金沙江流域大型梯級水庫對水沙變化的影響

陸傳豪， 董先勇， 唐家良， 劉剛才?

(1.中國科學院 水利部成都山地災害與環境研究所，中國科學院山地表生過程與生態調控重點實驗室，610041，成都； 2.中國科學院大學，100049，北京；3.中國長江三峽集團公司，610041，成都)

水沙變化是人類活動影響、環境特性、水土流失程度等的綜合反映[1]。自然和人為因素都會對水沙產生深遠的影響[2]，相關研究表明，在全球范圍內，自然和人為因素改變了眾多河流徑流和輸沙在空間上(沿河)和時間上(季節之間和年際)的分布[3-6]，這其中水庫修建等人類活動所產生的影響尤為迅速而顯著[7-8]。大型水庫的修建和運行改變了天然的水文循環和泥沙輸移過程，對河流水沙狀況產生的影響十分顯著。現有研究[7]表明，眾多大型河流如尼羅河、亞馬遜河、科羅拉多河等在修建水庫后，其輸沙量均呈顯著降低態勢。在中國，眾多研究同樣表明，在修建水庫后，河流的輸沙量顯著下降[9-11]。

金沙江是長江上游地區來沙量最大的河流，對三峽入庫水沙有著舉足輕重的影響，其多年平均徑流量約占宜昌站的 33%，輸沙量占50%～70%[12-14]。至今為止，已有部分學者對金沙江流域水沙特征進行了研究。陳松生等[12]的研究表明，該區域中上游一直有增沙趨勢，1991—2000年下游增沙明顯，2001年后呈減少趨勢；許炯心[13]在流域梯級水庫修建初期對輸沙減少與水庫建設之間的關系進行了探討。隨著金沙江水電資源開發的加快，2010年之后金沙江中游、下游一系列梯級水庫相繼蓄水運行，流域水沙輸移條件大幅改變。但目前，對金沙江流域大型梯級水庫建設對流域水沙變化帶來的影響尚缺乏了解，因此筆者選擇主要控制站攀枝花、白鶴灘、向家壩站等的多年水沙監測數據，分析金沙江流域徑流和輸沙在梯級水庫運行前后的時空差異，探討大型梯級水庫建設對金沙江流域水沙狀況帶來的影響，研究結果可為金沙江流域資源的合理開發利用提供科學依據。

1 研究區概況

金沙江流域位于長江上游，介于E 90°～105°和N 24°～36°之間，發源于青海省雜多縣唐古拉山東北一座海拔5 054 m的無名山，干流全長為3 481 km，流域面積約45.86萬km2，約占長江流域面積的26.3%。主要支流包括雅礱江，普隆河，龍川江，普渡河，牛欄江等(圖1)。受熱帶季風、副熱帶季風、高原季風以及復雜地形影響，流域氣候類型復雜多樣，從高原亞寒帶亞干旱氣候到亞熱帶濕潤季風氣候均有分布；流域多年平均氣溫3.04 ℃，總體沿流程遞增，源頭區年均溫度在0 ℃以下，中下游攀枝花等地在19.0 ℃以上；流域多年平均降水量為753 mm，同樣呈沿流程增加的分布態勢，流域出口降水為源頭地區的約3.83倍，受降水年內分布影響，金沙江汛期為5—10月，汛期徑流和泥沙輸出量分別占到了全年的68%和85%以上[15]。

金沙江總落差3 300 m，水力資源超過1億kW，占長江流域的40%以上[12]。干流至玉樹直門達以下始稱金沙江，直門達至石鼓為金沙江上游，上游段河長965 km，流域面積7.65萬km2，為典型的深谷河段，特別是橫斷山縱谷段，河谷至兩岸山頂相對高差超過2 500 m。石鼓至攀枝花為金沙江中游，水文控制站為攀枝花，流域面積約4.5萬km2，干流河長約564 km，至金江街以后，金沙江脫離橫斷山脈進入川滇山地。中游河段已于2010—2016年間先后建成梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯地拉、觀音巖6個電站。攀枝花至宜賓岷江口為金沙江下游，水文控制站為屏山(后改為向家壩)，流域面積21.4萬km2，干流河長約768 km。下游河段在建及已建成烏東德(在建)、白鶴灘(在建)、溪洛渡、向家壩4座巨型梯級水電站，其基本情況見表1。

2 數據來源與方法

2.1 數據來源

筆者選取金沙江干流主要控制站石鼓、攀枝花、烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩，以及主要支流控制站點桐子林(雅礱江)、黃瓜園(龍川江)、寧南(黑水河)等(表2)1965—2016年的徑流和輸沙數據，對金沙江流域水沙變化特征進行分析。金沙江流域干支流水文監測資料以及控制站信息均來源于中國長江三峽集團公司。其中，主要水庫的累計沖淤量，已用水深儀于2015年10月至2016年5月，對河道典型斷面進行測量和計算，在過水面積變化、深泓變化、平均水深及典型斷面沖淤變化的分析中，則采用重合斷面進行統計。沖淤量為正數則表示河道為沖刷，為負數則為淤積。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Schematic map of the study area

梯級水庫Cascade reservoir控制面積Control area/104km2庫容 Storage capacity/108m3裝機容量 Installed capacity/MW建設情況Construction status烏東德 Wudongde40.6874.0810200在建 Under construction白鶴灘 Baihetan43.03206.2716000在建 Under construction溪洛渡 Xiluodu45.44126.7013860建成 Constructed向家壩 Xiangjiaba45.8851.636400建成 Constructed

表2 主要水文站基本情況Tab.2 Basic information of major hydrological stations

數據處理過程中遵循標準進行嚴格的檢查和錯誤分析，以確保準確性[9]。在數據處理過程中，如涉及到有起止年份不一的統計分析，用共同的年份段數據來進行統計。本研究所有數據的統計分析均使用SPSS 12.0，制圖工具采用windows系統下的Sigmaplot 10.0。

2.2 研究方法

筆者選擇Mann-Kendall(M-K)秩相關檢驗法對水沙序列的變化趨勢進行分析，該方法是非參數統計檢驗法，其不要求數據遵從一定的概率分布，也不受少數異常值的干擾，在水文泥沙過程的趨勢研究方面有極為廣泛的應用[16]。在M-K檢驗中，假設時間序列X是具有n個獨立的、隨機變量同分布的樣本(x1，x2，…，xn)，則定義檢驗統計量S的計算公式如下：

(1)

式中S近似服從正態分布，其均值E(S)=0，

方差：

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

(2)

當n>10時，標準的正態分布檢驗統計量為：

(3)

統計量Z>0時表示上升趨勢，<0時表示下降趨勢。Z的絕對值在≥1.28、1.96、2.32時，分別表示通過置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗。

3 結果與分析

3.1 徑流和輸沙的時間變化特征

金沙江中游攀枝花站的徑流和輸沙總體上呈先上升后下降的變化過程(圖2)，攀枝花站多年平均徑流量為564億m3，變差系數為0.158，年際差異較小，最大值位于1998年，最小徑流量382.2億m3位于1994年。多年平均輸沙量為4 770萬t，變差系數達到0.531，年際差異較大，最大輸沙量同樣位于1998年，最小值為2015年的256萬t。攀枝花站水沙相關系數為0.772(P<0.01)，相關性較高，1998年前水沙變化趨勢基本一致，而1998年之后輸沙的減少顯著快于徑流。這一狀況主要為自2010年起，中游一系列梯級電站相繼建成并運行，使得2010年后輸沙明顯減少。

圖2 攀枝花站水沙的變化過程Fig.2 Variation process of runoff and sediment load in Panzhihua

金沙江下游白鶴灘站的徑流和輸沙總體上呈波動式變化(圖3)，多年平均徑流量為1 250億m3，變差系數Cv為0.164，年際差異較小，最大徑流量1 692億m3出現于1998年，最小值為2011年的945.7億m3。多年平均輸沙量為1.6 3億t，變差系數0.437，年際差異大于徑流，最大值出現于1998年，最小值為2011年的4 460萬t。白鶴灘站水沙相關系數為0.722(P<0.01)，研究期內其水沙過程線形態基本一致，但輸沙的波動幅度較徑流更大。

圖3 白鶴灘站水沙的變化過程Fig.3 Variation process of runoff and sediment load in Baihetan

金沙江下游向家壩站的徑流和輸沙總體上呈2個上升和2個下降的變化過程(圖4)。其多年平均徑流量為1 420億m3，變差系數為0.160，差異同樣不大，最大徑流量為1998年的1 971億m3，最小值為2011年的1 027億m3。多年平均輸沙量為22 300萬t，變差系數達到了0.513，最大輸沙量出現于1974年，最低值為2015年的60.4萬t。向家壩站水沙的相關系數為0.656(P<0.01)，水沙相關度相對較低，1998年前水沙變化過程線形態基本一致，而之后輸沙的減少顯著快于徑流。1998年起，雅礱江及金沙江下游大型水電站相繼修建，特別是2012后，溪洛渡、向家壩等大型梯級電站先后建成運行，使得輸沙顯著減少。

圖4 向家壩站水沙的變化過程Fig.4 Variation process of runoff and sediment load in Xiangjiaba

從干流1998年前后水沙變化情況(圖5)看，1998年后中游攀枝花站的年均徑流和輸沙量較1998年前分別增加15.27%和5.01%，這主要是降雨增加所致。下游白鶴灘站1998年后徑流量較之前上升7.38%，而輸沙量較之前下降21.84%。下游控制站向家壩的年均徑流量1998年之后呈增加趨勢，增幅約為4.29%，但輸沙則明顯減少，減少幅度約為38.55%，說明2010年后下游大規模的水電開發建設，特別是溪洛渡等大型梯級水電站的相繼建設和運行，使得下游河道輸沙顯著減少。

圖5 金沙江干流站不同時期年均水沙量對比Fig.5 Comparison of annual runoff and sediment load of main stream stations along Jinsha River in different periods

3.2 徑流和輸沙的空間分布特征

水沙的空間分布方面，由表3可見，中上游區域徑流和輸沙所占比例均小于面積所占比例，說明金沙江中上游是少水少沙區，且1998年后水沙均呈增加趨勢，特別是輸沙所占比例增加12.99%。雅礱江流域的多年輸沙量占流域總量比例為15.34%，小于面積所占比例，而徑流則明顯相反，說明雅礱江流域是多水少沙區，其1998年后輸沙占流域總量比例減少7.70%。攀枝花至白鶴灘區間(不含雅礱江)，徑流占流域總量比例小于面積所占比例，而其輸沙在1998年前所占比例較面積比例多24.88%，1998年后多37.88%，說明攀枝花至白鶴灘區間(不含雅礱江)是金沙江的重產沙區。白鶴灘至向家壩區間的徑流和輸沙占流域總量比例均大于面積比例，但1998年后所占比例均有減少趨勢，特別是輸沙比例在1998年后減少了約19%，說明金沙江下游輸沙減少主要發生于白鶴灘以下區域。

除雅礱江外主要支流的徑流和輸沙量占流域總量比例均低于3%，其中徑流量和輸沙量相對較高的龍川江多年徑流量所占比例為0.51%，輸沙量比例為1.90%；黑水河多年徑流量比例為1.46%，輸沙量比例為2.03%，1998年之后，該類支流的徑流變化不明顯，但輸沙所占比例有一定升高，說明龍川江和黑水河等支流流域的泥沙輸出量未得到明顯控制。

3.3 大型梯級水庫對金沙江流域水沙變化的影響

3.3.1 大型梯級水庫影響下水沙的變化趨勢 徑流方面，攀枝花站、白鶴灘站、向家壩站1965—2016年徑流系列M-K統計量分別為1.17、1.01、0.58，均未超過顯著性α=0.05的臨界值1.96，呈不顯著增加趨勢。由圖6(a)可知，在研究期內，中下游主要控制站年徑流變化趨勢線基本一致，其中在1980年之前，均為減小趨勢，而后先后轉為增加態勢，在1998—2004年期間，受降雨增加的影響，3個站的徑流量增加趨勢均十分明顯，并先后超過顯著性α=0.05的臨界值1.96呈顯著增加趨勢。總體而言，金沙江梯級水庫建設對徑流量影響較小，研究期內金沙江徑流呈現的上升態勢主要為降雨增加所致。

圖6 干流主要水文站徑流(a)和輸沙(b)的M-K統計量序列Fig.6 Runoff (a) and sediment load (b) M-K statistic sequence of hydrological stations along the main stream

輸沙方面，研究期攀枝花站、白鶴灘站、向家壩站年輸沙系列M-K統計量分別為-0.18、-2.18、-2.84，其中白鶴灘、向家壩站均超過顯著性α=0.05的臨界值-1.96，呈顯著下降趨勢。由圖6(b)可知，3個站的輸沙變化趨勢線在1998年之前基本一致，其中1980年之前輸沙變化受降雨和徑流影響，均呈下降態勢，而后逐步轉為增加趨勢。在1998—2002年期間，均超過顯著性α=0.05的臨界值1.96，呈顯著增加趨勢。之后，白鶴灘站、向家壩站的增加趨勢迅速放緩，這主要是1998年雅礱江二灘水庫蓄水攔沙所致。2010年之后，下游梯級水庫溪洛渡、向家壩先后建成運行，白鶴灘站、向家壩站輸沙變化趨勢均迅速轉為顯著下降。總體而言，1998年之前輸沙變化趨勢與徑流基本一致，各站之間也未呈現較大差異。1998年后中游梯級水庫的建設運行使得中游控制站攀枝花的輸沙量增加趨勢放緩，并逐步轉為小幅下降；而下游地區受溪洛渡、向家壩等巨型梯級水庫建設和運行的影響，白鶴灘站、向家壩站的輸沙均迅速轉為顯著下降趨勢。

3.3.2 梯級水庫影響下的輸沙模數與沖淤特征變化 輸沙模數是衡量河流輸沙狀況的重要指標，是人類活動、氣候等因素對流域泥沙綜合影響的直觀反映。從輸沙模數(圖7)來看，攀枝花站多年輸沙模數為184 t/(km2·a)，1998年之后其輸沙模數略高于1998年之前；下游白鶴灘站多年平均輸沙模數為365 t/(km2·a)，1998年后呈下降態勢；下游即向家壩站的多年輸沙模數為454 t/(km2·a)，1998年后較之前減少了191.80 t/(km2·a)，減幅為37.85%。中上游輸沙模數的增加主要為該地區降水和徑流的增加，使得泥沙的產輸均有不同程度升高；而下游輸沙模數的顯著減少，則主要為下游河段溪洛渡、向家壩以及雅礱江二灘等大型水庫的蓄水運行產生了顯著的攔沙效應，使得泥沙大量淤積于庫區河道。

圖7 主要水文站不同時期年均輸沙模數對比Fig.7 Comparison of annual sediment transport modulus in major hydrological stations in different periods

在大型梯級水庫對流域沖淤特征影響方面，根據監測和計算結果，建設中的烏東德庫區干流河道當前仍舊以沖刷為主。建設中的白鶴灘庫區干流河道已經由前期的沖刷轉為淤積狀態。2013年建成運行的溪洛渡庫區淤積泥沙最多，其平均年淤積強度達到8 404萬m3/a。向家壩水庫運行后淤積迅速，而后受到上游溪洛渡蓄水運行影響，來沙銳減，其年淤積強度約為310萬m3/a。當前大型梯級水庫整體上呈顯著淤積狀態。本次研究通過結合泥沙密度將梯級水庫的沖淤量轉換成沖淤模數，即整個流域單位面積上每年的沖淤量。經計算，沖淤模數為-183.6 t/(km2·a)，占向家壩近年輸沙模數平均減少量的95.70%，表明大型梯級水庫對金沙江下游出口沙量減少的貢獻為95%以上，影響極其顯著。

4 討論

研究表明，金沙江流域徑流量整體上有增加趨勢，這與已有的研究結果[15-18]一致，主要應歸因于近幾十年來該區域的降雨量略有增加。從水沙分布的比例看，中上游是少水少沙區，下游是多水多沙區，也是主產沙區，這也與前人研究結果[13-14,19]一致。

相對而言，金沙江流域輸沙的時空變化較復雜，中上游即攀枝花以上地區，1998年后輸沙量和輸沙模數均有增加趨勢，特別是這一區域的支流，水沙都有較明顯增加，這主要由于一方面區域降雨量呈增加趨勢[15-18]，另一方面上游川西高原上的部分區域植被退化并未好轉[19]，表明中上游流域面上的侵蝕產沙仍未明顯減少，水土保持的需求仍十分突出。

下游即攀枝花以下(不含雅礱江)，近20年來輸沙呈顯著減少趨勢。這一區域的輸沙減少主要歸因于水庫建設等人類活動，特別是下游干流上大型梯級水庫的建設和運行，產生了顯著的攔沙效應。本次研究的結果表明，人為活動(水庫建設)對金沙江輸沙減少的貢獻達95%以上，即表明水庫建設是輸沙減少的主要原因，這一結果與已有研究[3]的結果一致。隨著金沙江流域大型梯級水庫數量的增加，流域輸沙將會進一步下降。與此同時，金沙江下游地區輸沙的減少，還應歸因于該區植被恢復的作用，近幾十年來，下游地區實施了“長治”工程等多種水土保持項目，獲得了一定的水土保持效益[13-14,20]，減少了泥沙輸出量。但值得注意的是近年來，一方面，隨著退耕還林進入第2個補助期后，受補助下降以及已有退耕還林林地效益低等的影響，局部區域近年來存在突出的陡坡開荒或退林還耕的現象，加劇了該類區域的水土流失，另一方面，區內多種資源的開發利用和工程建設，特別是礦山開采，大規模的水電建設等，導致水土流失、泥石流和滑坡等狀況有所加劇。

5 結論

金沙江中上游的徑流和泥沙占全流域比例均低于面積所占比例，1998年之后其年均值分別上升15.27%和5.01%，該類區域的水土保持工作有待加強。下游地區尤其是攀枝花至白鶴灘區間(不含雅礱江)多年平均產沙量占到流域總量的36.40%，是流域的主要產沙區，也是控沙的核心區域，近年來輸沙明顯減少，主要歸因于下游河段上一系列大型梯級水庫的建設。結果表明，金沙江流域大型梯級水庫在減少輸沙方面的效果非常顯著，其分別使得白鶴灘和向家壩站1998年后的年均輸沙量較之前下降21.84%和38.55%，隨著金沙江中下游一系列水電站的相繼建成和運行，金沙江泥沙輸出將進一步下降。另一方面，過去幾十年流域內實施的各類水土保持工程產生了一定的減沙效應，但下游等地區的產沙量仍舊較高，需進一步加強水土保持工程的實施。