三峡水库蓄水后长江中游河床粗化及含沙量恢复特性分析

2017-12-05

水利水电快报 2017年11期

关键词：监利三峡水库含沙量

(长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，湖北武汉 430010)

水沙演变

三峡水库蓄水后长江中游河床粗化及含沙量恢复特性分析

郭小虎朱勇辉黄莉刘亚

(长江科学院水利部江湖治理与防洪重点实验室，湖北武汉430010)

三峡水库蓄水后清水下泄，长江中游含沙量将长期处于严重不饱和状态，水流含沙量沿程恢复将会引起长江中游河道长距离冲刷。根据三峡水库蓄水以来实测资料，分析了长江中游河段河床粗化与月均含沙量恢复的特性。结果表明：三峡水库蓄水运用以来，宜昌-枝城河段床沙粗化明显，河床已基本以卵石为主；枝城-监利河段河床粗化较为明显；监利-螺山河段、螺山-汉口河段河床有一定程度粗化。三峡水库蓄水运用后，dlt;0.125 mm粒径沙量在长江中游沿程恢复缓慢且恢复程度远小于蓄水运用前，dgt;0.125 mm粒径沙量在宜昌-监利河段恢复速率较快，且在监利站附近该粒径含沙量基本恢复饱和。宜昌-监利河段月平均含沙量恢复达到最大值，监利-螺山河段月平均含沙量以减小为主，而螺山-汉口河段月平均含沙量变化不明显。研究成果为将来水库下游不平衡输沙的深入研究提供了参考。

河床粗化；含沙量恢复；长江中游

1 研究背景

三峡水库蓄水后，水库拦截大量泥沙，清水下泄，坝下游河段尤其长江中游河段将会在相当一段时间内处于严重不饱和状态，下泄水流为了恢复其饱和挟沙状态，水流含沙量沿程恢复，进而会对坝下游河道造成一定冲刷，引起下游河段长距离、长历时的河床冲淤演变调整，再加上水库调蓄作用引起坝下游径流量过程改变，从而可能给坝下游河道防洪、航运、水资源利用及水环境生态等带来一定不利的影响。

关于水库下游泥沙输移、含沙量恢复等研究成果众多，如钱宁、谢鉴衡认为，水库下游长距离冲刷是由于水流挟沙力沿程增加，其根本原因是床沙粒径沿程变细[1-2]。韩其为分析了水力条件以及河床组成沿程变化对分组沙冲淤的影响后认为，水力条件变化不大时，粗颗粒在床沙中所占比例沿程减小，细颗粒所占比例沿程增加是导致粗颗粒淤积细颗粒冲刷的主要原因[3]。尤联元等指出水库下游河道纵向冲刷不断下移的一个重要原因是沿程悬沙和床沙间的不断交换，冲刷距离的长短与床沙组成的沿程变化状况以及流量的大小有关[4]。李义天等分析实测资料后指出，床沙补给不足是导致细颗粒泥沙发生长距离恢复的根本原因[5]。黄悦等认为三峡工程建库后下游河道含沙量增加的过程为含沙量的恢复过程[6]；陈建国等分析三门峡水库下游实测资料后得出，水库下游含沙量恢复的距离随水库下泄流量的增加而增加[7]；卢金友根据葛洲坝水利枢纽修建后实测资料分析认为，下游河道发生沿程冲刷的影响至1994年已基本结束，且仅限于松滋口以上河段[8]。陈飞等认为，水库下游发生长距离冲刷的主要原因是床沙补给不足，尤其是细沙补给严重不足[9]。郭小虎等分析三峡水库蓄水以来的实测资料后发现[10]，dlt;0.125 mm粒径沙量在长江中游沿程缓慢恢复且恢复程度远小于蓄水前，这是坝下游河段发生长距离冲刷的根本原因；而dgt;0.125 mm粒径沙量在宜昌-监利河段恢复速率较快，且在监利站附近该粒径含沙量基本恢复饱和，这也是造成冲刷重点集中在荆江河段的主要原因。沈磊等认为，水库下游低流量级与高流量级含沙量恢复速度较快，而中水流量级含沙量恢复速度较慢[11]。以上学者对水库下游泥沙输移、含沙量恢复等做了大量的分析研究工作，取得了一定的研究成果。本文根据三峡工程运用以来的实测资料，详细分析了长江中游河床粗化及含沙量恢复特性，该研究进一步丰富了目前已有的研究成果，为将来水库下游不平衡输沙的深入研究奠定了基础。

2 长江中游干流河段水沙变化

三峡水库蓄水后，长江中游干流河道水沙发生了较大变化，表1统计了蓄水前后各个主要水文站点水沙变化情况。

表1 长江中游主要水文站年均径流量、悬移质输沙量及粒径变化

注： ①各站2002年前径流量和输沙量统计年份：宜昌站为1950～2002年；枝城站为1952～2002年，其中1960～1991年采用宜昌+长阳站；沙市站为1956～2002年(1956～1990年采用新厂站资料，缺1970年)；监利站为1951～2002年(缺1960～1966年)；螺山、汉口站为1954～2002年。②表中宜昌、监利悬移质泥沙中值粒径资料统计年份为1986～2002年，枝城站为1992～2002年，沙市站为1991～2002年，螺山、汉口站均为1987～2002年

由表1可知，与蓄水前相比，三峡水库蓄水后长江中游宜昌、枝城、螺山及汉口站年径流量分别减少了 8.2%,8.0%,8.1%及 5.7%。各主要水文站年径流量有一定程度的减少，其主要原因是由于上游来流量偏少。

与三峡水库蓄水前相比，蓄水后长江中游宜昌、枝城、沙市、监利、螺山及汉口站年输沙量分别减少了91.2%,89.5%,85.4%,78.0%,77.1%及72.4%。各主要水文站年输沙量均大幅度减少，其主要原因与三峡水库拦蓄、上游梯级水库群运用及上游水土保持治理等因素有关。由于三峡水库拦蓄作用，导致进入长江中游河段输沙量较少，水流含沙量偏低，致使河床补给沙量，即使通过三口分流分泄了部分沙量进入洞庭湖区，但荆江河段沿程主要站点输沙量仍呈递增趋势，说明荆江河段床面补给量相对较大。受洞庭湖区、汉江汇流及床面冲刷补给等影响，螺山、汉口站年均输沙量也呈递增趋势。

3 长江中游主要水文站床沙粗化特性

长江中游宜昌-枝城河段河床以卵石夹砂为主，而大埠街以下河段河床则以沙质为主。由于在三峡水库清水冲刷下卵石夹砂和沙质河床具有明显不同的抗冲性，因此，根据长江中游主要水文站点床沙级配变化来分析三峡水库蓄水运用以来河床粗化特性，如图1～3所示。

由图1可见，三峡水库蓄水运用后，宜昌站床沙粗化明显，2002年12月床沙D50为0.19 mm，而2006年12月为 0.40 mm；2006年12月至2009年12月该站床沙进一步粗化，至2009年12月为12 mm，预计随着三峡水库蓄水运用影响的继续，该站河床冲淤将基本达到平衡。

图1 三峡水库蓄水运用前后宜昌站汛后床沙颗粒级配变化

图2示出了三峡水库蓄水运用前后沙市站床沙颗粒级配变化情况。由图2可见，2000，2003，2005，2006，2007，2008年和2009年汛后，沙市站中值粒径D50分别为0.212,0.215,0.212,0.239,0.245,0.446,0.246 mm，除2008年汛后中值粒径明显增大外，其他年份数值变化并不明显。分析沙市站床沙粒径组变化情况后得出，三峡水库蓄水运用前，沙市站90%以上的床沙粒径在0.062～0.50 mm之间，各年变化不明显，最大粒径一般小于1 mm。在2000年汛后，该站14.4%的床沙粒径在0.125mm以下，55.3%的床沙粒径在 0.125～0.250 mm之间，30.0%的床沙粒径在0.25～0.50 mm之间，仅有很少的床沙粒径在0.50 mm以上。三峡水库蓄水运用后的2003年汛后，沙市站 7.0%的床沙粒径在 0.125 mm以下，56.8%的床沙粒径在 0.125～0.250 mm之间，34.4%的床沙粒径在 0.25～0.50 mm之间，也仅有很少的床沙粒径在0.50 mm以上。对比分析可知，2000年10月至2003年10月沙市站粒径小于 0.125 mm沙量被大幅度冲刷；至2008年汛后，该站仅 0.1%的床沙粒径在 0.125 mm以下，2.0%的床沙粒径在0.125～0.250 mm之间，54.7%的床沙粒径 0.25～0.50 mm之间，约 43.2%的床沙粒径在0.50 mm以上，说明在该时段沙市站床沙粒径小于 0.125 mm沙量绝大多数被冲刷，而粒径 0.125～0.250 mm的床沙也是大量被冲刷；而在2009年汛后，该站床沙粒径在 0.125～0.250 mm的沙量有较大程度恢复。由此可知，沙市站床沙组成随着河道冲淤变化呈粗化现象，其中，粒径小于 0.125 mm的床沙绝大多数被冲刷，粒径 0.125～0.250 mm的床沙被大量冲刷。

图2 三峡水库蓄水运用前后沙市站汛后床沙颗粒级配变化

图3示出了三峡水库蓄水运用前后汉口站床沙颗粒级配变化情况，汉口站1998，2001，2003，2004，2005，2006，2007年12月床沙中值粒径D50分别为0.16,0.17,0.19,0.19,0.19,0.21,0.19 mm，与蓄水运用前相比，有所粗化。从床沙不同粒径组变化来看，三峡水库蓄水运用前，在2002年汛后，汉口站19%的床沙粒径在 0.125 mm以下，68.5%的床沙粒径0.125～0.250 mm，9.5%的床沙粒径0.25～0.50 mm，仅有3.0%的床沙粒径在0.50 mm以上。在2007年汛后，该站22.3%的床沙粒径在0.125 mm以下，65.0%的床沙粒径0.125～0.250 mm，10.7%的床沙粒径 0.25～0.50 mm，仅有2.0%的床沙粒径在0.50 mm以上。由此可知，在2003～2007年期间汉口站粒径 0.125～0.250 mm的床沙沙量略有冲刷，导致粒径 0.25～0.50 mm的床沙沙量相对增加。

图3 三峡水库蓄水运用前后汉口站汛后床沙颗粒级配变化

综上所述，三峡水库蓄水运用以来，宜昌-枝城河段床沙粗化显著，河床基本已以卵石为主，枝城-监利河段小于 0.125 mm床沙沙量被大量冲刷，粒径 0.125～0.250 mm的床沙沙量也大量被清水冲刷，河床粗化较为明显。监利至螺山河段、螺山-汉口河段粒径0.125～0.250 mm的床沙沙量有一定程度的冲刷，河床有一定程度粗化。预计受三峡水库蓄水的进一步影响，监利-螺山河段、螺山-汉口河段河床也将进一步发生粗化现象。

4 水库蓄水后长江中游含沙量沿程恢复分析

根据三峡工程运用后2007～2012年期间的实测资料，按照宜昌站月均流量5 000,10 000,19 000,32 000,39 000 m3/s 这5个流量级分别统计了三峡工程运用以来长江中游主要水文站点月均含沙量沿程恢复情况，相对应挑选的月份分别为2007年1月，2008年4月，2011年7月，2007年7月及2012年7月。由于洞庭湖汇流后对长江干流含沙量浓度影响较大，可根据螺山站、洞庭湖出口城陵矶站简单推算出下荆江出口处含沙量数值，在这里命名为城陵矶上，统计结果见图4。

图4 三峡工程运用以来长江中游月均含沙量沿程恢复变化

由图4分析可知，宜昌站的月均流量越大，长江中游各个水文站月均含沙量数值则越大。在宜昌站同一流量下，宜昌-沙市河段月均含沙量明显增加，沙市-监利河段月均含沙量一般也以增加为主；下荆江(监利-城陵矶上)河段月均含沙量略有减小；受洞庭湖“清水”汇流的影响，城陵矶上-螺山河段月均含沙量明显减小；螺山-汉口河段月均含沙量数值变化不大。

在宜昌站月均流量为5 000 m3/s时，宜昌-沙市河段水流含沙量以递增为主，而沙市站以下河段月均含沙量浓度基本变化不大。宜昌站月均流量为10 000，19 000，32 000 m3/s时，宜昌-监利河段月均含沙量均以递增为主，且在监利站月均含沙量恢复数值达到最大；监利-城陵矶上河段月均含沙量略有减小，受洞庭湖“清水”汇流的影响，城陵矶-螺山河段月均含沙量明显减小；螺山-汉口河段月均含沙量数值变化不大。宜昌站月均流量为39 000 m3/s时，月均含沙量恢复至沙市站则达到最大值；沙市-城陵矶上河段月均含沙量有一定程度减小，受洞庭湖“清水”汇流的影响，城陵矶-螺山河段月均含沙量也明显减小；螺山-汉口河段月均含沙量数值变化不大。

根据宜昌站5级流量分别统计分析了三峡工程运用后2007～2012年期间长江中游各个水文站点dlt;0.125 mm与dgt;0.125 mm月均含沙量沿程恢复情况，见图5和图6。

图5 三峡工程运用后长江中游dlt;0.125 mm月均含沙量沿程恢复变化

图6 三峡工程运用后长江中游dgt;0.125 mm月均含沙量沿程恢复变化

图5表明，宜昌站的月均流量越大，长江中游各水文站dlt;0.125 mm月均含沙量数值同样也越大。在宜昌站月均流量为5 000，10 000，19 000 m3/s时，至监利站dlt;0.125 mm月均含沙量恢复数值达到最大，而在宜昌站月均流量为32 000，39 000 m3/s时，至枝城站dlt;0.125 mm月均含沙量恢复数值达到最大，这种变化规律与清水冲刷下含沙量恢复距离变化一般性规律有一定相佐，其主要原因估计与大流量下荆江三口分流分沙较多，进而导致下游河段挟沙能力明显减弱等因素有关。

在监利-城陵矶上河段，dlt;0.125 mm月均含沙量一般略有减少；而在城陵矶上-螺山河段，受洞庭湖汇流影响，当宜昌站月均流量为5 000和10 000 m3/s时，dlt;0.125 mm月均含沙量一般以增大为主。其主要原因是三峡水库蓄水后长江干流河道在枯水流量下月均含沙量浓度较低，而长江干流对洞庭湖出口的顶托作用较弱，洞庭湖出口处水流中dlt;0.125 mm月均含沙量大于长江干流的相对应泥沙浓度。宜昌站月均流量为19 000，32 000，39 000 m3/s时，dlt;0.125 mm月均含沙量一般以减少为主，其原因正好与枯水流量下的情况相反。

螺山-汉口河段在中小流量下dlt;0.125 mm月均含沙量略有减小，而在中大流量下月均含沙量略有增加。

分析图6可知，宜昌站的月均流量越大，长江中游各水文站dgt;0.125 mm月均含沙量数值一般也越大。宜昌站月均流量分别为5 000，10 000 m3/s时，在宜昌-城陵矶上河段dgt;0.125 mm月均含沙量沿程恢复，其中在宜昌-枝城河段其恢复的速率较慢，而在沙市-城陵矶上河段其恢复速率较快，这种变化主要与不同河段河床组成有密切关系。宜昌站月均流量分别为19 000，32 000，39 000 m3/s时，宜昌-监利河段dgt;0.125 mm月均含沙量沿程恢复，其中至监利站其恢复达到最大值；同样受不同河段河床组成的影响，在宜昌-枝城河段其恢复的速率较慢，而在沙市-城陵矶上河段其恢复速率较快；受荆江三口在大流量条件下分流较多的影响，宜昌站月均流量分别为32 000，39 000 m3/s时，dgt;0.125 mm月均含沙量在沙市-监利河段恢复速率有一定程度减缓；而在监利-城陵矶上河段，在中大月均流量下，dgt;0.125 mm月均含沙量均略有减小。

在城陵矶上-螺山河段，由于洞庭湖汇流入长江水流中的泥沙一般均是细颗粒，在以上5个流量级下dgt;0.125 mm月均含沙量均明显减小。

螺山-汉口河段在中小流量下dgt;0.125 mm月均含沙量略有减小，而在中大流量下月均含沙量略有增加。

5 水库蓄水后长江中游含沙量沿程恢复变化规律探讨

三峡水库蓄水后，“清水”下泄，水流为达到饱和挟沙状态，含沙量在长江中游河道沿程恢复，其恢复的数值不仅与流量大小有关，而且还与河床组成级配密切相关。一般而言，离三峡大坝越近，河床遭受冲刷的强度越大，其主要原因是靠近大坝河段的水流含沙量浓度较低，与其恢复达到饱和后的数值存在较大差距，在这样的河段极易遭受冲刷下切，由于沙市河段以上为卵石夹沙型河床，在河床表层的细颗粒泥沙也容易被“清水”冲刷。从宜昌、枝城、沙市站月均含沙量浓度变化来看，在以上5个流量级下，宜昌-沙市河段水流月均含沙量均明显增加，说明宜昌-枝城、枝城-沙市河段冲刷下切较为严重。至2009年12月，宜昌站床沙中值粒径D50由蓄水前的 0.19 mm变为23 mm，枝城站床沙中值粒径D50由2003年10月的 0.28 mm变为2009年10月份的0.32 mm。这些均说明三峡水库蓄水后靠近大坝的河段冲刷严重。三峡及上游梯级水库群已陆续运用，再加上长江上游区域水土保持工程的实施，三峡工程下泄泥沙浓度在未来一段时间内不会发生较大改变。但随着时间推移，近坝段河床粗化程度将越来越大，床面提供可冲刷的泥沙就越来越少，近坝河段水流中的含沙量浓度也会越来越小。

沙市以下河段均为沙质型河床，其河床粒径一般均在 0.5 mm下，其中又以0.125～0.250 mm床沙粒径居多，沙质型河道床沙粒径较细，在清水作用下这种床沙极易被冲刷。在以上5个流量级下，沙市-监利河段月均含沙量也以增加为主，其中dgt;0.125 mm月均含沙量明显增加；至2009年12月沙市站床沙中值粒径D50由2003年10月的 0.215 mm变为2009年10月份的 0.246 mm，监利站床沙中值粒径D50由2002年10月的 0.18 mm变为2007年10月份的0.20 mm，这些均说明三峡水库蓄水后沙市-监利河段河床逐渐粗化，且河段也以冲刷下切为主。在三峡水库下泄水流泥沙浓度未发生较大改变的情况下，随着时间推移，上游近坝段河床粗化程度越来越高，河床向水流提供可冲刷的泥沙愈来愈少，进入该河段的水流含沙量浓度也将会越来越低，沙市-监利河段将会长期处于冲刷下切状态，但随着河床高程下降，水深增加，预计该河段提供水流的泥沙也会逐渐减少，在相同流量条件下各个站点含沙浓度均不会超过现有水平。

下荆江监利-城陵矶上河段河床组成同样以沙质型细颗粒泥沙为主，在以上5个流量级下，dlt;0.125 mm月均含沙量一般略有减少，在中、大月均流量下dgt;0.125 mm月均含沙量略有减小，在中、小月均流量下其浓度则递增；监利站床沙中值粒径则有一定程度粗化，也说明该河段遭受“清水”冲刷，较之上游河段，冲刷幅度相对较小，主要原因是其离大坝较远。在三峡水库下泄水流泥沙浓度未发生较大改变情况下，随着时间推移，上游冲刷重点将逐渐下移至该河段，预计监利-城陵矶上河段也会遭受长期冲刷，但随着水深不断增加，该河段提供水流的泥沙也会逐渐减少，在相同流量条件下各个站点含沙浓度均不会超过现有水平，且逐渐呈下降趋势。

城陵矶上-螺山河段，由于洞庭湖汇流入长江的泥沙一般以细颗粒为主，dgt;0.125 mm月均含沙量浓度较低，在以上5个流量级下，受洞庭湖汇流的影响，长江干流河道dgt;0.125 mm月均含沙量均明显减小；在中枯流量下，由于长江干流对洞庭湖出口的顶托作用较弱，洞庭湖出口处dlt;0.125 mm月均含沙量也大于长江干流的相对应泥沙浓度，因此长江干流河道dlt;0.125 mm月均含沙量均明显增加，而在中大流量下，由于长江干流对洞庭湖出口的顶托作用较强，洞庭湖出口处dlt;0.125 mm月均含沙量小于长江干流的相对应泥沙浓度，因此长江干流河道dlt;0.125 mm月均含沙量均略有减小。由于距离较短，该河段泥沙浓度的变化主要受洞庭湖汇流的影响。随着时间推移，该河段泥沙浓度变化格局不会发生较大改变，但随着上游河段不断刷深，泥沙浓度不断降低，预计洞庭湖汇入长江干流dlt;0.125 mm细颗粒浓度的影响程度会越来越高，但dgt;0.125 mm粗颗粒泥沙浓度对长江干流的影响仍会较小。

螺山-汉口河段离三峡大坝约430 km，在已有分析年份内的资料显示，经过上游河段冲刷补给，水流中dgt;0.125 mm含沙量一般达到饱和状态，该河段河床泥沙组成粒径一般在0.125 mm以上，dlt;0.125 mm的泥沙较少，河段内冲淤变化幅度不大，在以上5个流量级下，一般水流月均含沙量变化不大。在三峡水库下泄水流泥沙浓度未发生较大改变的情况下，随着时间推移，上游冲刷重点逐渐会下移至该河段，预计螺山-汉口河段也会遭受长期冲刷，水深不断增加，河床持续粗化，该河段提供水流的泥沙也会逐渐减少，在相同流量条件下各站点含沙量均不会超现有水平，且逐渐呈下降趋势。

6 结论

本文根据三峡工程运用以来的实测资料，详细分析了长江中游河床粗化及月均含沙量恢复特性，得出以下结论。

(1) 三峡工程运用以来，宜昌-枝城河段床沙粗化明显，经过粗化后河床基本以卵石为主；枝城-监利河段河床粒径dlt;0.125 mm沙量被大幅度冲刷，粒径 0.125～0.250 mm之间的沙量也被大量冲刷，河床粗化也较为明显；而下游监利-螺山河段、螺山-汉口河段河床有一定程度粗化。

(2) 三峡水库蓄水运用后dlt;0.125 mm粒径沙量在长江中游沿程恢复缓慢且恢复程度远小于蓄水运用前，而dgt;0.125 mm粒径沙量在宜昌-监利河段恢复速率较快，且在监利站附近该粒径含沙量基本达到饱和。宜昌-监利河段月平均含沙量恢复达到最大数值，监利-螺山河段月平均含沙量以减小为主，而螺山-汉口河段月平均含沙量变化不明显。

(3) 在三峡水库下泄水流泥沙浓度未发生较大改变的情况下，宜昌-城陵矶上河段会遭受长期冲刷，冲刷的重点会逐渐下移，水深不断增加，该河段提供水流的泥沙也会逐渐减少，在相同流量条件下各个站点含沙量均不会超过现有水平，且逐渐呈下降趋势；洞庭湖汇入长江干流河段，对城陵矶上-螺山河段泥沙浓度变化格局不会产生较大改变；随着上游冲刷重点逐渐下移至螺山-汉口河段，预计螺山至汉口河段也会遭受长期冲刷，水深不断增加，含沙量也会呈下降趋势。

[1] 钱宁, 张仁. 河床演变学[M]. 北京：科学出版社, 1987.

[2] 谢鉴衡. 河床演变及整治[M]. 北京：中国水利水电出版社, 2002.

[3] 韩其为. 水库淤积[M]. 北京：科学出版社, 2003.

[4] 尤联元，金德生. 水库下游再造床过程的若干问题[J]. 地理研究, 1990，9(4):38-48.

[5] 李义天,孙昭华,邓金运. 论三峡水库下游的河床冲淤变化[J]. 应用基础与工程科学学报, 2003，11(3)：283-295.

[6] 黄悦, 黄煜龄. 三峡水库下游河床冲刷趋势探讨[J]. 长江科学院院报,1998(3):7-10.

[7] 陈建国,周文浩,袁玉萍. 三门峡水库典型运用时段黄河下游粗细泥沙的输移和调整规律[J].泥沙研究, 2002(2)：15-22.

[8] 卢金友.荆江三口分流分沙变化规律研究[J]. 泥沙研究, 1996(4)：54-61.

[9] 陈飞,李义天,唐金武,等.水库下游分组沙冲淤特性分析[J]. 水力发电学报, 2010，9(1)：164-170.

[10] 郭小虎，李义天，渠庚，等. 三峡工程蓄水后长江中游泥沙输移规律分析[J].泥沙研究, 2014(5)：11-17.

[11] 沈磊，姚仕明，卢金友.三峡水库下游河道水沙输移特性研究[J]. 长江科学院院报, 2011，28(5)：75-82.

(编辑：朱晓红)