人類活動影響下長江上游水沙條件變化趨勢

2021-04-29 07:54:26陳坤，劉超

中國農村水利水電 2021年4期

陳坤，劉超

（四川大學水力學與山區河流開發及保護國家重點實驗室，成都610065）

0 引言

長江是中國水量最豐富的河流，水資源總量為9 616 億m3，約為全國河流徑流總量的36%［1］。長江的地理位置十分重要，全長約6 300 km，西起青藏高原，東至上海市入海，貫穿整個中國的東西部，是重要的內陸水運通道。長江每年平均貨量運輸23.1 億t，產生經濟價值約5.7 萬億元［2］，是一條名副其實的“黃金水道”［3］。

近年來，長江上游修建了梯級水庫電站以滿足不斷提升的電力需求。長江水量豐富，梯級電站每年生產大量電力為社會快速發展作出了重大貢獻。同時，梯級水庫聯合調度可有效調節長江上游汛期洪水過程，減小洪水災害。然而，梯級水庫阻礙了長江上游泥沙輸運連續性，導致梯級水庫下游泥沙補給不足，形成長江上游河段新的水沙條件，影響長江上游河床演變。

大壩水庫下游河道河床演變是一個十分復雜的問題，受到世界各國學者的關注。Nicola 和Massimo［4］發現上個世紀意大利大多數河道形態發生了變化。具體表現，這些河道均出現3～5 m 沖刷下切，河道束窄達50%。導致這些變化的主要原因是大壩建設、泥沙開采造成泥沙補給急劇減少。類似的，西班牙的埃布羅河流域的19 座梯級水庫使該流域推移質輸運量從20世紀初的15×106t/a減少到現在的0.28×106t/a，推移質減少是埃布羅三角洲衰退的主要原因之一［5］。中國也有類似的情況。例如，三峽大壩建成后壩下游河道泥沙補給減少導致河床沖刷。Xia Junqiang 等［6］發現受三峽大壩蓄水影響，三峽壩下游荊江段河道年均沖刷量從建壩前（1980-2002年）年均0.047 億m3/a 增加到（2002-2013）年均0.636 億m3/a，造成荊江段水深平均增加了1.3 m。

水庫蓄水攔沙造成其下游河段泥沙補給不足，引起河床持續沖刷。張明進等［7］發現在三峽蓄水后，壩下游泥沙補給量相較于建壩前4.34 億t 減少了84%，造成洲灘河段主流橫向擺動空間增大、航槽向寬淺形態發展，礙航問題突出。

除對水庫下游河床演變開展研究外，有學者對水庫蓄水后壩下游流量及水位變化開展研究。楊云平等［8］發現三峽大壩建成后，河道沖刷及深泓線下切造成壩下游同流量下枯水位下降；而同流量下洪水位略有上升，這是因為三峽大壩下游邊岸有大量港口、碼頭、橋梁以及實施了岸線加固，這些涉水建筑物既占用了河道過流面積又增加了河道局部阻力，使同流量下洪水水位略有上升。

除了水庫建設外，人工采砂對河床演變也有較大影響。李文全等［9］研究了長江中下游武穴段，發現大規模人工采砂導致床沙細化，河床更易沖刷下切。因為武穴河段采沙船主要挖掘可作為沙料的大顆粒泥沙，而小顆粒泥沙則拋回江中，這導致武穴水道南槽進口河床泥沙粒徑由20世紀80年代初河床中值粒徑d50=0.85～2.87 mm減小為1997年d50=0.16～0.22 mm。

綜上所述，梯級水庫建設及人工采砂會嚴重影響長江上游河道水沙條件及河床演變。因此，有必要深入認識梯級水庫修建前后，長江上游河道段水沙條件變化規律。同時，探討人工采砂對河床演變的影響。

1 研究區域及資料

長江全長約6 300 km，通常根據不同地貌環境和水文特征分為上游、中游和下游，如圖1（a）。長江上游位于宜昌上游，全長4 504 km，主要支流包括雅磬江、岷江、橫江、沱江、嘉陵江、烏江。長江上游主要產沙區在金沙江下游和嘉陵江［10］。本文研究河段為長江上游，即，金沙江下游向家壩至三峽大壩河段，如圖1（b），主要探究人類活動（梯級水庫建設和人工采砂）對長江上游水沙條件及河床演變的影響。梯級水庫主要集中在金沙江下游向家壩以上河段。長江上游金沙江下游河段梯級水庫由烏東德、白鶴灘、溪洛渡和向家壩四座水電站組成，四座電站分別于2014年、2017年、2015年和2012年建成蓄水。目前，長江上游河道以云南水富市（靠近向家壩）為上游起點。因此，采用向家壩至三峽大壩間的8個關鍵水文站點觀測數據開展長江上游河道研究。這些水文站分布在向家壩至三峽大壩間的主流及主要支流上，自向家壩向下游分別為：向家壩、橫江、高場、富順、朱沱、北碚、寸灘和武隆，具體位置分布如圖1（b）所示。其中，這些水文站分別監測所在支流近年（2005-2017年）月均流量、年均流量和年均輸沙量。2005-2017年的平均流量Qm為13年間的年均流量平均值。年均流量平均值的標準差SD由多年年均流量計算得到。

圖1 長江流域與向家壩與三峽大壩之間主要水文站分布Fig.1 Yangtze basin and distribution of major hydrological stations and some tributary reservoirs in the upper reaches of the Jinshajiang river

2 流量過程變化

2.1 年平均流量

長江上游（三峽壩上游）主要水文站在2005-2017年間的年均徑流量如表1所示。可以看出，2005-2017年不同年份徑流量雖有波動，但總體變化不大。具體來講，多年平均徑流量標準差僅為年均徑流量的0.12～0.25。其中，金沙江下游3 個主要水文站點（向家壩，寸灘，朱沱）的標準差/平均流量為SD/Qm=0.12～0.16，表明年均徑流量波動很小。另外，相對橫江等5個水文站，向家壩、朱沱和寸灘3 個水文站測量流量較大是因為3 個站點測量值加上了支流入匯流量。例如，向家壩水文站監測金沙江和雅磬江的總流量、朱沱站監測了岷江、橫江、沱江和金沙江的總流量、寸灘監測了嘉陵江和金沙江的總流量。該3 個站點基本代表了長江上游徑流量變化的整體趨勢，即平均流量在2005-2017年變化不大。

表1 長江上游河道2005-2017年平均徑流量Qm、平均流量標準差SD及Qm/SD匯總表Tab.1 Summary table of average runoff Qm，mean discharge standard deviation SD and SD/Qm of upper Yangtze river channel from 2005 to 2017

為了更具體的分析不同年份的平均徑流量，圖2給出了長江上游三個關鍵站點（向家壩、朱沱、寸灘）在不同時段（2003-2007；2008-2012；2013-2017）5年平均流量的變化趨勢。3個年份段的平均徑流量幾乎相同，即便梯級水庫中個別水庫投產蓄水也沒有改變平均徑流量。例如，向家壩和溪洛渡分別在2012年和2013年投產蓄水，蓄水前后多年平均徑流量并未發生明顯變化。向家壩3 個五年平均流量中最大差值為372.4 m3/s，僅為平均流量的8.2%（表1中向家壩平均流量4 523.2 m3/s）。類似的，下游兩個站點朱沱、寸灘的五年平均流量變化很小，分別占平均流量的2.3%、4.1%。結合上述年均徑流量研究，可以認為，長江上游河道近年來長時段（2005-2017年）年均徑流量和5年平均徑流量均變化很小、甚至可認為保持不變。另外，向家壩、朱沱、寸灘站距向家壩的距離逐漸增大，五年平均流量也相應增大，這是因為距離向家壩越遠，包含支流數量越多，支流累積入匯流量越大。

圖2 長江上游三個關鍵站點（向家壩、朱沱、寸灘）不同時段的五年平均流量對比Fig.2 The five-year average flow comparison of three key stations（Xiangjiaba，Zhutuo and Cuntan）in the upper Reaches of the Yangtze River in different periods

2.2 年徑流量過程

雖然水庫的投產運行并不能改變年均流量，但水庫運行對月均流量過程的調節功效卻不可忽略。選取了向家壩水文站在2002年（4 739.2 m3/s）、2009年（4 392.5 m3/s）、2016年（4 316.6 m3/s）的月均流量過程進行比較（圖3），選取原因是該三年的年均流量基本相同（差別僅為2%～9%）。從月均流量過程來看，向家壩站點在2002年和2009年的月均流量從大小和趨勢來看都非常接近，同月的月均流量差值僅為1%～19%。汛期洪峰明顯（7-9月），7-9月的平均流量較其他月份增大約370%。這是因為向家壩及其上游梯級水庫還未建成蓄水時，長江上游河道徑流過程并不會發生明顯改變。向家壩及其上游梯級水庫建成后（2012年后），梯級水庫具備調節水庫下泄流量（月均流量）的能力。可以看出，2016年月均水庫下泄流量分布與2002年和2009年的分布相比有了很大變化，最顯著的作用為削減洪峰。具體來講，汛期（7-9月）的月均下泄流量較2002年和2009年分別減小了26%和23%；而非汛期（1-6月和10-12月）的月均下泄流量相比于無壩時（2002年和2009年）分別增大了12%和25%。所以，長江上游梯級水庫投產運行可有效調節水庫下游流量過程，削減汛期洪峰且增大枯期流量。

長江上游梯級水庫群對下泄流量的調控會影響長江上游河道很長距離內的月均流量過程。在向家壩下游，分別距離其244 和468 km 位置的朱沱站和寸灘站，可以看出向家壩蓄水前（2009年）和蓄水后（2016年），月均流量分布發生明顯變化（圖3，圖4），該變化與向家壩站在2009年（圖3紅色線）和2016年（圖3藍色線）的變化趨勢幾乎一樣。水庫投產調控流量后（2016年），汛期（7-9月）洪峰削弱明顯，朱沱站及寸灘站汛期（7-9月）平均流量相對于水庫未建成之前（2009年）的7-9月平均流量分別下降了11%和24%。相反，在非汛期（1-6月和10-12月），平均流量相對于建庫前（2009年）7-9月平均流量分別增加了41%和28%。由于高壩大庫下泄水流幾乎不攜帶泥沙，近乎于清水下泄，這會加大水流輸沙能力，引起壩下游河床沖刷。下面將詳細闡述這部分內容。

圖3 向家壩水文站不同年份月均流量過程，3個年份的年均流量差別小于9%Fig.3 Monthly average discharge process line of Xiangjiaba hydrological station，the average annual discharge difference between the three years was less than 9%

圖4 月均流量過程線Fig.4 Monthly average discharge process line of Zhutuo

3 泥沙條件變化

3.1 懸移質輸沙量

由于水庫攔沙效應，長江上游水庫群聯合運行后，金沙江下游懸移質輸沙率大幅度減小。例如，向家壩站觀測的年懸移質輸沙量自2012年起持續降低，2016年輸沙量（217 萬t）僅為2003-2012年間平均輸沙量的1.5%（圖5藍色點）。類似的情況也發生在向家壩至三峽壩址中段。例如，朱沱站和寸灘站2013-2016年的懸沙輸運量均值僅為2003-2012年平均值的24%和33%。同時，向家壩下游至三峽大壩段沿途各支流電站近年來相繼建成一批控制性水利工程［11］，比如：岷江的紫坪鋪、沱江石盤灘、嘉陵江的亭子口、烏江的白馬水庫。其中，段炎沖［12］對嘉陵北碚站輸沙量及烏江武隆站進行了計算，1991-2000年北碚、武隆站輸沙量較1990年以前分別減少67%和1%；2001-2013年北碚、武隆站輸沙量較1990年以前分別減少79%和78%。懸移質輸運量大幅減少是水庫攔沙的結果。

圖5 2003-2016年長江上游控制站每年懸移質輸沙總量統計Fig.5 The annual total amount of suspended sediment discharge of each hydrological station from 2003 to 2016

3.2 推移質輸沙量

長江上游水庫群聯合運行減小了長江上游推移質年均輸運量。這里以寸灘站推移質資料作為例子（圖6）開展討論。可以看出，無論是沙推推移質還是卵石推移質自2000年起均呈現逐漸減小的趨勢。這是因為，一方面，長江上游區域水土保持工作持續開展減小了金沙江河段沿江泥沙補給，例如，河岸侵蝕是河道推移質來源之一，沿岸栽種植被有效減小河岸侵蝕［13］；另一方面，梯級水庫攔截大量推移質泥沙。梯級水庫建成以后，推移質輸沙量維持在很小量級。自2012年向家壩投運以來，礫卵石推移量均值、沙推推移量均值相對于蓄水前均值（1995-2011年）分別減少72%和95%。之后，隨著更多電站（例如，烏東德，溪洛渡等）投入使用，梯級水庫攔沙作用將更明顯。

圖6 寸灘站礫卵石推移質和沙質推移質歷年輸沙量變化Fig.6 Variation of bedload discharge of gravel and sand in Cuntan station over the years

結合以上兩點討論可知，長江上游段自金沙江梯級水庫聯合運行之后出現了新的泥沙條件，即梯級水庫下游泥沙補給不充足。這可能會引起長江上游河道河床沖刷、粗化等問題。

3.3 人類活動影響

長江上游梯級水庫建成造成水庫下游泥沙補給不足，清水下泄沖刷河床，床沙中值粒徑增大。例如，向家壩站給出了2009-2015年的床沙粒徑分布（圖7黑色線），2009年河床中值粒徑d50=0.26 mm 僅為2015年d50=0.69 mm 的38%，這里d50采用插值方式從圖7獲得，證實了向家壩下游河段河床逐年粗化過程。類似的，寸灘站附近河床也發生了粗化，2008年d50=98 mm僅為2016年d50=166 mm 的58%。與河床粗化現象一致，金沙江梯級水庫（向家壩）下游航段河床持續沖刷。例如，向家壩至宜賓段，見圖8（a），每年河床沖刷量雖有波動，但總體呈現沖刷趨勢。值得一提的是朱沱至江津河道段，該河段河床沖刷量自2012年起出現了大幅度上升，即，河床沖刷嚴重。數據表明，該河段2010年10月-2013年10月的年均沖刷量為178.7 萬m3，而2013-2014年（沖刷1 094 萬m3）、2014-2015年（沖刷1 972 萬m3）、2015-2016年（沖刷2 054 萬m3）相較于2010-2013年均沖刷量分別增加了512%、1 000%、1 049%（見圖8）。另外，圖8說明了2013年后朱沱至江津段河床沖刷量大于向家壩至宜賓段，這是因為朱沱至江津段出現了大規模人工采砂活動，導致河床沖刷量陡增。下面將具體討論人工采砂對河床演變的影響。

圖7 向家壩下游距壩4.2 km斷面處（左）及寸灘站（右）床沙級配Fig.7 Grain size distribution of the section 4.2 km downstream from Xiangjiaba（left）and Cuntan station（right）

圖8 沖刷量隨時間變化趨勢向家壩至宜賓段朱沱至江津段Fig.8 Trend of deposition over time from Xiangjiaba to Yibin section and from Zhutuo to Jiangjin section

人工采砂對長江上游河道的影響異常嚴重，河床沖刷量數據通常包含河道人工采砂量。例如，宜賓至朱沱河段近3年來，該河道段河床采沙嚴重，局部區域采沙留下的采沙坑深度常達7～10 m。長距離、大面積無序采沙、挖槽留下的挖沙坑可能引發河床溯源沖刷［14］。其次，人工采沙會引起河床局部下切，如圖9（a）右側，深度甚至可達10 m，相對于未受挖沙影響的原始河床，圖9（a）黑色線，枯水期水流集中輸沙也會造成河床局部沖刷。另外，對于比較靠近河岸的采沙坑，圖9（b）右側，水流集中過流可能會侵蝕河岸，造成邊坡失穩，使得部分泥沙、土壤進入河道成為推移質［15］，同時類似的采沙坑也存在于朱沱至江津河段（圖10）。長江上游沿程采砂嚴重破壞了河床粗化層，使粗化層覆蓋的細顆粒暴露成為推移質或懸移質向下游運動，引起河床劇烈沖刷。