水利工程影响下赣江流域水沙变化特征分析

张 群

(江西省水利水电开发有限公司，江西 南昌 330001)

新中国成立以来，为满足农业生产、工业发展以及城市用水的需要，我国修建了大量的水利工程设施，这些强烈的人为活动会给流域的水沙带来新的变化，再加上改革开放以后提倡的植树造林、退耕还林等水土保持措施的影响，流域的水沙变化更加复杂，故而需要作系统的研究以便为保护流域生态环境提供帮助[1- 3]。

不同地区、不同流域的水沙变化时空分布特征以及驱动因素是不同的，在自然因素和人为因素的共同作用下会使得流域水沙情况呈现阶段性变化特征[4- 7]；赣江作为鄱阳湖最大水系，流域面积占鄱阳湖流域面积的一半以上，赣江水沙的变化对于鄱阳湖流域的水文和生态具有重要影响，也对长江流域的防洪抗旱起着间接性的影响，因此有必要对赣江流域的水沙特征进行系统性的研究。胡皓[8]、丁倩倩[9]、肖洋[10]等对赣江流域局部地区的水沙特征进行了初步分析，得到了其时空分布特征和驱动因素；顾朝军通过分析认为赣江流域经历了平沙期—丰沙期—平沙期—枯沙期4个阶段[11]。

本文采用水文学与数理统计相结合的方法，对赣江上、中、下游近60年来的水沙特征进行了分析，得到了其水沙变化整体趋势和突变特征，并着重对水利工程的影响进行了分析，以期能为流域水文及生态管理提供参考。

1 流域概况

赣江源出赣闽边界武夷山西麓，向北流入鄱阳湖，为长江八大支流之一，江西省最大河流，鄱阳湖最大水系，如图1所示。流域以山地丘陵为主，平原仅占20%。流域多年平均降雨量约为1600mm，多年平均蒸发量约为1500mm，多年平均气温18.2℃，多年平均径流量680×108m3，多年平均输沙量为826.6×104t。流域总人口约为2100万人，主要农产品是水稻、油、蔗、麻、烟、茶等，耕地面积约为2000万亩。截至目前，流域已开发水电装机容量98.5万kW(主要在改革开放后修建，大型水库15座，中型水库113座，小型水库4300余座，其中大(1)型万安水库于1990年下闸蓄水，1993年并网发电)。流域从1963年起，初步建立起水土保持机构，1983年起，开始实施县级的水土保持重点治理，到2004年，扩展至10余县市，并取得了初步成效。

图1 赣江流域示意图

2 赣江流域水沙变化

2.1 水沙年代特征

根据相关水文数据，绘制得到了赣江流域上中下游年径流量和输沙量随时间的变化关系，如图2所示。从图中可以看到：20世纪90年代以前，赣江流域的年径流量呈动态变化的特征，且下游>中游>上游，这主要与流域的丰枯交替相关，90年代以后，年径流量呈逐渐减小趋势，但变化幅度不是很明显；年输沙量在80年代前基本呈逐渐增加趋势，80年代之后，由于水土保持工作的持续开展，特别是在万安水库开工建设及投入运行以后，年输沙量呈显著下降趋势。

图2 水沙年代变化特征

为进一步分析水利工程建设对水沙特征的影响，将水沙量划分为多年平均、1953—1993以及1993—2018三个不同阶段的变化，如图3所示。从图中可以看到，上、中、下游的年径流量在1953—1993以及1993—2018两个阶段里的值与流域多年平均值相差不大，可见，水利工程建设对年径流量的影响不大；而对输沙量来讲，1953—1993的年输沙量明显大于多年平均输沙量，同时1993—2018的年输沙量远远小于多年平均输沙量和1953—1993的年输沙量，相对于流域的多年平均输沙量、1953—1993的年输沙量减少约40%～70%。

图3 不同时间段水沙特征分析

2.2 水沙趋势分析

采用Mann-Kendall趋势检验法对赣江流域的水沙序列的趋势性进行了分析，结果见表1。从表中可以看到：流域上中下游的年径流序列的ZS统计量的范围在0.25～0.49，而0.05的显著性临界值为1.96，故年径流不存在显著变化趋势；年输沙量的趋势ZS统计值为-3.2～-6.17，显著性超过0.01，表明年输沙表现出明显的减小趋势；从变化程度上来讲，上游和下游的年径流量变化幅度最大，均达到0.73×108m3，中游为0.67×108m3，下游的年输沙量最大，相对减少20.09×104t，其次为中游，减少量为16.22×104t，最后为上游，减少量为6.89×104t。

2.3 水沙突变分析

采用Pettitt突变检验法对径流量和输沙量进行突变检测，Ut，n统计量最大值即对应为可能的突变点，并可计算出其显著水平，分析结果见表2，如图4所示。从图中可以看到：年径流的Ut，n统计量最大值位于2002年，但经过显著性检验时，其值分别为1.72、1.76和1.75，表明年径流不存在显著性的突变情况，对应的年份也与水利工程的下闸蓄水年份没有对应；而上游、中游、下游年输沙量的Ut，n统计量最大值分别对应1998年、1990年和1990年，且显著水平小于0.01，表明年输沙序列存在显著突变情况，而万安水库位于江西吉安市，吉安市位于赣江中游地区，万安水库于1990年下闸蓄水，当年中游和下游地区的输沙量就呈显著变化趋势，可见水利工程的建设对于赣江中下游的输沙有显著影响，上游的突变点位于1998年，稍滞后于中下游，这主要有两个原因：一是上游没有大型水库修建，对于河道及两岸的生态影响较小，中下游地区的水库对于上游的影响较小；其次是随着水土保持工作的进一步开展，政府于1998年将于都、宁都、信丰、瑞金等10余县(大部分位于赣江上游地区)列为国家重点水土保持治理县，两岸生态得到逐步恢复，水土流失情况明显好转，因而上游输沙量在1998年呈突变情况。

表1 水沙序列趋势分析结果

注：不同显著性水平对应的ZS临界值分别为：0.1～1.65、0.05～1.96、0.01～2.57。

图4 水沙突变分析结果

表2 水沙序列突变分析结果统计

3 水沙变化驱动因素分析

(1)径流与降水关系

通过上文分析可以得到：径流量变化是由流域区域的降雨变化引起的，表现出明显的丰枯交替特征，但是人类活动对于径流量改变以及相互作用机制目前还不够明确；改革开发以来，由于我们的基础设施建设快速发展，工业和市政、生活用水大大增加，城镇化进程加大了对水资源的索取，会导致流域径流量有所降低，但是由于水土保持措施、植树造林等措施，使得坡地下渗水量增加，从而有助于河道径流量的增加，同时建筑用地增加、水浇地、未利用地的增加，导致流域的产水量也在一定程度上增加，从而也会使径流量发生变化。综上，认为降水是影响径流量的主要因素，人类活动起辅助作用，但综合作用机制还需作进一步分析。

(2)输沙量与降水关系

输沙量与降雨量(径流量)呈显著的正相关关系，如图5所示。在万安水库没有下闸蓄水前，累计输沙量与流域累计降雨量呈线性增长趋势，相关系R2达到0.9912，而万安电站下闸蓄水后，流域的累计输沙量与累计降雨量仍然呈良好的线性变化关系，但斜率有所减小，从0.7659mm/t降至0.1575mm/t，这与上文分析的突变点结果也是一致的，表明输沙量与径流量呈线性相关，但人类活动的扰动会改变其水沙关系，导致同一降雨量(流量)下输沙量急剧减少。

图5 累计降雨-输沙量关系

(3)人为扰动与输沙量关系

由于赣江流域近30年来的年径流量并没有因万安、石虎塘以及峡江等大型水利工程的建设而发生明显的改变，因此赣江流域输沙量减少的主要原因则是由水利工程拦沙效果和水土保持综合治理等人为扰动造成的。以突变点为界，分析得到了上中下游输沙量的统计情况，见表3。从表中可以清楚地看到：相较于突变之前，上中下游的输沙量分别降低了47%、67%和62%，表明了水利工程对下游的输沙量有重要影响，拦沙效果显著，据统计，仅万安水库一年的泥沙淤积量就有400万t；再加上一系列国家级、省级水土流失治理项目的相继实施，江西省全省植被覆盖率得到有效提高，可有效减少坡地土壤侵蚀，削弱暴雨期间水土流失程度，水土保持治理区域平均拦沙率达到70%以上。

表3 赣江流域输沙量图表特征统计

4 结论

(1)赣江流域年径流量受水利工程等影响较小，不存在突变情况；输沙量受水利工程、水土保持措施等人为扰动的影响较大。

(2)上、中、下游输沙量的突变点分别位于1998年、1990年和1990年，突变点时间与水利工程下闸蓄水及水土保持措施的时间相对应，突变后的输沙量较突变前下降约47%、67%和62%。

(3)文中研究成果可为流域水文及生态管理提供借鉴。