子是泥沙沉积过程的主要影响因子之一；而在水库的变动回水区，其他因子掌控泥沙沉积过程，坡度因子对泥沙沉积过程的影响相对较小。

3.1.2高程在土壤侵蚀与河流泥沙动力学理论中，高程不是泥沙淤积过程的主要影响因素，但在消落带区域，这一论断尚未予以验证。回归分析表明，高程与泥沙沉积量之间呈显著负相关关系，R=-0.312，P=0.024<0.05，二者关系的散点分布情况如图3(a)所示。

与坡度类似，高程对泥沙沉积的影响同样存在较明显的空间变异特征(图3(b))。第一，水库常年库区消落带的泥沙净沉积主要发生在高程H<165 m的区域；但水库变动回水区消落带的泥沙净沉积能够继续向上分布，发生在H=165～175 m高程区域。

图3　高程与泥沙沉积量的关系(a)及其空间变化(b)Fig.3　Relationship between height and deposited sediment amount (a) and its spatial variability (b)

对巴南(珞璜镇)及其附近河道进行的现场调查和农户访谈结果显示：这是由于水库变动回水区的河道本身地势较高，且距离三峡大坝较远，受大坝对水流的阻滞作用影响很小，当上游洪水进入这一区域时，干流水位急速上涨淹没河岸，为泥沙沉积创造了较好的条件。第二，典型相关分析结果显示，在巴南(珞璜镇)—长寿和巴东—秭归河段，消落带高程与泥沙沉积量之间关系不显著，R均为0.236，P分别为0.574和0.148，均>0.05；但在水库中部的涪陵(蔺市镇)—巫山河段，消落带高程与泥沙沉积量之间呈极显著负相关关系(R=-0.592，P=0.001<0.01)，其中，又以涪陵(蔺市镇)—万州河段最为突出(R=-0.714，P=0.000<0.01)。这表明，在三峡水库中部，消落带高程越高，泥沙沉积量越低。受三峡水库水位周期性涨落的影响，不同高程消落带被含沙水流淹没的时间是不同的，以H=148 m和H=168 m为例，前者平均每年有超过10个月(317.75 d)被含沙水流淹没，为泥沙沉积提供丰富的物源，而后者平均每年被含沙水流淹没的时间不足5个月(137.75 d)，未及前者的1/2，不能获得足量的泥沙物源，导致泥沙沉积量显著减少。

3.1.3坡向坡向一般不会对土壤侵蚀与泥沙沉积过程产生直接影响；但由于不同坡向的光热条件存在较大差异，导致阴坡和阳坡的植被类型与土地利用方式等特征产生一定分异，并进一步形成有差别的地表自然地理特征，影响土壤侵蚀与泥沙沉积过程[22]。

由于长江为东西走向且位于北半球，因此三峡库区的坡向可自然分为北岸阳坡、南岸阴坡。方差分析结果显示，三峡水库干流消落带北岸和南岸泥沙沉积量的组间差异不显著(P=0.896>0.05)，表明坡向对三峡水库干流消落带泥沙沉积不存在影响。

3.2河流水沙条件对消落带泥沙沉积的影响

含沙水流为消落带泥沙沉积提供丰富的物源；因此，消落带被水流淹没的时间越长，就越有利于泥沙沉积。结果表明，在三峡水库干流消落带，水流淹没时间与泥沙沉积量之间关系呈显著正相关关系(R=0.323，P=0.019<0.05)，二者关系的散点分布情况如图4(a)所示。

水淹时间对泥沙沉积的影响存在一定的空间变异特征(图4(b))。回归分析结果显示，在巴南(珞璜镇)—长寿河段和巴东—秭归河段，水淹时间与泥沙沉积量之间的关系不显著，R分别为0.016和0.406，P分别为0.969和0.150，均>0.05；而对于涪陵(蔺市镇)—巫山河段，水淹时间与泥沙沉积量呈极显著正相关关系(R=0.605，P=0.000<0.01)，其中又以涪陵(蔺市镇)-万州河段最为突出，二者呈极显著正相关关系(R=0.724，P=0.000<0.01)。这表明，三峡水库中部河段消落带受到水库运行调度的影响，水流淹没时间越长则泥沙沉积量越大。另一方面，三峡水库江面宽度以500～1 000 m为主，但涪陵(蔺市镇)—万州段江面宽度大多在1 000～1 500 m，明显高于水库其他河段，使得该河段水流流速缓慢，水淹对消落带泥沙沉积的影响更为突出。

图4　水流淹没时间与泥沙沉积量的关系(a)及其空间变化(b)Fig.4　Relationship between inundating duration and deposited sediment amount (a) and its spatial variability (b)

为明确消落带高程对泥沙沉积的影响机制，以水淹时间为控制变量，以涪陵(蔺市镇)—巫山河段为研究对象，对高程与泥沙沉积量进行偏相关分析。结果表明，在消除水淹时间带来的影响后，高程与沉积泥沙量之间关系不显著(R=0.172，P=0.371>0.05)，说明在水库中部河段，消落带高程对沉积泥沙的影响作用主要是由于水淹时间不同造成的。

3.3消落带植被状况对消落带泥沙沉积的影响

植被覆盖能够增加地表粗糙程度、提高水流的前行阻力，导致水流紊动扩散系数减小、水流挟沙能力降低，有利于悬移质泥沙发生沉积，并阻止水流对地表的冲刷作用[23-24]。回归分析显示，在三峡水库干流消落带，植被盖度与泥沙沉积量之间关系不显著(R=-0.197，P=0.161>0.05)。

结果显示：植被盖度与泥沙沉积量之间的关系在任意河段都没有表现出显著相关性，植被覆盖对泥沙沉积的影响不存在空间变异特征。自三峡水库蓄水之后，受水位周期性涨落影响，消落带植被特征逐渐演变为以萌芽能力强的非耐水性草本植物为主[25]，在冬季水位上升之后，受水淹和泥沙沉积覆盖的双重影响，消落带植物大量死亡，这导致在消落带泥沙沉积过程中，水地界面并没有生长足够的植被对泥沙沉积作用造成影响。换言之，在消落带露出水面时泥沙表面生长的植被或许在泥沙沉积过程中并未生长起来，也就无法对该过程造成影响。

3.4人类活动对消落带泥沙沉积的影响

就目前分析结果而言，坡度、高程和水流淹没时间对库尾变动回水区江津—长寿段消落带的泥沙沉积过程均不存在显著影响，这说明该过程存在其他主控因素。

现场调查与农户调研发现，自江津—巴南钓鱼嘴河段，沿江采石挖沙活动活跃，水泥厂、造纸厂沿河道密集分布，导致金沙江入库的沉积泥沙被大量搬移；而巴南钓鱼嘴途径重庆主城至长寿河段，存在大量护岸工程和港口建设等一系列河岸硬化工程建设，护岸工程多以垂直护岸为主，这使得悬移质泥沙失去在消落带上的沉积条件，而港口附近会实施定期清淤，使得消落带上的已沉积泥沙再次启动随水流向下游输移。受这些人为因素的干扰，消落带泥沙沉积过程表现出无自然规律可循的特征。由此可判断，人类活动是三峡水库末端江津—长寿河段消落带泥沙沉积的主控因素。

4结论

三峡水库干流消落带泥沙沉积影响因素主要包括坡度、高程、水淹时间和人类活动，其中，坡度和高程属于消落带地形特征，水淹时间属于河流水沙条件。

4种因素的影响范围存在较明显的空间变异性：在库尾江津—涪陵河段，自然环境因素与泥沙沉积量均无显著关系，相关程度绝对值均<0.4，显著性均>0.1，而调查发现人类活动存在剧烈影响；库中涪陵—奉节河段以消落带地形特征中的坡度和高程影响较为明显，二者与泥沙沉积量的相关程度分别为-0.508和-0.714，坡度越小、泥沙沉积越多，高程与泥沙沉积量之间负相关关系的形成原因是含沙水流对不同高程消落带的淹没时间存在差异，高程越低，被水流淹没的时间越长，泥沙沉积量也就越多；库首奉节—秭归段则以坡度的影响为主，其与泥沙沉积量的相关程度为-0.517，坡度越小、泥沙沉积越多，不同高程间的泥沙沉积量并无太大差异。

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(责任编辑：程云郭雪芳)

Factors influencing sedimentation in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir, China

Wang Binyan1, 2, Wen Anbang1, Yan Dongchun1

(1.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, 610041, Chengdu, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China)

Abstract:[Background] Various factors may affect the sedimentation and erosion process in riparian zone, including terrain, sediment transport, water level fluctuations and human activity. [Methods] In order to reveal the influence of these environmental factors and the disturbance of human activity on the sediment deposition process in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir, using in-situ observations, canonical correlation analysis, partial correlation analysis and variance analysis, this study investigated the amount of deposited sediment under different environmental conditions and the potential factors affecting sediment deposition in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir and the relationship between them, including microtopography, hydro-sediment conditions of the river, soil erosion, vegetation condition and human activity. [Results] Results showed that human activity was the main controlling factor in the upper reach from Jiangjin to Fuling, including gravel dredging, bank revetment and ports and wharfs constructing which disturbed considerable amounts of deposited sediment due to regular sediment cleaning, as a result, there was no natural law to dictate the distribution. Slope gradient and elevation being part of terrain features were the main controlling factors in the middle reach from Fuling to Fengjie with correlation coefficient of -0.508 and -0.714 respectively, and the amount of sediment deposition was greater in areas with a gentler slope or lower elevation. However, the influence of elevation on sedimentation played its role with the conducting of inundating duration which was a result of hydrologic regime controlled by the operating strategy of the Three Gorges Reservoir, since sites with lower elevations would be drowned by sediment-laden flow with a longer duration, leading to a larger amount of sediment deposition. Slope gradient also was a primary factor, particularly affecting the sedimentation in the lower reach from Fengjie to Zigui with correlation coefficient of -0.517. The amount of deposited sediment was greater in the areas with a gentler slope but there was no difference between sampling points with different elevations but similar slopes. Because the slopes in this area were much steeper than other sections and the kinetic energy and velocity of the overland flow were much higher, making it difficult to deposit. [Conclusions] This study found that slope gradient, elevation, hydro-sediment conditions of the river and human activity were the main factors that influenced sedimentation in the riparian zone of the Three Gorges Reservoir, while vegetation condition had no effect on sedimentation. Moreover, the four factors influenced a section of the river channel respectively instead of the entire channel in the reservoir, which represented obvious spatial variability.

Keywords:deposited sediment; influence factors; riparian zone; micro-topography; hydro-sediment conditions; soil erosion; human activity; Three Gorges Reservoir

收稿日期：2015-09-30修回日期： 2016-01-07

第一作者简介：王彬俨(1988—)，男，博士研究生。主要研究方向：水土保持与泥沙淤积。E-mail：wangbinyan_1123@126.com †通信 文安邦(1964—)，男，研究员，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：wabang@imde.ac.cn

中图分类号：TV145+.1

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2016)01-0012-09

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.002

项目名称： 中国科学院科技服务网络计划项目“三峡水库沉积物内源释放通量及其环境效应”(KFJ-EW-STS-008)，“三峡库区生态清洁小流域建设技术体系试验示范”(KFJ-SW-STS-175)； 国家自然科学重点基金“三峡库区支流消落带土- 水界面磷素迁移过程与通量”(41430750)