三峡水库下游河道水沙输移特性研究

沈 磊，姚仕明，卢金友

三峡水库下游河道水沙输移特性研究

沈 磊，姚仕明，卢金友

（长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，武汉 430010）

三峡水库蓄水运用改变了下泄的水沙条件，引起坝下游水沙过程及输移特性的变化。采用以旬为单位的统计时段，分析比较了三峡水库蓄水前后旬平均流量、输沙量及含沙量的变化。蓄水前后坝下游各站洪水、中水、枯水3个流量区间的出现频率变化分析表明，建库后距坝距离愈远其洪水流量区间出现频率的减小愈显著。统计分析了不同流量级下含沙量的沿程恢复程度，发现高、低水流量级下其沿程恢复程度较中水流量级高。分析了各站悬移质中值粒径和床沙级配的变化，发现床面粗化主要位于距坝较近的荆江河段，由于粗细粒径的交换作用，悬移质中值粒径在下荆江显著变粗。

三峡水库；流量；悬移质；含沙量；粒径变化

1 概 述

三峡水库蓄水运用后，上游来沙大部分淤积在库内，仅有小部分细颗粒泥沙能够随水流下泄。对于下游河道来说，其下泄的水流处于严重不饱和状态，水流为了恢复其饱和挟沙水流的状态，会使坝下游河道发生沿程冲刷，冲起的泥沙部分补给给悬移质，部分参与床面交换，因此将会引起下游长距离、长历时的河床冲淤调整，导致河势变化。河床持续冲刷会对堤岸稳定构成威胁，同时还会对防洪、航道、水土资源利用以及经济与社会的可持续发展带来影响。因此，开展三峡水库下游河道水沙输移特性研究是十分必要的。

围绕三峡工程坝下游泥沙问题，过去开展了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果。总体认为：三峡工程拦沙作用明显，运用前10年拦沙率高达70%，随着水库运用时间的增加，坝下游河道将经历较长时期的冲刷－平衡－回淤过程。然而，以往研究主要是基于假定的水沙与边界条件下的研究成果，只能反映特定条件下坝下游河道冲淤演变情况。三峡工程已于2003年6月蓄水运用，坝下游已积累了一定的原型观测资料，可用于分析揭示坝下游河道水沙输移的变化特性。熊明等［1］对三峡工程蓄水后2003－2006年的原型观测资料分析后得出：下游干流年输沙量减小明显，与多年平均相比，分别偏少86%，67%，62%，干流径流量偏少约10%；河道冲刷主要以基本河槽冲刷为主，且主要集中在宜昌至城陵矶段。卢金友［2］在分析初步设计阶段水库调度运用方案的出库月径流量后指出：汛期6－9月份流量与建库前相比基本不变，仅洪峰流量有所削减；10月份水库蓄水，出库流量陡减，较建库前同期多年平均值减小42．7%。栾震宇［3］在分析了坝下游Z-Q关系后指出：沙市、监利、汉口Z-Q关系存在一定程度的变化，宜昌、大通等站变化不明显；荆江三口分流量呈明显减小的趋势，河道也在逐步萎缩。董耀华［4］采用频率统计等多种方法对长江干流水沙特性的变化趋势做了初步分析后指出，在三峡工程135 m水位运用期间，坝下游河道水沙变化受上游来水来沙变化的影响大于三峡工程的调水调沙作用。胡向阳［5，6］结合计算结果和实测资料分析三峡工程蓄水后长江中下游来水来沙变化时指出，三峡工程蓄水后长江中下游年来水量变化不大，但年内分布有所改变，中枯水期延长，最小流量增加。其中蓄水期（10月）下泄流量减少，平均减少8 200 m3／s；预泄期（5月至6月上旬）下泄流量增加，平均增加3 700 m3／s。长江中游含沙量沿程恢复距离较长，但悬移质中的床沙质部分泥沙恢复距离相对较短。

上述研究多采用以年或者月为单位的统计方法，可以在一定程度上反映建库后水沙输移特性的变化，但反映得不够深入。本文采用以旬为单位的统计方法，更深入地分析了三峡水库运用前后下游河道水沙输移特性变化。

2 三峡水库蓄水运用前后下游河道流量过程变化

2．1 旬平均流量变化

三峡水库蓄水后，2003－2008年坝下游宜昌、监利、螺山、汉口、大通多年平均径流量较蓄水前分别偏枯9%，－1%，9%，6%，10%。为了更好地分析年内流量过程的变化，文中以旬为单位分析坝下游主要水文站的旬平均流量过程变化（图1），采用1999－2008年蓄水前后各5年的数据，去除了1998年特大水文年及2006年特枯水文年。由图1（a），寸滩站建库前后的流量过程变化可以看出，建库后寸滩站汛期涨水滞后，从6月开始的汛期推迟10～20 d，较蓄水前汛期流量有所偏小，洪水持续时间缩短，其枯水期流量过程基本未变。宜昌站距离三峡大坝较近，直接受出库水流的影响，蓄水以来，宜昌站的流量过程线与寸滩站相比明显趋平，特别是汛期的流量过程变化较平缓，持续时间较长。9月底以后，寸滩站流量过程与建库前变化不大，但是宜昌站流量过程却较建库前持续偏少，偏少情况一直持续到11月底，主要是由于三峡水库汛后蓄水所带来影响。宜昌站在5月份的流量过程较建库前有所增加，主要是水库汛前增泄所带来的影响。宜昌站至监利站之间存在三口分流及荆江槽蓄的影响，因此监利站的流量过程线较宜昌站的流量过程线更为平缓，5月份的三峡汛前增泄造成的流量增加已被坦化，10月份的三峡蓄水造成的流量减少也没有宜昌站那么显著。螺山站的流量是由荆江出流和洞庭湖出流汇合而成，与寸滩、宜昌、监利等站不同的是，2－3月份螺山站建库后的流量过程较建库前偏多，4－5月份却又偏少。在10－11月份由水库汛后蓄水导致的流量减小过程又重新出现，而监利站这一减少并不明显，可以认为是三口分流及洞庭湖的影响，但具体影响的程度和方式如何还有待进一步研究。图1（b）显示汉口、大通站其流量过程与螺山站基本一致，同是表现为蓄水后2－3月份水量偏多，4－5月份水量偏少，汛期涨水滞后，洪峰偏缓，10－11月份有一个明显的三峡汛后蓄水带来的水量减少过程。只是蓄水后大通站流量过程较螺山和汉口的流量过程变化更为平缓，流量也更大。

2．2 洪、中、枯3个流量级的变化

图1 蓄水前后旬平均流量比较Fig．1 Ten-day average flow before and after the impoundment

由图1可以看出，建库后汛期流量普遍减小，为了更好的量化分析洪水、中水、枯水的变化，将每个站划分为3个流量区间，确保建库前各站流量处于这3个区间的概率是一致的，即洪水、中水、枯水的出现概率分别为10%，40%，50%。统计蓄水后这3个流量区间的出现概率就可看出洪水、中水、枯水这3个部分的变化。表1为各站不同流量区间建库前后出现概率的对比，可以看到各站洪水出现概率在建库后均有所减少，宜昌、监利站从建库前10%的概率减小到7%～8%，螺山、汉口站减小到5%～6%，大通站减小最多，减小到2%。而各站中水出现概率并无太大变化，建库后除大通站增加到44%以外，其它各站维持在40%～41%。各站的枯水出现概率均有所增加，从建库前的50%增加到51%～55%之间。上述分析可看出，建库后，各站流量减少主要是洪水流量区间概率的减少，枯水却相应增加，中水变化不大。从沿程来看，距离坝址愈远洪水流量区间的减少愈显著，中水和枯水出现的概率增加亦愈显著。实测资料分析表明，三峡水库下游河道洪水期间的输沙能力远远大于枯水的输沙能力，蓄水后洪水流量区间出现概率的减少也会在相当程度上影响年输沙量的减少，这应该是除三峡水库拦沙作用及上游来沙量偏少带来的坝下游各站输沙量减少之外的另一个重要原因。

表1 蓄水前后长江中下游主要水文站洪、中、枯3个流量区间出现概率的变化Table 1 Occurrence probability of high，medium and low flow intervals before and after the im poundment atm ain stations in them idd le and lower Yangtze river

3 三峡水库蓄水以来输沙过程变化

3．1 输沙量变化

三峡水库蓄水运用以来，下游各站年均输沙量大幅减少，主要是由于三峡水库显著的拦沙作用，但是入库沙量的减少也是原因之一。文献［7］在分析了三峡水库蓄水后上游来沙情况后得出：入库输沙量与多年平均值相比偏小约56%，且为趋势性减小，并认为这主要是上游嘉陵江等支流水电工程拦沙的作用，同时还与降雨偏少及挖沙有关。比较蓄水前后的坝下游各主要站年均输沙量可以得知，宜昌、枝城、沙市、监利、螺山、汉口、大通各站依次与蓄水前比较减少了84%，80%，68%，66%，64%，58%，52%，表现出其输沙量沿程得到一定程度的恢复。并且宜昌以下长江干流还有洞庭湖水系、支流汉江和鄱阳湖水系等支流的入汇，这些汇入的支流带来的泥沙并未有明显的减少，因此也相应的减少了汉口和大通站的输沙量降低比例［8］，这也是输沙量沿程增加的一个重要原因。

3．1．1 旬平均输沙量变化

同样为了更好地分析蓄水后输沙量的变化情况，以旬为单位，统计出蓄水前后旬平均输沙量的变化。采用1999－2007年资料，并且去除了1998年特大洪水年和2006年特枯水文年后，绘制出以下的旬平均输沙量比较图。由图2（a）可看出，寸滩、宜昌、监利各站在蓄水后，其输沙量大幅减少，并且主要以汛期减少为主，这主要是因三峡水库的蓄水拦沙作用。蓄水前宜昌站至监利站输沙量是逐步减小的，但蓄水后宜昌站至监利站的输沙量却是增加的，这主要是三峡下泄大量不饱和水流，经沿程冲刷的泥沙补给所致。蓄水前寸滩、宜昌、监利站的沙峰能在一个旬期间出现，但是在蓄水后，寸滩站出现的沙峰要滞后1～2旬才能在宜昌站出现。这也可以认为是水库的“缓冲”作用。图2（b）显示了螺山、汉口、大通站在蓄水前后输沙量的变化，蓄水后各站均呈现出输沙量减少，汛期输沙量减少最多，并且由于泥沙的沿程补给恢复，减少幅度随距离增加而降低。

图2 蓄水前后旬平均输沙量比较Fig．2 Average sediment discharge in ten days before and after the impoundment

3．1．2 月平均径流量与月输沙量关系变化

径流量与输沙量关系变化能够反映河道特性的变化，这里比较宜昌、沙市、汉口、大通的月平均流量与月输沙量的关系在蓄水前后的变化。由图3可以看出。流量－输沙量关系曲线的斜率在建库后均呈现减小趋势，减小幅度百分数宜昌站最大，依次为沙市站、汉口站、大通站。其原因为含沙量沿程得到恢复，并且距离大坝的距离越远，恢复的程度越好。

图3 蓄水前后月输沙量－月径流量关系变化Fig．3 Curves ofmonthly average sediment discharge versusmonthly runoff before and after the impoundment

图4 蓄水前后宜昌、沙市、汉口、大通月径流量－月输沙量关系比较图Fig．4 Curves ofmonthly average sediment discharge versusmonthly runoff at Yichang，Shashi，Hankou and Datong station before and after the impoundment

图4 （a）中对蓄水前4个站的流量与输沙量进行了比较，宜昌站、沙市站比较接近，曲线斜率较高，汉口站、大通站比较接近，曲线斜率较小，在图中分属2个不同点群。而在蓄水后，这种情况发生了改变。由于输沙量的减小幅度不同，宜昌、沙市的减小幅度大，汉口、大通的减小幅度小，所以原本4站分属2个点群的现象，在蓄水后变得相对接近（图4（b））。

3．2 含沙量变化

3．2．1 旬平均含沙量变化

由图5（a）可以看出，寸滩、宜昌、监利站在蓄水后共同的变化为，含沙量大幅度减少，汛期含沙量减少最多。宜昌、监利站沙峰较寸滩站滞后，宜昌、监利站沙峰与寸滩站相比，其沙峰受到坦化。在蓄水前，寸滩站至监利站的含沙量都处于比较高的水平。而在蓄水后，由于上游水利工程的建设，寸滩站含沙量有一定程度的减小。在宜昌站，经由三峡水库的拦沙作用，含沙量减小的最多，这些严重不饱和水流必然会从冲刷河床补给泥沙，到达监利站时，含沙量得到一定的恢复，较宜昌站有一定的提高，并且这时含沙量达到坝下游干流河道各站的最高水平。

图5 蓄水前后旬平均含沙量变化Fig．5 Variation of ten-day average sediment concentration before and after the impoundment

图5 （b）反映的是螺山、汉口、大通的含沙量变化情况。由于洞庭湖的汇入以及洞庭湖以下河段特性，从这里开始，长江进入低含沙量的阶段。螺山、汉口、大通依然表现出含沙量大幅减少，沙峰滞后等情况。与螺山站上游各站的表现所不同的是，蓄水后，在上游被坦化的沙峰重新出现，螺山站到大通站的含沙量基本没有变化，各站含沙量过程线几乎一致。

3．2．2 不同流量级下含沙量恢复程度

宜昌以下的各站含沙量与流量存在一定关系，但绘制成曲线时，点群散乱不好找出特定规律。因此，划分不同流量级，并对处于各个流量级里的含沙量进行统计，绘制出各流量级下的各站含沙量，能够较好的反映出在相近的流量条件下的含沙量变化。这里比较蓄水前后不同流量级下的各站含沙量变化，见图6、表2、表3。

图6 蓄水前后各流量级下含沙量沿程恢复Fig．6 Sediment recovery of each flow level before and after the impoundment

宜昌至监利段，建库前在不同流量级下，其含沙量沿程的增加幅度基本相同。图6（a）表现为各流量级沿程增加曲线基本平行。但在建库后（图6（b）），高流量和低流量的情况下，含沙量恢复较快，而中流量级下恢复速度较慢。从宜昌至监利，含沙量的恢复程度由低流量的15%增加到51%，高流量下从59%增加到111%，都较中流量下的增加幅度要大。

这种“两头快中间慢”的情况同样表现在螺山站以下，也是低流量和高流量情况下，恢复的程度要大。在大通站，低流量和高流量级都已恢复到蓄水前的90%以上，在中流量级下，只恢复到蓄水前的55%～70%左右。特别指出的是，在10 000m3／s流量级以下，蓄水后的含沙量甚至已经超出蓄水前的含沙量水平。从整个坝下游河段来看，在35 000～40 000 m3／s的流量级下，其恢复速度最慢，从出库的29%到大通只恢复到55%。

蓄水运用后，三峡水库下泄不饱和水流，经荆江的沿程冲刷补给，其含沙量得到一定的恢复。而从表3中可以看到含沙量恢复主要集中在宜昌至监利河段。而在监利河段以下到汉口之间，含沙量有所恢复，但是其恢复强度明显减小。而在汉口至大通较螺山至汉口河段要长，虽然恢复速度慢，但是长距离的恢复也能使含沙量进一步恢复到比较高的水平。

表2 蓄水前后长江中下游主要水文站各流量级下的含沙量Table 2 Sediment concentration of each flow level before and after the impoundment atmain stations in them idd le and lower Yangtze river

表3 蓄水后长江中下游主要水文站各流量级含沙量恢复百分比Table 3 Sedim ent recovery degree of each flow level after the impoundment atmain stations in them iddle and lower Yangtze river

水流经荆江三口分流到洞庭湖并且由洞庭湖出来时，其含沙量一般较低，会有一个“稀释”的作用。因此螺山站的含沙量远远低于监利站的含沙量。就蓄水后的含沙量恢复程度来说，在部分流量级下，螺山站的恢复程度有的甚至比监利站要低。综合分析可能是四水与荆江三口分流至洞庭湖的水流所含泥沙部分沉积于洞庭湖中，出湖含沙量较低，粒径很细，从而导致螺山站的恢复程度不如监利站。

3．3 悬移质与床沙粒径变化

3．3．1 悬移质中值粒径变化

三峡水库蓄水后，从水库下泄的中值粒径，实测多年平均值为0．004 mm左右，悬移质级配非常细，宜昌站因距离水库较近，而且近坝段已经严重粗化，悬移质无法从河床中得到补给，因此与出库粒径基本相同。枝城站中值粒径变化不大，下游的沙市、监利站中值粒径明显变粗，并且受年份波动较大，最大可达0．14 mm，远远超过建库前的粒径，这与荆江河段的河床粗化过程以及不同年份来水的不同有密切关系。螺山以下河段的中值粒径较监利站有大幅度减小。下游的汉口站、大通站随距离的增加，中值粒径越细。螺山以下各站的中值粒径较之蓄水前还是有所变粗，但变化并不明显（图7）。

图7 蓄水后长江中下游主要水文站悬移质中值粒径变化Fig．7 D50 of suspended sedim ent after the im poundment atmain stations in them idd le and lower Yangtze river

3．3．2 床沙级配变化

图8 床沙级配变化Fig．8 Size distribution of bed sedim ent

三峡工程蓄水运用后，下泄严重次饱和水流，对近坝段冲刷影响严重，由图8（a）可以看出，宜昌的床沙中值粒径粗化严重，甚至出现卵石的情况（粒径＞10 mm）。对于床沙级配来说，至2008年末宜枝段已经明显粗化，级配分布D50＝16 mm，80%的床沙粒径大于10 mm。图8（b）可以看出，沙市站D＜0．125 mm粒径组发生冲刷，在2008年末D＝0．25 mm粒径组基本被冲完。图8（c）可以看出，在蓄水后监利站的D＝0．125 mm及D＝0．25 mm粒径组也发生逐步冲刷，但还有所剩余。值得注意的是，2006年监利站的D＝0．25 mm粒径组曾一度被冲刷，但随后又恢复到正常水平。图8（d）的螺山站各粒径组表现为相对稳定，各年份各粒径组冲刷速度相同，冲刷也较缓慢。图8（e）中，汉口站冲刷速度较螺山站有所提高，在2007年、2008年能明显的看出粗化的痕迹。图8（f）的大通站甚至表现出细化的趋势，在2006年曾一度细化，随之又恢复到正常水平。但图中也可以看出，蓄水后的各粒径组均要细于2001年、2002年。

4 结 语

根据三峡工程运用前后坝下游主要测站的流量、输沙量、含沙量、粒径等观测资料，采用以旬为时间单位的对比分析，获得如下主要结论：

（1）受上游来水影响，蓄水以后，各站流量均表现出汛期涨洪滞后，年径流量减少。并且由于三峡水库的影响，蓄水后各站汛期洪峰较寸滩站坦化，水库汛后蓄水导致汛后水量偏少。各站流量的减少主要是减少在洪水流量区间，中水出现概率基本未变，枯水出现概率增加。

（2）由于三峡水库的拦沙作用，蓄水后各站含沙量大幅减少，随距离增加会得到沿程恢复。各流量级的含沙量恢复速度不同，表现为低流量级和高流量级恢复速度快，中流量级恢复速度慢。床沙粗化主要发生在上荆江河段，以下河段床沙级配均有所变粗。

（3）宜昌、沙市、汉口、大通4站的月输沙量与月径流量关系曲线的斜率在蓄水后都有不同程度的减小，其减小幅度随距离的增加而降低。

［1］ 熊 明，许全喜，袁 晶，等．三峡水库初期运用对长江中下游水文河道情势影响分析［J］．水力发电学报，2010，29（1）：120－125．（XIONG Ming，XU Quan-xi，YUAN Jing．Study of the Influences of Three Gorges Pro-ject’s Initial Operation on River Regime of the Middle and Lower Yangtze River［J］．Journal of Hydroelectric Engi-neering，2010，29（1）：120－125．（in Chinese））

［2］ 卢金友．黄 悦，宫 平．三峡工程运用后长江中下游冲淤变化［J］．人民长江，2006，39（9）：55－57．（LU Jin-you，HUANGYue，GONGPing．Scouring and Silting Var-iation in Middle and Lower Channel of the Yangtze river After TGP［J］．2006，39（9）：55－57．（in Chinese））

［3］ 栾震宇，施 勇，陈炼钢，等．三峡工程蓄水前后长江中游水位流量变化分析［J］．人民长江，2009，40（14）：44－46．（LUAN Zhen-yu，SHI Yong，CHEN Lian-gang，et al．Analysis of Water Level and Discharge Variation in Middle Yangtze River After Impoundmentof TGPReservoir［J］．Yangtze River，2009，40（14）：44－46．（in Chi-nese））

［4］ 董耀华，惠晓晓，蔺秋生．长江干流河道水沙特性与变化趋势初步分析［J］．长江科学院院报，2008，25（2）：16－20．（Dong Yao-hua，HUIXiao-xiao，LIN Qiu-sheng．Pre-liminary Analysis on Characteristics and Changing Tenden-cy of Annual Runoff and Sediment Load of Changjiang Riv-er Main Channels［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2008，25（2）：16－20．（in Chinese））

［5］ 胡向阳，张细兵，黄 悦．三峡工程蓄水后长江中下游来水来沙变化规律研究［J］．长江科学院院报，2010，27（6）：4－9（HU Xiang-yang，ZHANG Xi-bing，HUANG Yue．Research on Change of Coming Sediment and Coming Water of Middle-Lower Yangtze River after TGPEarly Op-eration［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（6）：4－9．（in Chinese））

［6］ 胡向阳．近50年来长江中游泥沙输移变化［J］．长江科学院院报，2007，24（4）：5－9．（Changes of Sediment Transport in Middle Reach of Yangtze River in Recent 50 Years［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research In-stitute，2007，24（4）：5－9．（in Chinese））

［7］ 董连虎，方春明，曹文洪．三峡水库不平衡输沙规律［J］．水利学报，2010，41（6）：653－658．（DONG Lian-hu，FANG Chun-ming，CAOWen-hong．Non-equilibrium Sed-iment Transport in the Three Gorges Reservoir［J］．2010，41（6）：653－658．（in Chinese））

［8］ 戴仕宝，杨世纶，赵华云，等．三峡水库蓄水运用初期长江中下游河道冲淤响应［J］．泥沙研究，2010，（5）：35－39．（DAIShi-bao，YANG Shi-lun，ZHAO Hua-yun，et al．Response ofMiddle and Lower Reaches of Yangtze River to the Initial Operation Stage of the Three Gorges Project［J］．2010，（5）：35－39．（in Chinese））

（编辑：周晓雁）

Characteristics of Water and Sediment Transport in the Downstream Channel of Three Gorges Reservoir

SHEN Lei，YAO Shi-ming，LU Jin-you
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The impoundment of Three Gorges Reservoir has changed the conditions ofwater release and sediment，and correspondingly changed the characteristics of water and sediment transport in the downstream channel．With 10-day as the unit of data statistics，the changes of average runoff，sediment discharge and sediment concentration before and after the impounding were compared and analyzed．The analysis of the occurrence probability of high，medium and low water flow intervals showed that the flood flow interval frequency decreased more significantly as the distance from the dam grew larger．The sediment recovery of different flow levels are also analyzed．It is found that the sediment recovery degree of high and low flow levels are higher than thatofmiddle flow level．Furthermore，through analysis on the changes of D50of suspended sedimentand size distribution of bed sediment，it is demonstra-ted that the bed surface coarsening is locatedmainly in Jingjiang river reach which is near the Three Gorges Project，and the D50of suspended sediment was remarkably coarsened in the lower Jingjiang reach due to particle size ex-change．

Three Gorges Reservoir；flow；suspended sediment；sediment concentration；size distribution

TV142

A

1001－5485（2011）05－0075－08

2011-03-25

水利部公益性行业专项（200910004）

沈 磊（1986-），男，江西九江人，硕士研究生，主要从事河道演变研究，（电话）13554697721（电子信箱）360908521＠qq．com。