2012—2021年长江源区水沙变化特征调查分析

陈 鹏,金中武,周银军,汤柔馨,冯志勇

(1.长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010; 2.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室,武汉 430072;3.长江设计集团有限公司,武汉 430010)

0 引 言

长江源区地处青藏高原腹地,是三江源区的重要组成部分,平均海拔高度4 000 m,位于32°30′N—35°40′N, 90°30′E—94°00′E,面积约14万km2,占长江流域总面积的8%。

长江源区受气候变化影响极为敏感,近期气候变暖导致长江源区冻土的显著消融和山地冰川的迅速退缩,短期内会造成江河水量和沙量增加,河流也发生了相应演变(Immerzeel等[1],2010;王根绪等[2],2007)。随着湿地面积缩小、草地退化、土地沙漠化和生物多样性破坏等综合作用的加剧,江源区的水源涵养能力大大削弱(孙广友等[3],1995;陈婷[4],2009;闫霞等[5],2019)。河流产沙输沙随之产生了系列变化(韩丽等[6],2017;蒋冲等[7],2017)。刘希胜[8](2014)对三江源主要河流泥沙特征进行分析,发现21世纪以来,通天河含沙量比多年平均偏小,输沙量比多年平均偏大。对沱沱河沿水文站数据分析也显示,沱沱河径流量和输沙量均有所增大(徐平等[9],2018)。长江源区的输沙量增大与长江整体河段输沙量的明显减少形成鲜明对比(曹建廷等[10],2007)。而近年来,在气温升高、降雨增加,来水来沙加大的情况下,河岸冻结土体(冲积河段多为细沙组成)热融加速、坡脚冲刷增强,极易引起岸坡垮塌、河宽增加。一方面给河流保护、水资源适应性利用带来基础数据变化问题;另一方面,也可能带来洪水灾害、加剧高原涉河建筑物的冲刷水毁。因此,聚焦气候变化下长江源区水沙变化,对揭示长江源区“气候变化-水沙输移-河流演变”之间的演化过程有着重要的科学意义。

本文基于水文站实测资料和14个野外观测点2012—2021年数据,对长江源区多条河流水沙时空变化特征进行了分析。

1 研究区域

本次实地考察包括通天河的囊极巴陇、聂恰曲汇口、直门达3个考察点,楚玛尔河的五道梁、曲麻河乡2个考察点,布曲的汇口、雁石坪2个考察点,当曲的且曲和多朝能交汇处、当曲干流(上游大桥)、当曲干流(下游大桥)3个考察点,以及沱沱河、尕尔曲、聂恰曲、科欠曲的4个考察点,共计14个考察点。考察点涉及的河流均处于当曲-通天河水系,河型包括单一顺直、单一弯曲、弯曲分汊等多个河型,海拔在3 500～4 815 m之间,有城市河段、乡村河段及无人区河流(表1)。

表1 河流泥沙采样点基本情况Table 1 Basic information of river sediment sampling sites

表2 考察内容Table 2 Contents of the investigation

2 考察内容与方法

2.1 考察内容

本次考察时间为7—8月份(枯水期),内容包括采集考察点的河道、水流、泥沙3个方面的特征参数,采用的手段包括水文测量、样品采集以及测量、以及影像资料收集等。具体考察内容如下。

2.2 考察方法

2.2.1 水文测量

(1)流速测量。采用浮标法测量,尽量测量河道主流流速,根据河道水流形态乘以相应系数估算平均流速。

(2)河宽测量。河道宽度采用激光测距仪直接测量。

(3)水位测量。通过GPS高程定位。

(4)水深测量。通过标尺或现场参照物进行估算。

(5)泥沙测量。通过泥沙颗粒分析,获取泥沙样本参数。

2.2.2 样品采集

(1)水样采集。利用容量瓶直接采集近岸河流水面下约10 cm深处水样,每个考察点采集水样约300 mL。

(2)沙样采集。利用军工铲直接采集河道新淤积床沙,采集后用封口袋封装,并现场称重记录。

(3)土样采集。利用军工铲直接采集河岸带表层土壤,采集后用封口袋封装,并现场称重记录。

3 研究结果

3.1 水沙基本参数调查分析

根据本次考察河段的河型、河宽、流速以及含沙水样的测量结果,如表3所示。总体来看,聂恰曲、布曲雁石坪、科欠曲等3个考察点流量都相对较小,含沙量也相对较低。从河型上看,除了通天河直门达河段、聂恰曲治多县幸福大桥河段为顺直型外,其他基本都是弯曲分汊型。值得一提的是,编号1-1和1-2分别代表的是当曲源头的且曲和多朝能,对于当曲正源是且曲还是多朝能一直存在着争议,而从这次考察观测的数据来看,多朝能的流量要稍大于且曲。

表3 各采样点水沙基本参数Table 3 Basic parameters of water and sediment at sampling sites

3.2 径流泥沙特征及变化

根据长江源区水文站实测资料进行统计(表4),直门达水文站多年平均径流量134.8亿m3,多年平均径流模数9.57万m3/(km2·a);沱沱河水文站1956—2020年多年平均径流量9.93亿m3,占直门达径流量7.37%,多年平均径流模数6.41万m3/(km2·a),较直门达偏小36.53%;楚玛尔河曲麻河乡水文站年平均径流模数8.37万m3/(km2·a),比直门达偏小17.13%,布曲雁石坪站多年平均径流模数6.15万m3/(km2·a),比直门达偏小39.1%。由此可知,径流分布呈现出东多西少的格局。

表4 长江源区径流输沙特征值Table 4 Characteristic values of runoff and sediment transport in the source region of Yangtze River

直门达水文站多年平均含沙量0.69 kg/m3,多年平均输沙量993.71万t,多年平均输沙模数75.19t/(km2·a);沱沱河水文站多年平均含沙量0.79 kg/m3,多年平均输沙量112.72万t,多年平均输沙模数73.07 t/(km2·a)。

以直门达为例,计算了输沙量、径流量与降水、温度等因素的相关关系,见表5。径流量与降水量、温度、实际蒸发量在0.01水平上显著相关,相关系数分别达0.671、0.364、0.699;输沙量与分别与径流量、降水量、蒸发量高度相关、显著相关、显著相关,相关系数分别达0.842、0.610、0.482。

表5 水沙与气象因素Pearson相关性检验系数Table 5 Pearson correlation test coefficients between wate-sediment and meteorological factors

3.3 泥沙特性及变化

3.3.1 泥沙特征

根据历次野外观测数据,统计了长江源区典型河段水沙情况,不同日期考察点情况见表6。

表6 长江源区典型河段不同日期考察点情况Table 6 Investigation points in typical river sections on different dates

各考察点流量、含沙量观测值见图1。由图1可知,长江源区各支流流量分布有明显的时空差异,年际间来看,通天河干流、楚玛尔河、沱沱河考察断面均表现为2017年6月流量均最小,2019年8月次之,2018年8月、2020年8月、2021年7月相对较大,而尕尔曲、布曲、聂恰曲2018、2019年、2021年流量较大、2017、2020年流量相对较小,沱沱河年际间流量变幅最大。空间分布来看,通天河干流流量最大,各支流中聂恰曲、楚玛尔河、沱沱河相对较大,布曲、尕尔曲较小。

图1 各考察点流量、含沙量观测值Fig.1 Observed values of flow rate and sediment concentration at investigation points

长江源区各支流含沙量时空分布差异比较明显,且没有明显的规律。总的来看,楚玛尔河五道梁段、沱沱河唐古拉山镇段、通天河囊极巴陇及曲麻莱县城段含沙量较大,其余考察点含沙量相对较小。

长江源区各考察点悬移质中值粒径变幅相对较大(图2),2017年6月,沱沱河唐古拉山镇段、楚玛尔河两个河段及通天河囊极巴陇段悬移质中值粒径相对较大,其他时段及河段则相对较小。

图2 各考察点悬移质和床沙中值粒径观测值Fig.2 Observed median particle size of suspended and bed sediments at investigation sites

长江源区各考察点床沙中值粒径普遍较大,各河段年际间变化规律不一致。通天河干流、布曲、尕尔曲床沙中值粒径最大,说明河床组成最粗,抗冲性较好,河道相对比较稳定。

3.3.2 泥沙特性变化

自2012年启动江源科学考察以来,通过历年河流泥沙专业的考察和取样,收集了多个考察点的水流泥沙资料。将多年观测数据进行对比分析,得到江源地区水沙特性的变化情况。

3.3.2.1 沱沱河

2016—2021年均对沱沱河沿河段进行观测和取样,其中2016年在汛前和汛末各观测一次,各时段河段水流特性见表7。

表7 沱沱河沿不同时段水文泥沙特性Table 7 Characteristics of water and sediment in TuotuoRiver in different periods

沱沱河沿6个时段悬沙级配曲线可以反映出悬沙年内变化趋势,汛期7、8月份悬移质含沙量及中值粒径均相对较大,汛前6月份含沙量及悬沙中值粒径相对较小,汛末悬移质含沙量和中值粒径最小。说明该河段河流输沙多在汛期、汛前进行,汛后尽管水流动力仍然较强,但输沙量较小。图3为沱沱河沿床沙粒径级配曲线,同样表现为汛期床沙中值粒径最粗,汛期和汛末中值粒径相差不大。

图3 沱沱河沿悬沙和床沙级配曲线Fig.3 Gradation curves of suspended and bed sediments of Tuotuo River bank

3.3.2.2 楚玛尔河

收集了楚玛尔河五道梁段2016—2021年实测水沙资料。

楚玛尔河五道梁处7个观测时段对比(表8和图4)可知,汛期7、8月份悬移质含沙量及中值粒径较大,汛前6月份其次,汛末最小。床沙中值粒径表现出同样的规律。

图4 楚玛尔河五道梁悬沙和床沙级配曲线Fig.4 Gradation curves of suspended and bed sediments in Wudaoliang segment of Chumaer River

表8 楚玛尔河五道梁段不同时段水文泥沙特性Table 8 Characteristics of water and sediment in Wudao-liang segment of Chumaer River in different periods

3.3.2.3 通天河

收集了通天河囊极巴陇、曲麻莱、直门达3个考察断面历年实测水沙资料。

通天河沿程3个河段悬移质含沙量和悬沙中值粒径同样表现为汛期最大、汛前其次、汛末最小的规律(表9和图5),其中直门达河段汛期和汛前相差较大。

图5 通天河囊极巴陇、曲麻莱和直门达河段悬沙级配曲线Fig.5 Gradation curves of suspended sediments in Nangjibalong, Qumalai, and Zhimenda segments of Tongtian River

4 结 论

本文通过采用水文测量、样品采集以及测量、影像资料收集等手段对长江源区河流典型河段河道、水流、泥沙3个方面的特征参数进行了收集和分析,得出以下结论:

(1)长江源径流量与降水量、温度显著相关;输沙量与径流量相关度最高,相关系数达0.842;输沙量与降水量相关度次之,相关系数为0.610。

(2)受气温、降水等因素影响,长江源区河流径流输沙呈现明显的空间分布差异,年际间来看,2018年、2020年、2021年同期流量较大,2019年流量较小;含沙量则在2019年6月份最大。

(3)长江源区各考察点悬沙中值粒径总体呈现增大趋势,床沙中值粒径普遍较大,其中通天河干流、布曲、尕尔曲床沙中值粒径最大,各河段年际间泥沙中值粒径变化规律不一致。