近年来三峡水库水沙通量变化过程及原因分析

郭 率，周 曼，胡 挺，肖扬帆，谭政宇

（中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心，湖北宜昌 443100）

0 引 言

三峡工程泥沙问题是影响水库长期有效使用和综合效益发挥的关键技术问题［1］，而入出库水沙条件是研究水库泥沙问题的基础，探究入出库水沙条件的时空变化趋势对三峡水库科学调度运行、库区泥沙淤积分布、航道规划及长江中下游河道治理等具有重要的工程指导意义［2-5］。20 世纪90年代以来，长江上游干支流水库不断建成运行，加之降雨分布、水土保持工程等自然条件与强人类活动的影响，长江上游产沙及三峡水库入库水沙通量均发生了重大变化［6，7］，较大的来沙量及来沙组成变化，以及三峡水库调度运行方式的不断优化［8］，使得库区和坝下游河道出现了与论证阶段不同的冲淤情况。

自三峡水库论证、设计及运行以来，国内相关单位及学者对入库水沙量、水沙来源及组成进行了系统研究。许全喜等［9］、戴会超等［10］、张信宝等［11］对长江上游主要水系的来沙情况及变化规律进行了详细分析，李海彬等［12］在分析长江上游水沙变化特点的基础上，定量分析了上游干支流已建水库对三峡入库沙量的影响，并进一步预测拟建水库投运后三峡入库沙量的变化趋势，朱玲玲等［13］、刘洁等［14］重点分析了金沙江下游向家坝和溪洛渡水库修建运行对三峡水库入库泥沙的影响，周银军等［15］也探究了三峡水库入库泥沙的地区组成变化及其与水库建设之间的关系，陈显维等［16］、刘同宦等［17］依据水文泥沙原始观测资料，系统研究了三峡水库蓄水前后入出库水沙特性的变化特点，黄仁勇等［18］、李海宁等［19］在分析入出库水沙特征的前提下还初步探究了其影响因素，王淑慧等［20］认为人类活动中的水利水电工程是引起输沙量变化的主要因素，其次是水土流失治理。

2021年是三峡工程整体竣工验收，由试验性蓄水期转为正常运行期的第一年，前人的研究未明确三峡水库入库水沙各组分的贡献比例变化，不能较精确的预测三峡水库入库水沙的变化趋势。本文依据三峡水库长系列水沙资料对入库水沙通量的时空变化过程及趋势进行系统研究，研究成果可为三峡水库正常运行期的科学调度运行提供参考。

1 研究区域

长江上游集水面积约100 万km2，占长江全流域面积的55%。三峡水库来水来沙主要由上游的金沙江、流域面积较大的支流雅砻江、岷江、沱江、嘉陵江、横江、乌江及干流区间组成，具体分布见图1。2008年三峡水库试验性蓄水后，库区回水末端上延至江津，库区总长约673.5 km，江津附近有朱沱水文站，可以作为干流入库水沙控制站。2012年后上游的溪洛渡、向家坝水库相继开始蓄水运行，向家坝至朱沱河段冲淤变化较大，因此本文的研究区域也包括该河段。

图1 长江上游流域主要水系及重要控制站分布Fig.1 Distribution of basin and hydrologic stations along the upper Yangtze River

2 数据来源与研究方法

本文采用长江朱沱站、嘉陵江北碚站和乌江武隆站三站来水来沙之和代表三峡水库入库水沙总量，向家坝站代表金沙江及雅砻江的水沙总量，岷江高场站、沱江富顺站、横江横江站、乌江武隆站代表各支流的水沙总量，朱沱站水沙总量与金沙江和各支流的水沙总量的差值近似代表向家坝站至朱沱站长江干流区间的水沙总量。各水文站的水沙资料均来源于长江水利委员会水文局历年水文整编成果。论文采用数理统计的方法对比分析三峡水库不同阶段、不同区域的来水来沙变化过程，研究成果可为三峡水库正常运行期的科学调度运行提供技术支持。

3 结果分析与讨论

3.1 三峡水库入库水沙总体变化

三峡水库入库径流量多年来无明显趋势性变化（图2），三峡水库蓄水前年均径流量为3 812 亿m3，蓄水后为3 726 亿m3，减小了约2.3%，这主要受流域降雨、蒸发等气候因素的影响。而年输沙量自20 世纪90年代以后呈明显减小趋势，这主要是受上游干支流水库修建、水土保持工程、河道采砂等人类活动因素的影响，因此气候变化和人类活动的影响是输沙量减少的主要原因，有研究［21］表明气候变化的影响约占19%，人类活动因素的影响约占81%。

图2 三峡水库入库水沙变化Fig.2 Processes of runoff and sediment into the TGR

研究结果表明［22］，1956-1990年长江上游水库总拦沙量为18.98 亿m3，而1990-2005年15年时间水库拦沙量达到了19.75亿m3；同时，20 世纪80年代后开展了较多水土保持工作，如1989年开始实施的长江上游水土保持重点防护工程，到2008年累计修复水土流失面积9.58 万km2，使得长江中下游输沙量进一步减少；此外，近年来河道采砂量也较大，如2018年长江干流河道总采砂量约1 301 万t，2020年三峡水库库区总采砂量约970 万t，使得上游泥沙在采砂河段淤积，造成下游来沙量减少。

近年来干支流控制性水库的蓄水拦沙，进一步减少了下游输沙量，如在2012年、2013年向家坝和溪洛渡水库的蓄水运行后，三峡水库入库泥沙由2003年至2012年的20 271 亿t减少为2013 至2020年的8 749 亿t，减少了56.8%，其中向家坝站则由14 163 亿t 减少为162 亿t，减少幅度达到了98.9%，占三峡水库入库泥沙减少量的82.3%。

从年内变化来看（图3），三峡水库入库径流主要集中在汛期，而入库泥沙则更是集中在汛期的几场洪水中。1956-1990年、1991-2002年、2003-2012年、2013-2020年各阶段月均入库径流变化不大，主要集中在汛期的6-10月，且各阶段7月份径流总量最大。

图3 三峡水库月均径流泥沙变化Fig.3 Variation of monthly average runoff and sediment variation of the TGR

入库泥沙则常常来源于汛期的几场洪水中，如1956-1990年汛期输沙量占全年总输沙量的98.2%，1991-2002年、2003-2012年、2013-2020年占比分别也达到了97.7%、97.2%、98.3%。但4个阶段的月均入库沙量变化较大，总体呈递减趋势，与年均入库沙量变化趋势相同（表1），如1991-2002年年均入库沙量减少了27%（与1956-1990年阶段相比，下同），2003-2012年、2013-2020年分别减少了58%、82%，年内减幅最大的是7月和8月，超过年输沙量总减少量的50%。

表1 各阶段月均入库沙量减少占比Tab.1 The decrease proportion of monthly inflow sediment in each stage

根据2020年各月入库沙量与往年对比也可以看出（图4），受长江发生流域性大洪水的影响，2020年三峡水库入库泥沙约1.94亿t，较2003-2019年均值偏多30%，且主要是8月形成的一次较大的复式洪水过程（4、5次编号洪水，洪峰流量分别达到了62 000、75 000 m3/s）挟带了大量泥沙，8月入库输沙量达到了14 100 万t，占全年入库沙量的72.7%，成为建库以来入库输沙量最大的月份，经统计，8月13日至23日洪水期间，三峡入库沙量达到1.27 亿t，短短12 d 的输沙量已远大于2014-2017、2019年全年入库输沙量（0.320～0.685 亿t）。这充分说明了场次洪水期间入库泥沙成为了全年入库沙量的绝大组成部分，因此增大洪水期间的排沙比对有效减少水库淤积、保留有效库容具有重要意义。

图4 2020年三峡入库输沙量与往年对比Fig.4 Comparison of inflow sediment of TGR in 2020 with previous years

3.2 排沙比及不同区间淤积占比变化

三峡水库自2003年月开始蓄水运行后，经历了2003年6月至2006年8月的围堰发电期，2006年9月至2008年9月的初期蓄水期，2008年10月至2020年11月的试验性蓄水期，此后进入正常运行阶段。

从三峡水库蓄水后的历年排沙比变化过程可以看出（图5），三峡水库不同运行阶段排沙比也不同，围堰蓄水阶段水库排沙比最大，约为37%（表2）；初期蓄水期，水库排沙比为18.8%，三峡水库175 m 试验性蓄水后，2008年10月至2020年12月三峡入库悬移质泥沙14.541 亿t，出库悬移质泥沙2.790 亿t，不考虑区间来沙，水库淤积泥沙11.751 亿t，水库排沙比为19.2%，显著小于围堰蓄水期，重要原因之一就是其运行水位的变化，特别是汛期运行水位的抬升，对水库排沙比的影响较大。

图5 三峡水库排沙比变化Fig.5 Variation of sediment delivery ratio of the TGR

表2 三峡水库进出库泥沙与水库淤积量Tab.2 Sediment and reservoir siltation of the TGR

2012、2013、2018、2020年三峡水库开展了汛期沙峰排沙调度实践，取得了显著成果。如2020年调度期间，三峡水库坝前最高调洪水位虽然高达167.65 m，但此次沙峰过程排沙比仍达到了27%，高出试验性蓄水以来平均排沙比9 个百分点，2012、2013、2018年沙峰排沙调度后，水库排沙比均有所提高，沙峰排沙调度取得了良好效果。

上游溪洛渡和向家坝水库蓄水运行后，不同粒径组的泥沙入库量均显著下降，出库泥沙也跟着下降，在2018年和2020年受入库径流较大的影响，入库沙量有所增加（图6）；对于不同粒径泥沙的排沙比也存在差异，入库沙量中主要是粒径d≤0.062的泥沙，占入库泥沙总量的88.9%，而粒径为0.062＜d≤0.125 和d＞0.125 的泥沙占比较少，分别为5.8%、5.3%；粒径d≤0.062 的泥沙排沙比最大，即水库排出的泥沙主要是粒径d≤0.062 的泥沙，初期运行后，粒径d≤0.062、0.062＜d≤0.125 和d＞0.125 的泥沙排沙比分别为19.7%，7.5%，4.8%。

图6 不同粒径泥沙淤积率Fig.6 Sediment deposition rates of different particle sizes

从沿程不同区间淤积分布来看（图7），库区泥沙主要淤积在清溪场至万县和万县至大坝区间，2003-2020年平均淤积占比分别为50%、43%，而2006年进入初期蓄水阶段后，库区范围上延，2006-2020年寸滩至清溪场区间淤积占比7%，2009、2015年整个区间还出现冲刷情况，2009年试验性蓄水后，水位抬升，库区范围进一步上延，2009-2020年朱沱至寸滩区间平均淤积占比为1%，2014-2017年该区间呈现冲刷态势，如2016年该区间的淤积占比甚至达到了-11%（负值表示该区间呈现冲刷状态）。

图7 不同区间泥沙淤积占比Fig.7 Proportion of sediment deposition in different sections

3.3 来水来沙组成变化及占比分析

长江上游金沙江及各主要支流的控制站不同时间阶段实测年均径流量和输沙量统计情况见表3。从表3 中可以看出：各区域径流量年际间无明显变化，总体上随流域降雨强度变化而改变，但输沙量减少较明显（除沱江富顺站）。如金沙江在溪洛渡、向家坝水库蓄水后，输沙量相较于蓄水前减少了98.9%，而横江、岷江流域在2003-2020年期间输沙量变化较小，沱江有所增加，因此金沙江向家坝站大幅度减沙是引起长江干流朱沱站减沙的主要原因，同时该时期嘉陵江北碚站和乌江武隆站输沙量变化也较小，所以三峡水库入库输沙量减少主要是由金沙江向家坝站输沙减少引起的，其减少量占三峡水库入库输沙减少量的122%，即金沙江减少量超过了三峡水库入库输沙减少量。采用同样的方法，可以看出1991-2002年阶段，朱沱、北碚和武隆输沙量总和减少了12 900 万t，其中嘉陵江北碚站减少了9 680 万t，占总减少量的75%；2003-2012年阶段，三峡水库入库输沙量减少了14 829 万t，而金沙江向家坝站减少了13 937 万t，占减少量的94%。

表3 不同阶段三峡水库入库水沙组成变化Tab.3 Variation of water and sediment composition in TGR at different stages

多年来长江上游年均径流量占比变化较小，其中金沙江是三峡水库入库径流的主要组成部分，多年来平均占比为38.1%，其次是岷江、嘉陵江、乌江，沱江和横江占比较小，且略小于向家坝至朱沱区间小支流汇流，且向家坝至朱沱区间径流量占三峡水库入库径流量有增加趋势，4个时间阶段占比分别为3.1%、4.4%、4.7%、6.3%（图8）。

图8 三峡水库入库径流组成占比（单位：%）Fig.8 The proportion of runoff into the TGR

在向家坝和溪洛渡水库蓄水运行以前，三峡水库入库泥沙主要来源于金沙江，1990年以前、1991-2002 和2003-2012年三个阶段金沙江来沙占三峡水库入库泥沙分别为51.2%、80.1%、69.9%，向家坝和溪洛渡水库开始蓄水运行后，拦截了金沙江绝大部分来沙，下泄的泥沙仅占三峡水库入库泥沙的1.8%（图9），同时，由于金沙江来沙量占比的急剧减少，三峡水库入库泥沙各水系占比由极不均匀逐渐趋于相对均匀。

图9 三峡水库入库泥沙组成占比（单位：%）Fig.9 The proportion of sediment into the TGR

而支流中来沙占比较大的主要是嘉陵江和岷江，且在2013-2020年因金沙江来沙大幅度减少，嘉陵江和岷江成为三峡水库入库泥沙的主要来源，占比达到了66.3%，同时横江、沱江、乌江及向家坝至朱沱区间来沙占比相对于2003-2012年阶段也有所增加。

溪洛渡和向家坝水库蓄水运行后，向家坝至朱沱区间来沙占比发生了较大变化。两个水库蓄水以前，该区间占比为负值，即该河段呈淤积状态，但蓄水以后，下泄的不饱和水流冲刷该河段河床，2012年10月至2020年10月累计冲刷泥沙约8 946 万m3，区间来沙量占三峡水库入库泥沙的8.1%，仅次于嘉陵江、岷江和沱江，成为三峡水库入库泥沙来源的重要组成部分。

4 结 论

（1）随着金沙江及各支流上水库群的建成运行，三峡水库入库径流变化不大，但入库泥沙总量显著减少，1991-2002年阶段三峡水库入库输沙减少主要由嘉陵江北碚站输沙减少引起，占减少量的75%；2003-2012、2013-2020年2 个阶段三峡水库入库输沙量减少均由金沙江向家坝站输沙减少引起，其减少量占比分别为94%、122%。

（2）三峡水库试验下蓄水后平均排沙比为23.9%，较蓄水初期有所减少，主要淤积在清溪场至大坝区间，入库沙量中88.9%是粒径d≤0.062的泥沙，排出库区的也主要是该粒径的泥沙。

（3）从三峡水库入库水沙组成来看，不同阶段各组成中径流量占比变化不大，输沙量占比变化较大。2013年以前，金沙江输沙量是三峡水库入库泥沙的主要来源，2013-2020年阶段，金沙江输沙量占比仅1.8%，嘉陵江和岷江成为三峡水库入库沙量的主要来源，同时向家坝至朱沱区间河床由淤积转为冲刷而补给泥沙，成为三峡水库入库泥沙来源的重要组成部分。