嘉陵江不同区域场次洪水输沙规律

刘尚武，张 鹏，苗 蔚，王治力，李丹勋

(1. 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074；3. 华北电力大学水利与水电工程学院，北京 102206)

河流输沙量是水土流失治理、河道整治和水库泥沙研究等的重要基础。受全球大尺度气候变化和区域人类活动的影响，近年来全球多数河流的输沙量呈减少趋势，导致全球河流泥沙时空分布与产输过程发生了重大变化[1]。这些变化在不同时期、不同区域的影响程度和作用形式有所不同[2]，揭示流域不同尺度的水沙变化对自然条件和人类活动的响应机理，对认识流域水沙变化特性、提升流域产输沙的预测能力具有重要意义。

水沙关系变化是流域自然条件和人类活动影响的综合反映。河流输沙量的减少必然导致河流水沙关系在不同时间尺度内(年尺度至洪水场次尺度)发生显著变化。对于雨洪河流，由于河流输沙量主要来源于1场或几场高强度暴雨洪水过程，因此除年、月尺度外，场次洪水尺度的水沙变化规律也引起了相关学者的广泛关注。Bussi等[2]分析了英国泰晤士河1974年以来场次洪水的水沙关系，认为该河流的年输沙量主要来源于年内第1场洪水，相同洪量条件下的次洪输沙量是其他场次洪水的1.5～2.0倍，且近年来场次洪水的输沙量呈减少趋势；胡春宏等[3]认为随着黄土高原下垫面土壤侵蚀环境大幅改善，2000年以后黄河中游水沙关系发生明显变化，次洪输沙量平均减少50%～85%。

嘉陵江是长江上游的重点产沙区和三峡入库泥沙的主要来源区之一，是典型的雨洪河流。20世纪60年代后，由于人类活动的不断增强，长江各主要支流输沙量发生了明显变化[4]，进入21世纪后，嘉陵江流域输沙量呈现出明显减小趋势。Ding和Kateb[5]通过对嘉陵江流域近50 a来的年径流量和年输沙量变化分析，发现年径流量系列无趋势变化，而输沙量呈显著减少趋势；许炯心和孙季[6]将北碚站的水沙系列划分为基准期(1956—1982年)和措施期(1983—2000年)，通过建立流域产沙量与年降水的关系，分析了人类活动和降水变化对嘉陵江流域侵蚀产沙的影响；许全喜等[7]认为降雨量减少、水库拦沙、水土保持工程等是造成嘉陵江北碚站输沙量明显减少的主要因素，并量化了各因素的贡献率。上述研究主要关注的是嘉陵江控制站(北碚站)年尺度的输沙量变化，由于嘉陵江年输沙量主要来源于汛期1场或几场高强度的洪水，如涪江小河坝站2018年7月9日至15日输沙量为3 820万t，占该站年输沙量的73.9%，占该年三峡入库总沙量的26.7%,不同量级的场次洪水输沙特性到底如何变化，目前鲜见相关研究成果。此外，由于嘉陵江流域面积较大，地域广阔，地形地质条件和气候变化差异较大，如干流上游为黄土覆盖区，涪江位于龙门山断裂带附近，加之人类活动影响程度不一，北碚站的水沙变化不足以全面反映嘉陵江流域不同区域水沙变化特点。近年来，三峡入库水沙出现了新的变化，嘉陵江取代金沙江成为三峡水库泥沙主要来源区，特别是支流涪江次洪输沙量以及占三峡入库沙量的百分比出现了明显增大现象，亟需分析产生这种现象的原因。

本文根据嘉陵江流域的小河坝站、罗渡溪站、武胜站、北碚站逐日水沙数据，在计算各站历年场次洪量及输沙量的基础上，结合径流侵蚀功率理论和M-K分析等方法，分析嘉陵江流域不同时期、不同区域场次洪水的输沙特点，探讨近期涪江输沙量偏大的原因及其对三峡水库的影响。

1 研究区域

嘉陵江发源于陕西秦岭南麓，流经陕西、甘肃、四川、重庆4省市，分为东西两源，东源出自陕西省凤县以北的秦岭镇，向南流经徽县至略阳的两河口，与源自甘肃省礼县的两汉水相汇，过阳平关进入四川省境内，南流至四川省广元市昭化镇与上游最大支流白龙江相汇，流经阆中附近有东河汇入，至南部又有西河汇入，再经南充、武胜，至渠河嘴与渠江汇合，在重庆合川区与涪江相汇，构成巨大的扇型水系，继续向东南流经北碚抵重庆朝天门汇入长江(图1)。

图1 嘉陵江流域水系及水文站分布示意Fig.1 Sketch of tributaries and hydrological stations in the Jialingjiang River basin

嘉陵江流域面积约15.6万km2，干流全长1 120 km，平均比降2.05‰，是长江水系中流域面积最大的一条支流。流域内渠江流域面积4.05万km2，河长720 km，平均比降约1.95‰；涪江流域面积3.64万km2，河长670 km，平均比降约4.19‰。嘉陵江流域地质构造十分复杂，横跨三大构造单元，土壤组成除西汉水上游分布有2 350 km2的黄土区外，其他均为紫色土和土石山区。嘉陵江流域是长江各大支流中水土流失比较严重的地区，全流域水土流失面积达8.28万km2，占流域总面积的近52.0%，年均侵蚀模数平均4 419 t/km2，年均土壤侵蚀量3.66亿t，是长江上游重点产沙区域之一。截至2015年，嘉陵江流域已修建水库5 140座，总库容236.24亿m3，其中大型、中型、小型水库库容占比分别为72%、18%和10%[8]。

2 资料来源及研究方法

2.1 资料来源

将嘉陵江流域分为3个子区域，分别为嘉陵江干流区域、涪江区域和渠江区域。嘉陵江干流区域以武胜站作为控制水文站，控制流域面积为79 714 km2，采用1955—2020年逐日水沙资料；涪江区域以小河坝站作为控制水文站，控制流域面积为28 901 km2，采用1951—2020年逐日水沙资料；渠江区域以罗渡溪站作为控制水文站，控制流域面积为38 064 km2，采用1957—2020年逐日水沙资料；北碚站是嘉陵江出口控制水文站，控制流域面积156 142 km2，采用1955—2020年逐日水沙资料。水文站点分布见图1。

各水文站资料均来自于长江水利委员会水文局，其中，武胜站和北碚站各66 a资料，罗渡溪站64 a资料，小河坝站70 a资料，资料序列较长，既包含了1981年、2018年、2020年等大水大沙年，也涵盖了2008年、2012年等小水小沙年，具有较好的代表性。

2.2 次洪输沙量与洪量计算方法

对各站每年的场次洪水进行挑选，使资料有较好的代表性。挑选时，首先点绘各站历年的汛期逐日流量和输沙率过程线，为减少工作量，仅挑选场次最大流量大于该年汛期平均流量且具有明显起涨、峰顶、峰谷的完整洪水过程，然后将该洪水过程的日均流量和输沙率分别累加，乘以1 d的时间，即得到各场次洪水的洪量和相应的输沙量。

2.3 径流侵蚀功率计算方法

降雨及其在地表上产生的径流是土壤侵蚀的主要动力，在国内外比较流行的流域土壤侵蚀模型中，应用最广泛的侵蚀动力因子是降雨侵蚀力(R)。Wischmeier[9]指出降雨总动能(Ep)与最大30 min雨强(I30)的乘积是表征降雨侵蚀力的最好指标；卜兆宏等[10]指出雨量(P)与I30的乘积也能较好体现降雨侵蚀力。无论EpI30还是PI30，仅反映了雨滴溅蚀对土壤侵蚀的作用，均没有体现水力侵蚀作用中的径流侵蚀作用和径流输沙作用。为此，鲁克新等[11]采用径流深和洪峰流量模数的乘积作为次暴雨侵蚀产沙的侵蚀动力指标，即：

E=HQ′max

(1)

2.4 场次洪水水沙量系列突变点确定

采用M-K分析法[15]进行趋势性和突变点分析；用秩和检验法[16]鉴别突变点的显著性；采用双累积曲线法[17]分析突变点成果的合理性。以次洪输沙模数(Wm)为纵坐标，径流侵蚀功率为横坐标，若双累积曲线向右偏移，表明在同样的径流侵蚀功率或径流侵蚀功率增量下输沙模数系统减小，反之，则增大。次洪输沙模数Wm=104Ws/A，t/km2，Ws为次洪输沙量，万t。

3 结果与分析

3.1 场次洪水基本输沙特性

嘉陵江流域洪水主要是由暴雨形成，年最大洪峰多出现在7—9月，北碚站1955—2020年在上述3个月出现年最大洪峰的占比为86.3%。北碚站汛期洪水主要来自嘉陵江干流，其次为渠江，涪江占比最小，经统计，小河坝站、罗渡溪站、武胜站7—9月的径流量分别占北碚站同期的24.1%、32.5%、36.3%，输沙量分别占北碚站同期的15.9%、19.7%、49.7%。因暴雨中心的位置和量级大小的不同，各站出现的洪水次数有所差异，小河坝站、罗渡溪站、武胜站、北碚站出现的年均洪水次数分别为4次、6次、5次、7次。

嘉陵江年输沙量主要集中在汛期的1场或几场大洪水。经统计，小河坝站单次洪量和输沙量占全年洪量和输沙量的最大百分数分别为26.7%和83.4%；罗渡溪站分别为28.6%和88.6%；武胜站分别为26.2%和92.2%；北碚站分别为25.3%和80.1%。可见嘉陵江流域次洪输沙量对于年输沙量的大小有明显影响。

3.2 年际间场次洪水突变点

M-K趋势分析表明，在显著性水平(α)为0.05条件下，嘉陵江各站年际间的场次洪量和径流侵蚀功率的趋势参数|Z|均小于Zα/2=1.96(表1)，说明总体上无明显趋势性变化；而输沙量(输沙模数)的趋势参数|Z|>Zα/2=1.96，均呈显著减少趋势，存在突变点(小河坝站为1974年、1999年和2013年；罗渡溪站为1992年、1998年和2006年；武胜站为1966年、1984年和1998年；北碚站为1984年、1998年和2013年)。经秩和检验，除小河坝站1974年、罗渡溪站1998年、武胜站1966年和北碚站2013年的突变点不显著外，其余突变点均表现显著。

表1 嘉陵江各站M-K趋势分析参数Z统计表Table 1 Statistics of M-K trend analysis parameter Z in the Jialingjiang River basin

图2是各站Wm与E双累积曲线，将各站的显著性突变点点绘在双累积曲线图上，并绘制关系线，关系线符合较好，说明前面确定的突变点是合理的。

图2 嘉陵江各站E与Wm双累积曲线Fig.2 Double accumulation curve between E and Wm of each station in the Jialingjiang River basin

嘉陵江流域在1989年被纳入“长江上游水土保持重点防治区”，据许全喜等[7]研究，嘉陵江水土保持综合治理措施带来的减沙量仅占北碚站总减沙量的16.3%；据杨泉和何文社[18]研究，嘉陵江流域水土保持措施对北碚站的减沙效益在10%～25%之间。由于水土保持工程发挥减沙效益是一个缓慢累积的过程，因此短时间内不会引起次洪输沙量发生突变。另据袁晶等[8]研究成果，截至2015年，嘉陵江流域已修建水库5 140座，其中2006—2015年水库年均拦沙量为4 720万t，对北碚站的减沙权重高达92%，说明嘉陵江各站次洪输沙量突变主要是由于水库修建造成的。具体看，渠江四九滩水库和金盘子水库蓄水时间与罗渡溪站1992年和2006年次洪输沙量突变点对应；武胜站和北碚站突变点的年份与Zhou等[19]的研究成果基本一致，主要与1984年蓄水的升钟水库和1998年蓄水的宝珠寺水库有关；小河坝站的双累积曲线在1999年向右偏转，主要受金华水库蓄水的影响，但2012年后的双累积曲线较1998—2012年明显向左偏转，表明近期输沙量呈明显增加趋势。

虽然涪江和渠江修建的多为低水头中型水库(涪江金华水库库容约为3 400万m3，渠江四九滩水库库容约为8 500万km3，渠江金盘子水库库容约为10 000万km3)，但库容总体相对于本流域其他水库较大，仍具有明显的拦沙作用，考虑到涪江和渠江的年输沙量相对较小，故上述水库修建也能对涪江和渠江的河流泥沙输移产生明显影响。

3.3 次洪输沙模数与径流侵蚀功率关系变化

根据突变结果，点绘各站突变前后不同时期场次洪水Wm与E的关系(图3)，发现各站不同时期Wm与E之间存在较好幂函数关系，即

Wm=BEn

(2)

图3 嘉陵江各站不同时期E与Wm关系Fig.3 Relationship between E and Wm at different period in the Jialingjiang River basin

式中：B为系数；n为指数。从产沙机理看，B反映了流域的产沙特性，主要与自然条件和人类活动方式有关，如黄土区的B值一般比土石区大，在上游修建拦沙工程后，B值将减小；n值体现了泥沙对水流的敏感程度，n越大，意味着侵蚀功率增加时，Wm增加越快，如上游修建拦沙工程后，由于下游含沙量大幅减小，在侵蚀功率变幅相同时，拦沙工程修建后的输沙模数变幅较修建前大，故n值增加。对于特定流域，B、n值均在一定程度上反映了人类活动对流域产沙的影响。

点绘次洪输沙量系列突变前的Wm与E关系见图4，该时期次洪输沙系列基本不受人类活动影响或影响较弱。在相同径流侵蚀功率条件下，嘉陵江干流武胜站的次洪输沙模数比涪江小河坝站和渠江罗渡溪站偏大，原因主要是嘉陵江干流上游的西汉水位于秦岭南侧，有2 350 km2的黄土覆盖区，植被覆盖面积较小，是长江上游重点产沙区，该区域水力侵蚀较强，故暴雨侵蚀产沙量较大；涪江小河坝站的次洪输沙模数比渠江罗渡溪站大，可能与涪江流域的平均坡降比渠江大有关。

图4 嘉陵江各站不受人类活动影响期的E与Wm关系Fig.4 Relationship between E and Wm with least human influence in the Jialingjiang River basin

4 讨 论

4.1 涪江近期次洪输沙量偏大的原因分析

涪江小河坝站近期次洪输沙量呈显著性增加趋势，原因主要为：

(1) 涪江上游位于龙门山断裂带附近，近年来先后经历了汶川地震、芦山地震和九寨沟地震，地震震中均在龙门山断裂带附近。根据中国地震局发布的汶川地震烈度分布图，汶川地震各烈度区沿龙门山断裂带呈不规则椭圆形状展布，其中Ⅺ度区面积约2 419 km2，Ⅹ度区面积约3 144 km2，Ⅸ度区面积约为7 738 km2，Ⅷ度区面积约27 786 km2，Ⅶ度区面积约84 449 km2。据陈晓利等[20]研究，汶川地震产生的滑坡崩塌灾害点主要分布在Ⅶ度区域内，即岷江、沱江、涪江上游区域及嘉陵江上游的白龙江区域，嘉陵江干流和渠江受灾程度相对较小，且愈往下游，受灾程度愈小。地震过程中，由于大量滑坡体的产生，导致山体泥沙大量下泄，为涪江提供了丰富的泥沙来源。据Wang等[21]研究，汶川地震形成滑坡的沙量约为48 000万t，清空小于25 mm细颗粒需要33 a，粗颗粒泥沙更是会持续千年以上的时间，一旦有一定强度或连续降雨，可促使滑坡沉积物输移，导致大量地表松散堆积物进入河道。汶川地震后，涪江上游区域先后经历了2013年、2018年和2020年强降雨过程，降雨范围刚好与龙门山断裂带重合，故导致河道输沙量明显增加。以汶川地震前小河坝站2003年8月29日至9月3日和地震后2018年6月25—30日洪水过程为例说明，2003年8月29日至9月3日的洪峰流量为6 080 m3/s，洪量为14.81亿m3，输沙量为239万t，2018年6月25—30日的洪峰流量为6 230 m3/s，洪量为13.33亿m3，输沙量为451万t，2个洪水过程的持续时间、洪峰流量、洪量差别不大，但地震后的输沙量比地震前明显偏大。

(2) 涪江沿线虽然修建了三江、龙凤等低水头水库，但由于部分水库修建多年，拦沙效果减弱，甚至部分水库库区达到了冲淤平衡的状态，一旦遭遇大洪水时，水库往往开闸畅泄，库区大量泥沙被携带出来，导致下游输沙量增大。此外，在遭遇特大暴雨时，部分水利工程损毁严重，如2018年永安、龙凤和三块石水电站两侧护堤在洪水过程中基本被摧毁，发生大范围的崩岸，特别是三块石水电站，由于建成年代久远，在2018年7月的大洪水过程中大坝已基本被摧毁，上游河道冲刷严重，并发生大幅度和大范围的崩岸，一定程度增加了下游输沙量。受此影响，小河坝2013—2020年的平均次洪输沙量较1999—2012年增大约4.9倍。

图5 小河坝站水流挟沙力与实际含沙量对比Fig.5 Comparison of sediment carrying capacity and actual sediment concentration at Xiaoheba station

4.2 涪江突发洪水对三峡入库沙量的影响

受长江上游气候变化、水土保持工程、梯级水库蓄水等影响，三峡入库沙量呈明显减少趋势，但径流量变化不大[23]。金沙江下游向家坝、溪洛渡水库蓄水前，三峡入库泥沙主要来自于金沙江，其次来自于嘉陵江。图6为嘉陵江北碚站和小河坝站年水沙量占三峡入库水沙量(朱沱+北碚+武隆)的百分数，经统计，三峡水库蓄水前的1955—2002年，北碚站、小河坝站水量分别占三峡入库水量的16.7%和3.7%，沙量分别占三峡入库沙量的24.9%和3.5%；蓄水后的2003—2012年，北碚站、小河坝站水量分别占三峡入库水量的18.0%和3.4%，沙量占三峡入库沙量的14.4%和2.1%，输沙量占比明显减小；2013年向家坝、溪洛渡水库蓄水后，嘉陵江取代金沙江成为三峡入库泥沙的主要来源，2013—2020年嘉陵江沙量占三峡入库沙量的百分数上升至38.9%，涪江占比上升至24.3%，水量占比略有增加，由2003—2012年的3.4%增至2013—2020年的3.6%，但增幅远小输沙量的增幅。

图6 北碚站、小河坝站水沙量占三峡入库水沙量占比过程线Fig.6 Proportion of runoff and sediment discharge at Beibei and Xiaoheba station to the Three Gorges Reservoir

2013年、2018年、2020年涪江流域发生明显的强降雨过程，小河坝站沙量显著增加，年输沙量分别为3 810万t、5 170万t和7 026万t，分别占三峡入库沙量的30.1%、36.2%和36.2%。特别是2013年7月8—17日、2018年7月9—15日、2020年8月15—21日场次输沙量为2 943万t、3 820万t和4 754万t，占该站全年输沙量的77.2%、73.9%和68.1%，占三峡入库沙量的23.2%、26.7%和24.5%。

小河坝站2013—2020年的次洪输沙量较1999—2012年增加，导致该站年输沙量也相应增大，经统计(表2)，小河坝站2013—2020年的年均输沙量为2 115万t，是1999—2012年的4.7倍；相应的三峡入库控制站(北碚站)的年输沙量也有一定程度的增加，由1999—2012年的年均2716万t增至2013—2020年的年均3 392万t，增幅24.9%。由于武胜站和罗渡溪站近期输沙量呈减少趋势，故北碚站的增幅小于小河坝站。

表2 嘉陵江各站1999—2012年和2013—2020年均径流量和年均输沙量统计表Table 2 Results of runoff discharge and sediment load of hydrological stations in the Jialingjiang River basin during the period of 1999—2012 and 2013—2020

5 结 论

根据嘉陵江流域小河坝站、罗渡溪站、武胜站及北碚站历年场次洪量与输沙量资料，基于径流侵蚀功率理论，研究流域场次洪水输沙变化规律，主要结论如下：

(1) 嘉陵江流域汛期洪量和输沙量主要来自于嘉陵江干流，其次为渠江，涪江最小；嘉陵江各站次洪输沙量最大可达全年输沙量的80%以上，对各站年输沙量大小的影响十分明显。

(2) 随着径流侵蚀功率的逐渐增加，嘉陵江各区域次洪输沙模数的变幅逐渐缩窄；小河坝站和罗渡溪站次洪输沙模数变幅小于武胜站，表明涪江和渠江场次洪水输沙受人类活动影响程度较嘉陵江干流区域小，主要是涪江和渠江修建的多为低水头径流式电站，拦沙效果有限，而嘉陵江干流修建了多座大型控制性水库，对河道输沙的影响更为明显。

(3) 嘉陵江各区域的场次洪量均呈不显著减少趋势，次洪输沙模数(输沙量)总体呈显著减少趋势，但受地震和强降雨等多因素的影响，小河坝站2013—2020年次洪输沙量较1998—2012年显著增加，导致北碚站的次洪输沙量也相应增加，增幅小于小河坝站。

(4) 鉴于目前涪江小河坝站的含沙量低于水流挟沙力，受汶川地震等影响，涪江上游堆积了大量泥沙，若发生强降雨过程，堆积的泥沙逐渐下移，小河坝站的输沙量有进一步增加的可能，建议加强观测研究。