三峽庫區入庫泥沙監測探討

楊軍

摘要：三峽水庫建成后，高峽出平湖，在長江中上游形成了一道亮麗的風景線。隨著江面變寬闊，水流平緩，流域生態環境也隨之發生了變化，對水庫泥沙淤積問題越來越引起人們的關注，水庫泥沙從何而來，如何監測，如何控制，成為各方專家探討的科題。本文結合水土保持監測和水土保持治理，做出以下論述。

關鍵詞：三峽庫區 入庫泥沙 監測探討

一、庫區水土流失現狀

長江流域山高坡陡、溝壑縱橫、地形破碎、土層淺薄，加之降雨充沛，一旦地表植被不復存在，就會發生嚴重的水土流失。三峽水庫建成后，長江上游，良田無法滿足日益膨脹的人口，人們向大山要耕地，使坡耕地成為長江水土流失最嚴重的地帶，荒山荒坡、疏幼林地和滑坡、崩塌、泥石流等也帶來大量泥沙，開發建設項目則造成了人為的水土流失。水土保持監測是水土流失防治的基礎工作，是完善生態環境監測、落實國家生態保護與建設決策的重要支撐。

二、水土流失監測存在的問題

1、目前的監測主要采用駐點監測為主（站點稀疏），巡測為輔，無法準確掌握入庫支流的泥沙情況。

2、監測隊伍薄弱，監測手段單一，監測技術較為落后。

3、各系統對水土流失監測數據尚未共享。

三、建議

（一）加強水土流失治理

1、長江上游大于25度的坡耕地建議退耕還林。

2、在長江消落帶進行植物措施治理。

3、長江中游禁止圍湖造田。

（二）加強水土保持宣傳

1、讓水土保持走進校園，大力宣傳水土保持對生態環境的重要性。

2、對于項目開發，宣傳水土保持方案的審批，強化跟蹤監督工作，嚴格把關。

（三）提高泥沙監測技術手段

1、推移質輸沙率測驗技術現狀與建議

天然河道中的推移質位于河流底層，在時間和沿河床橫向分布上隨機性較大，上述因素給推移質測量造成了極大的困難，使得推移質測驗技術多年來進展不大。目前，水土流失監測站開展推移質測驗的方法主要為采樣器法，基本思路是沿測量斷面布設多個垂線，在各垂線依次投放采樣器進行取樣，再沿斷面積分求得斷面輸沙率，所用的采樣器主要由壓差式和網式兩類。然而，由于推移質輸沙率對水流條件的變化極為敏感，而采樣器投放到河底時對局部水流條件影響顯著，加之采樣器底部很難緊貼床面，使得現有采樣器的采樣效率較低（低于50%）;同時，現有斷面輸沙率測驗方法自動化和信息化水平不高，完成一次采樣歷時較長（≤4小時），需要大量人力投入;上述因素使得河流斷面推移質輸沙率尚遠未實現準確、實時、自動測量的目標。

2、懸移質輸沙率測驗技術現狀與建議

在懸移質泥沙運動測量方面，最準確的方法仍然是傳統的人工取樣后實驗室分析級配和濃度，這種方法雖然結果準確但是無法實施遠程自動化觀測。目前應用較多的實時在線監測方法主要有紅外光或者超聲波散射技術測量懸移質濃度。但這兩種技術均存在明顯的局限性，其中最嚴重的制約因素有兩個：一是只適應于較低的泥沙濃度（稀疏顆粒），二是多局限于泥沙濃度的測量，然而泥沙濃度和級配測量二者存在極大相關性，僅僅測量單一參數會導致測量結果精度極低。

因此，建議研制適用于野外河流泥沙的濃度和級配耦合測量系統。擬基于超聲波回波強度與泥沙濃度和級配的關系，采用多頻率超聲傳感器測量泥沙濃度和級配。根據瑞利反向散射原理，超聲波的回波信號強度與超聲波入射強度、超聲波頻率、測點距離探頭距離、測點水團的含沙量、泥沙粒徑均存在相關關系。因此，在確定超聲波入射強度、超聲波頻率和測點距離探頭距離后，使用單一頻率探頭所得回波信號強度仍然同時受到含沙量和泥沙粒徑分布的影響。因此，單一頻率探頭只能在泥沙粒徑分布恒定的情況下標定后測量泥沙含沙量，當泥沙粒徑分布改變時，測量結果便會發生較大誤差。本項目擬在同一測點同時使用4種頻率的傳感器，中心頻率分別為1.5、3.5、9.0、22.0MHz，覆蓋帶寬0.8～30MHz。根據瑞利散射公式可知可檢測的最小粒徑為D=0.0016mm，可檢測的最大粒徑D=0.358mm，完全覆蓋長江和黃河常見懸移質的粒徑分布范圍。在相同濃度相同粒徑條件下，不同頻率探頭的回波強度不同，通過大量實驗室標定實驗，得到四探頭條件下回波強度與泥沙粒徑分布和濃度分布的關系。最終實現對泥沙粒徑分布和濃度分布的同時測量。

3、庫區淤積測量技術現狀與建議

常規的水庫淤積測量方法主要是斷面法測量水深，通過兩次的庫容相差獲得淤積量，操作較為簡單，但因受前提斷面位置假設的制約，精度難以保證。隨著3S技術的迅速發展，水下地形測量方法取得了很大的進展。通過全球定位系統GPS獲取平面坐標，高精度測深儀獲取水深數據。例如，回聲測深儀是一種單波束測深設備，雙頻測深儀根據兩個頻率測量深度，通過相差獲得淤積層厚度。

為了保證淤積量的測量精度，需要對庫區進行測線設計，GPS和測深采樣也要按照水下地形測量規范等間距或等時間采樣，如果水下地形出現變化，需加密測線。這樣有利于提高在水下地形變化復雜的測區淤積測量精度。為了提高淤積量測量精度，有學者提出了更為準確的淤積量計算方法，例如“三角度體積法”等。通過先進的測控設備可以高效測量水庫淤積量，在實際應用過程中應保證已有地形數據和實際中多種測量儀器測量數據結果之間的坐標基準匹配準確。

四、萬州區劉家溝小流域綜合觀測站監測運行現狀

（一）選址

劉家溝小流域控制站位于三峽庫區腹心的重慶市萬州區天城鎮萬河村，出口處地理坐標：東徑108°21′45″、北緯30°53′45″，距萬州主城區約5 km，交通十分便利。劉家溝閉合小流域面積1.64km2，主河道長3.10km，平均坡降20%，屬長江流域一級支流。劉家溝小流域汛期及枯期的徑流、泥沙變化懸殊大，在設計上采用了復合式堰，即由三角堰和矩形堰復合而成的平坦“V”型堰。建站目的是觀測小流域治理前后徑流、泥沙的變化，從而分析水土保持防洪減災作用以及水資源優化配置在發展小流域經濟方面的作用。

流域內土壤以黃壤和棕紫色沙壤土為主，天然植被以松、杉、柏等為主，主要分布在流域上游，林草覆蓋率達到70%。人工植被以經果林為主，主要有油桐、桑樹、柑桔、梨、板栗、杜仲等。

流域農業種植以水稻、小麥、玉米、紅苕、洋芋等為主。

流域上游以成林和疏幼林為主，流失程度較輕;中游坡度大，荒山荒坡多，雜草雜樹較多，下游雖然坡度較小，但是坡耕地多，墾殖指數高，流域中下段水土流失較為嚴重。流域內土壤侵蝕以面蝕為主。

（二）泥沙觀測

劉家溝泥沙觀測主要包括兩方面：懸移質觀測和推移質觀測。

1、懸移質觀測

主要采用人工觀測和儀器觀測相結合。目前，水位觀測已基本實現自動化，并能進行遠程傳輸，洪水發生時，人工觀測就是在卡口出口處用采樣器進行人工采樣，儀器觀測目前采用了ISCO采樣器，通過水位觸發的原理實現儀器的自動采樣。

2、推移質觀測

主要采用人工觀測，劉家溝觀測站在修建時，在卡口上游修建了沉沙池，推移質就是在沉沙池中人工采樣計算得到。

泥沙數據均需通過采樣后到實驗室分析得到。

（三）立足劉家溝小流域的監測工作，提出以下想法：

1、利用遙感、無人機等現代信息技術繪制流域地形圖，掌握萬州區全域入庫支流情況、項目開發情況、植被覆蓋情況等。在入庫重要支流合理布設監測站點，時時監測入庫泥沙數據。

2、在自動化儀器不能及時跟進的情況下，采取人工觀測結合儀器同時進行，盡量保證泥沙數據的準確度。