近20 a来长江干流水沙变化特性

陈雅飞

(重庆交通大学 河海学院,重庆 400074)

河流的水沙变化是引起下游河床冲刷和淤积的主要动力[1]，长江干流的水沙输移规律及水沙变化对下游水生生境的影响一直是国内外学者研究的热点。张冠华等[2]基于长江干流屏山、朱沱等6个水文站的实测水沙资料,采用线性回归、Mann-Kendall趋势分析和突变检验、Sen’s估计以及累积距平法,分析长江干流2001—2018年径流输沙年际、年内变化趋势及其成因；杨维鸽等[3]基于长江干流7个主要水文站的实测水沙资料,采用径流量—输沙量双累积曲线方法,分析长江干流2000—2015年的水沙变化及其成因。为此，本文基于长江干流七大水文站的实测水沙资料，采用径流量—输沙量双累积曲线方法，重点分析长江干流2002—2019年的水沙变化规律及其成因。

1 研究区域概况

长江是中华文明的发源地，全长为6 300多km，降水总体上呈由东南向西北递减的趋势，降水丰沛、分布不均，年均降水量(MAP)为1 100 mm[4]；蕴含的水能资源丰富，水资源总量约为9 616亿m3，流域面积达180万km2，约占中国陆地总面积的1/5，属于亚热带季风气候;且内河航运发达，是我国新丝绸之路经济带的重要枢纽[5]，有“黄金水道”的美称[6]。宜昌以上流域为上游，宜昌至湖口段为中游，湖口至入海口为下游。长江流域7个主要水文测站分布于沿线，向家坝、朱沱、寸滩位于上游，宜昌、沙市、汉口位于中游，大通站位于下游，其中大通站的集水面积最大，为170.54×104km2，7大水文测站分布如图1示意。

图1 长江干流7大水文测站分布示意

2 研究方法

2.1 数据来源

本文选取长江干流7个主要水文测站，即向家坝站、朱沱站、寸滩站、宜昌站、沙市站、汉口站和大通站的实测水文数据进行分析。选取向家坝站的目的是比较长江上游(金沙江下游)建设梯级水库前后对长江中下游水沙变化的影响。本文的水文数据和泥沙数据均来源于《中国河流泥沙公报2002—2019》[7]，由于缺乏推移质泥沙资料，所以《泥沙公报》中的输沙量一般指悬移质部分。溪洛渡水利枢纽2013年5月蓄水运行发电，是一座以发电为主,兼有防洪、拦沙和改善下游航运条件等综合效益的水电站; 向家坝水利枢纽2012年10月蓄水运行发电，以发电为主,同时兼有改善通航条件、防洪拦沙、对溪洛渡水电站进行反调节等综合效益[8]。

2.2 数据处理

本文采用双累积曲线法来描绘长江干流7个主要水文测站的年径流量与年输沙量的关系，双积累曲线[9](Double Mass Curve,简称DMC)方法是目前用于水文气象要素一致性或长期演变趋势分析中最简单、最直观、最广泛的方法，最早由美国学者MERRIAM CF在1937年用于分析美国Susquehanna流域降雨资料的一致性[10]时提出；罗兰花等[11]认为双累积曲线就是在直角坐标系中绘制的同期内1个变量的连续累积值与另1个变量连续累积值的关系线，通过建立双累积曲线法重点研究累积年输沙量和累积年径流量两者之间的正比(正相关)关系，而忽略其他因素(如人类采砂活动)对这两个主要变量的干扰。

3 结果与分析

3.1 长江干流主要测站水沙变化

3.1.1水沙组成

长江干流7大水文测站中，寸滩站的年平均径流量变化率(T1年与T2年相比)最小，为1.7%，朱沱站的年平均径流量变化率(T1年与T2年相比)最大，为6.7%；向家坝站的年平均输沙量变化量从1956—2015年(T1年)的2.23亿t减少到T2年的0.015亿t，变化率最大，为99.3%，而大通站的年平均输沙量的变化量(T1年与T2年相比)从3.68亿t降到1.11亿t，变化率最小，为71.5%，拦沙作用显著。向家坝站的年平均含沙量变化量从1956—2015年(T1年)的1.57 kg/m3减少到T2年的0.01 kg/m3，变化率最大，为99.4%，大通站的年平均含沙量变化量从1956—2015年(T1年)的0.414 kg/m3减少到T2年的0.118 kg/m3，变化率最小，为71.5%。表1为长江干流主要测站水沙组成变化情况统计。

表1 长江干流主要测站水沙组成变化

综上可知，7大水文测站的集水面积在不断增加，其中大通站的集水面积达到最大，为170.54×104km2，原因是长江流域的地势西高东低，呈阶梯状分布，加上长江各条支流水源的不断汇入，使得下游测站控制的流域面积不断增大。7大水文测站的年平均径流量变化率(T1年与T2年相比)均未超过7%，上游水库的建成在一定程度上改变了中下游径流量时空格局分布，表现为汛期洪峰削减、枯水期流量增加、中水期时间延长等，但由于长江流域降水和径流的内陆循环处于动态平衡的状态，所以年径流量变化并不明显。从上游到下游，7大测站的年平均含沙量变化率与年平均输沙量变化率整体呈下降的趋势，向家坝站的年平均输沙量变化率和年平均含沙量变化率均为最大，达到99%，原因是向家坝、溪洛渡等大型水利枢纽建成后充分发挥了拦沙蓄水的作用，但梯级水库的泄水以清水为主，水流携带泥沙的能力强，所以这种非饱和水[12]在水沙输移的过程中会带走下游河床的大部分细泥沙颗粒，细泥沙颗粒的比表面积大，吸附水中的营养物质较多，其携带的营养物质是水中浮游生物及鱼类生存繁衍的必需品，长期的水流冲刷改变河道的地貌及水生生境条件，打破原有河流生态系统的平衡，使河流生态系统营养缺失而变得越来越脆弱，进而给水生动植物的生存带来巨大挑战。

3.1.2水沙年际变化

水沙年际变化的分析可分为2个阶段，第1阶段是2002—2011年，第2阶段是2012—2019年，主要原因是向家坝水电站2012年开始蓄水发电，所以将其作为观测水沙变化的分水岭(由于金沙江水库大多是2012年蓄水发电，因此，以2012年为时间分界点)。从第1阶段来看，长江上游7大水文测站中，宜昌站的年平均径流量极值比、年平均输沙量极值比和年平均含沙量极值比都是最大，分别为1.61，36.77和32.11；汉口站年平均径流量极值比最小为1.44；寸滩站年平均输沙量极值比和年平均含沙量极值比都是最小，分别为2.95和2.13。出现上述现象的原因主要是：长江三峡水库自2003年运行以来,经过了6次蓄水过程,2009年启动175 m试验性蓄水，2010年蓄至175m运行[13]，期间经历了7 a的蓄水时间，所以距离三峡大坝下游的宜昌站年平均径流量极值比最大；因为大坝在蓄水的同时也拦蓄了上游来的大部分泥沙，使得下泄的水流呈现不饱和的状态，而且携带泥沙的能力强，所以宜昌站所测得的年平均输沙量极值比也是最大。

从第2阶段来看，长江上游7大水文测站中，向家坝站年平均径流量极值比、年平均输沙量极值比和年平均含沙量极值比均为最大，分别为1.48、251.67和202.00；年平均径流量极值比的最小值是汉口站1.19，大通站的年平均输沙量极值比和年平均含沙量极值比最小，分别为1.94和1.55。主要原因是金沙江下游的向家坝水利枢纽2012年开始蓄水发电，溪洛渡水利枢纽2013年也相继投入使用，2个梯级水利枢纽与三峡水利枢纽共同形成新的水沙条件，更好发挥发电、蓄水和改善航运条件的作用，在拦截了上游大部分泥沙的同时也造成长江中下游河道面临长时期、长距离、大幅度的冲刷新问题。表2为长江干流主要测站年平均径流量、输沙量和含沙量极值统计。

表2 长江干流主要测站年平均径流量、输沙量和含沙量极值统计

3.1.3水沙年内变化——以朱沱站为例

根据以上图表综合分析得到，2012年长江干流主要测站朱沱站、向家坝站等的径流量和输沙量主要集中在5—10月，分别占全年的68%～82%、72%和99.9%[14]。查阅《水文情报预报规范》(GB/T22482—2008)中的距平百分率P作为划分丰平枯的标准：距平百分率P=(某年年径流量-多年平均径流量)/多年平均径流量×100%，通过频率计算将2012年划分为为平水年，图2为典型测站—朱沱站的径流泥沙年内分配情况示意，其中长江流域的汛期为6—10月，径流量和输沙量的年内分配不均匀，其中7月的径流量最大，约为715亿m3，约占全年径流量的1/4,同样7月的输沙量最大，约为8 875万t，占到全年输沙量的47.5%；汛期的径流总量占年径流总量的74.6%，由于汛期的径流量大，水流蕴含的能量比较大，所以其携带泥沙的能力也越强[4]，汛期的月输沙总量占全年输沙总量的94.5%。由此可见，汛期为含沙水流改变中下游河床形态、塑造河床地貌的的关键时期[15]。

图2 2012年朱沱站径流泥沙年内分配示意

3.1.4水沙年际变化——以朱沱站为例

图3为2002—2019年朱沱站累积年径流量与累积年输沙量趋势示意，累积年径流量趋势线相关系数和累积年输沙量趋势线的相关系数的平方分别为0.928 3和0.999 3，流域水沙特性的突变表现为水沙双累积曲线上出现明显转折, 即累积曲线斜率明显增大或减小,斜率发生的突变点对应的年份就是2个变量累积关系出现突变的时间。很明显在2012年以后累积年输沙量趋势线出现了1个明显的拐点(图3中虚线分界点)，年累积输沙量的变化曲线渐渐趋于平缓，(故以2012年为时间分界点)。主要原因是2012年以后金沙江下游的梯级电站-向家坝水电站和溪洛渡水电站分别投入使用[8]，上游梯级水库采用蓄浑排清的运行方式，加之蓄水发电后，坝前水位逐渐上升使得入库水流流速降低，大颗粒泥沙随之下沉淤积在库底，给水库清淤工作带来不便；同一河流上梯级水库的拦沙作用相比于单一水库更加显著，造成下泄水流多为不饱和含沙水流，水流携带泥沙的能力很强[15]，下游河床长时间受到清水冲刷，久而久之河床地貌与河流走势发生改变，塑造出边滩、江心洲、深潭浅滩等地貌特征，河流生境也随之改变，影响河流生物的物种多样性分布。

图3 朱沱站2002—2019年累积年径流量和累积年输沙量趋势示意

4 结语

1) 长江干流7个主要水文测站T1年和T2年的多年平均径流量变化率很小，均小于10%；T1年和T2年的年平均输沙量变化率和年平均含沙量变化率大于90%的测站有向家坝站、宜昌站和沙市站，其余4个测站的年平均输沙量变化率和年平均含沙量变化率也在60%～90%之间，可见长江上游梯级水库群对于中下游减少泥沙淤积的作用明显；同一个水文测站在T1年和T2年的年平均输沙量变化率和年平均含沙量变化率相差甚小，均不超过2%，说明年含沙量随年输沙量的变化而变化，呈现正相关关系。

2) 以2012年朱沱站为例，长江汛期(6—10月)的径流量约占全年径流量的75%，汛期水能资源丰富，可用于航运和发电；输沙量约占全年输沙量的95%，由此看出长江汛期含沙量极高，也是含沙水流改变中下游河床形态、塑造河床地貌的的关键时期。

3) 长江干流7个主要水文测站年输沙量和年含沙量减少的主要原因有两个：一是长江上游实施水土保持工程，如退耕还林还草和沿江进行生态修复；二是上游梯级水库群及三峡水利枢纽、长江中下游众多支流上修建大量水库的联合调度拦截了大量泥沙。