大通站水沙关系演变驱动因素分析

王利花，周云轩

1.成都信息工程大学资源环境学院，成都 610225 2.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室，上海 200062

0 引言

流域径流和泥沙输移过程是自然因素和人类活动相互影响、相互作用、共同叠加的结果[1-2]。长江大通站流域径流和泥沙输移变化趋势的成因分为自然因素和人类活动的影响，其中：自然因素主要包括气候变化(降水的大小及分布)和流域下垫面条件(地质地貌、土壤、植被覆盖等)；人类活动的影响主要体现在水利工程拦沙、水土保持(对植被的破坏和恢复)、水库建设、引水调水、河流采砂等方面[3]。

自然因素和人类活动通常具有不同时间尺度的周期性，对流域侵蚀产沙、泥沙输移有重要影响，是泥沙输移变化的主要驱动因素。自然因素所产生的影响通常具有长时间尺度的特点，而剧烈的人类活动所产生的影响往往具有趋势性和突变性的特征[3-5]。自然因素中，地质地貌和土壤因子相对稳定，对河流水沙关系的形成和演变影响较小；气候变化是流域产流的主要来源，也是地表产沙、河流输沙的动力条件，其时空分布与降水强度直接影响流域径流量与河流输沙量的大小及两者之间的关系[4]。一般在人类活动较少或影响不剧烈的情况下，河流径流量和输沙量的变化与降水量的变化趋势基本保持一致；但是，当局部地区受矿产开发、水利工程、水土实施等人类活动影响时，河流径流量和输沙量的变化与降水量的变化趋势将出现不一致的现象。人类活动对流域输沙量的影响有两方面作用：土地开垦、矿产开发、道路施工等工程建设导致水土流失，使流域输沙量增加；而植树造林、水土保持、退耕还林、水利工程建设等导致河流输沙量减小。上述因素对河流入海泥沙的影响程度和变化方向各不相同，输沙量变化是上述影响因素综合的净效应，即各种因素平衡的结果。

深入研究大通站水沙关系的驱动因素有助于更好地认识长江流域的输沙规律，可为流域地貌演变和对人类活动响应的深入研究提供科学依据。本文拟从自然因素和人类活动两方面出发，探讨大通站水沙关系演变的驱动因素，并重点讨论大型水利工程三峡大坝对大通站水沙关系的影响。

1 数据方法

采用大通水文观测站1954—2010年的年输沙量、年径流量、年降水量，以及大通水文站月输沙量(2001—2010年)和月径流量(2001—2010年)实测数据，基于Mann-Kendall(M-K)趋势分析方法，对大通站输沙量、径流量、降水量分别做趋势性分析。

M-K方法是基于秩的趋势性非参数统计检验方法，用于提取时间序列变化趋势，适用范围广、人为干扰少、定量化程度较高，因此受到国际水文组织的认可，是世界气象组织推荐的非参数检验方法之一。M-K方法主要通过计算统计特征值τ、方差δ2和标准化变量M实现。上述参数计算公式为：

式中：P为水文变量序列所有对偶观测值中Ri

2 自然因素

2.1降水变化的影响

由图1和表1可见：1954—2010年大通站年降水量、年径流量整体上没有大的波动，仅呈现微小的下降趋势，但|M|分别为1.756和0.585，均小于1.960，未通过0.05的显著性水平检验；大通站年输沙量呈现明显的下降趋势，|M|=72.318，大于显著性水平为0.01的临界值2.650，通过0.01的显著性水平检验。从三者之间的相关关系(表2)可以看出：大通站年降水量与年径流量变化趋势基本一致，并呈现显著的相关关系，Pearson相关系数R达0.790，大于显著性水平为0.01的临界值0.325，年降水量与年输沙量也通过0.01的显著性水平检验，反映了降水是流域产流产沙的自然规律；R径流量-降水量>R输沙量-降水量，表明径流量和降水量之间的关系更加密切，已有文献[7]研究表明降水量的大小在很大程度上决定了径流量的大小，与本文得出的径流量和降水量的密切相关关系相一致；R输沙量-降水量>R径流量-输沙量，揭示了河流泥沙的真正动力来源为降水。由图1b可以看出：大通站年输沙量与年降水量变化趋势自1954—2000年整体上基本一致；但2001—2010年10年间，年输沙量呈现急速下降趋势，而年降水量无显著变化趋势，两者趋势性变化有明显差别。

2.2 径流变化的影响

由于没有收集到大通站各月份的降水量资料，仅讨论年内径流量与输沙量之间的关系。年内径流量与输沙量之间的关系很大程度上可以反映降水量与输沙量的关系[8]。10年间大通站输沙量和径流量年内分配见图2a，两者线性相关，R2=0.92(图2b)。

图1 大通站1954—2010年年径流量(a)、输沙量(b)与年降水量变化过程Fig.1 Changing process between annual runoff and precipitation (a), sediment discharge and precipitation (b) at Datong Station from 1954 to 2010

变量PNτδ2Mt0.05/2趋势判断t0.01/2趋势判断年降水量786年径流量802年输沙量304575757-0.0150.005-0.6190.00860.00860.0086-1.7560.585-72.3181.9601.9601.960显著不显著显著2.6502.6502.650显著不显著显著

注：t0.05/2、t0.01/2分别为显著性水平为0.05和0.01的临界值。

表2 年 大通站径流量、年输沙量和年降水量之间的Pearson相关系数

注：*通过了0.01显著性水平检验；**通过了0.05显著性水平检验。

图2 2000—2010年输沙量与径流量年内分配(a)以及相关关系(b)Fig.2 Intra-annual distribution (a) and correlation (b) between sediment discharge and runoff from 2000 to 2010

综上分析，根据降水量和输沙量两者之间的年际变化特征和月均变化特征可知，降水变化在1954—2010年长时间尺度上整体处于稳定状态，不存在明显的下降或上升趋势；但降水量和输沙量两者间的趋势变化特征表现为，1954—2000年间趋势性吻合较好，2001—2010年间呈现明显的差异。说明气候变化只是在一定程度上影响着大通站泥沙输移的变化过程，而非导致大通站输沙量自2000年后急剧下降的主要原因。

2.3 流域下垫面变化的影响

流域下垫面对河流输沙量产生的影响主要体现在流域下垫面条件对土壤侵蚀和对产沙量的影响上，具体表现在以下3个方面：1)土壤和岩石组成主要决定土壤的可侵蚀性[3]；2)地貌形态对土壤的侵蚀表现在地貌类型区域变化影响侵蚀特点的宏观差异上，此外地貌形态特征制约着侵蚀过程的强弱变化[3]；3)植被覆盖对于减少地表径流及水土流失非常有效，地面侵蚀和产沙随着植被覆盖的减少而增加，地表裸露时，侵蚀和产沙达到最大值，有植被覆盖的土壤能够较好地涵蓄水分，减轻泥沙冲刷，达到保水保沙的目的。长江流域内植被覆盖、土壤组成等因子一旦发生变化，流域土壤侵蚀特性也将发生变化，进而导致河道输沙量的变化。因此，流域输沙的变化在一定程度上取决于土壤侵蚀和水土保持等因素之间的动态平衡结果，此动态平衡同时也是自然因素和人类活动综合作用对流域产沙影响的理论基础[5]。

长江流域水土流失具有流失物质粗、输移比小、上中游堆积量大、滑坡和泥石流危害严重等特点[9]。20世纪50年代，长江流域开展的水土流失调查显示，全流域水土流失面积36.4×104km2；1985年全流域水土流失面积56.2×104km2，主要集中在长江中上游地区，占全流域的62.6%，年土壤侵蚀量14.1×108t，占全流域的62.9%[10]；20世纪80年代中期遥感调查统计，全流域水土流失面积73.9×104km2。鉴于几次调查采用的方法不同，调查标准和结果精度不一致，无法直接用于定量对比分析，但长江流域水土流失不断加剧的趋势则是毋容置疑的。20世纪90年代以来，长江流域水土流失面积呈现稳定增长的态势，据2002年全国第二次水土流失遥感调查，长江流域水土流失面积为63.7×104km2[11]，其中约50.0×104km2分布在上中游地区，约占全流域流失面积的80%。水土流失的变化影响土壤侵蚀量的变化，致使下游河道泥沙输移受到影响。

3 人类活动

3.1 水土保持工程的影响

流域水土保持措施对流域泥沙输移的影响体现在对输沙量的减小上，水土保持工程是河流输沙量减少的主要因素之一。长江流域水土保持工程始于20世纪50年代中期，60年代中期至70年代末期，水土保持工作一度处于低谷，80年代以来得到加强，治理水土流失面积逐步增加；自1988年开始，针对长江上游严重的水土流失成立了长江上游水土保持重点防治工程(“长治”工程)，该工程使植被覆盖率明显提高，累积治理水土流失面积7.2×104km2，提高了拦沙蓄水能力；1991年《水土保持法》的颁布实施使得水土保持工作开始步入法制化轨道；截至2006年，全流域累计治理水土流失面积28.0×104km2[8]。其中，长江上游水土流失最为严重的“四大片”(金沙江下游及贵州毕节地区、嘉陵江中下游、陇南陕南地区和三峡库区)生态环境发生了显著变化[5]，水土保持使得拦沙能力提高，流域减沙效果明显。

3.2 水利工程的影响

长江流域干流以及支流上都分布着数量可观的水利工程，主要是水库，它们在为社会创造巨大经济效益的同时，也导致泥沙大量淤积；此外长江上游来沙颗粒较粗，难以搬运，也导致大量泥沙滞留在河道内。其中嘉陵江流域水库年拦沙0.46×108t，金沙江流域水库年拦沙0.17×108t[12]，葛洲坝水利枢纽“淤粗排细”的特点导致出库泥沙大部分为冲泻质，放水排沙时较粗颗粒的床沙质和推移质经排出后淤积在河道中[13]，1981—2000年全库区累积淤积量达1.22×108t。三峡水库自2003年6月开始蓄水，至12月库区泥沙淤积量为1.24×108t，在实现2003年135 m、2006年156 m和2009年172 m水位蓄水后，三峡水库库容不断增大；而且入库水体的滞留时间越长，悬沙落淤的机会也越大，2004年、2005年、2007年和2009年泥沙淤积量分别为1.02×108、1.51×108、1.70×108和1.96×108t[14]，水库的拦沙能力增强，致使大量泥沙淤积于库区和河道，减少了下游河道的来沙量。

鉴于三峡水库是中国长江上游段建设的最大水利工程，其对河流入海泥沙变化的影响也受到越来越多的关注。为此重点分析三峡水库蓄水对入海水沙的影响，采用蓄水前后大通站径流量和输沙量变化进行详细讨论。自20世纪50年代至三峡水库投入运行前，长江流域已先后修建了葛洲坝、二滩电站等若干个大型水利工程，长系列的水文资料已不具备一致性要求；因此，本文选择1994—2002年水库蓄水前、2003—2010年水库蓄水后数据进行对比分析，进而研究三峡大坝对入海水沙变化的影响。

3.2.1 三峡水库对入海径流的影响

1994—2002年和2003—2010年大通站入海年均径流量在三峡大坝蓄水前后变化不大，对年径流量基本无影响(图3a)，因此进一步分析三峡水库对大通站径流量年内分配产生的影响。三峡大坝蓄水前后多年月均径流量变化见图3b，蓄水后月均径流量的变化主要表现在洪季，尤其是7—10月，径流量分别减少了3.53×1011、2.37×1011、0.99×1011和1.43×1011m3，从而也证明了三峡水库为季节性调节水库。

3.2.2 三峡水库对入海泥沙的影响

三峡水库蓄水前(1994—2002年)，大通站年均输沙量为3.14×108t，平均含沙量为0.33 kg/m3；蓄水后(2003—2010年)年均输沙量为1.52×108t，平均含沙量为0.18 kg/m3。蓄水后输沙量减少了1.62×108t，减少量为蓄水前的51.5%，平均含沙量减少了0.15 kg/m3，减少量为蓄水前的44.5%。三峡水库蓄水前后大通站平均含沙量及径流量变化趋势见图4。

根据三峡水库的蓄水情况，对大通站各月输沙量的变化分阶段进行分析，可将其阶段分为三峡蓄水前(2001—2002年)、完成135 m蓄水期间(2003—2005年)、完成156 m蓄水期间(2006—2007年)和实现172 m蓄水后(2008—2010年)。由三峡大坝蓄水的不同阶段大通站月均输沙量对比分析结果(图4b、c)可知：月均输沙量的变化趋势与径流量的变化基本一致，变化较大的月份均集中在洪季，其中8月变化最大，平均输沙量自蓄水前(2001—2002年)的0.55×108t减小至实现172 m蓄水后的0.29×108t，减少量为0.26×108t，为蓄水前的46.7%。进一步分析表明，蓄水前至完成135 m蓄水期间，8月出现与整体趋势不一致的明显下凹突变；这主要是由于2003年8月完成蓄水后，输沙量从2002年8月份的0.71×108t迅速下降为2003年8月份的0.19×108t，减少量为0.52×108t，为蓄水前73.5%，从而引起输沙量大幅度减小导致的。

图3 三峡大坝蓄水前后入海径流量年际(a)和月均(b)变化Fig.3 Annual (a) and monthly (b) runoff variation before and after the impoundment of Three Gorges Dam

图4 三峡大坝蓄水前后年均输沙量(a)、月均输沙量(b)和月均径流量(c)变化Fig.4 Annual sediment (a), monthly sediment (b) and monthly runoff (c) variation before and after the impoundment of Three Gorges Dam

自三峡大坝开始蓄水以来，月均输沙量整体上呈现减小趋势，但2008—2010年月均输沙量却高于2006—2007年月均输沙量(图4b)。为探究其原因，本研究分析了对应时段径流量变化特征。图4c中，2008—2010年期间月均径流量几乎与2003—2005期间径流量相同，远高于2006—2007年月均径流量，大的径流量携带高的输沙量，因此出现2008—2010年月均输沙量高于2006—2007年月均输沙量的情况。

此外，大通站长时间序列输沙量数据存在突变性，其一级突变阶段为1953—2002年和2003—2010年，在三峡大坝开始一期蓄水的节点2003年，输沙量的突变幅度达到64.3%；与上述三峡大坝蓄水前后的分析综合起来看，说明三峡大坝蓄水对大通站入海泥沙下降产生直接的、主要的影响，其余来自流域的其他人类活动(水土保持、长江中游河道淤积、人工挖沙等)共同导致大通站入海泥沙减少。

3.3 河道采砂的影响

随着建筑用砂量增加，河道采砂量随之大幅度增加，河道大量采砂导致严重的河道下切，致使局部的过水面积显著增大，水流流速减小，进而导致河段泥沙淤积，下游河道来沙量减小[15]。长江流域河道采砂活动非常频繁，近20年来长江干流宜昌以下河道共采砂1.30×108t，平均每年采砂量达0.26×108t。2004年长江河道采砂由全面禁采逐步有序解禁，仅湖北、江西两省年采砂量就达到了0.11×108t[14]，近期采砂量还在不断增大，估计平均每年可达到0.40×108t[16]。河道要保持自然的平衡状态，人为采砂量增大会导致泥沙淤积量增加，从而对下游河道悬沙通量的影响进一步增强。

4 结论

1)自然因素和人类活动共同作用导致大通站泥沙输移过程发生变化。自然因素主要包括降水变化和流域下垫面条件，人类活动主要包括水土保持、水库蓄水拦沙、河道采砂、水土流失等。大通站年降水量在1954—2010年间无显著变化，即自然因素对大通站影响较小；而水土保持、三峡水库、河道采砂等人类活动对大通站2001年以来的输沙量有显著影响。

2)1954—2000年间降水量和输沙量之间的变化特征较为一致，表明气候变化在一定程度上影响着大通站泥沙输移的变化过程，主要体现在对长时间尺度上泥沙输移过程的影响；而人类强烈活动则主要在短时间尺度上影响泥沙输移的变化，是2001年以来大通站入海泥沙变化的主要原因。

3)2001—2010年间，随着大型水利工程等人类活动的加剧，降水量和输沙量的年际变化特征有明显差别，而径流量和输沙量之间的年内变化特征显著相关；究其原因，是大型水利工程的季节性调水对大通站径流年内分配产生影响，进而影响输沙量的年内分配，表明人类活动对泥沙输移变化的影响主要体现在趋势性和突变性上。

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