三峡蓄水后宜昌至武汉段新水沙特性研究

杨燕华，张明进，王建军

(交通运输部天津水运工程科学研究院工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456)

三峡蓄水后宜昌至武汉段新水沙特性研究

杨燕华，张明进，王建军

(交通运输部天津水运工程科学研究院工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456)

文章采用Mann-Kendall非参数秩次检验法，分析宜昌站和汉口站来水来沙数据的变化趋势和突变情况，研究三峡工程蓄水运用后宜昌至武汉河段的新水沙特性。结果表明，三峡水库的运行调平了流量过程，使得枯水期缩短，中水期延长；三峡水库开始运用后，两站年输沙量和部分月份月输沙量发生突变，输沙量急剧减少；进入宜昌至武汉河段的泥沙大幅度减少，几乎可以认为是“清水”下泄；出库“清水”从沿程河床获取泥沙后不饱和度降低，输沙量得到一定程度恢复。

三峡蓄水运用；径流量；输沙量；Mann-Kendall检验法；宜汉河段；长江

三峡水库按正常蓄水位175m运行后，水库总库容约430×108m3，上游来沙大部分被拦截淤积在库内，下泄清水或含有非床沙质的浑水。水沙条件的改变破坏了下游河流的平衡，引起下游河道再造床，由此产生含沙量沿程恢复、河床冲刷下切、河岸侵蚀展宽、水位下降等一系列长时间、长距离的变化［1-3］。而长江中游河道则首先响应这种变化，其水文、河床地形等变化更为激烈。

长江中游宜昌至武汉河段（习称宜汉河段）流经富庶的江汉平原，河段位置十分重要，其水沙特性、河道地形及航道条件的变化历来为社会广泛关注。本文根据现有的水文原型观测成果，采用Mann-Kendall非参数秩次检验法，分析宜昌站和汉口站的来水来沙数据，对三峡工程蓄水运用后宜汉河段的新水沙特性进行了分析研究。

1 河段概况

宜昌为长江中游与上游的分界点。宜昌以下，长江由山区进入长江中下游平原，河道也变为冲积性河床。宜昌—汉口河段按照河床地貌特性的不同，可以分为4个河段：（1）宜昌—枝城河段，为单一微弯河段，上段受到基岩山丘和阶地的限制，下端则发育于冲积平原之中。本河段中，河床组成由砾石变为沙质；（2）上荆江河段，为弯曲河段，但局部仍有江心洲发育；（3）下荆江河段，为蜿蜒性弯曲河段，自然裁弯频繁发生；（4）城陵矶—武汉河段，为稳定分汊河段，江心洲十分发育［4］。

宜昌站控制着长江上游1 005 501 km2的流域面积，是宜汉河段的主要洪水来源。宜昌站的水情信息对宜汉河段是非常重要的。汉口水文站位于宜汉河段下游，是长江干流在汉江入汇后水情的基本控制站，控制流域面积为1 488 036 km2。作为下游控制水文站，汉口站可以反映宜汉河段的水沙情况。

2 研究方法介绍

Mann-Kendall检验法由Mann和Kendall(1938,1975)提出，是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，许多学者不断应用Mann-Kendall方法来分析降水、径流和水质等要素时间序列的趋势变化［5-7］。在Mann-Kendall检验中构造检验统计量服从标准正态分布。原假设：序列无趋势变化。采用双边趋势检验，在给定一显著性水平α下，查正态分布表得到临界值，若，接受原假设，即序列无趋势变化；若，拒绝原假设，即表明序列存在一个明显的增长或减少趋势。所有将组成一条随时间变化曲线，如果该曲线落在置信区间内，那么原序列不存在变化趋势，反之，原序列存在显著的变化趋势。将时间序列x按逆序排列，再按上式计算，同时使，如果和两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。

3 宜昌站径流量与输沙量变化趋势、突变分析

3.1 径流量变化趋势及突变分析

从图1宜昌站年流量计算结果可以看到，1950～2008年间宜昌站年径流量整体呈现减少趋势，1960～1962年和1979年出现了短暂的显著减少趋势，其他年份径流量变化趋势微弱。当曲线在波动中到2000～2008年间，曲线保持下降趋势，径流量出现拐点，2006年达到60 a来最小值。年径流量没有发生突变。

3.2 输沙量变化趋势及突变分析

图1 1950～2008年宜昌站径流量变化趋势及突变分析Fig.1 Variation tendency and mutation of runoff at Yichang hydrologic station in 1950～2008

图2-a为宜昌站1950～2008年长系列年年输沙量变化趋势及突变情况，图2-b和2-c分别为1950～1988年和1989～2008年2个短系列年年输沙量变化趋势及突变情况。由图2-a可见，宜昌站年输沙量在1955～1959年、1963～1971年、1982～1987年间呈现微弱增加趋势，其中1963～1971年输沙量增加的时间区段最长，趋势也最明显，而该时间段内的径流量呈现微弱的减少态势，这与1958年大炼钢铁时期对森林的大量砍伐导致流域泥沙流失有很大关系，但之后输沙量开始降低，这是因为长江上游的两大支流嘉陵江与岷江流域在20世纪60年代修建了水库，水库发挥了显著的拦沙作用，使支流的输沙量减少。其他年份年输沙量均减少，其中2001～2008年减少显著，2001年达到95%置信水平，2003年达到99%置信水平，这是由于三峡工程运行后，水库将大量泥沙拦截在库内，下泄的泥沙大幅度减少，使得宜昌站的输沙量大量减少。由图2-b和图2-c可见，宜昌站年输沙量分别在1954、 1959、1982、2003年发生了突变，其中1982年年输沙量突变由葛洲坝水库的运行导致，宜昌站紧邻葛洲坝枢纽下游，20世纪80年代葛洲坝枢纽建成运用后，下游来沙就呈现逐年减少的趋势。2003年以来宜昌年输沙量开始显著减少，水库运行6 a（2003～2008年）后宜昌站年均输沙量为9.084～110.104 Mt，平均值为60.904 Mt，较建库前多年平均值（1950～2002年统计值）491.791 Mt，减少了87.62%。

图2 宜昌站年输沙量变化趋势及突变分析Fig.2 Variation tendency and mutation of annual sediment discharge at Yichang hydrologic station

图3为1989～2008年宜昌站月输沙量的变化趋势和突变情况,由图可见1～9月及11月月输沙量均发生了突变，突变点分别为2004年、2003年、2003年、1998年和2004年、1998年和2003年、2003年、2003年、1998 年和2003年、2005年、2003年。可见，三峡水库的运行直接导致宜昌站输沙量发生突变，月输沙量急剧减少，建库前和建库后1～12月的输沙量平均值分别为0.553、0.288、0.78、4.411、20.906、51.322、154.254、120.973、87.57、34.184、9.693、2.059和 0.069 4、0.050 8、0.063 7、0.158、0.645、2.223、18.953、18.255、18.619、1.563、0.213、0.089 6 Mt，分别减少87.45%、82.36%、91.83%、96.42%、96.91%、95.67%、87.71%、84.91%、78.74%、95.43%、97.8%、95.65%。综上所述，三峡蓄水导致宜昌站的年输沙量和月输沙量急剧减少，几乎可以认为三峡水库运行后为清水下泄。

图3 1989～2008年宜昌站月输沙量变化趋势及突变分析Fig.3 Variation tendency and mutation ofmonthly sediment discharge at Yichang hydrologic station in 1989～2008

4 汉口站径流量与输沙量变化趋势、突变分析

4.1 径流量变化趋势及突变分析

图4 1954～2010年汉口站径流量变化趋势及突变分析Fig.4 Variation tendency and mutation of runoff at Hankou hydrologic station in 1954～2010

三峡工程蓄水后（2003～2010年）汉口站年径流量变化趋势不明显，建库前1954～2002年和建库后2003～2010年的年径流量平均值分别为7 054.687和6 733.41×108m3，但年内各月份的分布有所改变（图4）：1～3月份径流量趋势曲线超出95%临界线，径流量呈现显著增加趋势，建库前1954～2002年和建库后2003～2010年1～3月的径流量平均值分别为220.024、203.334、286.898和259.824、250.241、360.869×108m3，分别增长了15.32%、23.07%、25.78%；4月和12月径流量稍有增长。由此可见三峡水库的运行调节了径流过程，使得枯水期缩短，中水期延长，最小流量增加。此外，5～11月在三峡水库运行后径流量减少；10月份径流量在2008～2010年下降显著，这是因为三峡水库汛末蓄水，水库拦蓄上游来流，下泄流量减少较多所致。其他情况的月径流量表现为微弱减少。建库前、后5～11月的径流量平均值分别为657.178、785.283、1 145.978、994.915、884.44、718.419、447.456和627.232、776.671、1 024.51、946.156、851.504、543.1、394.034×108m3。对于降雨量最多的7～9月，三峡工程蓄水后汉口站径流量分别减少了10.6%、4.9%及3.72%，所以三峡的运行削减了汉口站丰水期的下泄流量，同样使得中水期延长。

图5 汉口站年输沙量变化趋势及突变分析Fig.5 Variation tendency and mutation of annual sediment discharge at Hankou hydrologic station

4.2 输沙量变化趋势及突变分析

图5-a为汉口站1954～2010年长系列年年输沙量变化趋势及突变情况，图5-b和图5-c分别为1954～1993年和1994～2010年2个短系列年年输沙量变化趋势及突变情况。由图5-a可见，1960～1975年、1982～1985年期间年输沙量呈现微弱增加趋势，其他时间年输沙量均为减少趋势，其中1995年达到了95%置信水平，1997年达到99%置信水平。由图5-c可见，汉口站年输沙量在2003年三峡水库运行后发生突变，2003年后曲线几乎呈一斜线没有波动，年输沙量剧烈减少，水库运行8 a（2003～2010年）后汉口站年均输沙量为87.429～173.644 Mt，平均值为118.223 Mt，较建库前多年平均值（1954～2002年统计值）393.427 Mt，减少了69.95%。

由1995～2010年月输沙量的变化趋势（图6）可见，除3月外，其他月份在三峡水库蓄水之后输沙量的下降趋势都达到了95%的显著置信水平，1、4～6、8～12月份达到了99%置信水平，形成十分显著的下降趋势。建库前和建库后1～12月的输沙量平均值分别为3.579、3.02、5.651、13.118、26.239、40.236、91.893、79.652、66.27、40.792、16.416、6.563和1.446、1.817、3.512、4.976、7.618、10.659、21.611、27.36、19.521、6.893、4.177、1.914Mt，分别减少59.6%、39.83%、37.85%、62.07%、70.97%、73.51%、76.48%、65.65%、70.54%、83.1%、74.56%、70.84%。对比宜昌站，可以看出，汉口站三峡水库运行前后年输沙量和月输沙量减少的幅度及趋势比宜昌站小，说明出库“清水”从沿程河床获取泥沙后不饱和度降低，输沙量得到一定程度的恢复。

图6 1994～2010年汉口站月输沙量变化趋势及突变分析Fig.6 Variation tendency andmutation ofmonthly sediment discharge at Hankou hydrologic station in 1994～2010

5 结论

根据对宜昌站和汉口站径流量、输沙量的变化趋势及突变分析，可以总结得到宜汉河段在三峡蓄水运用后的新水沙特点如下：（1）三峡水库蓄水运用后，年径流量变化趋势不明显，但受水库的调蓄作用，年内各月份分布有所改变，各站月径流量变化明显，削减了丰水期下泄流量，调平了流量过程，枯水期流量有所增加，枯水期时间缩短，中水期延长。汉口站年径流量发生了突变，宜昌站年径流量没有突变发生，2个水文站有个别月份的月径流量了发生突变。但就突变发生的时间来看，无论是年径流量还是月径流量的突变都与三峡工程的运行关系甚微。（2）不同于径流量的变化趋势，三峡水库运用后，宜昌站和汉口站输沙率呈显著下降趋势，几乎可以认为三峡水库运行后为清水下泄。各站年输沙量和大部分月输沙量达到99%显著性水平，其中尤以宜昌站减沙最为严重。宜昌站和汉口站年输沙量发生了突变，从突变发生的时间来看，三峡水库对宜昌站和汉口站起到了重要的作用。两站的年输沙量和部分月份的月输沙量在三峡水库开始运用或延后的时间内发生突变，输沙量急剧减少。（3）三峡蓄水运用后，坝下游宜昌站和汉口站输沙量减幅87.62%、69.95%，且减幅沿程递减，说明了水流挟沙的沿程恢复。汉口站输沙量对三峡工程的响应比宜昌站要小得多，不饱和水流从沿程河床获取泥沙后，到达汉口站时沿程的输沙量得到一定程度的恢复。

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唐山港京唐港区20万t级航道工程竣工

2013年6月26 ～28日，河北省交通运输厅组织召开了3个水运建设项目的初设审查和竣工验收会议：黄骅港综合港区、散货港区20万t级航道二期工程初设审查会、唐山港曹妃甸港区文丰通用杂货泊位工程初设审查会以及唐山港京唐港区20万t级航道工程竣工验收会。据悉，已竣工的唐山港京唐港区20万t级航道工程航道长度16.7 km，同时将原10万t级航道配套东西潜堤各向前延伸1 000m并配套建设导助航设施。（殷缶，梅深）

斯里兰卡宣布两大港口为自由港

据报道，斯里兰卡财政部2013年7月31日宣布将国内2个主要港口科伦坡港和汉班托特港设为自由港。斯财政部在一份声明中说，按照相关法案，科伦坡港、南端汉班托特港被列为自由港，同时临近2个港口的2个出口加工区被列为保税区，位于斯最南部的马塔拉-拉贾帕克萨国际机场也被指定为保税区。（殷缶，梅深）

Research on new characteristics of runoff and sediment in Yichang-Wuhan reach of middle Yangtze River after TGR impoundment

YANG Yan-hua,ZHANG M ing-jin,WANG Jian-jun
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The impoundment of the Three Gorges Reservoir(TGR)has changed the characteristics of runoff and sediment at the downstream of the dam.In order to research the new characteristics of runoff and sediment in Yichang-Wuhan reach of the middle Yangtze Rive after TGR impoundment,the variation tendency and sudden change of the runoff and sediment data of Yichang and Hankou hydrologic stations were analyzed with Mann-Kendall method.The analysis results demonstrate that:after TGR impoundment,the water runoff process has been adjusted.The time in dry season has been shortened and that in median water period has been prolonged. Annual sediment discharge and some of monthly sediment discharge in the two hydrologic stations have changed suddenly,and the sediment passing into Yichang-Wuhan reach has been substantially reduced,so the water discharged from the dam can be almost thought of as"clear water".Research shows unsaturated degree of the clear water released from reservoirs decreased after obtaining sediment along the river,so the sediment discharge would be partly recovered.

TGR impoundment and operation;runoff;sediment discharge;Mann-Kendall method;Yichang-Wuhan reach;the Yangtze River

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0327-08

2013-02-06；

2013-03-12

国家自然科学基金（51209112）；国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA112508）;中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金资助项目（TKS120102,TKS120201）;西部交通建设科技项目（201132822430，20113282241760）

杨燕华（1985-），女，山西省人，助理研究员，主要从事航道工程研究。

Biography：YANG Yan-hua（1985-）,female,assistant professor.