三峡建坝后长江宜昌—汉口河段水沙与河床的应变

袁文昊， 李茂田， 陈中原， 尹道卫， 韦桃源

（华东师范大学地球科学学部，上海　200062）

三峡建坝后长江宜昌—汉口河段水沙与河床的应变

袁文昊， 李茂田， 陈中原， 尹道卫， 韦桃源

（华东师范大学地球科学学部，上海200062）

通过三峡建坝前后1950—2013年的水文、泥沙与2003年和2011年的实测河床底形资料对比，试图讨论长江中游宜昌—汉口河段水沙及河床地形等应变量对三峡建坝的响应，为人们理解河流水沙及河床冲淤对超大型水库应变的幅度提供具体案例.三峡建坝后，宜昌站和汉口站年均流量由建坝前的13 850 m3/s和22 650 m3/s（1950—2002）减少到建坝后的12 450 m3/s和21 000 m3/s（2003—2013），分别减少10.1%和7.2%；年均输沙量由5.56亿t和4.02亿t（1950—2002）锐减至0.6亿t和1.5亿t（2003—2013），分别减少89.5%和62.2%；年均悬沙中值粒径则由35mm（1950—2002）和25mm（1955—1975）减少至4mm和15mm（2003—2010）.同时，水流挟沙不饱和能力的增加，引起了河床的沿程冲刷及泥沙粗化，宜枝河段、荆江河段和城汉河段深泓处分别平均冲刷了3.7 m、1.5 m和0.4 m，在主槽刷深的同时，河道浅滩有不同程度的萎缩.三峡建坝已导致中游水沙及冲淤条件发生了巨大改变.

三峡建坝；长江中游；应变；水沙过程；动力地貌

0　引　言

河流过程是一个水流、泥沙和河床地貌三者之间相互作用、互为因果的系统过程，水流和泥沙共同塑造河床地貌，河床地貌又反过来约束水流和泥沙运动［1-4］.人类为利用河流资源，自古以来就在河流上建坝进行拦、调、蓄、排水［4-5］.截止2010年，全世界高度超过15 m的“大坝”有50 000座［6］.大坝在带来航运、发电、防洪等社会经济效益的同时，也改变着流域水文、泥沙的自然过程，导致河床地貌冲淤向新的方向发展［4，7］.深入认识大坝对流域自然过程的干扰度，并且分析流域环境对这种干扰的适应过程，是人类开发利用河流的前提和共同课题［6，8-9］.

长江长6 300多km，流域面积180万km2，年径流量9 600多亿m3，长江是中国乃至东亚最基本自然生态和社会经济基础［10-11］.长江从上游流经三峡以后，比降迅速降低到2× 10-5～3×10-5，由高山峡谷变为冲积平原，千万年来，河床不断淤积形成著名善淤善决的地上悬河—荆江，水涝灾害频发［12-13］.三峡大坝是世界上最大的水利工程，从1912年提议建设以来，其对长江尤其是下游荆江河段的冲淤影响就饱受争议.自2003年大坝建成以来，人们更是聚焦在大坝对下游荆江河段水沙及河床冲淤的具体影响［11，14］.本文在前期研究的基础上［15-16］，对比建坝前后1950—2013年的水文、泥沙与2003年、2011年实测河床底形资料，尝试讨论长江中游宜昌—汉口河段水沙及河床冲淤等具体的应变量对三峡建坝的响应，为人们理解河流水沙及河床冲淤对超大型水库应变的幅度提供典型的案例或尺度.

1　研究区域、资料和方法

1.1研究区域

三峡水库大坝位于宜昌上游约46 km处，设计的蓄水水位为175 m，水库回水河段长566 km，平均宽约1 110 m，面积1 084 km2，平均水深约70 m、坝前最大水深170 m左右.三峡水库总库容 393×108m3，其中调节库容165×108m3，约占坝址处年径流量4 510× 108m3的3.7%，季节调水频繁［17］（见图1）.

三峡大坝下游的宜昌至汉口河段为长江中游河段，全长626 km.其中宜昌至枝城的宜枝河段，是由基岩峡谷型河流向冲积平原型河流的过渡河段.枝城至城陵矶河段是著名的荆江河段，长约340 km，以藕池口为界可进一步划分成上、下荆江河段.荆江河段为微弯型河道或者曲流河段，河流蜿蜒曲折，善淤善决，洪涝灾害频发，以至于河流两岸修建了巨大的荆江大堤以防洪减灾.在荆江大堤的南岸有松滋、太平、藕池3个分流口使长江水可以分泄到洞庭湖，在洞庭湖区，与属于洞庭湖水系的湘、资、沅、澧水等支流汇合后，再在城陵矶重新汇入长江干流.长江经过城陵矶以后折向东北，在到达武汉附近时汉江水系也汇入长江［12-14，18］（见图1）.

图1　长江三峡大坝及下游宜昌—汉口河段示意图Fig.1　The skatch of the Three Gorges Dam and Yichang-Hankou reach

1.2水位、流量、输沙量、悬沙、床沙粒度及河道底形资料

本文利用三峡大坝上游290 km的万州水文站2011年逐日水位资料来说明三峡水库蓄、排水的方式［19］.收集并对比三峡大坝下游的宜昌、汉口两个控制水文站建坝前后的水文和泥沙资料，定量说明大坝建成后下游河段水文、泥沙应变幅度.建坝前的流量、悬沙浓度及粒度资料主要来自长江水利委员会1950—1988年水文资料年报［20］，为逐日数据；建坝后的流量、悬沙浓度及粒度资料来自2003—2010年《中国河流泥沙公报》，为逐月数据［21］.

除上述水沙资料，我们分别于2003年5月和2011年4月对宜昌—汉口河段从下向上每隔10～15 km进行了水深测量和底沙样品的采集，前后分别采集71个和62个航道中泓床沙样品，采集样品在实验室用激光粒度仪进行粒度分析.水深测量用多普勒剖面流速仪（ADP）进行测量，所有实测水深数据均根据宜昌、沙市、汉口水文站在测量期间的水位数据（85高程）对进行了修正（见图1）.

河床横断面底形资料采用长江水利委员会在2000—2010年间对中游河道横断面的监测资料，自上游至下游，分别搜集了6个典型断面（S1—S6），建坝前后的底形资料，对比横断面应变特征［21］（见图1）.

2　结　果

2.1三峡水库水位变化

2011年库区内万县水文站逐日水位资料显示（见图2），三峡水库的蓄、排水年内变化有如下特征：1月至5月末，水库放水，水位由175 m逐渐降到145 m防洪限制水位，下游流量大于6 000 m3/s，比自然径流增加1 000～3 000 m3/s；6至9月上旬汛期，无洪水期间，水库维持在145 m运行，洪水期间，水库拦洪蓄水，洪峰过后放水降至145 m运行，整个洪峰期间能削峰10 000～32 000 m3/s；9月中旬至10月，水库逐步蓄水至175 m，下泄流量比自然流量减少3 000～6 000 m3/s.11—12月，水库维持高水位运行.

图2　三峡水库万州站2011年水位过程线Fig.2　Variation of water level at the Wanzhou station in the Three Gorges Reservior in 2011

2.2宜昌—汉口流量应变

宜昌、汉口站1950—2013年的年径流量变化表明，建坝后水库下游年径流量小幅减少.宜昌站建坝前1950—2002年年均流量13 850 m3/s，建坝后2003—2013年年均流量12 450 m3/s，减少幅度10.1%；汉口站建坝前1950—2002年年均流量22 650 m3/s，建坝后2003—2013年年均流量21 000 m3/s，减少幅度7.2%（见图3A）.

图3　三峡封坝前后宜昌和汉口站径流量变化Fig.3　Changes in runoff at the Yichang and Hankou stations before and after the Three Gorges Dam completion

建坝后，随着三峡水库年内季节性的蓄排水，其下游的流量随之出现季节性的应变. 1—4月份三峡水库排水，坝下游宜昌—汉口流量比建坝前自然流量增加.其中，宜昌、汉口站1—4月份月均流量增加1 234 m3/s和2 006 m3/s，增幅分别为26.4%和18.4%.7—9月份，水库根据洪水过程蓄排水进行消峰，坝下游宜昌—汉口流量比建坝前自然流量减少.宜昌、汉口站7—9月份月均流量减少了4 436 m3/s和2 083 m3/s，降幅分别为15.3%和5.4%；10月份，三峡水库为发电和改善航运条件进行蓄水，坝下游宜昌—汉口流量比建坝前自然流量减少，宜昌、汉口站10月份月均流量分别减少4 436 m3/s和6 095 m3/s，降幅分别为23.6%和15.8%（见图3B）.

2.3宜昌—汉口输沙量应变

宜昌、汉口站1950—2010年的年输沙量变化表明，建坝后水库下游年输沙量大幅度减少.宜昌站建坝前1950—2002年年均输沙量5.56亿t，建坝后2003—2010年年均输沙量仅0.6亿t，减少幅度89.0%；汉口站建坝前1950—2002年年均输沙量4.02亿t，建坝后2003—2013年年均输沙量1.5亿t，减少幅度62.2%（见图4A）.

图4　三峡封坝前后宜昌、汉口站输沙量变化Fig.4　Changes of suspended sediments of the Yichang and Hankou stations before and after the Three Gorges Dam completion

建坝后，随着三峡水库年内季节性的蓄排水，其下游的输沙量也随之出现季节性的应变.1—4月份尽管三峡水库排水，坝下游宜昌—汉口输沙量比建坝前自然输沙仍然减少.其中，宜昌站1—4月份月均输沙量减少9.6×105t，减少幅度55.4%；汉口站1—4月份月均输沙量减少3.5×106t，减少幅度51.6%.7—9月份，水库根据洪水过程蓄排水进行消峰，坝下游宜昌—汉口输沙量比建坝前自然输沙量更是大幅度减少.其中，宜昌7—9月份月均输沙量减少1.03亿t，减少幅度83.2%；汉口站同期月均流量减少0.55亿t，减少幅度66.6%.10月份，三峡水库为发电利航进行蓄水，坝下游宜昌—汉口输沙量比建坝前自然输沙量仍然大幅减少，其中，宜昌10月份月均输沙量减少0.32亿t，减少幅度94.0%；汉口站同期月均流量减少0.33亿t，减少幅度76.7%（图4B）.

2.4宜昌—汉口悬沙和床沙粒径应变

总体上，宜昌、汉口站1955—2010年年均悬沙中值粒度呈现减小趋势，而且在1986年葛洲坝封坝，2003年三峡封坝后均呈现明显的下跌.宜昌站年均悬沙中值粒径从1960s的均值35 μm减小到1970s的均值25 μm，1986—2002年减小到均值8 μm，2003—2010年减小到均值4 μm（见图5A）.汉口站年均悬沙中值粒径从1955—1975年均值25 μm减小2003—2010年均值15 μm（见图5A）.

图5　三峡封坝前后宜昌、汉口悬沙及沿程床沙粒径变化Fig.5　Variations in grain-size characteristics of suspendedand bed-loadsfrom Yichang toHankou satations before and after the Three Gorges Dam completion.

宜昌—汉口河段大部分河床都是由中值粒径在200～300 μm的中沙和细沙组成.自上游至下游沿程变细.三峡封坝后，靠近大坝的宜枝河段（距离宜昌0～75 km）床沙普遍迅速粗化，中值粒径由建坝前的300 μm粗化到450 μm（见图5B）.宜昌附近河床，床沙中的中沙部分已被冲刷殆尽，河床组成以砾石为主，粒径可以达到6.8 cm.距离宜昌100 km以下一直到汉口的中游河段，床沙中值粒径和建坝前的情况相当，在200 μm左右波动（见图5B）.

床沙的分选系数反映了床沙的均匀程度，本文采用Folk和Ward［22］的粒度统计方法对床沙分选系数进行统计.三峡封坝前，宜昌—汉口河段床沙分选系数在0.7～1.2，分选差到分选中等.三峡封坝后，床沙的分选系数变为0.5～1.0，分选性有所提高，其中尤其以宜枝河段的泥沙分选程度提高最为明显（见图5C）.

2.5宜昌—汉口河床底形应变

三峡封坝后，整个中游河段呈现出不同程度的刷深.宜枝河段的刷深表现尤其明显，河床高程平均降低了3.7 m，一些河段的刷深甚至可以达到10 m以上.荆江河段，河床的冲刷逐渐减弱，河床的冲刷与淤高交替出现，整个河段平均刷深1.5 m.城汉河段，刷深进一步减弱，河床的冲刷与堆积仍交替出现，河床高程相比建坝之前平均刷深只有0.4 m（见图6A）.

图6　三峡封坝前后中游河段纵剖面和典型横断面对比Fig.6　Comparion of the longitudinal sections and typical cross-sections of the Middle Yangtze River before and after the Three Gorges Dam completion

三峡封坝后，中游河段的冲淤在横断面上也有明显表现.靠近大坝的宜枝河段，横断面以河槽刷深为主，浅滩也有刷深，如S1断面河槽的深泓处下切了近5 m.荆江河段，河床横断面形态多为不规则的W形、偏V形或U形，三峡封坝后其冲淤过程主要表现为主槽的刷深且横向偏移，浅滩略有淤高，例如S2断面主河槽刷深达10 m上，S3，S4主槽刷深的同时横向迁移近300～500 m，浅滩淤高2～5 m不等.城汉河段，河道横断面岸线稳定，主槽和浅滩冲刷减弱，S5主槽刷深横移，S6主槽刷深2～3 m（见图6B）.

3　讨　论

3.1三峡水库对径流的影响

三峡水库完全改变了库区的水位过程.库区万州水文站2011年的水位变化结果表明，三峡水库首先普遍抬升库区的水位，淹没500多km的自然河道，使库区水位在145～175 m之间波动.其次库区的季节性蓄排水使河道水位由自然“洪高枯低”模式转变为相反的“洪低枯高”模式（见图2）.这必将对库区河道自然生态系统产生深远的影响.

三峡水库蓄水对下游年径流量的改变并不显著.尽管三峡建坝后，宜昌、汉口站年均径流量略有减少（见图3A），但这一趋势分析的结果显示这一变化并不具有显著性［15-16］，而宜昌、汉口站十年中流量的年际变幅均能达到10%以上，比蓄水前后产生的变幅更大，因此推测气候因素可能对长江中游地区的径流量改变更具主导性.长江等东亚季风区河流年径流量90%来源于大气降水，因此建坝后年径流量减少变化很可能与近十年来全球气候变化有关［23-24］.

三峡水库显著改变了坝下游季节性流量，减小洪峰流量、增加枯水流量和增加中水持续时间.首先水库通过蓄水对洪水和上游大流量进行消峰、错峰，显著减小坝下游河道洪峰流量.7—9月份消峰使下游月均流量减少幅度5.4%～15.3%，10月份蓄水使下游月均流量减少16%～24%（见图3B）.2012年7月24日三峡水库上游洪峰流量达71 200 m3/s，经三峡水库调节后流量减小到43 000 m3/s，消峰28 000 m3/s，占洪峰流量的39.2%［25］.其次，水库通过放水显著增加了坝下游枯水和中水流量及持续时间.1—4月份三峡水库排水使坝下游流量比建坝前18.4%～26.4%（见图3B）.水库消峰蓄水导致大流量形态由“尖瘦”变为“肥胖”，极端大流量和频率减小，导致下游河漫滩发生洪水漫滩的几率大幅下降，河漫滩面积减小，河漫滩生态系统脆弱性增加［26-27］，同时，枯水及中水流量的增加及持续时间的增加将使河槽的冲淤幅度增加.坝下游典型断面的刷深的结果也证明了这一点（见图6B）.因此三峡水库虽然通过蓄水消峰能显著防洪减灾，但下游径流的季节调整必将对下游河道的主槽及河漫滩演变产生深远影响［28］.

3.2三峡水库对坝下游悬沙、床沙的影响

三峡水库大幅度减少了坝下游河道的年输沙量和月输沙量.宜昌—汉口河段年均输沙量由建坝前的4.0亿～5.6亿t减少到0.6亿～1.5亿t，减少幅度为62.2% ～89.5%（图4A）.宜昌—汉口河段1—4月份月均输沙量减少9.6×105～3.5×106t，减少幅度51.6% ～55.4%；7—9月份月均输沙量减少0.55亿～1.03亿t，减少幅度66.6%～83.2%；10月份月均输沙量减少0.32亿～0.33亿t，减少幅度76.7%～94.0%（见图4B）.为什么三峡水库对年径流量的影响很小，却对年输沙量和月输沙量产生巨大的影响呢？其主要原因有两个，一个是长江上游水库及采砂活动导致入库泥沙大量减少.三峡集团的《长江三峡水利枢纽工程竣工环境保护验收调查报告》显示，自2003年三峡蓄水至2012年，三峡入库年输沙量为2.03亿t，仅有论证设计阶段的42%.其二是水库调蓄过程导致泥沙沉积.洪季的大坝拦水蓄水迅速抬高水位，降低径流比降，导致流速迅速减小，水流挟沙能力大幅降低，大量悬沙沉降沉积于库区，而枯季水库排水时，由于水位限制在有效库容水位和死库容水位之间，径流难以将洪季淤积的泥沙冲刷输送到下游河道，悬沙不断淤积在库区，导致下游河道尽管径流量通过排水得到补充，悬沙含量和输沙量却大幅度减少［29-33］.实际上，水坝导致流域输沙量普遍降低是全球范围的现象.埃及尼罗河的阿斯旺高坝建坝后，其下游41.5 km的Gaffra站的洪季含沙量由建坝前4.89 kg/m3下降到0.06 kg/m3［34］.美国科罗拉多河Glen Canyon大坝修建后，坝下Lees Ferry站年均输沙量从建坝前的57×106t减少到建坝后的0.24×106t［35］.中国永定河1956年修建了官厅水库之后，下游的含沙量减少建坝前的十分之一［36］；黄河的三门峡水库汉江的丹江口水库修建后，都引起下游含沙量和输沙量的大幅下降［37-38］.另外，水坝修建后，对下游径流量和输沙量影响的不均衡性也是普遍现象，比如，Flaming Gorge水库修建后，下游的径流量没有很大变化，但是输沙量却减少了50%［39］.

三峡水库导致坝下游河道悬沙明显细化.宜昌站和汉口站悬沙粒径在1986年葛洲坝封坝，2003年三峡封坝后均呈现明显的减小.宜昌站在1986葛洲坝封坝后，悬沙平均粒径由1970s的25 μm减小到1986—2002年的均值8 μm，在2003三峡封坝后，悬沙平均粒径减小到2003—2010年的均值4 μm；同样，汉口站年均悬沙中值粒径从1955—1975年均值25 μm减小到2003—2010年均值15 μm（见图5A）.坝上游大量悬沙因水流减弱而淤积于库区不但是坝下游河道悬沙输沙量大幅减少的直接原因，而且也是下游河道悬沙细化的直接原因.另外，三峡封坝后，下游的汉口站悬沙粒径要比宜昌站粒径粗3倍（见图5A），说明从宜昌到汉口，悬沙中粗颗粒不断增加，这种悬沙粗颗粒悬沙主要来源于河道床沙的冲刷和洞庭湖流域径流粗颗粒悬沙补给.实际上，任何径流都具有挟带泥沙的能力，其最大能力为饱和挟沙能力，最大能力和实际能力的差值称为挟沙不饱和能力，不饱和能力越大，其冲刷河床能力越大［15，29］.当大量悬沙被拦截淤积在库区以后，坝下游径流的挟沙不饱和能力大幅度增加，其侵蚀河床的能力也就越大［15］.

三峡水库导致坝下游近百公里的河床泥沙明显粗化，分选性增加.如上所述，坝下游径流挟沙不饱和能力的增加必然会导致其河床的冲刷侵蚀性增强，进而也必然会导致坝下游床沙的粗化，分选性增强.三峡封坝后，靠近大坝的宜枝河段床沙中值粒径由建坝前的300 μm粗化到450 μm，以及从宜昌至汉口整个河段分选系数的提高（见图5B和5C），都表明三峡封坝后坝下游河床泥沙的粗化.

3.3三峡水库对坝下游河床底形的影响

三峡水库导致坝下游河道不同程度的冲刷.对建坝前后，河道中泓处的水深测量表明，宜枝河段的刷深表现尤其明显，河床深泓处的高程平均降低了3.7 m，荆江河段深泓处平均刷深1.5 m，城汉河段深泓处平均刷深0.4 m（见图6A）.三峡水库运行后，大量悬沙淤积于库区必然导致坝下游径流挟沙不饱和能力的增加，也必然导致其河床的冲刷侵蚀性增强，进而导致河床刷深，床沙粗化.河床的冲刷对三峡大坝下游的著名的地上悬河—荆江大堤的安全形成潜在的威胁，因此三峡封坝后，坝下游河床具体的冲淤变化备受关注［40-44］.研究表明，在三峡水库运行10年以后，下游的河道的刷深主要集中在近坝的100 km内，100 km以下河床的粒度及冲刷深度都基本平衡.

三峡水库导致坝下游河道河槽与浅滩向不同方向发展.三峡封坝后，宜昌至汉口河段典型断面S1—S6的主槽均表现出不同程度的刷深，同时浅滩也有不同程度的萎缩（见图6B）.这种主槽的刷深和浅滩的萎缩也是三峡水库运行的结果.如前所讨论，三峡封坝后，水库洪季消峰蓄水导致大流量形态由“尖瘦”变为“肥胖”，极端大流量和频率减小，枯季放水导致下游枯水流量增加，这两者共同导致中水流量增加及持续时间增加（见图3B），而中水流量主要限制在河槽内，中水流量及持续时间的增加必将导致主槽冲淤幅度增加.同时，极端大流量和频率减小必然导致下游河漫滩发生洪水漫滩的几率大幅下降，河漫滩面积减小，河漫滩生态系统脆弱性增加［26］.

4　结　论

三峡水库是世界最大的河流水利工程，建坝对下游自然生态环境的影响是国内外普遍关注问题.

首先，三峡水库改变了库区和下游径流的自然过程.三峡水库完全改变了库区的水位过程，库区水位由“洪高枯低”模式转变为相反的“洪低枯高”模式.三峡水库对坝下游年径流量基本没有影响，但是显著改变了坝下游季节性流量，7—9月份减少洪峰流量幅度5.4%～39.2%，1—4月份增加枯水流量18.4%～26.4%.

其次，三峡水库大幅度减少了坝下游年输沙量和月输沙量，导致坝下游河道悬沙明显细化和河床泥沙粗化.宜昌—汉口站年均输沙量由建坝前的4.0亿～5.6亿t减少到0.6亿～1.5亿t，减少幅度为62.2% ～89.5%.宜昌—汉口站全年12个月的月均输沙量减少量在0.01亿～1.03亿t之间，减少幅度51.6%～94.0%.同时，下游悬沙平均粒径由三峡封坝前的25～35 μm减小至4～15 μm，河床泥沙明显粗化，分选性增加.

另外，三峡水库导致坝下游河道刷深沿程递减，从近坝刷深3.7 m沿程递减0.4 m.在主槽刷深的同时，河道浅滩有不同程度的萎缩.

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（责任编辑：李万会）

Responses of runoff-sediment flux and bedform in the Middle Yangtze River to the completion of the Three Gorges Dam

YUAN Wen-hao， LI Mao-tian， CHEN Zhong-yuan，YIN Dao-wei， WEI Tao-yuan
（Faculty of Earth Sciences，East China Normal University，Shanghai200062，China）

Comparation methods are used to examine the responses of hydro-sediment and river bedform after the completion of the Three Gorges Dam.Data are based on the historical data of runoff and sediment discharge（1950—2013）and in-site measured data of depth and bedload（2003，2011）. The results demonstrate that the average annual discharge at Yichang and Hankou stations has decreased 10.1%and 7.2%after the Three Gorges Dam completion.The average annual sediment flux of the Yichang and Hankou stations decreased from 556 and 402 Mt/a to 60 and 150 Mt/a，accounted for 89.5%and 62.2%of that have been trapped by the Three Gorges Dam.In addition，the average annual medium diameter of suspended sediment at Yichang and Hankou stations has decreased from 35mm and 25mm to 4mm and 15mm，but the bed load has become coarser and coarser.The depth at the thalweg has also increased to 0.4～3.7 m due to the bed erosion after the Three Gorges Dam impoundment.

completion of the Three Gorges Dam； Middle Yangtze River； response；runoff and sediment processes； dynamical geomorphology

P47

A

10.3969/j.issn.1000-5641.2016.02.012

1000-5641（2016）02-0090-11

2015-02

长江中下游典型大坝水库泥沙淤积过程中溶解硅滞留行为探究（41271520）

袁文昊，男，博士研究生，研究方向为河流动力地貌学.E-mail：yuanwh9815@163.com.

李茂田，男，副教授，研究方向为河流动力地貌学.E-mail：mtli@sklec.ecnu.edu.cn.