水库蓄水对流域输沙量特征研究

高 层

(恩施州车坝河水利工程管理处,湖北 恩施 445000)

1 概 述

由于大坝建设以及为满足水资源需求而进行的调水,使得河流系统发生了越来越多的变化。人类的活动增加了土壤的侵蚀,导致河流输沙量增大,而水库的建设又减少了泥沙的输送。为了探求河流泥沙输送规律,许多学者进行了相关研究。张璠[1]研究了汇流比对长江干流重庆主城河段水流和输沙特性的影响,结果表明,三峡水库蓄水后,重庆主城河段水位抬升、坡降放缓,水流强度和输沙强度均呈减小趋势。姚仕明等[2]对三峡建库前后长江中游河道输沙率变化进行了分析,结果表明,三峡水库蓄水运用后,进入下游河道的泥沙大幅度较少,床沙粒径沿程出现不同程度的粗化。郭文献等[3]对近50年来长江上游泥沙情势变异及影响因素进行了分析,结果表明,长江上游年输沙量呈显著的下降趋势。陈雅飞[4]对近20年来长江干流水沙变化特性进行了研究,结果表明,长江上游梯级水库群建成后,长江干流多年平均径流量基本保持稳定,而年平均输沙量变化率和年平均含沙量变化率却变化显著。陈肖慧等[5]研究了长江输沙量减少对河口典型浅滩断面泥沙输运的影响,结果表明,河流入海泥沙主要向东扩散和向南沿岸输运,余流空间分布控制泥沙净输运趋势,水体高含沙量对泥沙净输移作用显著。黄莹华等[6]对基于模态分解法的长江与两湖水沙特征进行了分析,结果表明,洞庭湖的水沙变化率要远远大于长江和鄱阳湖,其中荆江三口水沙变化率在140%以上。

上述文献针对长江河段水沙变化特性进行了研究,并分析了长江输沙量减少对泥沙输运和湖泊泥沙变化的影响。本文参考以上研究成果,基于《长江泥沙公报》以及长江水利委员会的水沙流量资料,对三峡水库蓄水前后长江流域输沙量特征进行研究,并对长江主干流水沙流量变化、三峡水库(TGR)上游水沙变化、三峡水库内泥沙淤积变化以及下游河道侵蚀变化进行分析。

2 研究区概况

三峡大坝(TGD)于2003年6开始蓄水和拦沙,至2009年三峡大坝全面运行时,三峡水库的蓄水量将达到39.8km3,约为长江年流量的4.56%。在过去的时间里,长江三角洲已经从前积变为回归,其湿地正在消失。

土地利用的变化,其中大部分发生三峡大坝(TGD)建立前。同时,影响了长江流域,尽管输水量变化不大,但在2003年三峡大坝蓄水之前,上游(宜昌站)和下游(大同)的输沙量下降率大于61.2%。三峡大坝(TGD)蓄水前输沙量的下降,主要是由于嘉陵江高含沙量流域修建了支流大坝、重新造林和降水量减少。而三峡大坝(TGD)蓄水后的影响极为明显,在蓄水后的两年内(2003-2004年),宜昌和大同的输沙量分别减少1.96和1.53Mt,强烈的河床冲刷导致了活跃的河道侵蚀。2006年的极端干旱进一步加剧了泥沙输移的下降趋势,当时汛期水位是过去50年来的最低水平,宜昌上游的水量减少约32.4%,沉积物急剧减少至920×104t(仅为1960-1970年代水平的2.4%)。

3 数据来源

在过去的时间里,各地水文站记录了长江的水沙流量。并利用从中游收集的水量数据,重建了自19世纪60年代以来从河流到海洋的长期沉积物通量。本次研究水流量和悬沙流量数据来自《长江泥沙公报》和长江水利委员会。

4 研究结果与分析

4.1 主干流水沙流量随时间变化

在夏季亚洲季风的控制下,长江上游(宜昌)和下游(大同)的水沙流量均呈季节性变化。1990-2001年,宜昌和大同72%以上的排水发生在夏季(5-10月份),平均峰值出现在7月份,见图1。在过去11年中,两个站点的排水量变化不大,见图2;峰值流量分别为96和156km3/m,见图3。2003年6月,三峡水库(TGR)中约11.8km3的蓄水对两个站点的排水影响相对较小。2003年8月,宜昌的排水量明显减少(图1)。由于当时三峡水库未蓄水,此下降情况可能与降水减少有关。

图1 长江上游和下游月水沙流量

图2 长江上游和下游年水沙流量

自1990年以来,两个站点的输沙量都急剧下降(图2)。宜昌月最大输沙量从1990-2001年的1.92Mt/mon下降至2019年的8.4Mt/mon;同期,大同洪峰输沙量也从132Mt/mon下降至20.4Mt/mon(图1、图2)。宜昌的泥沙减少幅度大于大同,主要归因于三峡大坝(TGD)下游河道侵蚀的补充。但这两个站点的洪峰流量时间从2001年之前的7月份转移到2002、2004、2005-2019年的8或9月份。

4.2 主干流累积流量变化

宜昌和大同的累积输沙量与水量(1995-2019年)曲线图均呈阶梯趋势,夏季相当陡峭,冬季则平缓(图3)。宜昌的曲线在2001-2002年开始轻微弯曲,2003年6月蓄水后变得非常平坦。相比之下,大同的曲线变化更为平缓,三峡大坝(TGD)蓄水的影响相对较小(图3)。由于曲线斜率表示含沙量,宜昌夏季含沙量远高于冬季,2003年6月后含沙量迅速下降。

图3 长江上游和下游月累积水沙流量

4.3 三峡水库(TGR)上游水沙变化

宜昌和大同的变化,实际上反映了长江流域干支流的变化。因此,本文对水沙流量变化的讨论,将集中在从上游到下游的过渡,分别是三峡水库(TGR)的上游、内部和下游。

2006年,长江上游发生极端干旱,汛期水位为50年来最低,这种情况被称为“汛期无洪水”。清溪场(三峡水库TGR上游)的年排水量达到过去半个世纪以来的最低水平(332.6km3/y),比1970-2005年的排水量平均值458.3km3/y低约27.5%,见图4。

图4 清溪站年排水量和输沙量关系

1986年开始长江上游水土保持工程,2003年三峡第一次蓄水,清溪场的水沙关系图可分为3个时期:1970-1985、1986-2002和2003-2019年。1986年泥沙流量开始下降,2019年达到最低水平(图4)。根据2003-2019年的水位曲线,2019年的水量减少导致泥沙流量下降132Mt。

4.4 三峡水库(TGR)内泥沙淤积变化

全长600km的三峡大坝位于长江上游,自2003年蓄水以来,水库内的泥沙淤积量始终保持极高数量。清溪场站和宜昌站位于三峡水库(TGR)的上游和下游,分别用于监测进出水库的沉积物。附近的小型河流的泥沙淤积量高达29.6Mt/y,但三峡水库(TGR)的影响并不显著。在2002和2003年三峡大坝蓄水前,通过清溪场站和宜昌站两个站点的输沙量相似,表明清溪场和宜昌之间的河道几乎没有净侵蚀或沉积。而三峡水库蓄水后,2003年截留沉积物148.8Mt,2004年截留沉积物122.4Mt,2005-2018年截留沉积物年均约181.2Mt,2019年截留沉积物约110.6Mt,平均每年118Mt。

2003-2019年期间,泥沙截留主要发生在6-9月份,其模式与清溪场的泥沙流量相似。三峡水库(TGR)上游的输沙越多,水库内的沉积物就越容易被截留。进入三峡水库(TGR)的月输沙量与三峡水库(TGR)中的截留泥沙相关,见图5。根据图5中直线的斜率,进入三峡水库(TGR)的沉积物约有50%被截留,2015年7月的最高截留量(71.8Mt)与经过清溪场的最高输沙量(106.4Mt)相对应。

图5 三峡水库悬浮泥沙流量与截留泥沙量的关系

在三峡水库(TGR)内部,沉积物主要聚集在谷线附近,并在三峡大坝(TGD)附近变得更厚,最大堆积厚度(63.4m)出现在三峡大坝(TGD)上游6km处。而2003年8月,清溪场和宜昌的输沙量都异常低于前几个月和后几个月。由于三峡水库(TGR)当时的蓄水量并不显著,这可能与三峡水库(TGR)上游的排水量减少有关(图1)和降水量减少有关,降水量减少向下游传播到宜昌。

4.5 三峡水库(TGR)下游河道侵蚀变化

三峡水库(TGR)蓄水的另一个显著变化是三峡大坝(TGD)下游的河道侵蚀,这在中下游泥沙转移中起着关键作用。在宜昌和大同之间1 140km的河段上,由于河道淤积和改造,长江通过连接洞庭湖的几个通道损失了部分沉积物,但从鄱阳湖和汉江交汇的支流中获得大量沉积物。在2000年之前,该河段的泥沙运输表现出极端的季节变化,泥沙在高流量月份(6-9月份)沉积,但随后在低流量月份被侵蚀,见图6;宜昌和大同之间的净沉积平均为57.6Mt/y,见表1。宜昌下游的沉积在2001年迅速下降至18Mt,然后在2002年逆转为净侵蚀(-55.2Mt/y)(表1),侵蚀发生在12个月中的10月(图6)。2002年,大同的输沙量首次超过宜昌(表1)。由于以上变化发生在三峡大坝(TGD)蓄水之前,由此可知,长江支流上的人类活动(如筑坝和植树造林)在以上沉积到侵蚀的转变中发挥了关键作用。

图6 宜昌和大同间河道沉积和侵蚀变化

表1 长江中下游泥沙收支 /Mt·y-1

2003年蓄水后,2003和2019年的每个月都会发生河道侵蚀,2004-2015年的大多数月都会出现河道侵蚀(图3),这归因于三峡水库(TGR)的泄水,沉积物浓度急剧降低。2003-2019年,宜昌和大同之间平均侵蚀了约84Mt/y的沉积物,主要反映了夏季从沉积到侵蚀的突变(图6)。

河道侵蚀主要发生在三峡大坝(TGD)(宜昌至汉口)正下游630km处,但在汉口至大同的下游逐渐减少(图2和图6、表1)。由于河道侵蚀沉积物通常比悬浮沉积物粗,2015年中值粒径从宜昌的8μm增加至汉口下游的15μm。

5 结 论

本文基于《长江泥沙公报》以及长江水利委员会的水沙流量资料,对三峡水库蓄水前后长江流域输沙量特征进行了研究,并对长江主干流水沙流量变化、三峡水库(TGR)上游水沙变化、三峡水库内泥沙淤积变化以及下游河道侵蚀变化进行了分析。结论如下:

1)从1990年后,宜昌和大同两个站点的输沙量均急剧下降。宜昌月最大输沙量从1990-2001年的1.92Mt/mon下降至2019年的8.4Mt/mon;同期,大同洪峰输沙量从132Mt/mon下降至20.4Mt/mon。在三峡大坝蓄水前,宜昌和大同的累积输沙量与排水量均呈线性增长;三峡大坝蓄水后,两个站点的累积输沙量与排水量均处于平缓趋势。

2)1986年,长江上游水土保持工程开始后,泥沙流量开始下降;在2019年,因水量减少导致泥沙流量下降132Mt。在2002-2003年三峡大坝蓄水前,清溪场和宜昌之间的河道基本没有净侵蚀或沉积;三峡水库蓄水后,2003-2019年截留泥沙平均每年为118Mt,泥沙截留主要发生在6-9月份。

3)在2000年之前,长江支流河道泥沙在6-9月份沉积,在其它低流量月份河道被侵蚀。其中,宜昌下游的沉积在2001年迅速下降至18Mt,然后在2002年逆转为净侵蚀(-55.2Mt/y),侵蚀发生在12个月中的10月,在沉积到侵蚀的转变中,长江支流上的人类活动发挥了关键作用。