长江干流监利站水沙特性分析

黄莉，蔺秋生

长江干流监利站水沙特性分析

黄莉，蔺秋生

（长江科学院河流研究所，武汉430010）

监利河段位于长江中下游14个重点河段之一荆江河段的下段。根据对该河段代表水文站——监利水文站多年统计资料分析，监利站年径流量变化过程与年输沙量变化过程均呈不规则周期性变化，且以20世纪80年代末期为界，明显地分为2个阶段，2006年为长江枯水少沙年份，径流量、输沙量均为历年来最低值。监利站径流量年内分配与输沙量基本一致，均集中于汛期5-10月，且输沙量更为集中。水沙关联性分析结果表明，监利站来水来沙总体呈正相关性，即径流量越大，输沙量也就越大。监利站的水沙变化除了受长江上游来水来沙变化的影响外，下荆江裁弯工程、荆江三口分流分沙变化及三峡工程等水利枢纽建设，均是主要影响因素。

监利站；水沙变化；相关分析；影响因素

监利河段位于长江中下游14个重点河段之一荆江河段的下段，该河段历史上洪灾频繁，河段防洪形势严峻，尤其是在河段左岸地势较低，素有“水袋子”之称的监利县境内，几乎是“三年两水”［1］。建国后，尤其是1998年长江大水后，虽然河段两岸防洪工程建设大大加快，防洪能力逐渐提高，但监利河段仍然时刻受到洪水威胁，防洪形势依然十分严峻。监利水文站为本河段水沙特征的代表站，监利站的来水来沙变化规律在很大程度上反映了该河段的水沙特性。

1 水沙变化特点

1．1水沙地区组成

监利站的水沙主要来自长江宜昌上游，区间来水来沙主要是清江支流和沮漳河支流以及荆江三口分流分沙。根据1950-2006年统计资料：监利站多年平均年径流量为3 536亿m3，多年平均年输沙量为3．40亿t；宜昌站分别为4 332亿m3，4．63亿t；宜昌站多年平均年径流量、多年平均年输沙量分别占监利站的122．5%和136．2%，这说明宜昌-监利之间尽管有支流水沙入汇，但由于有三口分流分沙及河道调蓄作用，使得位于下游的监利站径流、输沙量小于上游的宜昌站。根据多年统计资料，清江入汇水沙不及长江干流的3%，沮漳河所占比例更小，而三口多年分流分沙量约占长江干流枝城站的9．3%，说明荆江三口分流分沙对监利河段来水来沙影响较大。

1．2水沙年际变化

据1951-2006年统计资料可知，监利站年径流量变化过程与年输沙量变化过程均呈不规则周期性变化（见图1）。监利站历年最大年径流量为1998年的4 413亿m3，最小年径流量为2006年的2 718亿m3，历年最大年输沙量为1981年的5．49亿t，最小年输沙量为2006年的0．389亿t。通常采用变差系数来反映一个时间序列相对其平均值的离散程度。由计算可知，历年径流量的变差系数为0．119，输沙量的变差系数为0．225，输沙量的年际变化比径流量大。

图1 监利站年径流量、年输沙量历年变化图Fig．1 Variation of the annual runoff and sediment load at Jianli Hydrological Station

为分析监利站水沙的年代变化特点，对统计时段（1951-2006年）进行了划分：20世纪60年代以前（1951-1959年）、60年代（1960-1969年）、70年代（1970-1979年）、80年代（1980-1989年）、90年代（1990-1999年）、21世纪三峡工程蓄水运用以前（2000-2002年）、三峡工程蓄水运用以后一段时间（2003-2006年），各时段的水沙特征值见表1。

表1 监利站水沙年代变化特征值Table 1 Water and sediment characteristics atJianli Hydrological Station

由表1可看出，监利站水沙变化过程明显地分为2个阶段：20世纪80年代末期以前和20世纪80年代末期以后。20世纪80年代末期以前，监利站径流量、输沙量均呈缓慢增加趋势，80年代末期以后，径流量变化不明显，而输沙量则明显减少。2006年为长江枯水少沙年份，监利站径流量、输沙量均为历年来最低值。

1．3水沙年内变化［2］

根据多年统计资料，监利站径流量年内分配与输沙量基本一致，即均集中于汛期（5-10月），且输沙量更为集中。三峡工程蓄水运用之前，多年（1981-2002年）汛期径流量占全年的75．4%，输沙量占全年的92．8%。三峡工程蓄水运用初期，受水库的调节作用，洪峰流量削减，枯期流量增加，监利站水沙年内分配规律有一定的变化，具体表现为：汛期径流量占全年的72．9%，输沙量占全年的89．0%，即三峡工程蓄水运用初期，监利站汛期来水来沙比例有所减小，非汛期来水来沙比例有所增加，见表2及表3。

1．4水沙关联性分析［2］

1．4．1水沙自相关性分析

水文时间序列自相关性分析可以用来分析该序列是否具有随机性或具有趋势性。自相关系数rk反映自相关性的好坏。当只考虑水文序列为线性相关且为小样本时，采用修正自相关系数r′k。监利站年径流量、年输沙量的自相关系数计算值见表4。

表2 监利站多年平均径流量年内分配表Table 2 Distribution of mean annual runoff at Jianli Hydrological Station within a year

表3 监利站多年平均输沙量年内分配表Table 3 Distribution of mean annual sediment load at Jianli Hydrological Station within a year

表4 监利站年径流量、年输沙量自相关系数Table 4 Autocorrelation coefficient betweenannual runoff and sediment load

监利站年径流量、年输沙量时间系列自相关性结果表明（表4），年径流量、年输沙量时间序列在长期的变化中均存在一定程度的自相关性，年径流量序列t年和t＋i（i＝1，2，…，7）年均呈现相关性，且以t年和t＋1年的相关性最强，而与t＋8年相互独立；年输沙量序列影响期则相对较短，序列t年仅与t＋i（i＝1，2，…4）年呈现相关性，但其影响程度更强。因此，监利站年径流量、年输沙量时间序列在较长时期的变化中不具有随机性特征，而是表现出一定的周期性和趋势性。

1．4．2水沙互相关性分析

本文根据年代对统计时段进行了划分，具体划分与1．2节基本类似，仅2000年以来的时段划分有所不同，本文将2000-2006年划分为1个时段。运用线性回归模型分析监利站统计年份内年径流量与年输沙量之间的互相关性。

从统计结果看（表5），监利河段来水来沙总体呈正相关性，即径流量越大，输沙量也就越大。根据划分时段内相关性检验结果，6个划分时段内有3个时段序列相关，3个时段序列独立；年径流量序列与年输沙量序列独立，说明在该时段内存在较强的非自然干扰因素，导致水、沙来量的不匹配。上述3个序列独立的时段分别为20世纪70年代、80年代及2000年以来这3个序列独立的时段可能与这3个时段期间发生的下荆江裁弯、葛洲坝修建及三峡工程蓄水运用等事件有关。

1．5洪水特性分析

监利（城南）水文站反映长江监利河段洪水特性。根据多年统计资料（1950-2000年），监利站历年最大流量、最高水位主要集中出现在6-9月，这一时期基本上与夏季风进退长江流域的起止日期相一致，具有明显的梅汛特征。

根据历年（1950-2000年）变化图（图2），监利河段历年最大流量、最高水位总体呈缓慢上升趋势，河段警戒设防水位也不断提高，说明河段防洪形势越来越严峻，防洪压力增大。按河段安全泄量40 000 m3／s、警戒水位35．00 m（冻结）统计，超过河段安全泄量的有8年，占14．3%，超警戒水位的有31年，占55．3%；从时段分布上看，超高水位、超大流量出现的年份主要集中在20世纪80年代以来，出现年份数分别占总数的71%和100%。

图2 监利站年最大流量、最高水位历年变化图Fig．2 Variation of maximum discharge and maximum flood level in one year at Jianli Hydrological Station

监利站的洪水具有“小洪水、高水位”的特性，造成这一现象的主要原因是20世纪后半叶以来洞庭湖的不断萎缩和下荆江裁弯取直工程的实施。洞庭湖的不断萎缩导致荆江三口分泄洪量的减少和洞庭湖水位的抬高，相应地抬高监利水位。下荆江裁弯工程实施后，缩短河道长度，洞庭湖同流量水位不断抬高，出流顶托作用增强，据实测资料，裁弯前回水顶托最大影响可使监利站流量减少41%，裁弯后，

回水顶托影响使流量减少53%。因此，同流量情况下，监利站水位呈抬高的趋势。

2 影响因素分析

监利站水沙变化影响因素众多，有自然因素也有人为干扰因素，本文主要从以下几个方面来分析。

2．1长江上游来水来沙

监利站水沙主要来自长江宜昌上游。本文以寸滩站的水沙情况来反映宜昌上游来水来沙的变化特征。由图3可以看出，宜昌上游寸滩站年径流量整体略呈减少的趋势，但幅度不大。寸滩站年输沙量以20世纪80年代初期为界分为2段：20世纪80年代初期以前，该站年输沙量变化不明显；20世纪80年代初期以后，该站年输沙量急剧减少，上游水土保持的实施是产生该现象的可能原因。从监利站与寸滩站的水沙对应关系来看（图3），2站的水沙变化基本是同步的，即监利站的水沙随寸滩站的增大而增大，随之减小而减小。2站年径流量、年输沙量的绝对大小表明：20世纪70年代以前，荆江三口分流分沙比例较大，导致监利站的来水来沙均小于寸滩站；20世纪70年代以后，随着2站间水利工程的兴建及一系列河道整治工程的实施，如葛洲坝水利枢纽工程1981年开始蓄水运用、下荆江裁弯工程等等，坝下游来水来沙产生了一定的调整，来沙量有所减少，荆江三口分流分沙比例有所减小，因此，20世纪70年代以来，监利站年径流量较寸滩站有所增大，年输沙量则变化不大。

表5 监利站年径流量、年输沙量互相关系数Table 5 Cross correlation coefficient between annual runoff and sediment load

图3 监利站与寸滩站水沙对应关系图Fig．3 The relationship of water and sediment load between Jianli and Cuntan Hydrological Station

2．2下荆江裁弯工程

下荆江1966、1969年系统地实施了中洲子、上车湾人工裁弯工程，1972年沙滩子发生了自然裁弯。这些裁弯工程实施后缩短了下荆江河道近80 km，使上荆江河段同流量水位降低，减轻了上游河段的防洪压力，但也对下荆江监利河段产生了一定影响。如裁弯后，上荆江河道比降加大，河床发生冲刷，上游相同流量下沿程水位有不同程度的降低，使得在一定时期内荆江三口分流分沙减少，进入下游河段的水沙增加。实测资料表明，这种影响以裁弯期间最大。

2．3荆江三口分流分沙变化

由于荆江三口位于上荆江河段，因此，荆江三口总体分流、分沙变化比较明显地影响到下荆江河段的来水来沙，监利河段受其影响。

荆江四口分流的态势在17世纪60-70年代形成之后，使得长江大量泥沙进入洞庭湖，湖底抬高，面积萎缩。河流开始淤积分流河道来进行自我调整，但这种淤积在分流河道形成之初并不明显，但是到了20世纪30-50年代，淤积的作用显著增加，以至于50年代以后河道发生严重的淤积，分流分沙显著减少。因此，在自然状态下荆江三口分流分沙就开始减少，是河流自我调整的结果，而近期由于人类活动的干预，更加剧了这种减少的趋势。

2．4水利枢纽工程建设

目前，长江干流监利站以上的水利枢纽工程主要有三峡水利枢纽工程和葛洲坝水利枢纽工程。在河流上修建水库大坝工程以后，改变了原有河道的水文特性，拦蓄了洪水，调节了下泄流量，给工程上下游河道带来一定的影响：工程下游断面来水总量不一定改变，但来水过程受水库调节会发生一定的变化；库区泥沙淤积，下泄沙量减少，而清水下泄造成下游河道冲刷，河势重新调整。

根据三峡水库蓄水运用以来下游河道观测资料分析，三峡水库蓄水运用初期，上游来沙的60%被拦在库内，出库及坝下游水流含沙量大幅减小，水流明显变清，监利站同流量下含沙量明显减小，并且低含沙水流下泄，坝下游河床沿程冲刷，各站悬沙均有所粗化，监利站2006年粗化最为明显，由蓄水前（1986-2002年）的0．009 mm变为2006年的0．150 mm。另外，三峡工程蓄水运用初期，受水库的调节作用，洪峰流量削减，枯期流量增加，监利站水沙年内分配规律有一定的变化，汛期来水来沙比例有所减小，非汛期来水来沙比例有所增加。

3 结语

本文对监利站历年的水沙特性进行了初步概括，主要得出以下几点认识：

（1）根据多年统计资料分析，监利站年径流量变化过程与年输沙量变化过程均呈不规则周期性变化，且以20世纪80年代末期为界，明显地分为2个阶段。2006年为长江枯水少沙年份，监利站径流量、输沙量均为历年来最低值。

（2）监利站径流量年内分配与输沙量基本一致，均集中于汛期5-10月，且输沙量更为集中。三峡工程运用初期，监利站汛期来水来沙比例有所减小，非汛期来水来沙比例有所增加。

（3）水沙关联性分析结果表明，监利站年径流量、年输沙量时间序列在较长时期的变化中不具有随机性特征，而是表现出一定的周期性和趋势性；监利河段来水来沙总体呈正相关性，即径流量越大，输沙量也就越大。

（4）监利站水沙主要来自长江宜昌上游，因此，监利站的水沙变化首先受长江上游来水来沙变化的影响。另外，下荆江裁弯工程、荆江三口分流分沙变化及三峡工程等水利枢纽建设，均是监利站水沙变化的主要影响因素。

［1］监利水利志编辑室．监利水利志［M］．北京：中国水利水电出版社，2005．

［2］黄莉．监利河段水沙变化及其对该河段河床横断面形态影响机理研究［D］．武汉：长江科学学院，2008．

［3］彭玉明，高志斌．长江监利河段近期河道演变分析［J］．人民长江，2006，（12）：78-81．

（编辑：刘运飞）

Characteristics Analysis of Water-sediment Load at Jianli Hydrological Station on Changjiang River Main Stream

HUANG Li，LIN Qiu-sheng
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The Jianli river reach is located in the lower part of Jingjiang river reach which is one of the 14 key reaches in the middle and lower reaches of Changjiang River．By analyzing the 1950-2006 prototype data of Jianli Station in Jianli river reach，a representative hydrological station，some conclusions indicate as follows：The annual runoff and sediment load of Jianli river reach all changed irregularly and periodically，and were divided into two phases clearly by late 1980s．In 2006，the annual runoff and sediment load of Jianli river were the lowest in the past years．The distribution of runoff and sediment load in one year was uneven，mainly concentrated in flood season from May to October，especially for sediment load．The runoff and sediment load had direct correlation on the whole，that is，the more the runoff，the more the sediment load．Besides the incoming water and sediment from the upstream river reach，the cut-off works in lower Jingjiang river reach，the variation of the silt-carrying flow division through three branches in Jingjiang River，and the construction of large-scale water conservancy projects，such as TGP，are all the main influencing factors of water and sediment load variation in Jianli river reach．

Jianli hydrological station；water and sediment load variation；correlation analysis；influencing factor

TV141

A

1001-5485（2009）03-0005-04

2008-03-18

“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAB05B03）

黄莉（1981-），女，湖北钟祥人，工程师，硕士，主要从事河流模拟与河道整治研究，（电话）027-82829870（电子信箱）hl hls＠163．com。