長江上游高洪水期泥沙輸移特性

李思璇，楊成剛，董炳江，張歐陽

(長江水利委員會 水文局，武漢 430010)

1 研究背景

長江三峽上游流域面積達100萬km2，水文氣象和地質地貌條件時空差異明顯，水沙分布極為不均，產輸沙條件復雜，表現出顯著的地域分異特征，是長江流域徑流和泥沙的主要來源地。近年來，隨著以三峽工程為核心的長江上游水庫群的逐步建成并聯合調度運用，特別是金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫建成后，改變了流域泥沙時空分布，上游產輸沙條件及來沙地區組成發生明顯變化。

眾多學者已針對不同時期三峽庫區泥沙來源、輸移特性及其影響因素開展了分析，受水庫修建、水土保持、氣候變化等因素影響，三峽入庫泥沙大幅減少，金沙江已不再是三峽入庫泥沙第一供給區[1-2]，水庫攔沙是近年長江上游各大水系減沙的主要影響因素[3-4]。已有研究為三峽上游泥沙輸移特性研究奠定了較好的基礎，然而，長江流域產輸沙主要集中在汛期場次洪水，與暴雨強度、落區、范圍等密切相關，暴雨洪水時沙量大且集中，干、支流年內水沙過程，特別是以場次洪水為代表的局部暴雨洪水帶來的高強度輸沙[5]，將直接對三峽水庫泥沙淤積和調度運行帶來風險與影響，嚴重威脅到水庫的使用壽命。水庫淤積是工程泥沙的重要內容之一[6]，長江上游來沙大部分集中在汛期，幾場洪水的輸沙量往往能占到全年沙量的80%以上，是庫區泥沙淤積的主要來源。在時間尺度上，長江上游高洪水期漲、落期泥沙輸移存在差異；在空間尺度上，不同流域高洪水期產輸沙決定了入庫泥沙地區組成占比，對于三峽庫區洪峰沙峰異步傳播、水庫淤積分布、下游沖淤態勢[7-8]等均會產生一定影響，而長江上游短時間尺度高洪水期泥沙輸移特性方面的研究較為鮮見。

本文以1980—2019年長江上游主要干、支流水文資料為基礎，探討三峽水庫入庫控制站寸灘高洪水期泥沙來源組成及輸移特性，以期為三峽水庫沙峰排沙調度、庫尾減淤調度提供參考，為延長梯級水庫使用壽命、充分發揮水庫綜合效益提供支撐。

2 研究區域及數據來源

2.1 研究區域概況

長江三峽上游水系眾多，金沙江、橫江、岷江、沱江、嘉陵江等河流是長江上游徑流和泥沙的主要來源地，空間尺度上水沙異源現象十分突出，泥沙輸移兼具不確定性與復雜性。寸灘上游水沙來源區面積差異懸殊，其中，金沙江向家壩站集水面積相對較大(圖1)，為45.88萬km2，占寸灘站比例達53%，支流嘉陵江北碚站、岷江高場站集水面積分別為15.67萬、13.54萬km2，而橫江站及沱江富順站集水面積相對較小，占寸灘站比例僅為2%。寸灘上游不同流域來水大小、泥沙組成存在明顯差異。受水庫修建、水土保持工程實施等強人類活動影響，長江上游產輸沙條件發生了較大改變。

圖1 研究區域示意圖及干支流集水面積占比Fig.1 Sketch of the study area and catchment proportions of the main tributaries

2.2 數據來源及處理

長江上游寸灘站是反映三峽水庫入庫水沙條件的重要水文站點，汛期高洪水期漲落期泥沙輸移、來源地區組成變化等是影響庫區泥沙淤積的關鍵因素。對于大、中型流域的暴雨，一般取1、3、5、7、15、30 d作為統計時段。根據長時間序列寸灘站多場次洪峰過程，選取最大流量對應的7 d為1次產流產沙的主要時間段。

本文收集了長江上游干、支流主要水文站日均流量、含沙量等實測數據，基于向家壩水電站上游地區、橫江、岷江、沱江、嘉陵江等干支流歷年水沙過程，明確高洪水期漲落期水沙輸移特征，并通過溯源分析，研究寸灘站汛期場次洪水徑流泥沙主要來源，實測資料均來自于長江水利委員會水文局。研究區域及控制性水文站見圖1。

1980—2019年，統計寸灘站洪峰過程共計369場次，其中，峰值流量<30 000 m3/s的有217場次，洪峰流量分別介于30 000～40 000 m3/s和40 000～50 000 m3/s區間的洪水場次分別為94場和40場，而>50 000 m3/s共計18場次。為合理選取典型洪峰過程，綜合考慮峰值流量區間出現頻率，選取寸灘站>30 000 m3/s洪峰流量對應的共計152場次洪水進行分析，推求同時段長江上游干、支流主要站點7 d洪量及沙量?？紤]到三峽水庫輸移洪水平均傳播時間，沱江富順站、岷江高場站、橫江站、金沙江屏山站(向家壩站)場次洪水按上述時間段提前1 d處理。

3 寸灘站高洪水期水沙輸移特征

根據寸灘站實測資料統計，1980—1990年寸灘站洪峰流量大、出現頻次多，洪峰流量30 000 m3/以上洪水場次共計60場。而20世紀90年代以來，洪水場次有所減少，特別是溪洛渡、向家壩水電站陸續建成投運后，受水庫蓄水攔沙等因素影響，2013—2019年，寸灘站洪水場次僅14場，減幅達82%。不同時段洪水場次及年均洪水場次見表1。

表1 不同時段寸灘站洪水場次及年均洪水場次(洪峰流量30 000 m3/s以上)Table 1 Total and annual-averaged flood events at Cuntan Station in different periods (flood peak discharge exceeding 30 000 m3/s)

不同時段寸灘站洪峰流量統計值(表2)表明，溪洛渡、向家壩水庫建成以來，最大洪峰流量已由1980—1990年的84 300 m3/s減小至57 100 m3/s，主要與梯級水庫群聯合調度運用后削峰補枯作用密切相關。

表2 不同時段寸灘站洪峰流量Table 2 Flood peak discharge at Cuntan Station in different periods

寸灘上游金沙江、嘉陵江、岷沱江、橫江流域等是洪水徑流泥沙的主要來源區。從不同時段場次洪水對應的7 d洪量平均值來看(圖2)，1991—2002年寸灘站7 d洪量為194億m3，與1990年前多年均值相比，增大15億m3。這主要是由于上游金沙江屏山站7 d洪量增大25億m3，增幅達42.4%，而嘉陵江北碚站減少17億m3，岷江7 d洪量基本持平(表3)。

表3 不同時段長江上游場次洪水7 d洪量、沙量均值Table 3 The averaged seven-day flood volume and sediment transport in the upper reaches of the Yangtze River in different periods

圖2 長江上游場次洪水7 d洪量均值Fig.2 Averaged seven-day flood volume in the upper reaches of the Yangtze River

三峽水庫蓄水運用后2003—2012年與1980—1990年均值相比，由于金沙江、嘉陵江7 d洪量相對較大，寸灘站增大5億m3。溪洛渡、向家壩等水電站陸續投運后，與1980—1990年均值相比，寸灘站7 d洪量增大9億m3，其中，長江上游岷江高場站、沱江富順站、嘉陵江北碚站分別增大2億、4億、7億m3，而金沙江向家壩站減少9億m3，橫江7 d洪量基本持平?？傮w來看，近40 a來，寸灘站場次洪水中7 d洪量未出現趨勢性變化。

從場次洪水對應的7 d沙量均值來看，20世紀90年代以來，在水利工程攔沙、降雨時空分布變化、水土保持等因素的綜合影響下，寸灘站7 d沙量明顯減少(圖3)。與1990年前相比，1991—2002年寸灘站場次洪水7 d沙量減少679萬t，減幅達15.6%，長江上游泥沙除金沙江屏山站、橫江站分別增加896萬、62萬t外，岷江高場站、沱江富順站、嘉陵江北碚站7 d沙量分別減少201萬、108萬、1251萬t，特別是嘉陵江減幅達68%，是寸灘站沙量減少的主要因素。三峽水庫蓄水運用后，長江上游場次洪水來沙減小趨勢仍然持續。2003—2012年寸灘站場次洪水7 d沙量為2 081萬t，與1980—1990年相比，減少2 281萬t、減幅達52.3%;上游干支流站點7 d沙量也均呈減小態勢，其中，嘉陵江北碚站、金沙江屏山站7 d沙量分別減少1 200萬、593萬t，是寸灘站沙量減少的主要來源。溪洛渡、向家壩等水電站陸續投運后，寸灘站場次洪水7 d沙量為1 742萬t，與1990年前均值相比減少2 621萬t，長江上游除沱江富順站7 d沙量增大268萬t外，其余干支流均有所減少，特別是金沙江向家壩水電站出庫泥沙大幅降低，7 d沙量僅為9萬t，減幅高達99%。

圖3 長江上游場次洪水7 d沙量均值Fig.3 Averaged seven-day sediment transport during floods in the upper reaches of the Yangtze River

4 長江上游高洪水期漲落期輸沙特性

1980—2019年，寸灘站洪峰流量>30 000 m3/s的場次為152場，占年總天數的比例為7%，但各年場次洪水輸沙量占年輸沙量的比重均值則達到43%左右。1980—1990年，由于長江上游洪峰流量大、年均場次多，洪峰流量>30 000 m3/s的高洪水期輸沙占年輸沙比例為48%(表4)，而近年來水庫入庫泥沙明顯減少的條件下，洪水輸沙顯得更為集中。2013—2019年，在年均洪水場次大幅減小的情況下，洪峰流量>30 000 m3/s的場次洪水輸沙占年輸沙量的比例高達48%，與1980—1990年基本持平。特別是在2018年7月14號洪水期間，短短7 d時間寸灘站沙量達到了0.659億t，占全年沙量的近50%，均大于2014—2017年全年寸灘站輸沙量?？梢?，長江上游三峽水庫入庫泥沙的主要來源于汛期場次洪水。

表4 不同時段寸灘站高洪水期輸沙占比Table 4 Proportion of sediment transport during high floods at Cuntan Station in different periods

一場洪水由漲水期、落水期組成，漲、落水期泥沙輸移特性存在明顯差異。本文選取7 d洪水過程中前3 d為漲水期、后3 d為落水期，分析寸灘站不同時段場次洪水漲、落水期輸沙比例。1980—1990年，寸灘站洪峰流量>30 000 m3/s的高洪水期共計60場，其中，漲水期輸沙占優場次為37場，與比高達62%(表5)，洪水輸沙以漲水期為主；1991—2002年、2003—2012年，漲水輸沙占優比例分別為54%、49%，可視為漲、落水期輸沙占優場次基本持平；金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫建成后，2013—2019年，在寸灘站共計14場高洪水期過程中，僅3場漲水期輸沙量高于退水期，占比21%，表現為落水輸沙占優的特征。因此，從長時段來看，寸灘站高洪水期輸沙經歷了“漲水輸沙占優—漲、落水基本持平—落水輸沙占優”的變化過程。

表5 寸灘站漲水輸沙占優場次及比例Table 5 Number of events and proportion of the rising flow dominating sediment transport at Cuntan Station

5 長江上游高洪水期徑流泥沙來源組成

從三峽水庫入庫場次洪水徑流地區組成來看，近10 a來，金沙江、嘉陵江、岷江一直是寸灘站場次洪水徑流的主要來源，但不同時段干支流占比存在波動?；诟鞯貐^占比，可確定不同時期寸灘站徑流主要來源區。1990年以前，寸灘站60場次洪水中有26場來自于金沙江、7場來自于岷江、27場主要來自于嘉陵江；1991—2002年，寸灘站41場次洪水中徑流主要來源區仍為嘉陵江、岷江、金沙江，其中38場次主要來自于金沙江；三峽水庫蓄水后(2003—2012年)，20場次洪水來自于金沙江，17場次洪水主要來自于嘉陵江，兩者比例為1∶0.85，金沙江為主要來源區的次數相對較多；向家壩、溪洛渡陸續投運后，受水庫削峰補枯影響，金沙江向家壩站出庫洪峰流量減小，2013—2019年寸灘站14場次洪水中僅4場主要來自于金沙江，其余9場主要來自于嘉陵江，1場來自岷江(圖4)。

圖4 不同時間段寸灘站洪水徑流主要來源區場次Fig.4 Main source areas of runoff during high floods at Cuntan Station in different periods

從長江上游干支流為徑流主要來源區的年均洪水場次來看，1980—1990年寸灘站平均每年發生洪水5.5場次，其中2.5場次洪水徑流主要來自于嘉陵江、2.4場次來自于金沙江，兩者占比基本相當；1991—2002年，寸灘站年均3.4場次洪水中有3.1場次主要來自于金沙江，僅有近0.3場次的洪水主要來自于嘉陵江或岷江；三峽水庫蓄水后2003—2012年，寸灘站平均每年發生洪水3.7場次，其中以金沙江、嘉陵江為主要來源區的洪水場數分別為2.0、1.7場次；向家壩、溪洛渡水電站陸續投運后，2013—2019年寸灘站年均洪水場次僅2場，其中1.3場次來自于嘉陵江、0.6場次來自于金沙江、0.1場來自岷江(表6)。

表6 不同時間段寸灘站洪水徑流主要來源區年均場次Table 6 Annual-averaged events regarded as the main source areas of flood runoff at Cuntan Station in different periods

一般而言，場次洪水中徑流、泥沙主要來源區基本一致，但也存在洪峰、沙峰異源的情形。不同時間段寸灘站洪水泥沙主要來源區場次見圖5。1990年以前，寸灘站60場次洪水中有30場泥沙主要來自于嘉陵江，5場來自于岷江,25場來自于金沙江，嘉陵江為主要來源區的概率相對較大；1991—2002年，寸灘站41場次洪水中泥沙主要來源區為嘉陵江和金沙江，其中37場次主要來自于金沙江，僅4場來自于嘉陵江；三峽水庫蓄水后2003—2012年，寸灘站27場次主要來自于金沙江、10場次洪水來自于嘉陵江，兩者比例為2.7∶1，金沙江為泥沙主要來源區的次數相對較多；溪洛渡、向家壩水庫相繼調度運行后，2013—2019年間洪水期向家壩站出庫泥沙大幅減少，寸灘站14場次洪水中9場泥沙主要來自于嘉陵江，岷江3場，沱江、橫江各1場。

圖5 不同時間段寸灘站洪水泥沙主要來源區場次Fig.5 Main source areas of sediment during high floods at Cuntan Station in different periods

從長江上游干支流為泥沙主要來源區的年均洪水場次來看，1980—1990年寸灘站平均每年發生洪水5.5場次，其中2.3場次洪水泥沙主要來自于金沙江、2.7場次來自于嘉陵江，兩者占比基本相當，場次洪水中徑流、泥沙主要來源區基本一致；1991—2002年，寸灘站年均3.4場次洪水中有3.1場次主要來自于金沙江，僅有近0.3場次洪水泥沙主要來自于嘉陵江，受水庫攔沙及水土保持工程影響，嘉陵江流域輸沙銳減，而金沙江流域僅治理2 km2土地，減沙效果極為有限[9]；三峽水庫蓄水后(2003—2012年)，寸灘站平均每年發生洪水3.7場次，其中以金沙江、嘉陵江為主要來源區的洪水場數分別為2.7、1.0場次，金沙江為泥沙主要來源區的概率相對較大；向家壩、溪洛渡水電站陸續投運后，2013—2019年寸灘站年均洪水場次僅2場，其中1.3場次來自于嘉陵江，其余0.7場次分別來自于沱江、岷江、橫江(表7)，而金沙江受梯級水庫群攔沙影響，不再是寸灘站場次洪水中泥沙的主要來源區。

表7 不同時間段寸灘站洪水泥沙主要來源區年均場次Table 7 Annual-averaged events regarded as the main source areas of sediment during high floods at Cuntan Station in different periods

6 結 論

(1)20世紀90年代以來，寸灘站>30 000 m3/s洪峰流量對應的高洪水期場次有所減少，特別是溪洛渡、向家壩水電站陸續建成投運后，受水庫蓄水攔沙等因素影響，寸灘站洪峰削減，與1980—1990年相比，2013—2019年年均洪水場次已由5.5場減至2場。近40 a來，寸灘站場次洪水中7 d洪量未出現趨勢性變化，而7 d沙量顯著減少。

(2)長江上游三峽水庫入庫寸灘站泥沙主要來源于汛期場次洪水，而洪水過程中漲、落水期泥沙輸移特性存在明顯差異。1980—1990年，寸灘站漲水期輸沙占優比高達62%，1991—2002年、2003—2012年漲、落水期輸沙占優場次基本持平；金沙江下游溪洛渡、向家壩水庫建成后，2013—2019年，在寸灘站14場高洪水期過程中，僅3場漲水期輸沙量高于退水期，表現為落水輸沙占優的特征。從長時段來看，寸灘站高洪水期輸沙經歷了“漲水輸沙占優—漲、落水基本持平—落水輸沙占優”的變化過程。

(3)1991—2002年，寸灘站年均3.4場次洪水中有3.1場次徑流及泥沙均主要來自于金沙江；三峽水庫蓄水后(2003—2012年)，寸灘站平均每年發生洪水3.7場次，以金沙江、嘉陵江為徑流主要來源區的洪水場數分別為2.0、1.7場次；以兩者為泥沙主要來源區的洪水場數分別為2.7、1.0場次；向家壩、溪洛渡陸續投運后，2013—2019年寸灘站年均洪水場次僅2場，從徑流來源來看，1.3場次主要來自于嘉陵江、0.6場次來自于金沙江，0.1場次來自岷江；從泥沙來源來看，1.3場次泥沙主要來自于嘉陵江，其余0.7場次分別來自于沱江、岷江、橫江，金沙江已不是寸灘站高洪水期過程中泥沙的主要來源區。