大通站水沙關系演變驅動因素分析

王利花，周云軒

1.成都信息工程大學資源環境學院，成都 610225 2.華東師范大學河口海岸學國家重點實驗室，上海 200062

0 引言

流域徑流和泥沙輸移過程是自然因素和人類活動相互影響、相互作用、共同疊加的結果[1-2]。長江大通站流域徑流和泥沙輸移變化趨勢的成因分為自然因素和人類活動的影響，其中：自然因素主要包括氣候變化(降水的大小及分布)和流域下墊面條件(地質地貌、土壤、植被覆蓋等)；人類活動的影響主要體現在水利工程攔沙、水土保持(對植被的破壞和恢復)、水庫建設、引水調水、河流采砂等方面[3]。

自然因素和人類活動通常具有不同時間尺度的周期性，對流域侵蝕產沙、泥沙輸移有重要影響，是泥沙輸移變化的主要驅動因素。自然因素所產生的影響通常具有長時間尺度的特點，而劇烈的人類活動所產生的影響往往具有趨勢性和突變性的特征[3-5]。自然因素中，地質地貌和土壤因子相對穩定，對河流水沙關系的形成和演變影響較小；氣候變化是流域產流的主要來源，也是地表產沙、河流輸沙的動力條件，其時空分布與降水強度直接影響流域徑流量與河流輸沙量的大小及兩者之間的關系[4]。一般在人類活動較少或影響不劇烈的情況下，河流徑流量和輸沙量的變化與降水量的變化趨勢基本保持一致；但是，當局部地區受礦產開發、水利工程、水土實施等人類活動影響時，河流徑流量和輸沙量的變化與降水量的變化趨勢將出現不一致的現象。人類活動對流域輸沙量的影響有兩方面作用：土地開墾、礦產開發、道路施工等工程建設導致水土流失，使流域輸沙量增加；而植樹造林、水土保持、退耕還林、水利工程建設等導致河流輸沙量減小。上述因素對河流入海泥沙的影響程度和變化方向各不相同，輸沙量變化是上述影響因素綜合的凈效應，即各種因素平衡的結果。

深入研究大通站水沙關系的驅動因素有助于更好地認識長江流域的輸沙規律，可為流域地貌演變和對人類活動響應的深入研究提供科學依據。本文擬從自然因素和人類活動兩方面出發，探討大通站水沙關系演變的驅動因素，并重點討論大型水利工程三峽大壩對大通站水沙關系的影響。

1 數據方法

采用大通水文觀測站1954—2010年的年輸沙量、年徑流量、年降水量，以及大通水文站月輸沙量(2001—2010年)和月徑流量(2001—2010年)實測數據，基于Mann-Kendall(M-K)趨勢分析方法，對大通站輸沙量、徑流量、降水量分別做趨勢性分析。

M-K方法是基于秩的趨勢性非參數統計檢驗方法，用于提取時間序列變化趨勢，適用范圍廣、人為干擾少、定量化程度較高，因此受到國際水文組織的認可，是世界氣象組織推薦的非參數檢驗方法之一。M-K方法主要通過計算統計特征值τ、方差δ2和標準化變量M實現。上述參數計算公式為：

式中：P為水文變量序列所有對偶觀測值中Ri

2 自然因素

2.1降水變化的影響

由圖1和表1可見：1954—2010年大通站年降水量、年徑流量整體上沒有大的波動，僅呈現微小的下降趨勢，但|M|分別為1.756和0.585，均小于1.960，未通過0.05的顯著性水平檢驗；大通站年輸沙量呈現明顯的下降趨勢，|M|=72.318，大于顯著性水平為0.01的臨界值2.650，通過0.01的顯著性水平檢驗。從三者之間的相關關系(表2)可以看出：大通站年降水量與年徑流量變化趨勢基本一致，并呈現顯著的相關關系，Pearson相關系數R達0.790，大于顯著性水平為0.01的臨界值0.325，年降水量與年輸沙量也通過0.01的顯著性水平檢驗，反映了降水是流域產流產沙的自然規律；R徑流量-降水量>R輸沙量-降水量，表明徑流量和降水量之間的關系更加密切，已有文獻[7]研究表明降水量的大小在很大程度上決定了徑流量的大小，與本文得出的徑流量和降水量的密切相關關系相一致；R輸沙量-降水量>R徑流量-輸沙量，揭示了河流泥沙的真正動力來源為降水。由圖1b可以看出：大通站年輸沙量與年降水量變化趨勢自1954—2000年整體上基本一致；但2001—2010年10年間，年輸沙量呈現急速下降趨勢，而年降水量無顯著變化趨勢，兩者趨勢性變化有明顯差別。

2.2 徑流變化的影響

由于沒有收集到大通站各月份的降水量資料，僅討論年內徑流量與輸沙量之間的關系。年內徑流量與輸沙量之間的關系很大程度上可以反映降水量與輸沙量的關系[8]。10年間大通站輸沙量和徑流量年內分配見圖2a，兩者線性相關，R2=0.92(圖2b)。

圖1 大通站1954—2010年年徑流量(a)、輸沙量(b)與年降水量變化過程Fig.1 Changing process between annual runoff and precipitation (a), sediment discharge and precipitation (b) at Datong Station from 1954 to 2010

變量PNτδ2Mt0.05/2趨勢判斷t0.01/2趨勢判斷年降水量786年徑流量802年輸沙量304575757-0.0150.005-0.6190.00860.00860.0086-1.7560.585-72.3181.9601.9601.960顯著不顯著顯著2.6502.6502.650顯著不顯著顯著

注：t0.05/2、t0.01/2分別為顯著性水平為0.05和0.01的臨界值。

表2 年 大通站徑流量、年輸沙量和年降水量之間的Pearson相關系數

注：*通過了0.01顯著性水平檢驗；**通過了0.05顯著性水平檢驗。

圖2 2000—2010年輸沙量與徑流量年內分配(a)以及相關關系(b)Fig.2 Intra-annual distribution (a) and correlation (b) between sediment discharge and runoff from 2000 to 2010

綜上分析，根據降水量和輸沙量兩者之間的年際變化特征和月均變化特征可知，降水變化在1954—2010年長時間尺度上整體處于穩定狀態，不存在明顯的下降或上升趨勢；但降水量和輸沙量兩者間的趨勢變化特征表現為，1954—2000年間趨勢性吻合較好，2001—2010年間呈現明顯的差異。說明氣候變化只是在一定程度上影響著大通站泥沙輸移的變化過程，而非導致大通站輸沙量自2000年后急劇下降的主要原因。

2.3 流域下墊面變化的影響

流域下墊面對河流輸沙量產生的影響主要體現在流域下墊面條件對土壤侵蝕和對產沙量的影響上，具體表現在以下3個方面：1)土壤和巖石組成主要決定土壤的可侵蝕性[3]；2)地貌形態對土壤的侵蝕表現在地貌類型區域變化影響侵蝕特點的宏觀差異上，此外地貌形態特征制約著侵蝕過程的強弱變化[3]；3)植被覆蓋對于減少地表徑流及水土流失非常有效，地面侵蝕和產沙隨著植被覆蓋的減少而增加，地表裸露時，侵蝕和產沙達到最大值，有植被覆蓋的土壤能夠較好地涵蓄水分，減輕泥沙沖刷，達到保水保沙的目的。長江流域內植被覆蓋、土壤組成等因子一旦發生變化，流域土壤侵蝕特性也將發生變化，進而導致河道輸沙量的變化。因此，流域輸沙的變化在一定程度上取決于土壤侵蝕和水土保持等因素之間的動態平衡結果，此動態平衡同時也是自然因素和人類活動綜合作用對流域產沙影響的理論基礎[5]。

長江流域水土流失具有流失物質粗、輸移比小、上中游堆積量大、滑坡和泥石流危害嚴重等特點[9]。20世紀50年代，長江流域開展的水土流失調查顯示，全流域水土流失面積36.4×104km2；1985年全流域水土流失面積56.2×104km2，主要集中在長江中上游地區，占全流域的62.6%，年土壤侵蝕量14.1×108t，占全流域的62.9%[10]；20世紀80年代中期遙感調查統計，全流域水土流失面積73.9×104km2。鑒于幾次調查采用的方法不同，調查標準和結果精度不一致，無法直接用于定量對比分析，但長江流域水土流失不斷加劇的趨勢則是毋容置疑的。20世紀90年代以來，長江流域水土流失面積呈現穩定增長的態勢，據2002年全國第二次水土流失遙感調查，長江流域水土流失面積為63.7×104km2[11]，其中約50.0×104km2分布在上中游地區，約占全流域流失面積的80%。水土流失的變化影響土壤侵蝕量的變化，致使下游河道泥沙輸移受到影響。

3 人類活動

3.1 水土保持工程的影響

流域水土保持措施對流域泥沙輸移的影響體現在對輸沙量的減小上，水土保持工程是河流輸沙量減少的主要因素之一。長江流域水土保持工程始于20世紀50年代中期，60年代中期至70年代末期，水土保持工作一度處于低谷，80年代以來得到加強，治理水土流失面積逐步增加；自1988年開始，針對長江上游嚴重的水土流失成立了長江上游水土保持重點防治工程(“長治”工程)，該工程使植被覆蓋率明顯提高，累積治理水土流失面積7.2×104km2，提高了攔沙蓄水能力；1991年《水土保持法》的頒布實施使得水土保持工作開始步入法制化軌道；截至2006年，全流域累計治理水土流失面積28.0×104km2[8]。其中，長江上游水土流失最為嚴重的“四大片”(金沙江下游及貴州畢節地區、嘉陵江中下游、隴南陜南地區和三峽庫區)生態環境發生了顯著變化[5]，水土保持使得攔沙能力提高，流域減沙效果明顯。

3.2 水利工程的影響

長江流域干流以及支流上都分布著數量可觀的水利工程，主要是水庫，它們在為社會創造巨大經濟效益的同時，也導致泥沙大量淤積；此外長江上游來沙顆粒較粗，難以搬運，也導致大量泥沙滯留在河道內。其中嘉陵江流域水庫年攔沙0.46×108t，金沙江流域水庫年攔沙0.17×108t[12]，葛洲壩水利樞紐“淤粗排細”的特點導致出庫泥沙大部分為沖瀉質，放水排沙時較粗顆粒的床沙質和推移質經排出后淤積在河道中[13]，1981—2000年全庫區累積淤積量達1.22×108t。三峽水庫自2003年6月開始蓄水，至12月庫區泥沙淤積量為1.24×108t，在實現2003年135 m、2006年156 m和2009年172 m水位蓄水后，三峽水庫庫容不斷增大；而且入庫水體的滯留時間越長，懸沙落淤的機會也越大，2004年、2005年、2007年和2009年泥沙淤積量分別為1.02×108、1.51×108、1.70×108和1.96×108t[14]，水庫的攔沙能力增強，致使大量泥沙淤積于庫區和河道，減少了下游河道的來沙量。

鑒于三峽水庫是中國長江上游段建設的最大水利工程，其對河流入海泥沙變化的影響也受到越來越多的關注。為此重點分析三峽水庫蓄水對入海水沙的影響，采用蓄水前后大通站徑流量和輸沙量變化進行詳細討論。自20世紀50年代至三峽水庫投入運行前，長江流域已先后修建了葛洲壩、二灘電站等若干個大型水利工程，長系列的水文資料已不具備一致性要求；因此，本文選擇1994—2002年水庫蓄水前、2003—2010年水庫蓄水后數據進行對比分析，進而研究三峽大壩對入海水沙變化的影響。

3.2.1 三峽水庫對入海徑流的影響

1994—2002年和2003—2010年大通站入海年均徑流量在三峽大壩蓄水前后變化不大，對年徑流量基本無影響(圖3a)，因此進一步分析三峽水庫對大通站徑流量年內分配產生的影響。三峽大壩蓄水前后多年月均徑流量變化見圖3b，蓄水后月均徑流量的變化主要表現在洪季，尤其是7—10月，徑流量分別減少了3.53×1011、2.37×1011、0.99×1011和1.43×1011m3，從而也證明了三峽水庫為季節性調節水庫。

3.2.2 三峽水庫對入海泥沙的影響

三峽水庫蓄水前(1994—2002年)，大通站年均輸沙量為3.14×108t，平均含沙量為0.33 kg/m3；蓄水后(2003—2010年)年均輸沙量為1.52×108t，平均含沙量為0.18 kg/m3。蓄水后輸沙量減少了1.62×108t，減少量為蓄水前的51.5%，平均含沙量減少了0.15 kg/m3，減少量為蓄水前的44.5%。三峽水庫蓄水前后大通站平均含沙量及徑流量變化趨勢見圖4。

根據三峽水庫的蓄水情況，對大通站各月輸沙量的變化分階段進行分析，可將其階段分為三峽蓄水前(2001—2002年)、完成135 m蓄水期間(2003—2005年)、完成156 m蓄水期間(2006—2007年)和實現172 m蓄水后(2008—2010年)。由三峽大壩蓄水的不同階段大通站月均輸沙量對比分析結果(圖4b、c)可知：月均輸沙量的變化趨勢與徑流量的變化基本一致，變化較大的月份均集中在洪季，其中8月變化最大，平均輸沙量自蓄水前(2001—2002年)的0.55×108t減小至實現172 m蓄水后的0.29×108t，減少量為0.26×108t，為蓄水前的46.7%。進一步分析表明，蓄水前至完成135 m蓄水期間，8月出現與整體趨勢不一致的明顯下凹突變；這主要是由于2003年8月完成蓄水后，輸沙量從2002年8月份的0.71×108t迅速下降為2003年8月份的0.19×108t，減少量為0.52×108t，為蓄水前73.5%，從而引起輸沙量大幅度減小導致的。

圖3 三峽大壩蓄水前后入海徑流量年際(a)和月均(b)變化Fig.3 Annual (a) and monthly (b) runoff variation before and after the impoundment of Three Gorges Dam

圖4 三峽大壩蓄水前后年均輸沙量(a)、月均輸沙量(b)和月均徑流量(c)變化Fig.4 Annual sediment (a), monthly sediment (b) and monthly runoff (c) variation before and after the impoundment of Three Gorges Dam

自三峽大壩開始蓄水以來，月均輸沙量整體上呈現減小趨勢，但2008—2010年月均輸沙量卻高于2006—2007年月均輸沙量(圖4b)。為探究其原因，本研究分析了對應時段徑流量變化特征。圖4c中，2008—2010年期間月均徑流量幾乎與2003—2005期間徑流量相同，遠高于2006—2007年月均徑流量，大的徑流量攜帶高的輸沙量，因此出現2008—2010年月均輸沙量高于2006—2007年月均輸沙量的情況。

此外，大通站長時間序列輸沙量數據存在突變性，其一級突變階段為1953—2002年和2003—2010年，在三峽大壩開始一期蓄水的節點2003年，輸沙量的突變幅度達到64.3%；與上述三峽大壩蓄水前后的分析綜合起來看，說明三峽大壩蓄水對大通站入海泥沙下降產生直接的、主要的影響，其余來自流域的其他人類活動(水土保持、長江中游河道淤積、人工挖沙等)共同導致大通站入海泥沙減少。

3.3 河道采砂的影響

隨著建筑用砂量增加，河道采砂量隨之大幅度增加，河道大量采砂導致嚴重的河道下切，致使局部的過水面積顯著增大，水流流速減小，進而導致河段泥沙淤積，下游河道來沙量減小[15]。長江流域河道采砂活動非常頻繁，近20年來長江干流宜昌以下河道共采砂1.30×108t，平均每年采砂量達0.26×108t。2004年長江河道采砂由全面禁采逐步有序解禁，僅湖北、江西兩省年采砂量就達到了0.11×108t[14]，近期采砂量還在不斷增大，估計平均每年可達到0.40×108t[16]。河道要保持自然的平衡狀態，人為采砂量增大會導致泥沙淤積量增加，從而對下游河道懸沙通量的影響進一步增強。

4 結論

1)自然因素和人類活動共同作用導致大通站泥沙輸移過程發生變化。自然因素主要包括降水變化和流域下墊面條件，人類活動主要包括水土保持、水庫蓄水攔沙、河道采砂、水土流失等。大通站年降水量在1954—2010年間無顯著變化，即自然因素對大通站影響較小；而水土保持、三峽水庫、河道采砂等人類活動對大通站2001年以來的輸沙量有顯著影響。

2)1954—2000年間降水量和輸沙量之間的變化特征較為一致，表明氣候變化在一定程度上影響著大通站泥沙輸移的變化過程，主要體現在對長時間尺度上泥沙輸移過程的影響；而人類強烈活動則主要在短時間尺度上影響泥沙輸移的變化，是2001年以來大通站入海泥沙變化的主要原因。

3)2001—2010年間，隨著大型水利工程等人類活動的加劇，降水量和輸沙量的年際變化特征有明顯差別，而徑流量和輸沙量之間的年內變化特征顯著相關；究其原因，是大型水利工程的季節性調水對大通站徑流年內分配產生影響，進而影響輸沙量的年內分配，表明人類活動對泥沙輸移變化的影響主要體現在趨勢性和突變性上。

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