三峡建库前后长江中游河道输沙率变化分析

姚仕明，邢国栋，陈 栋

(长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

三峡水库修建后，因水库调蓄与拦沙作用引起下游河道泥沙输移的变化，进而对河势、河道演变产生影响。同时水库下游河道冲淤演变会影响防洪、航运、岸线保护与利用、涉水工程正常运营以及沿江城市的规划建设等。因此开展三峡水库下游河道输沙特性研究具有重要的科学意义与实际价值。

关于河流输沙能力方面，以往有较多学者从不同角度出发开展了水流挟沙力计算公式的研究。例如：Bagnold[1]从水流能量的产生与耗散的角度建立了水流挟沙力理论公式，维里坎诺夫[2]从水流能量平衡的角度建立了水流挟沙力理论公式，张瑞瑾[3]根据能量平衡原理进一步提出“制紊假说”并建立了水流挟沙力理论公式，余明辉等[4]根据“制紊假说”对非均匀沙的水流挟沙力公式进行了研究，沙玉清[5]以含沙量为主要影响因素建立了水流挟沙力公式，舒安平[6]则将各水流挟沙力公式进行了转化和统一。还有一些学者从水沙条件、断面形态、河道比降的角度分析了河道输沙能力的大小。例如：钱宁等[7]从水流的物理性质、河床组成、断面形态及纵比降等角度对水流挟沙能力的影响进行了分析，郑艳爽等[8]从水动力条件、含沙量和来沙组成以及河道比降和断面形态等角度分析黄河不同河段输沙能力的大小，申红彬等[9]通过模型试验研究了断面形态对输沙能力的影响，刘峰[10]通过模型试验研究，指出在含沙水流中加入较细颗粒泥沙有利于提高水流挟沙能力，杨克君等[11]通过模型试验得到了清水冲刷条件下复式河槽输沙率变化规律。还有一些学者从造床流量等角度分析河道输沙能力。由于造床流量[12]指的是在一段时间内与同期流量相比，对河床作用最大的流量。因此韩其为[13]在研究黄河下游河道输沙能力时，认为黄河下游河道造床流量可以代表河道输沙能力。而关于三峡水库下游河道输沙能力问题。一些研究者从河道冲淤变化[14]、造床流量[15-16]等角度分析了三峡水库运用前后下游河道水沙变化，并从已有的研究中可以得出以下结论：三峡水库蓄水运用后下游河道从“冲槽淤滩”变成“滩槽均冲”；造床流量沿程表现为先减小后增大的趋势[14-16]。

通过以上分析，当前研究中存在以下问题：一是从河流输沙能力定义来看，武汉水利电力学院水流挟沙力研究组[17]认为水流挟沙能力是在一定的水流和泥沙条件下，水流能够挟带的悬移质中床沙质的临界含沙量，受水文资料的限制，天然河道中什么时间输沙能力到达最大，难以确定。另一方面，造床流量的大小对河道输沙能力的影响十分显著，并且当河流处于均衡状态时，造床流量几乎与平滩流量等价，因此开展平滩流量下挟沙能力分析十分重要，然而，因平滩流量的确定存在多种方法，可能不尽一致，应从平衡条件和非平衡条件下平滩流量与造床流量的关系出发。

基于以上问题，本文将根据长江中游河道主要水文站的断面、床沙与水文资料，开展三峡水库下游河道输沙率变化研究，分析三峡水库蓄水运用前后长江中游河道输沙率沿程变化规律以及平滩流量条件下输沙强度变化，并从水流挟沙力的角度探究输沙强度变化原因。研究成果将为三峡水库下游河道的冲淤趋势预测、河道治理及水库优化调度提供参考依据。

2 研究范围及方法

2.1 研究范围

本文研究河段为枝城至武汉河段，全长约575 km，属于冲积性平原河段，沿程水文站包括枝城站、沙市站、监利站、螺山站、汉口站。其中城陵矶以上荆江河段有松滋口、太平口、藕池口分流入洞庭湖，城陵矶以下有主要支流汉江入汇。

2.2 数据来源及方法

根据三峡水库蓄水运用前后长江中游河道主要水文站水沙条件变化，建立流量Q与输沙率Qs的相关关系，通过输沙率与流量的相关式Qs=aQb分析各站在三峡水库蓄水运用前后的输沙强度变化，其中，拟合参数“a”能够反映上游泥沙的供给程度，参数“b”则与河床的易侵蚀程度有关[18-20]。a值越大，说明上游来沙量越多；b值越大，说明河床粗化越严重。选择典型的复式断面研究三峡水库蓄水运用前后输沙率变化规律，并根据张瑞瑾的水流挟沙力公式分析输沙率变化原因。

3 三峡水库蓄水运用前后长江中游主要水文站泥沙输移变化

图1为三峡水库蓄水运用前后长江中游主要水文站流量与输沙率之间的关系。由图1可知，各站输沙率与流量幂指数关系较好，且输沙率随着流量的增大而增大，相同流量下各站均存在 1992—2002年输沙率最大，2003—2008年次之，2009—2017 年输沙量最小的现象。

3.1 枝城站

枝城站位于三峡水库下游约104 km处，从宜昌至枝城，区间有清江入汇。1992—2002年、2003—2008年、2009—2017年各时段输沙率随流量级的变化见图1(a)，三峡水库蓄水运用后同流量级输沙率均出现减小。以4万m3/s为例，2003—2008年同流量级输沙率较三峡水库蓄水运用前减小了55.9%，2009—2017年较蓄水运用前减小了79%。根据流量输沙率关系Qs=aQb，参数a在1992—2002年、2003—2008年、2009—2017年3个时期分别为1.375×10-6、1.535×10-11、2.096×10-16，说明三峡水库蓄水运用初期，枝城站上游来沙量急剧减少，175 m试验性蓄水运用后，来沙量进一步减小。参数b在这3个时期分别为1.662、2.661、3.648，表明三峡水库蓄水运用后河床持续冲刷粗化。

3.2 沙市站

沙市站位于上荆江中段，自枝城至沙市河段，存在松滋口、太平口两个口门分流分沙。由图1(b)可以看出，三峡水库蓄水运用以来，沙市站同流量级输沙率出现了大幅度的减少，尤其是2008年以后输沙率进一步减小。参数a在1992—2002年、2003—2008年、2009—2017年3个时期分别为1.085×10-6、5.29×10-12、1.331×10-18，参数b在3个时期分别为1.7、2.785、4.219。上述结果说明枝城至沙市河段同样存在泥沙供给不足和河床持续冲刷粗化的现象。

3.3 监利站

监利站位于下荆江中段，自沙市至监利站之间有藕池口分流分沙。由图1(c)可以看出，监利站在三峡水库蓄水运用后同流量级输沙率同样出现了大幅度的减少，以4万m3/s为例，2003—2008年同流量级输沙率较蓄水运用前减小了37.9%，2009—2017年较蓄水运用前减小了52.8%。参数a在1992—2002年、2003—2008年、2009—2017年3个时期分别为3.711×10-5、3.579×10-10、1.271×10-11。参数b分别为1.343、2.388、2.677。说明沙市到监利河段在三峡水库蓄水运用后同样出现了上游泥沙补给不充足和河床泥沙冲刷粗化现象。

图1 长江中游主要水文站流量-输沙率关系Fig.1 Relationship between flow and sediment transport rate at major hydrological stations in the midstream of the Yangtze River

3.4 螺山站

螺山站为荆江河段与洞庭湖汇流后第一个水文站，距离江湖汇合处的城陵矶约20 km。由图1(d)可知，螺山站同样存在同流量级输沙率在三峡水库蓄水运用后明显减少的现象。以4万m3/s为例，2003—2008年同流量级输沙率较蓄水运用前减小了42.3%，2009—2017年较蓄水运用前减小了74.2%。参数a在1992—2002年、2003—2008年、2009—2017年3个时期分别为4.485×10-4、5.271×10-8、1.416×10-7，参数b分别为1.022、1.824、1.655。上述结果说明螺山站在三峡水库蓄水运用后同样出现了上游泥沙补给不充足，河床泥沙冲刷粗化，但是在2008年以后，螺山站a值有所增大、b值有所减小，说明上游来沙量减少和河床泥沙粗化现象对河道输沙变化的影响有所缓解。这可能是因为螺山站受到洞庭湖汇流和三峡水库蓄水运用后下游河道长距离冲刷作用引起沿程泥沙补给等影响有关。

3.5 汉口站

图1(e)为汉口站多年流量下输沙率变化过程，参数a在1992—2002年、2003—2008年、2009—2017年3个时期分别为7.4×10-5、3.939×10-9、4.344×10-8，说明在三峡水库蓄水以来武汉河段来沙量明显减小，2008年以后，来沙量进一步减小。参数b分别为1.184、2.066、1.773，说明在三峡水库蓄水初期，上游来沙量不足，河床泥沙因冲刷粗化，2008年以后，汉口站同样受到洞庭湖汇流和三峡水库蓄水运用后下游河道长距离冲刷引起沿程泥沙补给的影响，a值有所增大、b值有所减小，因此上游来沙量减少和河床泥沙粗化现象对河道输沙变化的影响均有所缓解。

各站a、b值的变化规律见表1。从表1可看出，枝城、沙市、监利上游来沙量减小和河床泥沙粗化处于进一步加剧状态，而螺山站和汉口站受到沿程泥沙补给和洞庭湖及汉江入汇的影响，在三峡水库175 m试验性蓄水后，上游来沙量和河床表层泥沙粗化对其输沙变化的影响均有所缓解。

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表1 各站各时段a、b值变化

图2为三峡水库蓄水运用前后下游河道各站床沙中值粒径变化。枝城站、沙市站、监利站观测断面的床沙中值粒径粗化明显，螺山站、汉口站观测断面的床沙中值粒径在2008年以前有所粗化，但2008年以后变化较小，与b值研究的变化规律基本一致。同时以上研究与樊咏阳等[21]和李义天等[22]的研究结论基本相一致。

图2 各站床沙中值粒径历年变化Fig.2 Change of median grain size of bed sediment at each station over years

以上研究说明三峡水库蓄水运用后长江中游河道各站同流量级输沙率均出现不同程度的下降，其中枝城站同流量级输沙率下降幅度最大，同时荆江河段河床泥沙粗化最为明显，河床抗冲性增强，床面冲刷补给的泥沙会相对减少，因此荆江河段输沙强度显著下降。城陵矶以下河段在自然条件下的输沙能力就小于荆江河段，加之受洞庭湖汇入水沙和沿程床面泥沙补给、河床组成等因素的影响，同流量级输沙率减小幅度小于荆江河段，因此螺山至汉口河段输沙强度下降相对较小。

4 平滩流量下河道水流挟沙力分析

统计分析三峡水库蓄水运用前后长江中游主要水文站不同年份输沙率的资料，可以看出，三峡水库蓄水运用前的1992—2002年，河道输沙处于相对平衡状态；三峡水库蓄水运用后，下游河道受到水库的调蓄与拦沙作用，打破了原有河道的输沙平衡，导致下游河道输沙处于严重次饱和状态，引起河道的持续冲刷。变化的水沙过程对水库下游河道输沙产生何种影响，尤其是平滩流量下输沙率如何变化有待进一步研究。

由于三峡水库蓄水运用前1996年、1998年和蓄水后2012年河道断面滩槽分布相对明显，且输沙率随着流量变化存在一定的规律性，因此选择1996年、1998年和2012年作为典型年。分析悬移质最大输沙强度对应的流量与平滩流量的关系，并根据汉口站的实测资料，从水流挟沙力的角度分析三峡水库蓄水运用前后平滩流量附近悬移质输沙率变化的原因，这里采用平滩水位法确定平滩流量。通过分析螺山站和汉口站1992—2002年各年流量输沙率关系以及各年断面资料，螺山站在三峡水库蓄水运用前后的 1996年、1998年和2012年输沙率随着流量变化。

根据图3，螺山站1996年输沙率最大点对应流量在4.5万～5万m3/s之间，1998年输沙率最大点对应流量在5.5万～6万m3/s之间，主要原因根据图1(d)螺山站蓄水前多年流量输沙率变化，螺山站多年平均最大输沙率大约为35 t/s，而1998年流量在4.5万～5万m3/s之间输沙率小于35 t/s，说明含沙量还未饱和，因此流量在4.5万～5万m3/s时输沙率并非最大值，但是输沙率出现明显的波动变化。三峡水库蓄水运用后，河道含沙量处于不饱和状态，螺山站2012年输沙率在流量4.5万～5万m3/s之间出现极值点。螺山站1996年和1998年输沙率最大点以及螺山站2012年输沙极值点对应的断面水位见图4。

图3 螺山站1996年、1998年和2012年流量-输沙率关系Fig.3 Relationship between flow and sediment transport rate at Luoshan station in 1996，1998 and 2012

图4 螺山站1996年和1998年输沙率最大点以及2012年输沙率极值点对应水位Fig.4 Water levels corresponding to the maximum point of sediment transport rate in 1996 and 1998 and the extreme point of sediment transport rate in 2012 at Luoshan station

根据图4可知，各年输沙率最大点和极值点对应水位均在平滩水位附近，其中，1998年水位略高于右侧河漫滩，说明在饱和含沙量的情况下，螺山站在三峡水库蓄水运用前平滩流量附近输沙强度最大。

由于螺山站的水位流量关系较为复杂，因此本文主要通过分析汉口站1996年、1998年以及2012年输沙率最大值与平滩水位的关系，并从水流挟沙力的角度具体分析输沙率变化原因。

根据汉口站1996年、1998年和2012年流量输沙率关系(图5)，汉口站1996年和1998年输沙率存在最大点，且输沙率变化与螺山站相对应。汉口站1996年输沙率最大点对应流量在5万～5.5万m3/s之间，1998年输沙率最大点对应流量在5.5万～6万m3/s之间，主要原因根据图1(e)汉口站蓄水前多年流量输沙率变化规律，汉口站多年平均最大输沙率大约为38 t/s，1998年流量在4.5万～5万m3/s 之间河道含沙量还未饱和，因此此时输沙率并非最大值，但是输沙率在流量4.5万～5万m3/s 之间同样出现明显的波动变化。三峡水库蓄水运用后，河道含沙量处于不饱和状态，汉口站2012年输沙率在流量4.5万～5万m3/s之间出现极值点。

图5 汉口站1996年、1998年和2012年流量-输沙率关系Fig.5 Relationship between flow and sediment transport rate of Hankou station in 1996，1998 and 2012

汉口站1996年和1998年输沙率最大点以及2012年输沙极值点对应的断面水位见图6。

图6 汉口站1996年、1998年输沙率最大点和2012年输沙率极值点对应水位Fig.6 Water levels corresponding to the maximum point of sediment transport rate in 1996 and 1998 and the extreme point of sediment transport rate in 2012 at Hankou station

由图6可知，各年输沙率最大点和极值点对应水位均在平滩水位附近，其中1998年水位要高于左侧河漫滩。同样说明了在饱和含沙量的情况下，汉口站在三峡水库蓄水前平滩流量附近具有最大输沙强度。

从水流挟沙力的角度分析输沙率变化原因，1996年、1998年和2012年汉口站流速和U3/H(U为断面平均流速，H为断面平均水深)随流量的变化见图7、图8，流速和U3/H均随着流量的增大而增大，流速在平滩流量附近并无明显变化，但1996年和1998的U3/H在流量5万～5.5万m3/s之间附近存在较小波动，而2012年U3/H在流量4.5万～5万m3/s 之间存在较小波动。

图7 汉口站1996年、1998年和2012年流量-流速关系Fig.7 Relationship between flow rate and flow velocity at Hankou station in 1996，1998 and 2012

图8 汉口站1996年、1998年和2012年流量-U3/H关系Fig.8 Relations of flow rate versus U3/H at Hankou station in 1996，1998 and 2012

由于流速和U3/H随流量的变化规律不明显，因此进一步分析水流挟沙力在相邻流量级之间的比值关系见图9。

图9 汉口站1996年、1998年和2012年相邻流量级水流挟沙力比值Fig.9 Ratio of sediment carrying capacity of adjacent flow levels in 1996，1998 and 2012 at Hankou station

由图9可知，汉口站1996年和1998年相邻流量级水流挟沙力的比值在流量5万～5.5万m3/s之间存在最大值，并通过计算可知1998年汉口站当流量5万～5.5万m3/s之间时水位接近左侧河漫滩。汉口站2012年相邻流量级水流挟沙力的比值在流量4.5万～5万m3/s之间存在最大值。说明平滩流量附近输沙能力的增长速率最大。

通过螺山站和汉口站1996年、1998年、2012年观测的水沙资料分析，在饱和含沙量的情况下，平滩流量附近输沙强度最大。并通过汉口站分析各年份流速和U3/H随流量的变化规律，但是变化规律不明显，然而相邻流量级水流挟沙力比值在平滩流量附近是最大的，说明平滩流量附近输沙能力的增长速度最快。

5 结 论

(1)通过对1992—2017年长江中游主要水文站的水沙资料分析，三峡水库蓄水运用后枝城至武汉河段各主要水文站同流量级输沙率均出现不同程度的减少，其中，枝城站减少最为明显，汉口站下降最少；河床泥沙中值粒径粒径均出现不同程度增大，其中荆江河段河床粗化明显，螺山至汉口河段河床略有粗化。说明荆江河段输沙强度下降明显，螺山至汉口河段受沿程泥沙补给和洞庭湖的水沙补给等因素影响，输沙强度减少幅度相对较小。

(2)选取螺山站和汉口站典型年分析平滩流量条件下输沙率变化规律，可看出三峡水库蓄水前后输沙率在平滩流量附近均会出现明显的波动变化。如螺山站和汉口站1996年，当含沙量处于饱和状态时，平滩流量附近具有最大输沙强度；而三峡水库蓄水运用后，河道水流含沙量处于不饱和状态，如汉口站2012年输沙率在平滩流量附近存在明显波动变化，输沙率的极值点流量水位与平滩水位较为接近，但输沙率并非最大点。

(3)分别从流速和U3/H的角度分析蓄水前后平滩流量附近输沙率变化原因，其中流量和U3/H均在平滩流量附近无明显变化，但是在平滩流量附近相邻流量级下水流挟沙力的比值是最大的，说明在平滩流量附近输沙能力的增长速率最大。