人类活动影响下长江上游水沙条件变化趋势

陈 坤，刘 超

（四川大学水力学与山区河流开发及保护国家重点实验室，成都610065）

0 引 言

长江是中国水量最丰富的河流，水资源总量为9 616 亿m3，约为全国河流径流总量的36%［1］。长江的地理位置十分重要，全长约6 300 km，西起青藏高原，东至上海市入海，贯穿整个中国的东西部，是重要的内陆水运通道。长江每年平均货量运输23.1 亿t，产生经济价值约5.7 万亿元［2］，是一条名副其实的“黄金水道”［3］。

近年来，长江上游修建了梯级水库电站以满足不断提升的电力需求。长江水量丰富，梯级电站每年生产大量电力为社会快速发展作出了重大贡献。同时，梯级水库联合调度可有效调节长江上游汛期洪水过程，减小洪水灾害。然而，梯级水库阻碍了长江上游泥沙输运连续性，导致梯级水库下游泥沙补给不足，形成长江上游河段新的水沙条件，影响长江上游河床演变。

大坝水库下游河道河床演变是一个十分复杂的问题，受到世界各国学者的关注。Nicola 和Massimo［4］发现上个世纪意大利大多数河道形态发生了变化。具体表现，这些河道均出现3～5 m 冲刷下切，河道束窄达50%。导致这些变化的主要原因是大坝建设、泥沙开采造成泥沙补给急剧减少。类似的，西班牙的埃布罗河流域的19 座梯级水库使该流域推移质输运量从20世纪初的15×106t/a减少到现在的0.28×106t/a，推移质减少是埃布罗三角洲衰退的主要原因之一［5］。中国也有类似的情况。例如，三峡大坝建成后坝下游河道泥沙补给减少导致河床冲刷。Xia Junqiang 等［6］发现受三峡大坝蓄水影响，三峡坝下游荆江段河道年均冲刷量从建坝前（1980-2002年）年均0.047 亿m3/a 增加到（2002-2013）年均0.636 亿m3/a，造成荆江段水深平均增加了1.3 m。

水库蓄水拦沙造成其下游河段泥沙补给不足，引起河床持续冲刷。张明进等［7］发现在三峡蓄水后，坝下游泥沙补给量相较于建坝前4.34 亿t 减少了84%，造成洲滩河段主流横向摆动空间增大、航槽向宽浅形态发展，碍航问题突出。

除对水库下游河床演变开展研究外，有学者对水库蓄水后坝下游流量及水位变化开展研究。杨云平等［8］发现三峡大坝建成后，河道冲刷及深泓线下切造成坝下游同流量下枯水位下降；而同流量下洪水位略有上升，这是因为三峡大坝下游边岸有大量港口、码头、桥梁以及实施了岸线加固，这些涉水建筑物既占用了河道过流面积又增加了河道局部阻力，使同流量下洪水水位略有上升。

除了水库建设外，人工采砂对河床演变也有较大影响。李文全等［9］研究了长江中下游武穴段，发现大规模人工采砂导致床沙细化，河床更易冲刷下切。因为武穴河段采沙船主要挖掘可作为沙料的大颗粒泥沙，而小颗粒泥沙则抛回江中，这导致武穴水道南槽进口河床泥沙粒径由20世纪80年代初河床中值粒径d50=0.85～2.87 mm减小为1997年d50=0.16～0.22 mm。

综上所述，梯级水库建设及人工采砂会严重影响长江上游河道水沙条件及河床演变。因此，有必要深入认识梯级水库修建前后，长江上游河道段水沙条件变化规律。同时，探讨人工采砂对河床演变的影响。

1 研究区域及资料

长江全长约6 300 km，通常根据不同地貌环境和水文特征分为上游、中游和下游，如图1（a）。长江上游位于宜昌上游，全长4 504 km，主要支流包括雅磬江、岷江、横江、沱江、嘉陵江、乌江。长江上游主要产沙区在金沙江下游和嘉陵江［10］。本文研究河段为长江上游，即，金沙江下游向家坝至三峡大坝河段，如图1（b），主要探究人类活动（梯级水库建设和人工采砂）对长江上游水沙条件及河床演变的影响。梯级水库主要集中在金沙江下游向家坝以上河段。长江上游金沙江下游河段梯级水库由乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四座水电站组成，四座电站分别于2014年、2017年、2015年和2012年建成蓄水。目前，长江上游河道以云南水富市（靠近向家坝）为上游起点。因此，采用向家坝至三峡大坝间的8个关键水文站点观测数据开展长江上游河道研究。这些水文站分布在向家坝至三峡大坝间的主流及主要支流上，自向家坝向下游分别为：向家坝、横江、高场、富顺、朱沱、北碚、寸滩和武隆，具体位置分布如图1（b）所示。其中，这些水文站分别监测所在支流近年（2005-2017年）月均流量、年均流量和年均输沙量。2005-2017年的平均流量Qm为13年间的年均流量平均值。年均流量平均值的标准差SD由多年年均流量计算得到。

图1 长江流域与向家坝与三峡大坝之间主要水文站分布Fig.1 Yangtze basin and distribution of major hydrological stations and some tributary reservoirs in the upper reaches of the Jinshajiang river

2 流量过程变化

2.1 年平均流量

长江上游（三峡坝上游）主要水文站在2005-2017年间的年均径流量如表1所示。可以看出，2005-2017年不同年份径流量虽有波动，但总体变化不大。具体来讲，多年平均径流量标准差仅为年均径流量的0.12～0.25。其中，金沙江下游3 个主要水文站点（向家坝，寸滩，朱沱）的标准差/平均流量为SD/Qm=0.12～0.16，表明年均径流量波动很小。另外，相对横江等5个水文站，向家坝、朱沱和寸滩3 个水文站测量流量较大是因为3 个站点测量值加上了支流入汇流量。例如，向家坝水文站监测金沙江和雅磬江的总流量、朱沱站监测了岷江、横江、沱江和金沙江的总流量、寸滩监测了嘉陵江和金沙江的总流量。该3 个站点基本代表了长江上游径流量变化的整体趋势，即平均流量在2005-2017年变化不大。

表1 长江上游河道2005-2017年平均径流量Qm、平均流量标准差SD及Qm/SD汇总表Tab.1 Summary table of average runoff Qm，mean discharge standard deviation SD and SD/Qm of upper Yangtze river channel from 2005 to 2017

为了更具体的分析不同年份的平均径流量，图2给出了长江上游三个关键站点（向家坝、朱沱、寸滩）在不同时段（2003-2007；2008-2012；2013-2017）5年平均流量的变化趋势。3个年份段的平均径流量几乎相同，即便梯级水库中个别水库投产蓄水也没有改变平均径流量。例如，向家坝和溪洛渡分别在2012年和2013年投产蓄水，蓄水前后多年平均径流量并未发生明显变化。向家坝3 个五年平均流量中最大差值为372.4 m3/s，仅为平均流量的8.2%（表1中向家坝平均流量4 523.2 m3/s）。类似的，下游两个站点朱沱、寸滩的五年平均流量变化很小，分别占平均流量的2.3%、4.1%。结合上述年均径流量研究，可以认为，长江上游河道近年来长时段（2005-2017年）年均径流量和5年平均径流量均变化很小、甚至可认为保持不变。另外，向家坝、朱沱、寸滩站距向家坝的距离逐渐增大，五年平均流量也相应增大，这是因为距离向家坝越远，包含支流数量越多，支流累积入汇流量越大。

图2 长江上游三个关键站点（向家坝、朱沱、寸滩）不同时段的五年平均流量对比Fig.2 The five-year average flow comparison of three key stations（Xiangjiaba，Zhutuo and Cuntan）in the upper Reaches of the Yangtze River in different periods

2.2 年径流量过程

虽然水库的投产运行并不能改变年均流量，但水库运行对月均流量过程的调节功效却不可忽略。选取了向家坝水文站在2002年（4 739.2 m3/s）、2009年（4 392.5 m3/s）、2016年（4 316.6 m3/s）的月均流量过程进行比较（图3），选取原因是该三年的年均流量基本相同（差别仅为2%～9%）。从月均流量过程来看，向家坝站点在2002年和2009年的月均流量从大小和趋势来看都非常接近，同月的月均流量差值仅为1%～19%。汛期洪峰明显（7-9月），7-9月的平均流量较其他月份增大约370%。这是因为向家坝及其上游梯级水库还未建成蓄水时，长江上游河道径流过程并不会发生明显改变。向家坝及其上游梯级水库建成后（2012年后），梯级水库具备调节水库下泄流量（月均流量）的能力。可以看出，2016年月均水库下泄流量分布与2002年和2009年的分布相比有了很大变化，最显著的作用为削减洪峰。具体来讲，汛期（7-9月）的月均下泄流量较2002年和2009年分别减小了26%和23%；而非汛期（1-6月和10-12月）的月均下泄流量相比于无坝时（2002年和2009年）分别增大了12%和25%。所以，长江上游梯级水库投产运行可有效调节水库下游流量过程，削减汛期洪峰且增大枯期流量。

长江上游梯级水库群对下泄流量的调控会影响长江上游河道很长距离内的月均流量过程。在向家坝下游，分别距离其244 和468 km 位置的朱沱站和寸滩站，可以看出向家坝蓄水前（2009年）和蓄水后（2016年），月均流量分布发生明显变化（图3，图4），该变化与向家坝站在2009年（图3红色线）和2016年（图3蓝色线）的变化趋势几乎一样。水库投产调控流量后（2016年），汛期（7-9月）洪峰削弱明显，朱沱站及寸滩站汛期（7-9月）平均流量相对于水库未建成之前（2009年）的7-9月平均流量分别下降了11%和24%。相反，在非汛期（1-6月和10-12月），平均流量相对于建库前（2009年）7-9月平均流量分别增加了41%和28%。由于高坝大库下泄水流几乎不携带泥沙，近乎于清水下泄，这会加大水流输沙能力，引起坝下游河床冲刷。下面将详细阐述这部分内容。

图3 向家坝水文站不同年份月均流量过程，3个年份的年均流量差别小于9%Fig.3 Monthly average discharge process line of Xiangjiaba hydrological station，the average annual discharge difference between the three years was less than 9%

图4 月均流量过程线Fig.4 Monthly average discharge process line of Zhutuo

3 泥沙条件变化

3.1 悬移质输沙量

由于水库拦沙效应，长江上游水库群联合运行后，金沙江下游悬移质输沙率大幅度减小。例如，向家坝站观测的年悬移质输沙量自2012年起持续降低，2016年输沙量（217 万t）仅为2003-2012年间平均输沙量的1.5%（图5蓝色点）。类似的情况也发生在向家坝至三峡坝址中段。例如，朱沱站和寸滩站2013-2016年的悬沙输运量均值仅为2003-2012年平均值的24%和33%。同时，向家坝下游至三峡大坝段沿途各支流电站近年来相继建成一批控制性水利工程［11］，比如：岷江的紫坪铺、沱江石盘滩、嘉陵江的亭子口、乌江的白马水库。其中，段炎冲［12］对嘉陵北碚站输沙量及乌江武隆站进行了计算，1991-2000年北碚、武隆站输沙量较1990年以前分别减少67%和1%；2001-2013年北碚、武隆站输沙量较1990年以前分别减少79%和78%。悬移质输运量大幅减少是水库拦沙的结果。

图5 2003-2016年长江上游控制站每年悬移质输沙总量统计Fig.5 The annual total amount of suspended sediment discharge of each hydrological station from 2003 to 2016

3.2 推移质输沙量

长江上游水库群联合运行减小了长江上游推移质年均输运量。这里以寸滩站推移质资料作为例子（图6）开展讨论。可以看出，无论是沙推推移质还是卵石推移质自2000年起均呈现逐渐减小的趋势。这是因为，一方面，长江上游区域水土保持工作持续开展减小了金沙江河段沿江泥沙补给，例如，河岸侵蚀是河道推移质来源之一，沿岸栽种植被有效减小河岸侵蚀［13］；另一方面，梯级水库拦截大量推移质泥沙。梯级水库建成以后，推移质输沙量维持在很小量级。自2012年向家坝投运以来，砾卵石推移量均值、沙推推移量均值相对于蓄水前均值（1995-2011年）分别减少72%和95%。之后，随着更多电站（例如，乌东德，溪洛渡等）投入使用，梯级水库拦沙作用将更明显。

图6 寸滩站砾卵石推移质和沙质推移质历年输沙量变化Fig.6 Variation of bedload discharge of gravel and sand in Cuntan station over the years

结合以上两点讨论可知，长江上游段自金沙江梯级水库联合运行之后出现了新的泥沙条件，即梯级水库下游泥沙补给不充足。这可能会引起长江上游河道河床冲刷、粗化等问题。

3.3 人类活动影响

长江上游梯级水库建成造成水库下游泥沙补给不足，清水下泄冲刷河床，床沙中值粒径增大。例如，向家坝站给出了2009-2015年的床沙粒径分布（图7黑色线），2009年河床中值粒径d50=0.26 mm 仅为2015年d50=0.69 mm 的38%，这里d50采用插值方式从图7获得，证实了向家坝下游河段河床逐年粗化过程。类似的，寸滩站附近河床也发生了粗化，2008年d50=98 mm仅为2016年d50=166 mm 的58%。与河床粗化现象一致，金沙江梯级水库（向家坝）下游航段河床持续冲刷。例如，向家坝至宜宾段，见图8（a），每年河床冲刷量虽有波动，但总体呈现冲刷趋势。值得一提的是朱沱至江津河道段，该河段河床冲刷量自2012年起出现了大幅度上升，即，河床冲刷严重。数据表明，该河段2010年10月-2013年10月的年均冲刷量为178.7 万m3，而2013-2014年（冲刷1 094 万m3）、2014-2015年（冲刷1 972 万m3）、2015-2016年（冲刷2 054 万m3）相较于2010-2013年均冲刷量分别增加了512%、1 000%、1 049%（见图8）。另外，图8说明了2013年后朱沱至江津段河床冲刷量大于向家坝至宜宾段，这是因为朱沱至江津段出现了大规模人工采砂活动，导致河床冲刷量陡增。下面将具体讨论人工采砂对河床演变的影响。

图7 向家坝下游距坝4.2 km断面处（左）及寸滩站（右）床沙级配Fig.7 Grain size distribution of the section 4.2 km downstream from Xiangjiaba（left）and Cuntan station（right）

图8 冲刷量随时间变化趋势向家坝至宜宾段朱沱至江津段Fig.8 Trend of deposition over time from Xiangjiaba to Yibin section and from Zhutuo to Jiangjin section

人工采砂对长江上游河道的影响异常严重，河床冲刷量数据通常包含河道人工采砂量。例如，宜宾至朱沱河段近3年来，该河道段河床采沙严重，局部区域采沙留下的采沙坑深度常达7～10 m。长距离、大面积无序采沙、挖槽留下的挖沙坑可能引发河床溯源冲刷［14］。其次，人工采沙会引起河床局部下切，如图9（a）右侧，深度甚至可达10 m，相对于未受挖沙影响的原始河床，图9（a）黑色线，枯水期水流集中输沙也会造成河床局部冲刷。另外，对于比较靠近河岸的采沙坑，图9（b）右侧，水流集中过流可能会侵蚀河岸，造成边坡失稳，使得部分泥沙、土壤进入河道成为推移质［15］，同时类似的采沙坑也存在于朱沱至江津河段（图10）。长江上游沿程采砂严重破坏了河床粗化层，使粗化层覆盖的细颗粒暴露成为推移质或悬移质向下游运动，引起河床剧烈冲刷。

图9 宜宾至朱沱河段典型采砂断面Fig.9 Typical sediment excavation section from Yibin to Zhutuo

图10 朱沱至江津河段典型采砂断面Fig.10 Typical sediment excavation section from Zhutuo to Jiangjin

4 结论与展望

（1）长江上游年平均径流量基本保持不变，但梯级水库建设改变水库下游径流过程。水库调节有效降低了汛期洪峰流量，同时也增大了枯期水流。

（2）梯级水库建成拦截大量泥沙，导致水库下游悬移质、推移质输沙量大幅度减少，引起下游河道河床表层冲刷、粗化。

（3）长江上游长距离、大面积、无序采砂破坏河道原有河床表层粗化层，造成河床局部异常演变，不利于河道演变稳定。

（4）上游不断建成的梯级水库、逐渐加强的采砂监管措施将使水库群下游河道呈现更稳定状态。通过联合调度，将更大程度发挥梯级水库对径流过程的调整作用，进一步削减汛期洪峰。但是，因为水库的拦沙作用，水库下游将长期处于少沙状态。 □