三峡工程蓄水前后监利站水沙变化分析

刘鹏飞，李一兵

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点试验室，天津 300456）

三峡工程蓄水前后监利站水沙变化分析

刘鹏飞，李一兵

（交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点试验室，天津 300456）

随着三峡水库的蓄水运用，清水下泄使坝下游河床受到不同程度的冲刷，江湖关系发生改变，引起水沙特性的改变。对收集到的三峡蓄水前后监利站实测水沙资料进行分析，结果表明：三峡蓄水运用后监利站年平均流量减小，年内汛期流量削减，枯季流量增大，其中主汛期6～9月份平均流量建库后较建库前减少了6%～15%，主汛后10月份和11月份流量减小幅度分别为12%与15%，枯水期1～4月流量平均增幅6%～13.3%，年内流量变幅减小，同流量条件下水位降低。蓄水后监利河段含沙量显著减少，减少率最多达到74.6%。悬沙中值粒径和床沙中值粒径均增大，河床呈粗化趋势。

水沙变化；监利站；荆江河段；三峡工程

Biography：LIU Peng-fei（1985-），male，assistant engineer.

三峡工程的蓄水运用，改变了水库下游河道的来水来沙条件，并在一定程度上引起河势的相应调整，进而对下游河道的防洪、航运等产生一定影响［1］。为此分析研究三峡蓄水运用后水库下游的水沙特性具有重要意义。

监利河段位于长江中游荆江河段的下段，该河段历史上洪灾频繁，河道演变剧烈，是长江防洪、航运的重点关注河段。黄莉、蔺秋生［2］通过对该段监利站水沙资料分析认为，该河段年径流量变化过程和年输沙量变化过程呈不规则性周期变化，监利站水沙变化除了受长江上游来水来沙变化的影响外，下荆江裁弯工程、荆江口分流分沙变化及三峡工程等水利枢纽的建设均是主要影响因素。而对于该河段在三峡运用后水沙变化的具体情况，前人文献中论述尚不充分。文章通过对比三峡蓄水运用前后监利站实测水沙资料，分析监利河段流量、水位、含沙量、泥沙级配等各种水沙变化趋势和变化幅度，以研究三峡工程的运用对该河段的影响。

1 测站基本情况

监利水文站为监利河段水沙特征的代表站，监利站的来水来沙变化规律很大程度上反映了该河段的水沙特性。该站地处长江中下游，距长江口约1 532.5 km，距三峡大坝约353 km，测验河段长约2.5 km。左岸为大堤外坡，河床为沙质，中高水有淤积，断面为复式，低水江中有沙洲，右岸有高滩。每年5～10月为汛期，径流量年内分配不均匀。

2 蓄水前后流量变化

根据收集到的资料，分析建库前后监利年平均流量及年内分配。考虑到其间有几次大型的人类活动，以葛洲坝的运用时间为节点，建库前取1981～2002年（缺2001年）的流量资料与建库后进行对比分析。为说明三峡工程的调蓄作用，将位于库区的万县站水文资料与监利站资料进行对比分析，比较入库流量和监利流量的变化。三峡蓄水前后监利站多年年内流量分配对比见表1。

表1 三峡蓄水前后监利站多年年内流量分配对比Tab.1 Comparison of flow distribution at Jianli station before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

1981～2002年多年平均流量12 176 m3/s，历年最大流量46 300 m3/s，历年最小流量3 650 m3/s。对比建库前后监利站流量变化，可以看出建库后监利站年平均流量变小，为11 251 m3/s，比建库前减少7.6%，年内流量分配规律有所变化。建库前汛期流量占总流量的75%，建库后为73.2%，在主汛期6～9月份月平均流量建库后较建库前减少了6%～15%。其中7月份减少了3 528 m3/s，8月份减少了3 198 m3/s。相应地枯季流量有所增加，一般主汛前（1～4月）偏大，主汛后（10～12月）偏小。1～4月流量平均增幅在6%～13.3%，如3月份平均流量增加了642 m3/s，增幅为13.3%。10月份和11月份流量减小幅度分别为12%与15%，10月份减少了2 348 m3/s，减小量较大，12月份基本不变。对比分析建库后万县流量过程和监利站流量过程，可以看出1～5月份、11～12月份监利站流量比入库流量增大，6～10月份流量减小，说明三峡水库的运用起到了加大枯水流量，拦蓄洪水的作用。

选取三峡蓄水前后典型水文年，分析年内流量变幅［3］的变化（最大流量与最小流量之比），见表2。由表2可以看出，三峡水库运用后，监利河段各典型年内流量变幅总体变小，说明该河段流量年内分配趋于均匀化。其中2006年为长江枯水少沙年份，监利站流量、输沙量均为历史最低值，流量变幅偏小。

表2 蓄水前后监利站年内流量变幅Tab.2 Amplitude of flow before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

3 蓄水前后水位流量关系变化

由监利站2002～2007年水位流量相关资料，拟合水位流量关系曲线［4］（图1）。

从图1可以看出：三峡蓄水后监利站同流量条件下水位下降，水位下降值随流量不同而不同，大流量条件下水位降幅小于中水、枯水流量下的水位降幅。2002～2007年实测数据表明，流量在1万m3/s以下时，监利站水位下降约0.4 m，流量为2万m3/s时，水位下降约0.12 m，流量为4万m3/s以上水位变化不大。水位降落是由河床冲刷所引起的，冲刷自上而下发展，由于监利河段距三峡大坝较远，水位降落幅度有限。从图1还可以看出三峡蓄水运用后2005、2006、2007年流量水位关系曲线趋于接近，说明经过多年的持续冲刷，河床冲深速率减缓，水位流量关系趋于平稳。水位下降会带来两种后果，一是凹岸水流冲击部位在垂线上下移，对岸坡稳定造成更大威胁；二是凸岸边滩相对升高，使水流漫滩机会减少，洲滩的淤积机会减少，从而对河道中洲滩冲淤变化产生影响［5-6］。

图1 监利站多年水位流量关系图Fig.1 Stage discharge relation of several years at Jianli station

4 蓄水前后含沙量变化

三峡蓄水运用后，坝下游水沙关系发生明显变化。主要表现为同流量下来沙量减小。根据三峡水库蓄水运用以来下游河道观测资料分析，三峡水库运用初期，上游来沙60%被拦蓄在库内［7］。上游来沙中的大量推移质以及悬移质中较粗的部分拦在库内，排往库外的则主要是悬移质中较细的部分，同流量下出库含沙量显著减小，下泄水流挟沙处于次饱和状态。分析监利站蓄水前后年平均含沙量变化（表3），2002年平均含沙量为0.564 kg/m3，三峡蓄水以后含沙量大幅降低，呈逐年递减的趋势。2006年为枯水年，平均含沙量降低至0.143 kg/m3。2007年平均含沙量恢复至0.179 kg/m3。

表3 监利站蓄水前后年平均含沙量变化表Tab.3 Variation of average sediment concentration before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

根据监利站2002～2007年的含沙量资料，点绘2002～2007年的月平均含沙量过程线，分析监利站建库前后年际与年内含沙量的变化过程（图2）。

从图2可以看出，监利站在三峡蓄水后各月平均含沙量明显低于蓄水前，汛期和枯水期含沙量分配发生改变。蓄水后，河段汛期含沙量占全年比重减少，2002年汛期含沙量占全年的80.7%，2006年降低为68.4%，2007年为77.5%。相应地枯水期含沙量占全年比重增加。

河道流量大小与含沙量呈正相关关系，即所谓大水挟大沙，河段含沙量随流量过程的变化而变化，在蓄水后的丰水年含沙量也会变大。如2005年汛期流量比2004年大10.3%，同期的含沙量较2004年增加了39.1%。2006年为枯水年，年平均流量比2002年减少了22.3%，平均含沙量与2002年相比降低了74.6%，特枯的水情是造成该年份含沙量锐减的重要因素。图2中2003年8月含沙量降低也主要是由流量迅速减小所致。虽然含沙量会随着来流的增大而增大，但一般不会超过蓄水前水平。三峡关闸蓄水导致下泄含沙量显著减小，打破了建库前的输沙动态平衡状态，进而引起下游河床冲刷，在一定程度上影响河床稳定性。

图2 监利站近年来含沙量的年内分配过程Fig.2 Distribution process of sediment concentration before and after impoundment of the Three Gorges Reservoir

5 泥沙级配变化

5.1 悬沙级配变化

表4 监利站悬沙d>0.125 mm粒径级沙重百分数及中值粒径变化表Tab.4 Variation of weight percentage of d>0.125 mm suspended load and median particle diameter

监利站在三峡蓄水运用后悬沙颗粒明显变粗，蓄前中值粒径均值为0.009 mm，2007年为0.056 mm，2008年为0.109 mm。该河段粒径大于0.125 mm的泥沙重量百分数由蓄水前的9.6%增大至2008年的46.8%。为分析监利站悬沙粒径的变化，统计三峡坝下至监利段主要控制水文站粒径大于0.125 mm的悬沙比重沿程变化情况（表5）。由表5可见该粒径范围的泥沙比重沿程显著提高，输移量沿程增加。2008年宜昌—监利段粒径大于0.125 mm的泥沙含量沿程由1.4%增大至46.8%，表明蓄水后荆江河段悬沙补给主要来自河床冲刷，沿程逐渐恢复，这与荆江河床可冲性的物质组成密切相关［8］。值得注意的是2006年中值粒径增大至0.15 mm，大于0.125 mm的泥沙含量增大至57%，这与该年份特殊的水情有关，其中的原因还有待于进一步研究。

表5 三峡水库坝下游主要控制站d>0.125 mm悬沙沙重百分数对比表Tab.5 Comparison of weight percentage of d>0.125 mm suspended load at the lower reaches of the Three Gorges

5.2 床沙级配变化

监利站近年来床沙中值粒径变化见表6。

表6 三峡工程蓄水后监利站床沙中值粒径变化统计表Tab.6 Variation of median particle diameter of bed load at Jianli station after impoundment of the Three Gorges Reservoir

由表6可以看出，床沙中值粒径呈变大的趋势，2002年中值粒径为0.179 mm，2007年为0.198 mm，其中2006年最大，为0.239 mm。表现了水库下游清水冲刷条件下河床的粗化。

6 结论

通过对监利站三峡蓄水运用前后水沙过程对比分析，认为三峡蓄水运用对监利河段水沙条件改变最为显著的是年内流量分配的调整和水流含沙量的减少等。水沙变化具体体现在以下几点：（1）三峡蓄水运用后，监利站年均来流减小，年内枯季流量增大，汛期流量减小，其中主汛期6～9月份平均流量建库后较建库前减少了6%～15%，10月份和11月份流量减小幅度分别为12%与15%。枯水期1～4月流量平均增幅6%～13.3%，年内流量变幅减小。（2）三峡蓄水运用后，监利站同流量条件下水位降低，大流量水位降幅小于中枯流量水位降幅。随着冲刷历时的增加，该站水位流量关系有趋于稳定的趋势。（3）建库后监利河段来流含沙量显著减小，减少率最大达到74.6%，且含沙量呈逐年减小的趋势。（4）悬沙粒径较建库前明显变大，悬沙中值粒径由建库前0.09 mm变为0.109 mm，上游和本河段床沙成为本河段悬沙的主要来源。（5）建库后本河段床沙中值粒径变大，河床呈粗化趋势。

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Analysis on flow and sediment changes at Jianli hydrologic station before and after impoundment of the Three Gorges reservoir

LIU Peng-fei，LI Yi-bing
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment，Ministry of Transport，Tianjin300456，China）

The impoundment of the Three Gorges reservoir and the release of clear water will cause different degrees of erosion in downstream of reservoir，and result in changes of river-lake relation and the characteristics of flow and sediment.According to observed data of Jianli hydrologic station，the changes of flow and sediment condition before and after impoundment of the Three Gorges reservoir were analyzed in this paper.The results show that the mean annual discharge at Jianli hydrological station is reduced.The flow is increased in dry seasons，and reduced in flood seasons after the impoundment of the Three Gorges reservoir.In the main flood season from June to September，the average flow of Jianli station is reduced to 6%～15%after the construction of the Three Gorges reservoir，and the decrease ratio of the flow in October and November is respectively 12%and 15%.The amplification range of the average flow in dry seasons from January to April is 6%～13.3%，and the flow variation of Jianli station is decreased within the year.The water level is lowered under the same flow conditions.The sediment concentration of Jianli station is reduced significantly，and the decrease ratio is up to 74.6%.The particle size of the suspended load and bed load increases，and the river bed is coarsening.

water and sediment variation；Jianli hydrologic station；Jingjiang River；the Three Gorges Project

TV 141

A

1005-8443（2011）06-0408-05

2010-11-30；

2010-12-23

西部交通建设科技项目（2009328224061）

刘鹏飞（1985-），男，山东省人，助理工程师，主要从事航道整治研究。

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