三峽-葛洲壩梯級水庫不同蓄水階段對其下游泥沙特性的影響分析

馬俊超,李瓊芳,陸國賓,虞美秀

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京　210098; 2.河海大學國際河流研究所,江蘇 南京　210098)

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三峽-葛洲壩梯級水庫不同蓄水階段對其下游泥沙特性的影響分析

馬俊超1,2,李瓊芳1,2,陸國賓1,2,虞美秀1,2

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京210098; 2.河海大學國際河流研究所,江蘇 南京210098)

摘要：為了分析三峽-葛洲壩梯級水庫對長江泥沙特性的影響,選取位于三峽-葛洲壩梯級水庫上游和下游的寸灘和宜昌水文站為研究站點,以葛洲壩及三峽水庫建設和運行的不同階段劃分研究時段,利用寸灘、宜昌1954—2012年的長系列日流量和日含沙量資料,從年、月、日3個時間尺度定量分析三峽-葛洲壩梯級水庫上游對下游泥沙特性的影響。結果表明:三峽-葛洲壩梯級水庫對其下游年、月、日尺度的泥沙特性影響隨水庫庫容、運行階段的變化而變化;庫容越大,蓄水位越高,影響越顯著。研究成果旨在為分析評價大壩的運行對長江生態系統健康與穩定性的影響提供參考。

關鍵詞：長江;葛洲壩水庫;三峽水庫;泥沙特性;生態系統健康

長江是我國第一大河流,其輸沙量居世界第4位[1]。隨著人口的增長和經濟的發展,長江流域水資源開發利用程度顯著提高,截至2012年,在長江干流以及支流上共修建了47 842座水庫,其中大中型水庫166座,總庫容為1.908×1011m3,有效庫容為0.983×1011m3。水庫的修建與運行在一定程度上改變了其下游的泥沙特性,進而影響長江生態系統的健康與穩定[2-3]。大型水利工程建設對長江泥沙情勢的影響吸引了很多學者的關注,如李瓊芳等[4]基于1954—2008年的資料系列分析了葛洲壩和三峽水庫對其下游泥沙特性的影響,袁晶等[5]分析了三峽水庫蓄水后庫區泥沙淤積特性的變化,戴志軍等[6]研究了三峽水庫蓄水前后對長江河口含沙量的影響。這些研究均表明,2003年三峽水庫蓄水后長江下游的泥沙特性發生了顯著變化。但針對三峽水庫2009年蓄水至175 m后對下游泥沙特性影響的研究較少。筆者依據1954—2012年長系列的日徑流量和日含沙量資料,從年、月、日3個時間尺度對比分析三峽水庫在不同蓄水階段對長江下游泥沙特性的影響,旨在為分析大壩的運行對長江生態系統健康與穩定性的影響提供參考。

1研究區概況

為了對比分析不同水庫庫容以及水庫不同蓄水階段對其下游泥沙特性的影響,筆者選取三峽-葛洲壩梯級水庫為研究對象。葛洲壩1981年關閘蓄水,庫容1.58×109m3,屬于徑流式水庫,位于宜昌上游6 km和三峽大壩下游38 km處,是長江干流修建的第一個大型水利樞紐工程。三峽水庫位于宜昌上游44 km處,1993年開始修建,1997年大江截流成功,分別于2003年、2006年及2009年實施分階段蓄水,分別蓄水至137 m、156 m以及175 m。三峽水庫集防洪、發電、航運、灌溉等功能于一體,其總庫容為3.93×1010m3,約占長江年均流量的4.5%。考慮到宜昌站大約87%的沙量來源于寸灘站以上流域,且宜昌站的泥沙特性變化既受寸灘站以上人類活動和氣候變化的影響,也受三峽-葛洲壩梯級水庫運行的影響,故本次研究選取位于三峽-葛洲壩梯級水庫下游的宜昌站為目標站、位于三峽-葛洲壩梯級水庫上游的寸灘站為參考站。宜昌站位于長江上游和中游的分界處,葛洲壩水庫壩址下游6 km和三峽水庫大壩下游44 km處,是長江上游流域的控制站[7]。寸灘站是三峽水庫的主要入庫控制站,位于三峽大壩上游608 km處。

2資料和方法

本研究選用由長江水利委員會水文局提供的經整編的寸灘站和宜昌站1954—2012年的日流量和日含沙量資料。以葛洲壩和三峽水庫建設和階段蓄水時間作為分界點,將整個研究時段劃分為6個子時段,即1954—1980年(葛洲壩水庫1981年關閘蓄水)、1981—1997年(三峽水庫1997年大江截留成功)、1998—2002年(三峽水庫2003年蓄水至137 m)、2003—2005年(三峽水庫2006年蓄水至156 m)、2006—2008年(三峽水庫2009年蓄水至175 m)和2009—2012年。通過點繪年徑流量與年輸沙量雙累積曲線,從年尺度分析三峽-葛洲壩梯級水庫在不同研究時段對其下游泥沙特性的影響。考慮到泥沙負荷峰值出現在7月[8],三峽水庫蓄水在9—10月進行,以及10月份是中華鱘產卵的一個重要月份之一,本研究選取7月、9月以及10月為研究月份,通過點繪年徑流量與年輸沙量雙累積曲線來分析水庫建壩以及蓄水前后年輸沙量的變化情況,利用M-K方法分析寸灘站和宜昌站泥沙負荷的變化趨勢,通過分析兩站泥沙負荷均值的相對變化來揭示三峽-葛洲壩梯級水庫的攔沙作用,以定量評價三峽-葛洲壩梯級水庫的運行對兩站江水含沙量的影響,并分析10月份中華鱘產卵期適宜含沙量占全部含沙量比例的變化。

3結果與分析

3.1　年泥沙特性的變化

年徑流量與年輸沙量雙累積曲線見圖1。若年徑流量與年輸沙量雙累積曲線發生明顯的轉折,表明水沙關系發生了明顯變化。從圖1可以看出,2003年之后宜昌站年徑流量與年輸沙量雙累積曲線的斜率明顯小于2003年之前的,經計算可得曲線斜率由1.16變為0.11。而寸灘站雖也有變化,曲線斜率由1.24變為0.58,但遠不如宜昌站明顯。而在2003年之前寸灘站和宜昌站的水沙雙累積曲線均未發現明顯的轉折點。表明2003年三峽水庫的運行對其下游年泥沙特性的影響較大,而葛洲壩水庫由于庫容較小,對其下游年泥沙特性的影響很有限。

圖1　1954—2012年水沙量雙累積曲線

3.2　月泥沙特性的變化

為了揭示三峽-葛洲壩梯級水庫對其下游月尺度泥沙特性的影響,利用M-K方法分析了寸灘站和宜昌站7月、9月、10月泥沙負荷的演變趨勢,分析結果見表1。表1表明,兩站的M-K值均通過了置信水平為95%的顯著性檢驗,顯示兩站7月、9月、10月的泥沙負荷均呈顯著減小趨勢。每10年變化率值也揭示了這一現象。宜昌站與寸灘站每10年變化率的比值均大于1,表明宜昌站7月、9月、10月泥沙負荷的減小趨勢比寸灘站更加明顯。且7月、9月、10月變化率的比值分別為1.51、1.61、1.86，表明影響的顯著程度依次增加。長江上游大量水庫的修建與運行以及退耕還林等，都會造成寸灘泥沙負荷的減小。由于宜昌的泥沙主要來源于寸灘,寸灘泥沙負荷的減少也會導致宜昌泥沙負荷的減少,但宜昌比寸灘泥沙負荷顯著減少的程度,表明三峽-葛洲壩梯級水庫具有明顯攔沙作用。從表2還可看出,1954—1980年、1981—1997年以及1998—2002年期間,宜昌站與寸灘站月平均輸沙量的比值均大于1,說明7月、9月、10月宜昌站的多年平均泥沙負荷均高于寸灘站(這是受寸灘至宜昌區間來沙以及沿程沖刷的影響所致),但兩者的比值在不同研究時段變化不大,表明葛洲壩由于庫容較小,攔沙作用較小,未對宜昌站輸沙量的減少產生較大影響。2003年三峽蓄水以后,情勢發生了變化,7月、9月、10月宜昌站的多年平均泥沙負荷均顯著低于寸灘站。比值的變化也揭示了這一現象,比值均小于1,且呈逐年下降趨勢,而且10月份比值最小,說明由于汛期含沙量大,三峽水庫在7月份發揮防洪功能的同時,也具有顯著的攔沙作用,且攔沙作用隨削峰作用的增加而增加(表2)。隨著三峽蓄水期水位的增加,蓄水的時間也提前到9月中旬,因此三峽水庫9月的攔沙作用也很顯著,且隨著蓄水水位的增加,攔沙作用顯著增強(表2)。由于三峽水庫在整個10月份都在蓄水,與9月份相比,其攔沙作用更加顯著。尤其是2009年水位蓄至175 m以后,10月宜昌站輸沙量平均值降為0.01億t,可知隨著蓄水位的增加清水下泄效應顯著增強。上述分析表明,三峽水庫由于庫容大,攔沙作用顯著,對下游月泥沙特性的影響明顯,且蓄水位越高,影響越顯著。

表2　兩站各階段月輸沙量的平均值及其比值

表1　兩站M-K值和10年變化率值及其比值

表3　兩站7月份含沙量在0.5～1.5 kg/m3范圍內占全部含沙量比例　%

3.3　日泥沙特性的變化

表3～5分別給出了寸灘和宜昌兩站7月、9月和10月份不同范圍內的日含沙量占全部含沙量的比例。由表3可以看出,2003年三峽水庫蓄水后,7月份寸灘站日含沙量≤0.5 kg/m3的比例有所增加,但不是特別顯著,但宜昌站日含沙量≤0.5 kg/m3的比例顯著增加,高達70%以上,在2005年以后,該比例進一步增加,在98%以上,接近100%。 表明汛期三峽水庫在發揮防洪作用的同時,由于水流泥沙含量大,也具有明顯的攔沙作用。對于蓄水期9月份和10月份,宜昌的日含沙量變化也呈現了類似變化特點(表4～5),但三峽的攔沙作用更加顯著。10月份是中華鱘產卵的一個重要月份之一,江水含沙量的變化會在一定程度上影響中華鱘產卵。前人研究表明中華鱘產卵的適宜江水含沙量為0.1～0.7 kg/m3[9],但表5表明三峽水庫蓄水后,宜昌適宜于中華鱘產卵的江水含沙量的比例急劇降低,特別是2005年后該比例為0,說明三峽水庫的運行對中華鱘的產卵產生了一定的影響。表2～5也表明三峽水庫蓄水各個階段,寸灘站的泥沙特性較蓄水前發生了變化,這是受寸灘上游水土流失的治理和水庫建設的影響所致,但寸灘上游水土流失的治理和水庫建設對宜昌站泥沙特性的影響程度遠不如三峽水庫蓄水影響顯著。

表4　兩站9月份含沙量在0.3～1.2 kg/m3范圍內占全部含沙量比例　%

表5　兩站10月份含沙量在0.1～0.7 kg/m3范圍內占全部含沙量比例 　%

4結論

利用長系列的徑流量和含沙量資料(包括2009年三峽水庫蓄水至175 m之后的資料),分析了三峽-葛洲壩梯級水庫不同蓄水階段對其下游泥沙特性的影響。結果表明:①三峽水庫的運行對其下游年泥沙特性的影響顯著,尤其是第二期蓄水和第三期蓄水,而葛洲壩水庫由于庫容較小,對其下游年泥沙特性的影響很有限;②雖然寸灘上游水土流失治理和水庫修建對寸灘及宜昌汛期7月份以及蓄水期9—10月份的日、月尺度泥沙特性有所影響,但三峽水庫的攔沙作用對宜昌汛期7月份以及蓄水期9—10月份的日、月尺度泥沙特性的影響要顯著得多,2005年以后影響更加顯著;③三峽水庫的運行使得適宜于中華鱘產卵的日含沙量比例急劇降低;三峽水庫的攔沙作用使得下泄水流含沙量明顯減小,可能會導致下游侵蝕以及河床不穩定。

參考文獻：

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Analysis of impacts of different impound phases of Three Gorges-Gezhouba cascade reservoirs on sediment regime in downstream

MA Junchao1,2,LI Qiongfang1,2,LU Guobin1,2,YU Meixiu1,2

(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China；

2.CenterforInternationalRiverResearch,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract：To analyze the impacts of Three Gorges-gezhouba cascade reservoirs on the sediment regime in the Yangtze River downstream, two hydrological stations Cuntan and Yichang which were respectively located in the upstream and downstream of Three Gorges-gezhouba cascade reservoirs were selected as study sites. The whole study period was divided into several sub-periods according to the different phases of construction and operation of Gezhouba and Three Gorges Reservoirs. On the basis of the long time series of daily water discharge and sediment concentration from Cuntan and Yichang from 1954 to 2012, the impacts of Three Gorges-gezhouba cascade reservoirs to the downstream sediment regime in annual, monthly and daily scales were investigated respectively. The results revealed: the Three Gorges-gezhouba cascade reservoirs have influences on annual, monthly and daily sediment regime, which varied according to reservoir storage capacity and operation phase. The impacts are more significant when the storage is bigger and the storage level is higher. The study is intended to provide references for the assessment of impacts of dam operation on the health and stability of the Yangtze River ecosystem.

Key words：Yangtze River; Gezhouba Reservoir; Three Gorges Reservoir; sediment regime; ecosystem health

(收稿日期：2015-02-25編輯：彭桃英)

中圖分類號：TV213.2

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)01-0075-04

作者簡介:馬俊超(1991—),男,碩士研究生，研究方向為水文水資源及生態水文。E-mail:1109050661@qq.com通信作者:李瓊芳,教授。 E-mail: qfli@hhu.edu.cn

基金項目:國家自然科學基金 (41171220); “十二五”國家科技支撐計劃(2012BAB03B03);水利部公益行業經費項目(201001069,201101052)

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.01.013