嘉陵江流域水库拦沙及其减沙贡献权重研究

(长江水利委员会 水文局,湖北 武汉 430010)

嘉陵江流域是长江上游支流中流域面积最大、输沙量最大的支流，从多年平均情况来看，其流域出口北碚站径流量和输沙量分别占三峡入库(朱沱站+北碚站+武隆站)来水来沙总量的17.3%和26.8%。近年来，该流域输沙量显著减少[1]，其水沙变化对三峡库区水沙运动以及泥沙冲淤变化等产生了十分重要的影响，引起了社会的广泛关注[2-5]。

近年来，嘉陵江流域水沙输移特性发生了显著变化，在径流量变化不明显的情况下，输沙量大幅减少，围绕这方面的问题，众多专家学者开展了大量的研究工作，为深入研究新环境下嘉陵江流域乃至长江上游水沙输移规律提供了十分重要的参考，主要可以分为3个方面进行论述。第一方面的研究成果主要是对流域内输沙量减少的分析及影响因素的辨识,如高鹏等[6]根据嘉陵江控制水文站实测水沙资料，定量分析了嘉陵江流域年降水量、河道径流量和输沙量的变化趋势； H.E.Kateb[7]对嘉陵江流域近50 a来的水沙变化趋势及影响因素进行了研究；张信宝等[8-10]对嘉陵江流域泥沙输移量变化的影响因素、水电开发对流域内的输沙特性影响等进行了研究。第二方面的研究成果主要是区分各影响因素对流域内输沙量减少的贡献权重。如许全喜等[10]通过调查和分析，定量确定了北碚站各因素对泥沙减少的贡献率；丁文峰等[11]采用水文学的方法对流域泥沙变化各驱动因子的贡献率进行了研究，得出了人类活动和自然因素是导致输沙量减小的主要影响因素，且人类活动的影响更为突出的结论。第三方面的研究成果主要是对各影响因素影响程度的预测[12-13]。如袁晶等[12]对近60 a不同阶段金沙江中下游的水库拦沙情况以及水库建设对金沙江流域减沙贡献权重进行了定量研究；段炎冲等[13]通过水库分组及拦沙时段划分，对2015～2050 年间长江上游梯级水库群拦沙量、三峡入库沙量进行预测。

综上所述，以上研究成果对深入认识嘉陵江流域的泥沙变化具有很大的参考价值。其中第一方面和第二方面主要采用水文学以及类比分析的研究方法，第三方面则主要借助于数学模型的研究手段。

目前，嘉陵江流域是长江上游水利工程较密集的地区之一，随着嘉陵江流域梯级控制性水电站的陆续建成运用，水库拦沙对流域内输沙量的影响逐步趋向主导地位[11]。因此，弄清嘉陵江流域水库拦沙量及其对流域出口的减沙贡献，对进一步研究三峡水库来水来沙条件的新变化具有重要意义。现有关于水库的建设对流域内产生拦沙效应方面的研究尚不多见[14]，本文通过搜集整理嘉陵江流域内水库建设情况，实地调查和计算典型水库拦沙情况，采用由点到面、实测资料分析和经验公式计算相结合的手段，在全面分析估算流域内5140座水库不同阶段淤积量的基础上，对1956～1990年、1991～2005年和2006～2015年水库的拦沙效应及其对流域出口——北碚站输沙量减小的贡献权重进行了定量研究。

表1 嘉陵江流域大、中、小型水库建设情况调查Tab.1 Investigation on construction of large, medium and small reservoirs in Jialing River Basin

1 水库建设基本情况

据调查统计，截至2015年，嘉陵江流域已建大、中、小型水库5 140座(见表1)，总库容236.24亿m3。其中：大型水库25座，库容170.30亿m3；中型水库125座，库容41.48亿m3；小型水库4 990座，库容24.46亿m3。其中,大型水库基本情况见表2，1950年以来嘉陵江流域水库库容变化累计见图1。1990年以前，嘉陵江流域仅建设4座大型水库，且均建在支流末端，其拦沙作用对流域出口的影响可以忽略不计，中、小型水库的库容占比达64%。1991年以来，尤其是2006年以来，流域内的水库建设则以大型水库为主，其库容占比达80%以上，其中库容大于10亿m3的大(一)型水库主要包括位于支流白龙江1996年建成的宝珠寺水库、嘉陵江干流2011年建成的草街水库以及2013年建成的亭子口水库，见表2和图2。

2 水库拦沙典型计算

2.1 东西关水库

嘉陵江东西关枢纽于1995年10月蓄水发电，2000年6月全面竣工。枢纽正常蓄水位248.5 m，水库长约53.0 km，库区水面平均宽度约为500 m，系河道型水库。1997年6月和2000年12月库区地形测量表明，水库淤积泥沙0.133 2亿m3。此外，泥沙冲淤计算结果表明，东西关枢纽在2006年左右基本达到淤积平衡，其最大拦沙量可达2 700万m3左右[15]。

图1 1950年以来嘉陵江流域水库库容变化累计Fig.1 Accumulated chart of reservoir capacity change inJialing River Basin since 1950

水库名地理位置控制流域面积/km2建成年份所在河流库容/亿m3碧口甘肃省文县260001977白龙江5.2 鲁班四川省三台县1980凯江2.9 风滩四川省平昌县165951981渠江1.4 升钟四川省南部县17561984西河13.4 江口四川省宣汉县63641992渠江2.8 东西关四川省武胜县785001996嘉陵江6.0 新政四川省仪陇县694032000嘉陵江3.4 宝珠寺四川省广元市284281996白龙江25.5 红岩子四川省南部县694832002嘉陵江3.6 宝石桥四川省开江县1622002渠江1.0 桐子壕四川省武胜县789262004嘉陵江5.2 青居四川省南充市767532004嘉陵江6.0 富流滩四川省岳池县380102005渠江2.1 水牛家四川省平武县5732007涪江1.4 富金坝重庆市合川区289802008涪江1.5 金溪四川省蓬安县734412008嘉陵江4.6 双滩四川省平昌县89452009渠江2.0 金银台四川省阆中市676942009嘉陵江1.7 小龙门四川省南充市高坪区758102009嘉陵江2.2 武都四川省江油市58072010涪江5.7 沙溪四川省阆中市615692010嘉陵江1.5 凤仪四川省蓬安县747222010嘉陵江4.2 草街重庆市合川区1561002011嘉陵江22.2 亭子口四川省苍溪县625502013嘉陵江41.2 苗家坝甘肃省文县163282014白龙江2.7

图2 嘉陵江流域典型拦沙水库分布示意Fig.2 A schematic map of typical reservoir distribution inthe Jialing River Basin

2.2 碧口水库

碧口水电站于1976年3月第1台机组发电，1997年6月竣工。控制流域面积26 000 km2，水库总库容为5.21亿m3，为河道型季调节水库。

根据1975～1998年资料分析，碧口水库共淤积泥沙2.76亿m3，年平均淤积量1 212.8万m3，总库容已损失54%。其中：1975～1996年库内淤积2.64亿m3(1980～1996年入库总沙量为4.006亿t，但该水库采用低水位运用和异重流排沙，各泄水建筑物共排出沙量1.272亿t，排沙比达到31.75%，年均拦蓄沙量为1 608万t)[16]。截至目前，该电站已运行40余年，水库淤积已趋于平衡。

2.3 宝珠寺水库

宝珠寺水电站位于四川省广元市、嘉陵江支流白龙江下游，距昭化18 km，距上游碧口水电站87 km。于1996年10月下闸蓄水，以发电为主，兼有灌溉、防洪等综合利用效益。该水库属河道型水库，水面较宽，水深较大，拦截了白龙江碧口以下的绝大部分泥沙(包括碧口水库下泄泥沙)。

根据1995年7月至2001年4月库区地形资料分析[15]，宝珠寺水库年均入库沙量为2 370万t，1997～2000年共计入库沙量为9 480万t(约7 584万m3)，水库淤积量为7 122万m3，年均淤积量为1 781万m3。宝珠寺水库泥沙淤积计算表明[17]，当宝珠寺水库运用50 a，库区泥沙淤积量达到7.49亿m3。

2.4 亭子口水库

亭子口水利枢纽工程是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。该工程于2009年11月正式开工，2010年1月23日大江成功截流，于2013年6月中旬完成初期蓄水目标，2014年建成投产，2013年以来，该水库下游武胜站的水沙关系出现了显著变化，同径流量条件下输沙量大幅减小(见图3)。

图3 嘉陵江、北培、武胜瓿水沙关系及径流输沙过程Fig.3 Flow-sediment relationship and process at Beibeiand Wusheng Station on the main stream of Jialing River

对于亭子口水库而言，其水沙主要来自于嘉陵江上游干流、白龙江、下寺河和未控区间。由于嘉陵江上游干流广元站、白龙江的三磊坝站和下寺河的上寺水文站的控制面积为57 377 km2，与亭子口水库下游的亭子口水文站之间的未控区间面积为3 712 km2，因此根据2008～2016年各水文站的资料初步估算，该未控区间的输沙模数为306 t/km2，年平均来沙量为113.8万t。此外，由于上寺水文站没有泥沙资料，其输沙量资料参考嘉陵江上游干流广元站的径流量-输沙量关系曲线确定(见图4)，计算结果见表3。

为了估算该水库的拦沙量，结合表3所示各控制站的输沙量资料和区间来沙估算结果表明，近几年亭子口水库入库输沙量为1 874万t，同时根据亭子口水库泥沙淤积研究[17]表明：亭子口水库运行10 a，其排沙比为26.4%，因此，亭子口水库年均淤积泥沙量为1 874×(1-26.4%)=1 380万t。

图4 嘉陵江广元站2008～2016年径流量、输沙量关系Fig.4 Relationship between runoff and sediment transport atGuangyuan Station of Jialing River from 2008 to 2016

年份上寺三磊坝广元亭子口径流量/亿m3输沙量/万t径流量/亿m3输沙量/万t径流量/亿m3输沙量/万t径流量/亿m3输沙量/万t20081578793635331--200919969045671790200189020101893959074284020830202011157687357013501931430201215771114866140063-201325142109136733500212-20141470--311691263820161263671424821014

注：上寺站的输沙量根据关系曲线推算而得，亭子口站(控制流域面积为61 089 km2)2013年以后的资料采用其下游苍溪站的资料代替(控制流域面积为61 515 km2)。

2.5 草街水库

草街航电枢纽位于嘉陵江江口以上68 km处的合川区草街镇，以航运为主，兼顾发电、拦沙减淤、灌溉等，总库容22.12亿m3，调节库容0.65亿m3，于2011年6月全面竣工，2011年以来，该水库下游北碚站水沙关系也出现了较为明显的变化(见图3)。

为估算草街水利枢纽的拦沙情况，依据2010～2015年嘉陵江北碚、武胜站,渠江罗渡溪、涪江小河坝4站的历年水沙资料和控制流域面积估算武胜站、罗渡溪站、小河坝站至北碚站之间的区间来沙量为205万t(见图5)，在此基础上采用输沙量法，计算得到2011年以来草街水库年均拦沙量为245万t。

图5 嘉陵江流域主要控制站来水来沙过程Fig.5 Flow and sediment process of the main controlstations in Jialing River Basin

3 水库拦沙对流域出口的减沙作用研究

3.1 水库淤积经验模式

水库对其控制流域面积以上区域输沙量的拦截作用可以用下式定量表示[12,18]：

(1)

(2)

(3)

3.2 水库拦沙研究

为了分析嘉陵江流域内水库的运行对流域出口乃至三峡水库入库沙量的影响，本文在对嘉陵江流域截至2015年的水库建设情况，主要包括水库的建成运行时间、所处地理位置、规模大小等进行详细调查分析的基础上，对流域内各水库的淤积拦沙情况进行了定量计算。其中，2005年以前水库的淤积拦沙量仍沿用已有成果[18]，在对2006年以来水库淤积拦沙量计算时，大型水库以淤积调查、实测资料计算或输沙平衡量计算为主，尽量考虑各水库所在流域的位置、建设规模、时间以及调度运用方式等与水库拦沙有关的关键要素，尤其是考虑了水库泥沙淤积随时间的变化以及其所导致的库容损失，当水库的计算淤积量达到水库死库容大小时，认为水库达到淤积平衡，之后其拦沙作用将不再考虑；至于中小型水库的拦沙作用，仍沿用淤积率的计算方法。主要结论如下。

(1) 1956～1990年，嘉陵江流域内水库群年均拦沙量为2 436万t。这部分水库还将发挥一定的拦沙作用，但主要以中小型水库为主，其淤积量占总淤积量的65%，大型水库的淤积量则占35%。

(2) 1991～2005年，嘉陵江流域内水库多年平均淤积泥沙5 248万t。其中：大型水库年均淤积量为3 360万t，占总淤积量的64.0%；中型水库年均淤积量为1 417万t，占总淤积量的27.0%；小型水库淤积量按1956～1990年小型水库总淤积率13.7%估算，年均472万t，占总淤积量的9.0%。

(3) 2006～2015年，流域内新建水库118座，总库容104.09亿m3。其中：大型水库12座，库容91.89亿m3；中型水库35座，库容11.27亿m3；小型水库71座，库容0.94亿m3。2006～2015年水库年均淤积量为6 132万t(见表4)。其中：① 大型水库拦沙量为4.18亿t，年均拦沙量为5 434万t，占总拦沙量的88.6%。特别是2011年以来草街、亭子口等大型水库蓄水运用后，近几年平均新增的拦沙量达到了2 170万t，其中亭子口年均拦沙量为1 380万t，草街年均拦沙量为245万t。② 中型水库拦沙量按1956～1990年年淤积率0.4%估算，2006～2015年拦沙量为5 860万t，年均586万t，占总拦沙量的9.6%。③ 小型水库拦沙量按1956～1990年总淤积率13.7%估算，2006～2015年拦沙量为1 118万t，年均111万t，仅占总淤积量的1.8%。

表4 嘉陵江流域已建水库淤积情况(1956～2015年)Tab.4 Siltation of built reservoirs in Jialing River Basin(1956-2015)

3.3 水库减沙贡献权重研究

水库拦沙淤积后将在一定范围内对下游河道的输沙量产生一定影响，但各流域水库拦截淤积的沙量并不等于是河流减少的沙量，因为水库拦沙淤积对其下游的影响是一个十分复杂的动态传递过程，在水库拦沙淤积的同时，库下游河道将发生泥沙调整，水库下泄水流含沙量变小，引起坝下游河床冲刷，含沙量也会沿程得到不同程度地恢复，下游河道输沙量相应有所增加，但河床冲刷强度也会沿程减弱，因此上游水库拦沙量的多少，并不意味着下游河道输沙量将减少多少，越往拦沙水库下游，受到影响就越小。已有研究表明，水库淤积拦沙对流域出口的减沙作用系数可以表达为

(4)

式中,St表示水库淤积拦沙量，Sa表示水库下游区间河床冲刷调整量，水库减沙作用系数与其距河口距离的大小成负指数关系递减。

1955～1990年，嘉陵江流域水库大多位于较小支流或水系的末端，距离北碚站较远，因而其拦沙作用对北碚站的影响较小。根据陈显维等[19]的研究得到流域水库群拦沙作用系数对1955～1990年水库群拦沙量统计分析，其年均拦沙量为2 436万t，因此对北碚站的年均减沙量为2 436×0.30≈730万t，仅占北碚站同期年均输沙量的5%。

1991～2005年水库拦沙引起北碚站减沙量为3 880万t，与1956～1990年相比，水库新增减沙量为：3 880-730=3 150万t，约占北碚站1991年后总减沙量1.062亿t的30%，主要是宝珠寺和东西关水库拦沙所致。

2006～2015年嘉陵江水库拦沙引起北碚站新增减沙量为692.3万t，其中，白龙江及嘉陵江干流水系水库减沙量为547万t，涪江水系水库减沙量为53.7万t，渠江水系水库减沙量为91.6万t。与1991～2005年相比，占北碚站减沙量的92%，主要是亭子口、草街、金银台、金溪、凤仪等大型水库拦沙所致。

综上所述，从水库拦沙对北碚站的减沙作用来看，近年来，水库拦沙作用逐步增强。如2006～2015年，水库拦沙对北碚站的减沙权重高达92%，较1956～1990年和1991～2005年均有大幅度增加。其中,1956～1990年水库拦沙对北碚站的减沙权重仅为5%，1991～2005年水库拦沙对北碚站的减沙权重有所增加，达到30%；从水库减沙作用的空间分布来看，1991～2005年，对北碚站减沙造成影响的水库主要分布在白龙江和嘉陵江干流；2006～2015年，对北碚站减沙造成影响的水库则主要分布在嘉陵江干流。从长远来看，本文所考虑的嘉陵江流域梯级水库，均位于嘉陵江干流的主要产沙区，拦沙作用十分显著，如果未来在此区域内规划再兴建水电站，其对北碚站的拦沙贡献权重将不会发生较大变化，即拦沙总量不变，仅各梯级水库内的淤积分布会有所变化。可见，本文计算得出的水库蓄水拦沙作用基本能反映未来嘉陵江流域的水库拦沙趋势。

4 结 论

本文选取嘉陵江流域5 140座水库为研究对象，结合实测资料分析和典型调查计算，对近60 a不同阶段嘉陵江流域的水库拦沙情况以及水库建设对嘉陵江流域减沙贡献权重进行了定量研究。主要结论如下。

(1) 截至2015年，嘉陵江流域已建大、中、小型水库5140座，总库容236.24亿m3。其中1990年以前，嘉陵江流域仅建设4座大型水库，中、小型水库的库容占比达64%。1991年以来，尤其是2006年以来，流域内的水库建设以大型水库为主，其库容占比达88%。

(2) 1956～2015年，嘉陵江流域水库年均拦沙2938万m3，以大型水库拦沙为主，占总拦沙量的59%。从水库拦沙随时间的变化过程来看，大型水库的拦沙作用逐渐增强， 在本文研究的1990年以前、1991～2005年以及2006年以来3个时间段内，水库年均拦沙量分别为0.187亿t、0.404亿t和0.472亿t，其中大型水库的拦沙量占总拦沙量的比例分别为34%、64%和88%。

(3) 在本文研究的1990年以前、1991～2005年以及2006年以来3个时间段内，嘉陵江流域水库拦沙对北碚站输沙量减少的贡献率分别为5%、30%和92%，可见，近年来，水库拦沙作用大幅增强。从典型减沙水库的空间分布来看，1991～2005年，流域内对北碚站减沙造成主要影响的水库主要分布在白龙江和嘉陵江干流区域，2006年以来，对北碚站减沙造成主要影响的水库则主要分布在嘉陵江干流。