长江泥沙变化及河床冲淤研究

许全喜 袁晶 董炳江

摘 要：本文利用长江干、支流主要控制站近60多年水沙序列和实测地形资料，探讨长江流域不同河段、不同时段的水沙变化和河床冲淤情况，在分析长江上游来水来沙变化特性的基础上，较为系统地研究了三峡水库蓄水运用以来，水库泥沙淤积和坝下游河床冲刷演变特性，不仅有助于对长江流域不同河段进行河道整治与洪水治理，还可为三峡工程运行、管理，长江黄金水道建设、长江经济带建设以及长江大保护战略的研究和实施提供可靠的科学依据。

关键词：三峡工程;水沙变化;暴雨洪水;水库淤积;河道冲刷

中图法分类号：TV697.25              文献标志码：A             DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0311

泥沙变化与河势稳定、河道演变、江湖关系等密切相关，是流域系统中最为活跃的部分，特别是近20多年来，长江流域治理开发取得了巨大成就，干、支流水利水电工程建设和长江上中游水土保持工程建设得到全面发展。这些工程在除害兴利、发展生产、改善生态环境等方面发挥了积极作用，但也引起长江水沙及河床冲淤特性发生一些新的变化。特别是金沙江下游梯级电站相继建成运用后，金沙江来沙大多被拦截在溪洛渡和向家坝库区内，导致长江上游的水沙来源发生了更为深刻的变化。多年来，许多专家学者对长江水沙变化及河床冲淤开展了研究工作[1-5]，特别是以三峡水库为核心的长江上游梯级水库群的陆续建成运用，将从根本上改变长江流域水沙时空变化和冲淤演变规律[6-14]，其出现的新情势、新问题及将带来的影响程度与范围还需进一步研究。

本文根据实测水文泥沙及地形资料，对三峡水库蓄水以来长江泥沙变化及河床冲淤演变特性进行了较为系统的分析。结果表明：三峡水库蓄水以来，长江上游来水偏小、来沙大幅减少，特别是金沙江下游溪洛渡、向家坝水电站相继建成运用后，金沙江来沙大幅减少，在入库泥沙减少的同时，上游个别支流出现大洪水时沙量较大，导致三峡入库沙量往往集中于几场洪水。2003年6月至2017年12月三峡水库淤积泥沙16.691亿t，年均淤积泥沙1.145亿t，仅为论证阶段的35%，泥沙淤积主要集中在常年回水区，变动回水区则有所冲刷。随着三峡水库的蓄水运用，长江中下游输沙量大幅减小，坝下游河床冲刷强度加剧，并由蓄水前的“冲槽淤滩”转变为“滩槽均冲”，2002年10月至2017年10月，宜昌至湖口、湖口以下河段平滩河槽冲刷量分别为21.24亿m3、22.83亿m3，以枯水河槽冲刷为主，强烈冲刷带逐渐下移;长江中下游干流河道总体河势基本稳定，河床以纵向冲刷下切为主，河道崩岸时有发生，部分弯道段河床冲淤规律发生新变化，急弯段出现切滩撇弯现象;城陵矶以下部分主支汊地位悬殊的分汊河段出现“塞支强干”现象;局部河势仍处于不断调整变化之中。

1 长江上游水沙变化特性

1.1  年际、年内变化

1.1.1  年际变化

20世纪90年代以来，长江上游径流量变化不大，受水利工程拦沙、降雨时空分布变化、水土保持、河道采砂等因素的综合影响，输沙量明显减少。与1990年前均值相比，1991—2002年长江上游径流量除嘉陵江北碚站减少25%、横江站和沱江富顺站分别减少15%和16%外，其余各站变化不大;输沙量除金沙江向家坝站增大14%和横江站基本持平外，其它各站均明显减小，其中尤以嘉陵江和沱江最为明显，分别减小了68%和72%，长江上游地区主要测站各时段径流量输沙量统计见表1。

特别是三峡工程175m试验性蓄水以来，长江上游各站径流量无明显趋势性变化，与1991—2002年均值相比，富顺站和北碚站径流量分别偏多12%和22%，向家坝站和武隆站径流量则分别偏少11%和17%，其他各站变化不大;与2003—2007年均值相比，除横江站和富顺站分别偏多15%和41%外，其余各站变化不大。长江上游来沙减小趋势仍然持续，与1991—2002年均值相比，除北碚站输沙量减少30%外，其余各站均减少50%以上;由于2003年沱江来沙量达到3 600万t，居1957年以来实测最大值，导致富顺站2008-2017年年均输沙量较2003—2007年均值偏多7倍，此外横江站和北碚站2008—2017年年均输沙量分别较2003-2007年均值偏多4%和7%，其余各站则减少幅度为39%～69%。

2008—2017年，三峡年均入库（寸滩+武隆）径流量为3 721亿m3，较初步设计采用的多年（1878—1990年）平均值减少了7%，较1991-2002年年均值减少了4%;入庫悬移质输沙量为1.21亿t，较初步设计采用的多年（1951—1990年）平均值减少了75%，较1991—2002年年均值减少了66%，特别是溪洛渡、向家坝电站相继运行后，由于水库拦沙作用[15]，金沙江来沙大幅减少，向家坝站2013-2017年年均输沙量由2003—2012年的14 200万t减少至170万t，2013—2017年三峡年均入库泥沙仅为0.592亿t。

可以预期，随着上游干支流兴建的水利水电工程陆续投入运行，长江上游流域水土流失综合治理和防治石漠化的持续实施，长江上游悬移质泥沙来沙在较长时期内仍呈减少趋势。

在三峡工程论证阶段，寸滩站实测年均砾卵石推移质输沙量为27.7万t（沙质推移质无实测资料）。20世纪90年代，进入三峡水库的砾卵石推移质和沙质推移质泥沙数量总体均呈减少趋势，寸滩站1991-2002年实测卵石推移质和沙质推移质的年均输沙量分别为15.4万t和25.83万t;三峡水库蓄水运用以来，推移质输沙量大幅减少，2003-2007年寸滩站实测年平均砾卵石推移质和沙质推移质输沙量分别仅为4.18万t和2.50万t，2008-2017年进一步减少至3.41万t和0.42万t，较1991-2002年均值分别偏少了78%和98%。

1.1.2  年内变化

三峡蓄水运用以来，长江上游各站水沙年内分配规律未发生明显变化，输沙量年内分配基本与径流量一致，但沙量年内分配较水量更为集中。

从1990年前后水沙年内分配变化来看，金沙江向家坝站、岷江高场站水沙年内分配规律未发生明显变化;嘉陵江北碚站8月沙量占全年比例有所增大（主要是由于流域内水库和航电枢纽排沙所致）;乌江则由于上游乌江渡等电站蓄、泄影响，7月水沙量明显增大。

1990年前后相比，寸滩站径流年内分配发生较明显变化。1991-2002年与1950-1990年相比，寸滩站年径流量减少177亿m3，但1—4月径流增大了20.3亿m3，9—10月径流则减少153.2亿m3;2003-2017年与1991-2002年相比，寸滩站年径流量减少77亿m3，但主要集中在主汛期6—8月，其径流量减少了170.3亿m3，1—4月径流增大了72.3亿m3，9—12月径流则略有增大。对于沙量来说，长江上游干、支流各站输沙量均呈减少趋势，尤以7—9月减少最为显著。

此外，长江上游来沙量大幅减少的同时，上游主要支流如嘉陵江，一些低水头的航电枢纽已运行数年，泥沙已基本达到淤积平衡，在遭遇大洪水时输沙量较大，且输沙过程集中，对嘉陵江沙量和三峡入库泥沙产生较大影响。如2014年9月中旬渠江发生洪水，罗渡溪站实测最大含沙量达到3.13kg/m3，北碚站实测最大含沙量达到1.94kg/m3，经统计9月10—23日洪水期间，罗渡溪站实测输沙量为1 001万t，占罗渡溪站全年输沙量的91.8%。2018年7月，受强降雨影响，长江上游横江、岷江、沱江、嘉陵江等支流出现“大水大沙”现象，水量沙量显著大于多年均值，如7月12日，涪江小河坝站的含沙量达到22kg/m3，使得7月输沙量高达0.42亿t，为2014—2017年该站年平均输沙量的32倍（见图3）。

1.2  水沙关系变化

从长江上游主要测站历年水沙量相关关系（图4）可以看出，三峡蓄水以来上游主要控制站的水沙关系均发生明显变化，同水量下沙量减少明显，特别是向家坝站受溪洛渡、向家坝水库拦沙影响，2013年后的年径流量—年输沙量关系发生了显著变化，同径流量下输沙量大幅减少，进一步导致寸滩站的年径流量—年输沙量关系也发生相应显著变化。

1.3   水沙地区组成变化

长江上游水沙异源现象十分突出，径流主要来自金沙江、岷江、嘉陵江和乌江，泥沙则主要来自金沙江和嘉陵江。从三峡入库泥沙地区组成来看，近年来，金沙江、乌江来沙量占入库沙量的比重有所减小，特别是2013—2017年，随着金沙江下游溪洛渡、向家坝水电站的建成运用，其在来水比重变化不明显的情况下，来沙比重仅减小为3%。横江、岷江、沱江、嘉陵江的来沙占比则均有所增大。见表2所示。

2  三峡水库泥沙淤积

2.1  水库泥沙淤积量

由于三峡入库泥沙较初步设计值大幅减小，三峡库区泥沙淤积大为减轻。根据三峡水库主要控制站朱沱站、北碚站、寸滩站、武隆站、清溪场站、黄陵庙站水文观测资料统计分析（图5），2003年6月～2017年12月，三峡入库悬移质泥沙21.925亿t，出库（黄陵庙站）悬移质泥沙5.234亿t，不考虑三峡库区区间来沙，水库淤积泥沙16.691亿t，近似年均淤积泥沙1.145亿t，仅为论证阶段（数学模型采用1961-1970系列年预测成果）的35%，水库排沙比为23.9%。水库的泥沙淤积量与水库的调度运用方式息息相关，随着坝前水位的逐步抬高，水深增加，流速減缓，水流挟沙能力减小，泥沙淤积部位逐渐上移，水库排沙比也有所减小（图6），但随着入库泥沙的减少，水库淤积也随之减轻（图7）。

2.2  水库泥沙淤积形态及部位

2003年3月～2017年10月，175m高程下库区干、支流累计淤积泥沙16.706亿m3，其中干、支流分别淤积泥沙14.449亿m3、2.257亿m3。

从横向分布来看：在145m高程下淤积泥沙15.46亿m3，占175m高程下库区总淤积量的92.5%，淤积在水库防洪库容内的泥沙为1.246亿m3，占175m高程下库区总淤积量的7.5%，占水库防洪库容（221.5亿m3）的0.56%，主要集中在奉节至大坝库段。此外，库区干流泥沙淤积以宽谷段为主，窄深段淤积相对较少或略有冲刷，2003年3月至2017年11月干流宽谷段（平均库区水面宽大于600m）淤积量占全河段总淤积量的93.8%，且以主槽淤积为主。

从纵向分布来看：库区干流变动回水区累计冲刷泥沙0.741亿m³;常年回水区淤积量为15.575亿m³。由于近年长江上游来沙量大幅减少，库区泥沙淤积强度也随之减小。从淤积强度沿程分布来看，近坝段（庙河至大坝）淤积强度最大，2003年3月至2017年11月累计淤积泥沙1.594亿m3，但绝大部分泥沙淤积在90m高程以下，且颗粒较细，不会影响水库的运行。

3  长江中下游水沙变化

河道的冲淤状态取决于来水来沙条件和河床边界条件。长江中下游干流床沙组成变化总的趋势由粗变细，其中：宜昌至枝城段主要由细砂、中砂和砂卵石组成，沿程变化相对复杂，有数个卵石洲滩;上荆江床沙为中砂和卵石，而下荆江床沙为细砂;城陵矶至九江及下游河段，床沙基本为细砂组成。

20世纪90年代以来，受上游来沙量减小影响，长江中下游干流输沙量也呈减小态势，如宜昌站1991-2002年平均输沙量为3.91亿t/a，较1950-1990年均值减小了1.30亿t/a，减幅25%;下游汉口、大通站沙量也分别减小了1.14亿t/a、1.31亿t/a，减幅分别为27%、29%，沙量减小值和减幅都与宜昌站基本相当。

三峡水库蓄水运用以来，长江中下游各站年均径流量除监利站变化不大外，其他各站均偏少6%～11%;受水库拦沙影响，坝下游输沙量大幅减小，但减幅沿程递减。2003-2017年宜昌、汉口和大通站年均输沙量分别为0.358亿t/a、1.01亿t/a和1.37亿t/a，分别较蓄水前均值减小了93%、75%和68%（表3）。由于上游来沙的大部分粗颗粒泥沙被拦截在三峡水库内，出库泥沙粒径明显偏细;坝下游河床沿程冲刷，干流各站床沙明显变粗，粗颗粒泥沙含量增多，以监利站最为突出，其中值粒径由蓄水前的0.009mm变粗为0.045mm，粒径大于0.125mm的沙重比例也由9.6%增多至38%左右。

4  长江中下游河道冲刷

三峡工程蓄水前，长江中下游河道总体冲淤相对平衡，但部分河段冲淤幅度较大。三峡工程蓄水运用后，河道沿程冲刷幅度加剧，长江中下游河道强烈冲刷带逐渐下移，全程冲刷已发展至湖口以下，河床冲刷由蓄水前的“冲槽淤滩”转变为“滩槽均冲”。

4.1  长江中游

三峡坝下游宜昌至鄱阳湖口为长江中游，长955km，沿江两岸汇入的支流主要有清江、洞庭湖水系、汉江、倒水、举水、巴河、浠水、鄱阳湖水系等。荆江南岸有松滋、太平、藕池、调弦（于1959年建闸封堵）四口分流入洞庭湖。

三峡水库蓄水前，长江中游河道不断调整，河床总体冲淤达到相对平衡，1966-2002年宜昌至湖口河段平滩河槽累计冲刷泥沙1.687亿m3，年均冲刷量仅0.047亿m3/a。从沿程分布来看，以城陵矶为界，表现为“上冲下淤”的特征（表4）：宜昌至城陵矶段总体冲刷，且“滩槽均冲”，以枯水河槽冲刷为主，平滩河槽累计冲刷泥沙4.42亿m3，年均冲刷量为0.123亿m3/a;城陵矶至湖口段有所淤积，总体表现为“冲槽淤滩”，其中平滩河槽累计淤积泥沙2.733亿m3，年均淤积量为0.076亿m3/a，枯水河槽下冲刷量高达6.365亿m3。

三峡水库蓄水后，拦截了约80%的入库泥沙，导致坝下游河段泥沙显著减少，河道冲刷明显加剧。2002年10月～2017年11月，宜昌至湖口河段平滩河槽总冲刷量约为21.24亿m3，且“滩槽均冲”，年均冲刷量约1.38亿m3。冲刷仍主要集中在枯水河槽，其冲刷量占平滩河槽冲刷量的92%。从沿时分布来看，三峡工程围堰蓄水期（2002.10～2006.10），宜昌至湖口河段普遍冲刷，宜枝河段冲刷强度最大，荆江河段冲刷量最多;初期蓄水期（2006.10～2008.10），河床略有冲刷，冲刷强度远小于围堰蓄水期;三峡水库175m试验性蓄水以来，坝下游河床冲刷强度又有所增大，2008年10月～2017年11月，平滩河槽冲刷泥沙14.98亿m3，占蓄水以来平滩河槽总冲刷量的71%，年均冲刷泥沙1.66亿m3。

随着河床冲刷发展，长江中下游河道总体河势基本稳定，河床纵向冲刷明显，洲滩面积萎缩，断面形态向窄深方向发展;部分弯道段河床冲淤规律发生新变化，切滩撇弯现象初步显现，局部河势仍处于不断调整变化之中;试验性蓄水以来，城陵矶以下部分弯曲半径较大的分汊河段出现“塞支强干”现象。

4.2  长江下游

下游河段长约938km，其中，湖口至大通段上起鄱阳湖口、下迄大通羊山矶，全长228km。河段历史上沙洲散乱，支汊众多，历史上心滩淤积、洲滩合并，支汊淤积萎缩，长江河道南移;但近几十年来河道基本形态变化不大，河床年际年内冲淤交替，河势逐渐趋于稳定，仅局部河段河势有所调整。大通以下属感潮河段，长约610km，为藕节状分汊河段，历年来滩槽冲淤频繁，但近年来河势和滩槽格局逐渐趋于稳定。

三峡水库蓄水前，湖口至江阴河段河床冲淤可分两个阶段：1975—1998年河床累计淤积2.07億m3，年均淤积量为0.086亿m3/a;1998—2001年河床则以冲刷为主，冲刷量0.550亿m3，年均冲刷量为0.183亿m3/a。三峡水库蓄水后，湖口至江阴河段河床以冲刷为主，2001年10月至2016年10月，平滩河槽冲刷泥沙11.75亿m3，年均冲刷量达0.78亿m3/a，且主要集中在枯水河槽，其冲刷量占81%（如表5）;澄通河段和长江口段则分别冲刷泥沙4.742亿m3和6.333亿m3，其中北支段淤积泥沙2.097亿m3。

与以往研究成果相比，坝下游宜昌至大通河段实测冲刷强度比原预测成果略偏大一些，发展速度也要快一些（图8），主要是三峡入库水沙条件、水库调度运用方式与原设计计算条件之间存在差异，以及近年来河道采砂和河道整治工程活动增多等因素的影响[12]。

5  结论

本文根据三峡水库蓄水运用以来实测水文、河道地形观测资料，对三峡水库来水来沙、水库淤积以及坝下游冲淤演变特性进行了较为系统地分析，结果表明：

（1）近年来，受上游水库拦沙、水土保持工程、降雨变化和河道采砂等影响，长江上游总体来水偏小、而来沙大幅减少，特别是金沙江下游溪洛渡、向家坝水电站相继建成蓄水运用后，金沙江来沙大幅减少，三峡入库（寸滩+武隆）泥沙由2003-2012年年均值的1.92亿t减至2013-2017年的0.592亿t。在入库泥沙减少的同时，上游个别支流出现大洪水时沙量较大，导致三峡入库沙量往往集中于场次洪水。此外，三峡入库泥沙地区组成也发生明显变化，金沙江来沙占寸滩站沙量的比重由2003-2012年的79.5%减少为2013-2017年的3.0%。

（2）2003年6月—2017年12月，三峡入库悬移质泥沙21.925亿t，出库悬移质泥沙5.234亿t，不考虑三峡库区区间来沙，水库淤积泥沙16.691亿t，水库排沙比为23.9%。从淤积强度沿程分布来看，近坝段淤积强度最大，但绝大部分泥沙淤积在90m高程以下，且颗粒较细，不会影响水库的运行。从泥沙淤积的横向分布来看，库区干流淤积在高程145m～175m静防洪库容内的泥沙为1.127亿m3;从纵向分布来看，库区干流泥沙淤积以宽谷段为主，占全河段总淤积量的93.8%，且主要集中在主河槽，窄深段淤积相对较少或略有冲刷。

（3）三峽水库蓄水运用以来，长江中下游干流各站年均径流量除监利站变化不大外，其他各站均偏少6%～11%;受水库拦沙影响，坝下游输沙量大幅减小，河道沿程冲刷幅度加剧，长江中下游干流河道强烈冲刷带逐渐下移，全程冲刷已发展至湖口以下，河床冲刷由蓄水前的“冲槽淤滩”转变为“滩槽均冲”。2002年10月至2017年10月，宜昌至湖口河段平滩河槽冲刷量为21.24亿m3，湖口以下河段冲刷泥沙22.83亿m3。长江中下游干流河道总体河势基本稳定，河床纵向冲刷明显，洲滩面积萎缩，断面形态向窄深方向发展;部分弯道段河床冲淤规律发生新变化，切滩撇弯现象初步显现;城陵矶以下部分主支汊地位悬殊的分汊河段出现“塞支强干”现象;局部河势仍处于不断调整变化之中。

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Sediment Change and River Bed Erosion and deposition in the Yangtze River

Xu Quanxi，Yuan Jing，Dong Bingjiang

（Hydroculture Bureau of Yangtze River Water Resources Commission;Wuhan 430010，China）

Abstract：In this paper，we use the water and sediment sequences and measured topographic data of the main control stations of the Yangtze River and the tributaries for more than 60 years to explore the water and sediment changes and riverbed erosion and sedimentation in different sections of the Yangtze River basin and different periods. Based on analyzing the variation characteristics of incoming water and sediment in the upper reaches of the Yangtze River，this paper systematically studies the sedimentation and sedimentation evolution of the reservoir downstream of the Three Gorges Reservoir. This will not only help river regulation and flood control in different river sections of the Yangtze River Basin，but also provide a reliable science for the operation and management of the Three Gorges Project，the construction of the Yangtze River Golden Waterway，the construction of the Yangtze River Economic Belt and the research and implementation of the Yangtze River conservation strategy.

Key words：Three Gorges Project;Water and Sediment Change; Storm Flood;Reservoir Siltation;River Scouring