金沙江下游流域水沙格局变化研究

谢益芹，邓安军，董先勇，秦蕾蕾，张帮稳

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2.中国水利水电科学研究院 水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室，北京 100048；3.中国三峡建工(集团)有限公司，四川 成都 610041)

1 研究背景

金沙江下游流域属于袭夺河，河道沿断裂带发育，岩层破碎，沟谷侵蚀强烈，是金沙江流域的重点产沙区和控沙区，也是三峡入库沙量的主要来源之一[1-3]。流域水系发达，支流和支沟众多，水沙异源和不平衡现象突出[4-5]。随着金沙江中游“一库八级”梯级水库规划建设和下游流域四座梯级水库的蓄水运行，金沙江下游流域水沙格局发生了新的变化，主要表现为沙量的大幅减少，一方面从金沙江中游进入下游和雅砻江入汇的泥沙量锐减，另一方面所在区域梯级水库的蓄水拦沙引起出库水沙减少[6-10]。金沙江下游入库水沙的减少为水库淤积进程的预测带来困难，影响梯级水库的运行调度，同时出库水沙的减少影响三峡水库的入库沙量，加剧下游河道的冲刷[11-16]，段炎冲等[17]研究结果表明金沙江梯级水库群对三峡入库沙量有着长期显著的影响，可见金沙江下游流域水沙在整个长江流域处于相当重要的地位。

在金沙江下游特殊的地理环境和四座梯级水库投产运用下，流域新水沙情势受到了广泛的关注。秦蕾蕾等[18]统计了金沙江下游不同时段不同区间的水沙变化特征，结果表明攀枝花2011—2016年输沙量较1998—2010年减少了86.6%，下游干流代表水文站水沙关系发生了显著的调整，以沙量单相减少为主要特征，水沙变化的主要因素是水库拦沙。陆传豪等[19]通过分析金沙江流域1956—2016年水沙监测数据，发现攀枝花以下(不含雅砻江)的输沙在近20年呈减少趋势，同时指出金沙江下游梯级水库减沙效果十分显著。刘尚武等[20]基于1966—2015年金沙江干流和雅砻江水文监测资料研究了金沙江流域输沙量的变化特征，结果表明金沙江下游水沙异源明显，在1998年以后呈减沙趋势，尤其进入21世纪，减沙趋势更加明显。杜泽东等[21]基于金沙江溪洛渡水库干支流主要控制站的水沙资料研究了入出库水沙特征，结果表明与研究阶段相比2008—2019年溪洛渡入库径流量变化不大，入库沙量大幅减少，相较于可行性研究阶段偏少54.37%。陈柯兵等[22]对金沙江下游干流关键控制站的年径流量、年输沙量序列进行了变异诊断及归因分析，结果表明金沙江下游径流量总体变化不大，但输沙量明显减少，因金沙江中游水库建设的影响，攀枝花、向家坝站年输沙量在2010年发生向下的跳跃变异。大型梯级水库的修建显著改变了金沙江下游的水沙格局，流域区间支流来沙成为入库水沙的主要来源，然而目前大多数研究聚焦于干流或某支流的水沙变化，对不同库区支流的水沙关注较少，而且对于金沙江水系整体格局的系统研究较为罕见。由于金沙江下游流域水沙异源特征明显，梯级库区干支流入库水沙不同时期如何变化，以及新水沙格局下梯级水库的入库沙分布仍需要进一步研究。

本文重点关注金沙江下游干流入出库水沙和主要支流水沙变化，基于金沙江下游干流和13条支流水文监测资料，运用统计分析、双累积曲线方法，分析金沙江下游流域水沙年际变化特征及空间分布情况，并在此基础上分析水沙格局的变化。研究成果可为金沙江梯级电站的运行调度提供基础依据。

2 研究区域及数据资料

2.1 研究区域金沙江是长江上游干流河段，发源于青海省唐古拉山脉各拉丹冬雪山西南侧，流经青海、西藏、四川、云南、贵州，以石鼓、攀枝花为界，分上、中、下三段，其中石鼓到攀枝花为中游，攀枝花至宜宾市岷江口为下游。金沙江下游流域干流河长768 km，流域面积21.4万km2，属于典型的干热河谷地带，地质结构复杂，土壤侵蚀严重[23]。金沙江中游地区设计的“一库八级”，如观音岩、鲁地拉、龙开口、金安桥等大型梯级水电站自2010年以来开始逐步蓄水运用；自2012年以来，金沙江下游向家坝、溪洛渡、乌东德、白鹤滩四座大型水电站蓄水运用；雅砻江流域的二滩、官地等大型水电站自1998年以来蓄水运用。

本次研究区域为金沙江下游流域的攀枝花至向家坝区间流域，如图1所示，流域面积19.96万km2，水系发达，支流支沟众多，主要一级支流右岸有龙川江、勐果河、普渡河、小江、以礼河、牛栏江、团结河、细沙河、大汶溪；左岸有雅砻江、普隆河、鲹鱼河、黑水河、尼姑河、西溪河、金阳河、美姑河、西苏角河、西宁河、中都河等。其中，13条一级支流有泥沙监测资料，总集水面积为16.93万km2，占攀枝花至屏山区间流域面积84.8%；其它区域均为未控区间，主要包括没有泥沙监测资料的支流支沟及金沙江下游干流两侧坡面，总面积为3.03万km2，占区间流域面积15.2%。

图1 金沙江下游干支流及主要水文站分布图

2.2 数据资料针对研究内容及研究区域，本文收集了金沙江干流攀枝花、乌东德、白鹤滩、溪洛渡、屏山和向家坝水文站及下游有泥沙监测资料的13条支流上的径流泥沙数据，包括桐子林、小黄瓜园、高桥、可河、尼格、樊家桥、宁南、昭觉、大沙店、美姑、何家湾、欧家村和龙山村水文站，详情见表1。屏山站2012年改为水位站，由于其集水面积与向家坝电站相差0.05%，2012年以后屏山站的观测资料采用向家坝站代替。白鹤滩水文站2014年设立，由于其集水面积与华弹水文站仅相差1%，且二者之间只有黑水河入汇，白鹤滩水文站2014年之前观测资料使用华弹站和宁南站之和代替。

表1 金沙江下游控制站观测数据

3 水沙变化特征

金沙江下游流域是典型的山区河流，支流和支沟众多，土壤流失严重。根据攀枝花站和屏山站1966—2010年水文数据资料，攀枝花至屏山区间流域面积占屏山站控制流域面积的43.48%，多年平均径流量占屏山站的60.28%，多年平均输沙量占屏山站的78.75%，金沙江下游来沙是金沙江流域主要的泥沙来源。随着金沙江中游大型水电站的蓄水拦沙，金沙江下游流域的水沙格局产生了新的变化，攀枝花以上流域来沙大幅减少，区间支流来沙在金沙江下游入库泥沙中占比越来越大。

金沙江下游向家坝、溪洛渡、乌东德和白鹤滩水电站分别于2012年10月、2013年5月、2020年5月和2021年4月下闸蓄水，下游水沙发生了显著变化。

3.1 干支流水沙变化过程攀枝花站是金沙江下游四座梯级水库的干流入库控制站，水沙年际变化过程如图2(a)所示，2011年之前，径流量和输沙量呈周期性波动，多年平均径流量为568.38亿m3，多年平均输沙量5198.6万t，无明显趋势性变化；2011年以来，径流量基本不变，但输沙量大幅减少，与2011年以前相比，2011—2020年多年平均输沙量仅为689.2万t，减少了86.74%。王远龙 等[24]研究结果表明金沙江上游径流量和输沙量由于降雨和滑坡事件的发生有增加的趋势，而攀枝花站输沙量的减少主要由于金沙江中游干流金安桥、龙开口、鲁地拉等梯级水库蓄水运用，水库拦沙改变了攀枝花站来水来沙。白鹤滩(华弹+宁南)站是白鹤滩水库的出库控制站，也是溪洛渡水库的入库控制站，多年平均径流量1276亿m3，多年平均输沙量16019万t，如图2(b)所示，径流量年际变化不大，输沙量在1999年以后呈减少趋势，整体上1999—2019年多年平均输沙量相比之前减少了34.4%，由于2020年之前乌东德和白鹤滩水电站未蓄水，白鹤滩站输沙减少主要受其上游干支流来沙影响。溪洛渡站是溪洛渡库区的出库控制站，也是向家坝库区的入库控制站，因2013年地质灾害影响仅观测有1—8月的径流泥沙数据，在此不再将该年数据列入讨论，如图2(c)所示，径流量无明显变化，多年平均径流量1387亿m3，输沙量在2014年显著减少，这主要由于溪洛渡水电站在2013年5月蓄水拦沙导致，2004—2012年多年平均输沙量13460万t，溪洛渡水电站投入运用以后，年均输沙量仅有249万t，较运用前减少98.15%。向家坝站是向家坝水库的出库控制站，如图2(d)所示，径流量无明显变化，输沙量在2013年前，与白鹤滩站有相同的变化趋势，在2013年之后受向家坝水电站蓄水拦沙影响显著减少。向家坝水电站投入运用至今，多年平均输沙量仅有155.39万t，较运用前减少99.34%以上。

金沙江下游有较长时间水沙系列的支流有8条，雅砻江是其中最大的支流，于梯级库区入口处入汇，入汇控制站为桐子林站，如图3(a)所示，径流量无明显变化趋势，多年平均径流量590.62亿m3，输沙量在1999年以后显著减少，1999—2020年多年平均输沙量为1223.1万t，相比之前减少了72.12%，这主要由于雅砻江下游二滩水库蓄水拦沙导致。龙川江入汇控制站为小黄瓜园站，如图3(b)所示，径流量和输沙量有相同的变化趋势，2003年以后均明显减少，2003年以前多年平均径流量为8.23亿m3，输沙量为520.87万t；与2003年以前相比，2003—2020年多年平均径流量减少了55.51%，输沙量减少了75.95%。郭乾坤等[25]研究认为龙川江流域受流域水土保持工程影响洪水流量和产沙量显著减少。勐果河水文测站为高桥水文站，未收集到1986—2005年水沙数据，如图3(c)所示，输沙量变化趋势与径流量一致，多年平均径流量1.27亿m3，多年平均输沙量12.97万t，其中2014年径流量增加幅度较小，但输沙量大幅增加，这主要由于勐果河及其支沟沿岸谷地地带是金沙江地质灾害集中发育的地区之一[23]，2014年年内径流量分布不均，7、8月份径流量的增加导致输沙量的大幅增加，相比其它年份，勐果河2014年7月、8月径流量分别增加了25.39%、81.02%，输沙量分别增加了492.08%、545.53%，这可能与汛期降雨变化有关。黑水河水文测站为宁南站，如图3(d)所示，径流量和输沙量无明显变化趋势，多年平均径流量为1253.7亿m3，多年平均输沙量为16432万t。西溪河水文测站为昭觉站，如图3(e)所示，径流量无明显变化趋势，多年平均径流量为4.43亿m3，多年平均输沙量为64.25万t；1983和1984年输沙量出现突增，年均输沙量是其它年份的4.5倍，水沙增加主要由于汛期水沙增加造成的。牛栏江水文测站为大沙店站，如图3(f)所示，径流量在2011年以后略有减少，1967—1981年多年平均径流量为40.00亿m3，2011—2019年相比其减少了31.42%；输沙量在2011年以后大幅减少，1967—1981年多年平均输沙量为1170万t，2011—2019年相比其减少了87.34%。美姑河水文测站为美姑站，如图3(g)所示，径流量和输沙量均无明显变化趋势，多年平均径流量为10.36亿m3，多年平均输沙量179.8万t。西宁河是向家坝库区最大的河流，也是唯一一个流域面积超过1000 km3的河流，水文测站为欧家村站，2006年5月设立，测量时间较短，如图3(h)所示，多年平均径流量4.34亿m3，多年平均输沙量46.65万t，径流量和输沙量均有增加趋势，年均增加分别为0.44亿m3和6.38万t。

图3 金沙江下游主要支流水沙年际变化

综上可知，金沙江下游干流各水文站不同时期径流量变化不大，输沙量受大型梯级水库的蓄水拦沙影响显著减少；支流除雅砻江、龙川江、牛栏江外，下游主要支流水沙变化过程未发生明显的变化，其中雅砻江受二滩水库蓄水拦沙影响，1999—2020年年均输沙量较之前减少了72.12%，牛栏江受天花板水库、牛栏江-滇池补水工程等影响，2011—2019年年均径流量较之前减少了31.42%，输沙量减少了87.34%。流域水沙变化主要受自然环境和人类活动的影响，如降雨、植被、水库拦沙、水土保持工程等，而水库拦沙是金沙江下游干支流沙量减少的主要影响因素。

3.2 水沙一致性关系为明确水沙变化过程的一致性，采用双累积曲线对干支流水沙年际长序列变化过程进行分析。其中，参考变量和被检验变量分别为累积输沙量和累积径流量，当双累积曲线为直线趋势，表明这段时期的水沙比例基本一致；当双累积曲线为上凸趋势，表明这段时期的河道累积输沙量的增量小于径流量的增量；反之，则河道累积输沙量的增量大于径流量的增量。

图4中展示了金沙江下游干流各水文站输沙量与径流量双累积曲线，攀枝花站双累积曲线在2011年之后斜率显著减小，上凸趋势明显，说明其水沙关系在2011年改变，这主要由于其上游梯级水库的蓄水拦沙导致；白鹤滩站双累积曲线没有明显改变；溪洛渡和向家坝(屏山)站双累积曲线在2012年之后斜率显著减小，说明这段时期的河道累计输沙量的增量远小于径流量的增量，参考金沙江上游水电站及溪洛渡和向家坝水电站的蓄水时间，可见水电站的蓄水拦沙改变了水沙时间过程的一致性。

图4 金沙江下游干流各水文站双累积曲线

图5中展示了金沙江下游主要支流输沙量与径流量双累积曲线，桐子林站双累积曲线在1998年斜率减小，表明水沙关系发生改变，这主要由于二滩水库的蓄水拦沙导致；小黄瓜园站虽然水沙在2003年明显减小，但水沙关系未发生改变；高桥站输沙量虽然2014年出现突增，但前后两个时期双累积曲线的斜率基本一致，前后水沙关系未发生显著变化；宁南站长时间水沙序列双累积曲线斜率没有变化，水沙关系没有改变。昭觉站虽然1983年和1984年输沙量出现突增，但前后两个时期的双累积曲线的斜率基本一致，说明除1983年和1984年外，昭觉站水沙关系基本一致；大沙店站2011—2019年时间段内的双累积曲线斜率与1967—1981年相比显著减小，表明水沙关系发生改变，这可能与牛栏江—滇池补水等水利工程有关，由于1981—2011年时间段内资料的缺失，不能准确把握水沙一致性发生改变的时间；美姑站和欧家村站水沙关系没有明显变化。综上可见，水沙关系发生明显变化有雅砻江和牛栏江。

图5 金沙江下游主要支流双累积曲线

4 水沙空间分布与格局变化

4.1 水沙空间分布从径流量、输沙量、含沙量、径流模数和输沙模数等方面分析金沙江下游流域来水来沙的空间分布特征。表1中展示了各支流上的水文站的集水面积及其占比流域面积情况，从集水面积看，雅砻江占攀枝花-屏山区间面积64.28%，除雅砻江外，集水面积超过1000 km3的支流有龙川江、鲹鱼河、普渡河、小江、黑水河、牛栏江、美姑河和西宁河；从集水面积占比流域面积看，除高桥站和昭觉站集水面积占比相对较少，其它支流水文数据基本能反映流域水沙情况。

图6展示了金沙江下游主要支流径流量、输沙量和含沙量的空间分布情况，其中根据水沙年际变化，将雅砻江、龙川江和牛栏江分段分析，雅砻江的时间节点为1999年，龙川江为2003年，牛栏江为2011年。由图可见，整体上，径流量和输沙量与集水面积有一定关联，雅砻江径流量和输沙量远高于其它支流，尤其1999年以前，是下游入库水沙的主要来源之一；除雅砻江外，牛栏江、黑水河、普渡河、美姑河、小江和龙川江是下游径流量和输沙量比较大的支流；西溪河因昭觉水文站集水面积较小，仅占流域面积的22.3%，因而所测水沙量较小。含沙量超过1 kg/m3的支流依次为龙川江、小江、牛栏江、黑水河、西溪河、美姑河、鲹鱼河和西宁河。不考虑雅砻江时，龙川江是乌东德库区来水来沙最大的支流；小江和黑水河是白鹤滩主要产沙支流；牛栏江在2011年之前是溪洛渡库区来水来沙最大的支流，但2011—2020年时间段内输沙量大幅减少，与美姑河相当；向家坝库区支流由于流域面积较小，整体来水来沙量较小。

图6 金沙江下游主要支流水沙分布

为了探究各库区支流不同时期单位流域面积的产水产沙能力，计算了各支流的径流模数和输沙模数，如图7所示。由图可见，各支流径流模数相差较小，乌东德库区的径流模数略低于其它库区；从各支流输沙模数看，龙川江在2003年之前是乌东德库区输沙模数最大的支流，乌东德库区2003年以后各支流输沙模数相当，白鹤滩库区和溪洛渡库区支流输沙模数高于其它库区，向家坝库区输沙模数整体较小，此外小江、黑水河、西溪河、美姑河输沙模数大于其它支流，这主要与其所处地理环境有关。黑水河、小江等均沿断裂带发育，滑坡、泥沙流分布广泛，频率高，据统计小江两岸分布有泥石流沟107条，每年带入小江土石3000～4000万t，其中又有约260万t泻入金沙江[4]。

图7 金沙江下游主要支流径流输沙模数分布

4.2 水沙格局变化为了解库区区间来沙与上游来沙的变化，结合各支流水沙年际变化，分析不同时段干支流径流量输沙量的占比变化，其中上游来沙使用攀枝花站监测数据。根据雅砻江的时间节点1999年，龙川江的时间节点2003年，牛栏江和攀枝花站的时间节点2011年，溪洛渡水文站的蓄水运行时间2013年，将时间段分为1999年以前、1999—2002年、2003—2010年、2011—2012年和2013—2020年五个时间段。

图8和图9分别为不同阶段金沙江下游主要支流径流量和输沙量占比分布情况，表2和表3为径流量和输沙量的详细占比值。由图表可见，不同时期，径流量的占比几乎不变，其中攀枝花站和雅砻江径流量占比均在46%左右，其它支流占比总和在9%左右；不同时期输沙量占比变化显著，1999年以前，上游来沙占比40%，雅砻江占比36%，其它支流占比总和24%；1999—2002年阶段，攀枝花站和主要支流的来沙总量略有增加，上游干流来沙处于较高水平，平均来沙量比1999年以前多年平均输沙量增加了69.32%，上游干流占比大幅增加，雅砻江由于二滩水电站的拦沙影响，相比1999年以前多年平均输沙量减少了61.37%，占比大幅减小，其它支流占比略有增加；2003—2010年阶段，由于上游输沙量和龙川江水沙量的减少，来沙总量降低，干支流占比变化不明显；2011年以后，由于攀枝花以上流域梯级水电站的修建，上游来沙持续减少，攀枝花站2013—2020年多年平均输沙量相比2003—2010年减少了91.62%，来沙占比由2011年之前的58%降低到16%，2013年以来雅砻江和其它支流总共占比84%，除雅砻江外，占比超过5%的支流有小江、黑水河、牛栏江和美姑河，区间支流来沙成为金沙江下游梯级水库重要泥沙来源。

表2 金沙江下游主要支流径流量占比 单位：%

表3 金沙江下游主要支流输沙量占比 单位：%

图8 金沙江下游主要支流径流量占比分布

图9 金沙江下游来水格局变化

图9 金沙江下游主要支流输沙量占比分布

据2012年以前的攀枝花站和屏山站水文监测数据，攀枝花至屏山区间径流量占比径流总量在50%～70%，输沙量在1999年以前占比输沙总量在70%～90%范围内，由于下游最大支流雅砻江上二滩水电站蓄水拦沙，1999—2006年占比输沙总量在40%～70%范围内，2006年以来，由于金中梯级水电站逐渐蓄水拦沙，占比输沙总量在60%～90%范围内。区间来沙包括已控支流和未控区间两个部分，根据上述分析，在不考虑未控区间来沙时，1999年以前区间年均输沙量占比屏山28%和1999—2010年区间年均输沙量占比输沙总量23%左右，区间输沙在考虑未控区间以后占比显著提高。

基于2012年以前攀枝花站和屏山站水文监测数据，统计已有实测资料支流水沙情况，以此推算未控区间的水沙占比，通过分析发现未控区间多年平均径流量为159.64亿m3，占比入库径流总量为11.14%，多年平均输沙量为11924.13万t，占比入库输沙总量为51.01%。

基于已有实测资料，提出了金沙江下游整体水沙格局，如图9和图10所示，其中天然情况指干支流水沙未受大型水利工程影响的情形。由图可见，金沙江下游来水格局并未发生明显变化，攀枝花站和雅砻江径流量占径流总量的80%以上，是主要的入库水源；下游来沙格局发生显著变化，受水库拦沙影响，攀枝花站和雅砻江输沙量占比显著减小，未控区间输沙量占比明显增大，2013年以后多年平均输沙量占比达到了82%，未控区间来沙对金沙江下游水沙格局有重要的影响。

图10 金沙江下游来沙格局变化

基于上述金沙江下游水沙格局变化情况，进一步预估未来水沙变化趋势。金沙江下游干支流径流量年际变化趋势不明显，未来来水格局变化不大。随着金沙江中游和雅砻江系列水库蓄水拦沙及其规划水电站的持续建设，在未来较长时间内金沙江中游和雅砻江将保持较低来沙水平，对金沙江下游来沙格局影响较小；区间支流可能由于其流域水库库容减少或蓄满，拦沙效应降低，未来来沙可能有所增加；干流两侧坡面产沙直接进入库区，不受大型水利工程修建的影响，来沙变幅不大。因此，在未来一段时期内，金沙江下游来沙格局变化不大，未控区间仍是金沙江下游主要的泥沙来源。

5 结论

本文基于金沙江下游梯级干流和13条主要支流水沙资料，对金沙江下游水沙变化与水沙格局进行分析，取得如下结论：

(1)金沙江下游干流各水文站不同时期径流量变化不大，输沙量显著减少。攀枝花站2011—2020年年均输沙量相比之前减少了86.74%，白鹤滩站1999—2019年年均输沙量相比之前减少了34.4%，溪洛渡站2014—2019年年均输沙量较之前减少了98.15%，向家坝(屏山)站2013—2020年年均输沙量较之前减少了99.34%；除雅砻江、龙川江、牛栏江外，下游主要支流水沙变化过程未发生较明显的变化，其中雅砻江1999—2020年年均输沙量较之前减少了72.12%，龙川江2003—2020年平均径流量较之前减少了55.51%，输沙量减少了75.95%，牛栏江2011—2019年年均径流量较之前减少了31.42%，输沙量减少了87.34%。

(2)金沙江下游各支流来水来沙差异较大。雅砻江径流量和输沙量远高于金沙江下游其它支流，是下游梯级水库水沙的主要来源之一，除雅砻江外，下游径流量和输沙量较多的支流有牛栏江、黑水河、小江、龙川江、普渡河、美姑河，向家坝库区整体来沙量较少；各支流径流模数相差不大，白鹤滩库区和溪洛渡库区的输沙模数高于其它库区。

(3)金沙江下游干支流径流量占比变化不大，输沙量占比变化显著。攀枝花站和雅砻江径流量占比分别为46%和45%，其它支流径流量占比仅有9%。1999年以前攀枝花站输沙量占比40%，雅砻江占比36%，其它支流占比24%；2013年以后攀枝花站输沙量占比仅有16%，雅砻江占比31%，其它支流占比为53%，其中小江、黑水河、牛栏江和美姑河输沙量占比均超过了5%，雅砻江和其它支流输沙量占比总共为84%。

(4)未控区间水沙对金沙江下游来水格局影响不大，对来沙格局影响显著。未控区间多年平均径流量为159.64亿m3，占总径流量的11%，攀枝花站和雅砻江均占40%左右，其它支流占比9%左右；未控区间多年平均输沙量11924.13万t，2013年以前未控区间占输沙总量的48%，攀枝花站和雅砻江分别占21%和19%，其它支流占12%；2013年以后未控区间输沙量占比明显增大，达到了82%，攀枝花站和雅砻江仅占3%和6%，其它支流占9%。