瀾滄江湄公河輸沙量變化及其影響因素

劉 成,王建軍,何 耘

(1.國際泥沙研究培訓中心,北京 100048;2.新布倫瑞克大學測繪工程系,新布倫瑞克弗雷德里克頓 E3B5A3,加拿大; 3.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

瀾滄江湄公河輸沙量變化及其影響因素

劉 成1,王建軍2,何 耘3

(1.國際泥沙研究培訓中心,北京 100048;2.新布倫瑞克大學測繪工程系,新布倫瑞克弗雷德里克頓 E3B5A3,加拿大; 3.中國水利水電科學研究院,北京 100038)

為了更準確評估瀾滄江湄公河輸沙量的變化情況及上游水電開發(fā)對下游輸沙量變化的影響,從最近幾年文獻中選擇可信的下湄公河各站的年輸沙量數(shù)據(jù),并根據(jù)相關文獻整理得出漫灣水電工程壩下第一個水文站點——嘎舊站1965—2003年的年徑流和年輸沙量系列數(shù)據(jù),分析比較瀾滄江湄公河沿程各站的年輸沙量變化趨勢。結(jié)果表明:瀾滄江上漫灣水電工程運行后,嘎舊站年輸沙量大幅降低,降幅大于60％,但清盛站及其下游各站輸沙量未出現(xiàn)與其一致的變化趨勢。認為清盛站輸沙量的降低量遠低于嘎舊站的原因主要是兩站間含沙量大的支流匯入、人工經(jīng)濟林取代原始森林等因素造成的流域水土流失和河流含沙量恢復。湄公河入海沙量約為1.45億t/a,預計未來湄公河入海沙量可能會降低。

瀾滄江;湄公河;輸沙量;徑流量

瀾滄江-湄公河發(fā)源于青海省玉樹藏族自治州的雜多縣吉富山,流域總面積約81萬km2,流域范圍涉及中國、緬甸、老撾、泰國、柬埔寨和越南6國。從河源至河口全長約4 880 km,平均比降為0.103％。該河在我國境內(nèi)稱為瀾滄江,至南臘河口流出國境后稱湄公河。國際上將中國和緬甸境內(nèi)的河段稱為上湄公河(Upper Mekong),把老撾、泰國、柬埔寨和越南境內(nèi)的河段稱為下湄公河(Lower Mekong)(圖1)。

河流泥沙量的變化對河道演變、河流生態(tài)、航運開發(fā)、水電站建設、河口三角洲沖淤等帶來重大的影響,因此研究瀾滄江-湄公河河流泥沙的變化和發(fā)展趨勢具有重要意義,近年已有越來越多的研究涉及瀾滄江-湄公河輸沙量的變化及趨勢預測。文獻[1]將中國境內(nèi)瀾滄江劃分成上、中、下3段,根據(jù)實測水文泥沙資料,分析了20世紀50年代到1987 年3段各自的水沙變化過程,發(fā)現(xiàn)水量變化比較平穩(wěn),泥沙則有增加趨勢。關于中國境內(nèi)水電站工程對下湄公河輸沙量的影響,近年來發(fā)表的文獻有多種不同看法。文獻[2]認為漫灣水電工程使湄公河下游各站沙量均下降,比較1962—1992年和1993—2002年兩個時段的年輸沙量,清盛站從7100萬t降至3100萬t,巴色站從1.33億t降至1.06億t。文獻[3]提出受漫灣水電工程的影響,清盛站的年輸沙量從1993年前的7 411萬t下降到1993—2000年的3451萬t,但大壩的減沙效應只影響至萬象,相應時期穆達漢站的年輸沙量卻增高約34％。文獻[4]通過分析漫灣水電站建成前后數(shù)站的懸沙濃度變化,認為漫灣水電工程對河流懸沙濃度的影響僅局限至允景洪站。文獻[5-6]分析了瀾滄江允景洪站1965—1987年以及湄公河清盛、瑯勃拉邦、廊開、穆達漢和巴色5個站1960—2002年的泥沙數(shù)據(jù),顯示清盛及下游各站的輸沙量沒有響應大壩的減沙作用,清盛站年輸沙量從1960—1992年的7230萬t增加到1993—2003年的9480萬t,下湄公河各站的輸沙量變化在過去40 a里相對平穩(wěn);同時指出一些水質(zhì)測試得到的泥沙數(shù)據(jù)低估了實際的輸沙量,這也是一些研究[2-3,7]得出漫灣水電工程造成清盛站輸沙量突然降低的原因之一。文獻[8]結(jié)合不同來源的水沙數(shù)據(jù),重建了清盛、瑯勃拉邦、廊開、穆達漢和孔尖5個站的年輸沙量的系列變化,在上游水電工程對河流輸沙量的影響上,也認為僅局限至清盛站。

瀾滄江-湄公河境外的現(xiàn)有泥沙數(shù)據(jù)很難直接使用,因為數(shù)據(jù)采集方法不一致,測試方法也有多種,有按水質(zhì)測試方法測量的單點懸浮物濃度;有按美國河流泥沙測試技術測量的總懸移質(zhì)濃度,但按此法測試的站點少,采樣頻率低[6-8]。正是由于數(shù)據(jù)量有限,數(shù)據(jù)的一致性、可信性不高,不同的研究者得出不同的結(jié)果也是可以理解的,但隨著研究的深入,研究成果越來越具有說服力。文獻[6]詳細分析了各站泥沙數(shù)據(jù)的可靠性,得出的年輸沙量數(shù)據(jù)令人信服;文獻[8]等在前人研究的基礎上,重建了多站連續(xù)的年輸沙量系列數(shù)據(jù),在此方面做出了有益的貢獻。但文獻[6]提出由于分析中缺乏1990年以后瀾滄江段的泥沙數(shù)據(jù),難以評估中國水電工程對下游河段輸沙量的影響。

本文以文獻[6,8]得到的湄公河上各站的年輸沙量數(shù)據(jù)為基礎,從公開發(fā)表的文獻整理得出漫灣水電站壩下的第一個水文站點——嘎舊站的年徑流量和輸沙量數(shù)據(jù),對瀾滄江-湄公河輸沙量的變化情況進行比較,分析輸沙量變化的影響因素和漫灣水電工程對沿程輸沙量變化的影響。

圖1 瀾滄江-湄公河示意圖

1 嘎舊站水沙變化情況

嘎舊站是漫灣水電站壩下的第一個水文站點,距壩址約15 km,漫灣水電工程對其水沙變化影響明顯。嘎舊站有長系列的水沙數(shù)據(jù),本文主要數(shù)據(jù)源自文獻[1]所列出的1965—1987年嘎舊站的年徑流、年輸沙數(shù)據(jù),并根據(jù)文獻[9]補至2003年,據(jù)此得出嘎舊站的年徑流量和年輸沙量逐年變化如圖2所示,得出年徑流量和年輸沙量雙累計曲線如圖3所示。

圖2 嘎舊站的年徑流量和年輸沙量逐年變化

圖3 嘎舊站的年徑流量和年輸沙量雙累計曲線

由圖2可見,嘎舊站年徑流量呈略增長趨勢,多年平均值約為390億m3,1993—2003年平均徑流量增加至約418億m3。從年輸沙量變化情況看,嘎舊站多年平均值約為3800萬t,總體上各年輸沙量隨年徑流量的升降而同步增大和減少。采用徑流量和輸沙量雙累積曲線是判定輸沙量變化出現(xiàn)拐點的有效方法,能夠消除徑流量的變化對輸沙量趨勢分析的影響。由圖3可見,累積年徑流量和輸沙量在1984年前均基本呈線性增長關系,說明1965—1984年期間兩站的輸沙量無明顯趨勢性變化。1985年雙累積曲線開始略上翹,直至1992年后出現(xiàn)第2個拐點,雙累積曲線斜率明顯變緩,反映出1985—1992年輸沙量有一定增高,1993—2003年輸沙量大幅下降。因此,輸沙量變化可分成1965—1984年、1985—1992年和1993—2003年3個明顯的不同時段,呈穩(wěn)定、升高、降低的變化。3個時段平均值分別為4130萬t、5890萬t和1690萬t。

2 下湄公河段輸沙量變化情況

Walling[6]經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研,收集了各類泥沙量數(shù)據(jù),整理、分析得出有足夠?qū)崪y數(shù)據(jù)支持的清盛、瑯勃拉邦、廊開、穆達漢和巴色5個站1960—2003年的年輸沙量數(shù)據(jù);Wang等[8]充分吸收、借鑒前人的研究成果,重建了清盛、瑯勃拉邦、廊開、穆達漢和孔尖5個站1962—2003年的逐年輸沙量的系列變化,對湄公河輸沙量研究作出了有益的貢獻。

圖4為文獻[6,8]所提出的各站的年輸沙量變化情況。文獻[6]最下游站采用了巴色站數(shù)據(jù),但僅有6年可信的數(shù)據(jù);文獻[8]選用了距巴色站上游41km的孔尖站數(shù)據(jù)?？傮w看,除孔尖、巴色站外,文獻[8]重建的各站年輸沙量變化值與文獻[6]提出的輸沙量基本一致,說明重建的數(shù)據(jù)基本可信。

文獻[10]對瀾滄江段年徑流量1960—2005年的變化趨勢進行了分析,顯示清盛、瑯勃拉邦、萬象和巴色站年徑流量呈減少趨勢,而穆達漢站呈增加趨勢。從圖4可見,各站的年輸沙量變化趨勢與年徑流量變化趨勢不盡相同。清盛站年輸沙量的多年變化與嘎舊站表現(xiàn)出相似的形態(tài),即20世紀80年代中期至90年代初輸沙量增高,隨后輸沙量降低,但與嘎舊站輸沙量呈下降趨勢不同,清盛站輸沙量的總體變化趨勢略增高?，槻詈屠乳_站年輸沙量變化相似,總體明顯下降,其中20世紀70年代初之前輸沙量較高,其后基本無明顯變化趨勢;廊開站的年輸沙量下降幅度低于瑯勃拉邦站。穆達漢和孔尖站輸沙量則呈上升趨勢,2000年前后年輸沙量明顯增加。

圖4 下湄公河各站年輸沙量變化曲線

3 瀾滄江-湄公河輸沙量沿程變化

表1列出了瀾滄江-湄公河自上而下6個站1965—2003年、1965—1992年、1993—2001年不同時段的多年平均輸沙量的沿程分布,其中嘎舊站年輸沙量采用圖2數(shù)據(jù),湄公河境外段各站輸沙量采用文獻[8]數(shù)據(jù)。

如表1所示,嘎舊、清盛、瑯勃拉邦、廊開、穆達漢和孔尖站1965—2003年的多年平均輸沙量分別為3802萬t、9096萬t、10471萬t、8437萬t、10866萬t和14215萬t,說明嘎舊—清盛、清盛—瑯勃拉邦、廊開以下河段有明顯的泥沙輸入,而瑯勃拉邦—廊開區(qū)間可能存在泥沙沉積區(qū)段。

1965—1992年多年平均輸沙量沿程分布與1965—2003年的分布大致一樣,從嘎舊站至瑯勃拉邦站輸沙量逐漸升高,廊開站明顯降低,下游2站沿程增加。從1993年后多年平均輸沙量的沿程分布看,嘎舊站最低,至清盛站迅速升高,并高于清盛站1992年前的多年平均值;瑯勃拉邦站輸沙量與清盛站變化不大,廊開站明顯下降;隨后穆達漢站和孔尖站輸沙量大幅增加。

從沿程各站1993年前后兩個時段的輸沙量變化看,雖然嘎舊站年輸沙量降幅大于60％,但下游各站年輸沙量的變化不相同。清盛站年輸沙量略升2％;瑯勃拉邦和廊開站降低約12％和5％;而穆達漢站和孔尖站大幅增加了48％和20％。

文獻[7]以清盛、瑯勃拉邦、穆達漢和巴色4站1961年的輸沙量為基礎數(shù)據(jù),與近年同一站具有相近年徑流量年份的輸沙量值相比較,判定輸沙量的變化情況。本文補上嘎舊站1965年的年輸沙量及其近年相近徑流量年份的輸沙量,如表2所示。由表2可見嘎舊站年輸沙量約降低了60％,清盛和穆達漢站年輸沙量分別增大14％和38％,而瑯勃拉邦和巴色站年輸沙量在兩個年代基本持平。從1961年的沿程數(shù)據(jù)看,清盛站以下各站輸沙量沿程增加,也表明了清盛—瑯勃拉邦區(qū)段以及更下游河段存在明顯的泥沙輸入。可見,利用這種比較方法與利用多年輸沙量數(shù)據(jù)進行比較得出了相似的判斷。

表1 瀾滄江-湄公河各站不同時段多年平均輸沙量 萬t

表2 瀾滄江-湄公河各站1961年輸沙量和近年來與之相近年徑流量年份的輸沙量比較

4 輸沙量變化影響因素

4.1 嘎舊與清盛站輸沙量變化的原因

為了便于比較嘎舊與清盛站輸沙量變化的差異,分析原因,將兩站的逐年輸沙量變化繪制在同一圖中(圖5)。由圖5可見,嘎舊和清盛站的年輸沙量呈現(xiàn)相似的變化形態(tài),即可按1965—1984年、1985—1992年和1993—2003年清晰分出輸沙量穩(wěn)定、升高、降低3個變化時段。在3個時間段內(nèi),除了2002年和2003年清盛站的輸沙量呈現(xiàn)明顯降低(主要受大朝山水電站建成攔沙的影響)外,輸沙量變化相對穩(wěn)定。

圖5 嘎舊與清盛站年輸沙量比較

1965—1984年期間,兩站的年輸沙量基本隨年徑流量變化而升降,無趨勢性變化。說明這一時期河流和上游流域受人類活動干擾小,流域水土流失的影響尚不明顯。

大家無法直接感受到手表平時所承受的力，有一個數(shù)據(jù)可供參考，玩過山車時的重力加速度是6G，但人在揮手時，戴在手上的手表會受到8G的重力加速度；輕輕拍手時大約有10G，熱烈鼓掌時就會達到80G。平時我們應該不會想到手表居然要經(jīng)受這么大的沖擊吧。

1985—1992年期間,兩站的輸沙量均大幅增加。嘎舊站多年平均輸沙量從1984年前的4130萬t增至1985—1992年的5890萬t,增幅超過40％,增加量達1760萬t;而清盛站從1984年前的7730 t增至1985—1992年的11 940萬t,增幅54％,增加量達4210萬t,遠高于嘎舊站。這種輸沙量的大幅度增加恰與瀾滄江流域水土流失最嚴重的20世紀80年代中期相對應,主要是流域內(nèi)不合理的土地利用、毀林開荒、陡坡耕墾等,使植被、山體破壞嚴重。據(jù)不完全統(tǒng)計,瀾滄江流域20世紀50—60年代的森林覆蓋率達50％以上,到1985年降至33％,70—80年代瀾滄江流域的森林覆蓋面積急劇減少[11]。同時,漫灣水電站施工造成輸沙量的增加可能也是原因之一。漫灣水電站1985年開工建設,1993年開始蓄水發(fā)電,總庫容9.20億m3,調(diào)節(jié)庫容2.51億m3[12]。

1993—2003年期間,嘎舊站多年平均輸沙量大幅降低至1690萬t,較上一時段(1985—1992年)減沙4200萬t,應主要歸因于漫灣水電站1993年開始蓄水發(fā)電的攔沙效應,流域內(nèi)水土保持措施的減沙作用也不容忽視。1998年長江大洪水后,國家和云南省加大了瀾滄江流域內(nèi)的水土保持工作力度,如實施天然林保護等項目。2000年以后,隨著退牧還林、退耕還林項目的開展,面上水土流失受到有效控制[13]。清盛站此期間的多年平均輸沙量較1985—1992年降低2720萬t,但仍高于1984年以前10％左右,反映了漫灣水電站大壩的攔沙效應和瀾滄江上游水土保持措施的綜合作用。清盛站輸沙量的降低量遠低于嘎舊站,其原因可能有:①嘎舊至清盛站有多條含沙量大的支流匯入,不受上游水電站影響,僅景洪至中國、老撾和緬甸三國交界點南臘河口出境處就有流沙河、南阿河、補遠江和南臘河等多條支流,年均徑流量占瀾滄江出境多年平均徑流量的15.4％[9]。②近年來瀾滄江湄公河結(jié)合部區(qū)域經(jīng)濟快速發(fā)展,以橡膠、甘蔗和熱帶水果為主體的土地開發(fā)大力發(fā)展,導致水土流失加劇[11]。在瀾滄江流域云南段也有大片的原始森林被橡膠林、茶園和熱帶果園等人工經(jīng)濟林所取代的現(xiàn)象[14]。③壩下清水對河道的沖刷,使得河流含沙量沿程恢復。文獻[15]討論水庫下游清水沖刷過程中的含沙量沿程恢復問題時,計算了比降為0.000 1、水深2.4 m、平均流速1.9 m/s條件下,粒徑為0.1 mm的泥沙在清水沖刷作用下的含沙量恢復過程,得出經(jīng)過800 m的距離后含沙量已恢復89％,認為含沙量恢復飽和的距離一般不長。

4.2 中國境內(nèi)水電工程對下湄公河輸沙量的影響

Roberts[16]認為中國出境水量約占全流域入海水量的18％,輸沙量占50％。僅按這種輸沙量的比例簡單推算,中國境內(nèi)因水電工程攔沙引起的出境沙量的降低,將會引起下游各站乃至湄公河入海沙量的降低。但這種簡單推斷可能失之偏頗,未考慮各區(qū)間河段的產(chǎn)沙、河道沖刷和淤積效應。

從前文分析可見,由于上游漫灣水電站等工程的攔沙效應,1993年后嘎舊站年輸沙量大幅降低,降幅超過60％,但進入下湄公河的第一個站清盛站的輸沙量卻變化不明顯,更下游的各站輸沙量有升有降,反映出1993年前后各站區(qū)間河段的來沙、淤積等變化情況。根據(jù)這些站輸沙量的變化情況,可以認為上游大壩的攔沙效應雖然造成嘎舊站輸沙量的大幅降低,但清盛站及其下游各站的輸沙量未出現(xiàn)與其一致的變化趨勢。

4.3 湄公河入海沙量

湄公河入海沙量主要有兩個數(shù)據(jù),一個是聯(lián)合國提出的1.7億t/a[17],另一個是Borland[18]提出的1.6億t/a。聯(lián)合國數(shù)據(jù)主要依據(jù)穆達漢站的數(shù)據(jù),文獻[18]的數(shù)據(jù)源自1968年清盛和萬象站的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)。多數(shù)文獻認為入海沙量為1.5億～1.7億t/a[16,19-20],但這些數(shù)據(jù)均沒有可靠的基礎數(shù)據(jù)支持。根據(jù)文獻[8]重建的距河口最近的孔尖站1962—2003年逐年輸沙量數(shù)據(jù),可得到多年平均輸沙量為1.45億t。入海沙量呈略增長趨勢,1962—1992年多年平均輸沙量為1.39億t,1993—2003年為1.62億t。按此數(shù)據(jù),湄公河入海沙量低于過去的估計值,入海沙量未受到上游建壩的明顯影響。

研究表明,受人類活動影響,全球河流輸沙量大多呈下降趨勢[21];中國主要河流入海沙量近些年都有不同程度的降低[22-23]。中國南方河流如長江、錢塘江、珠江流域的東江和西江的水沙數(shù)據(jù)顯示,雖然這些河流的入海年徑流量基本無趨勢性變化,但近年入海年輸沙量約為多年平均值的60％～80％[24]。雖然從本文所述數(shù)據(jù)看,近年來湄公河入海沙量呈增長趨勢,但考慮到瀾滄江河段小灣、漫灣、大朝山、糯扎渡、景洪等系列水電工程的興建,下湄公河干支流上已建和將建的大壩,結(jié)合全球氣候變化、水土保持工程、下湄公河流域取水灌溉等人類活動干擾的影響,長期看,估計湄公河入海沙量會有一定幅度的降低。

5 結(jié) 論

a.以漫灣水電工程運行的1993年前后分成兩個時段,受大壩攔沙效應等影響,嘎舊站多年平均輸沙量的降幅大于60％,但清盛至廊開站的輸沙量變化不大,而最下游穆達漢和孔尖站兩站卻大幅增加了48％和20％,說明上游大壩雖然造成嘎舊站輸沙量的大幅降低,但清盛站及其下游各站的輸沙量未出現(xiàn)與其一致的變化趨勢。

b.嘎舊和清盛站的年輸沙量呈現(xiàn)相似的變化形態(tài),即可按1965—1984年、1985—1992年和1993—2003年清晰分出輸沙量穩(wěn)定、升高、降低3個變化時段。1985—1992年輸沙量大幅度增高的原因主要是流域內(nèi)不合理的土地利用和人工經(jīng)濟林取代原始森林等造成的嚴重水土流失,水電站施工也引起河流輸沙量增大。1993—2003年兩站輸沙量降低,反映了漫灣水電站大壩的攔沙效應和水土保持效應的綜合作用;清盛站輸沙量的降低量遠低于嘎舊站,其原因主要應是兩站間含沙量大的支流匯入、人工經(jīng)濟林取代原始森林等因素造成的水土流失和河流含沙量恢復。

c.從瀾滄江-湄公河多年平均輸沙量的沿程變化來看,嘎舊—清盛、清盛—瑯勃拉邦、廊開以下河段有明顯的泥沙輸入,而瑯勃拉邦—廊開區(qū)間可能存在泥沙沉積區(qū)段。

d.湄公河入海沙量約為1.45億t/a,低于過去的估計值,近年入海沙量呈上升趨勢,考慮受人類活動影響等多種因素,預計未來湄公河入海沙量會有一定幅度的降低。

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Change in sediment loads in the Lancang-Mekong River and its influencing factors

//LIU Cheng1,WANG Jianjun2, HE Yun3(1.International Research and Training Center on Erosion and Sedimentation,Beijing100048,China; 2.Department of Geodesy and Geomatics Engineering,University of New Brunswick,Fredericton E3B5A3,Canada;3.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing100038,China)

To accurately evaluate variations of sediment loads in the Lancang-Mekong River and influences of its upstream hydropower development on sediment loads in its downstream reaches,the credible data of annual sediment loads at various monitoring stations along the Lower Mekong River are chosen from the existing literatures,and the annual runoffs and sediment loads at Gajiu hydrological station(the first station downstream Manwan Hydropower Station dam on Lancang River)from 1965 to 2003 are yielded.The change trend of annual sediment loads of the Lancang-Mekong River at various stations is analyzed and compared.The results show that the annual sediment loads at Gajiu hydrological station has a dramatical decrease of over 60％after the operation of Manwan Hydropower Project However,the sediment loads at Chiang Saen hydrological station and its downstream stations do not have the consistent change trend.The main causes for the less decrease of sediment loads at Chiang Saen hydrological station than that at Gajiu hydrological station are as follows: confluence of tributaries with high sediment concentration,soil and water losses caused by replacement of natural forest by artificial economic forest,and recovery of sediment content in the rivers.The amount of sediment loads of the Mekong River entering the sea is about 145 million t/a,and it is predicted to be reduced in the future.

Lancang River;Mekong River;sediment load;runoff

10.3880/j.issn.10067647.2013.01.002

P333.4

A

10067647(2013)01000706

2012-05-08 編輯:熊水斌)

中國水利水電科學研究院專項(沙集-1230);“十二五”國家科技支撐計劃(2012BAB02B01)

劉成(1964—),男,安徽渦陽人,教授級高級工程師,博士,主要從事水力學與河流動力學研究。E-mail:chliu@iwhr.com