三峽蓄水后宜昌至武漢段新水沙特性研究

楊燕華，張明進(jìn)，王建軍

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

三峽蓄水后宜昌至武漢段新水沙特性研究

楊燕華，張明進(jìn)，王建軍

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

文章采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗(yàn)法，分析宜昌站和漢口站來水來沙數(shù)據(jù)的變化趨勢和突變情況，研究三峽工程蓄水運(yùn)用后宜昌至武漢河段的新水沙特性。結(jié)果表明，三峽水庫的運(yùn)行調(diào)平了流量過程，使得枯水期縮短，中水期延長；三峽水庫開始運(yùn)用后，兩站年輸沙量和部分月份月輸沙量發(fā)生突變，輸沙量急劇減少；進(jìn)入宜昌至武漢河段的泥沙大幅度減少，幾乎可以認(rèn)為是“清水”下泄；出庫“清水”從沿程河床獲取泥沙后不飽和度降低，輸沙量得到一定程度恢復(fù)。

三峽蓄水運(yùn)用；徑流量；輸沙量；Mann-Kendall檢驗(yàn)法；宜漢河段；長江

三峽水庫按正常蓄水位175m運(yùn)行后，水庫總庫容約430×108m3，上游來沙大部分被攔截淤積在庫內(nèi)，下泄清水或含有非床沙質(zhì)的渾水。水沙條件的改變破壞了下游河流的平衡，引起下游河道再造床，由此產(chǎn)生含沙量沿程恢復(fù)、河床沖刷下切、河岸侵蝕展寬、水位下降等一系列長時間、長距離的變化［1-3］。而長江中游河道則首先響應(yīng)這種變化，其水文、河床地形等變化更為激烈。

長江中游宜昌至武漢河段（習(xí)稱宜漢河段）流經(jīng)富庶的江漢平原，河段位置十分重要，其水沙特性、河道地形及航道條件的變化歷來為社會廣泛關(guān)注。本文根據(jù)現(xiàn)有的水文原型觀測成果，采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次檢驗(yàn)法，分析宜昌站和漢口站的來水來沙數(shù)據(jù)，對三峽工程蓄水運(yùn)用后宜漢河段的新水沙特性進(jìn)行了分析研究。

1 河段概況

宜昌為長江中游與上游的分界點(diǎn)。宜昌以下，長江由山區(qū)進(jìn)入長江中下游平原，河道也變?yōu)闆_積性河床。宜昌—漢口河段按照河床地貌特性的不同，可以分為4個河段：（1）宜昌—枝城河段，為單一微彎河段，上段受到基巖山丘和階地的限制，下端則發(fā)育于沖積平原之中。本河段中，河床組成由礫石變?yōu)樯迟|(zhì)；（2）上荊江河段，為彎曲河段，但局部仍有江心洲發(fā)育；（3）下荊江河段，為蜿蜒性彎曲河段，自然裁彎頻繁發(fā)生；（4）城陵磯—武漢河段，為穩(wěn)定分汊河段，江心洲十分發(fā)育［4］。

宜昌站控制著長江上游1 005 501 km2的流域面積，是宜漢河段的主要洪水來源。宜昌站的水情信息對宜漢河段是非常重要的。漢口水文站位于宜漢河段下游，是長江干流在漢江入?yún)R后水情的基本控制站，控制流域面積為1 488 036 km2。作為下游控制水文站，漢口站可以反映宜漢河段的水沙情況。

2 研究方法介紹

Mann-Kendall檢驗(yàn)法由Mann和Kendall(1938,1975)提出，是世界氣象組織推薦并已廣泛使用的非參數(shù)檢驗(yàn)方法，許多學(xué)者不斷應(yīng)用Mann-Kendall方法來分析降水、徑流和水質(zhì)等要素時間序列的趨勢變化［5-7］。在Mann-Kendall檢驗(yàn)中構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計量服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)：序列無趨勢變化。采用雙邊趨勢檢驗(yàn)，在給定一顯著性水平α下，查正態(tài)分布表得到臨界值，若，接受原假設(shè)，即序列無趨勢變化；若，拒絕原假設(shè)，即表明序列存在一個明顯的增長或減少趨勢。所有將組成一條隨時間變化曲線，如果該曲線落在置信區(qū)間內(nèi)，那么原序列不存在變化趨勢，反之，原序列存在顯著的變化趨勢。將時間序列x按逆序排列，再按上式計算，同時使，如果和兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界直線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時刻就是突變開始的時刻。

3 宜昌站徑流量與輸沙量變化趨勢、突變分析

3.1 徑流量變化趨勢及突變分析

從圖1宜昌站年流量計算結(jié)果可以看到，1950～2008年間宜昌站年徑流量整體呈現(xiàn)減少趨勢，1960～1962年和1979年出現(xiàn)了短暫的顯著減少趨勢，其他年份徑流量變化趨勢微弱。當(dāng)曲線在波動中到2000～2008年間，曲線保持下降趨勢，徑流量出現(xiàn)拐點(diǎn)，2006年達(dá)到60 a來最小值。年徑流量沒有發(fā)生突變。

3.2 輸沙量變化趨勢及突變分析

圖1 1950～2008年宜昌站徑流量變化趨勢及突變分析Fig.1 Variation tendency and mutation of runoff at Yichang hydrologic station in 1950～2008

圖2-a為宜昌站1950～2008年長系列年年輸沙量變化趨勢及突變情況，圖2-b和2-c分別為1950～1988年和1989～2008年2個短系列年年輸沙量變化趨勢及突變情況。由圖2-a可見，宜昌站年輸沙量在1955～1959年、1963～1971年、1982～1987年間呈現(xiàn)微弱增加趨勢，其中1963～1971年輸沙量增加的時間區(qū)段最長，趨勢也最明顯，而該時間段內(nèi)的徑流量呈現(xiàn)微弱的減少態(tài)勢，這與1958年大煉鋼鐵時期對森林的大量砍伐導(dǎo)致流域泥沙流失有很大關(guān)系，但之后輸沙量開始降低，這是因?yàn)殚L江上游的兩大支流嘉陵江與岷江流域在20世紀(jì)60年代修建了水庫，水庫發(fā)揮了顯著的攔沙作用，使支流的輸沙量減少。其他年份年輸沙量均減少，其中2001～2008年減少顯著，2001年達(dá)到95%置信水平，2003年達(dá)到99%置信水平，這是由于三峽工程運(yùn)行后，水庫將大量泥沙攔截在庫內(nèi)，下泄的泥沙大幅度減少，使得宜昌站的輸沙量大量減少。由圖2-b和圖2-c可見，宜昌站年輸沙量分別在1954、 1959、1982、2003年發(fā)生了突變，其中1982年年輸沙量突變由葛洲壩水庫的運(yùn)行導(dǎo)致，宜昌站緊鄰葛洲壩樞紐下游，20世紀(jì)80年代葛洲壩樞紐建成運(yùn)用后，下游來沙就呈現(xiàn)逐年減少的趨勢。2003年以來宜昌年輸沙量開始顯著減少，水庫運(yùn)行6 a（2003～2008年）后宜昌站年均輸沙量為9.084～110.104 Mt，平均值為60.904 Mt，較建庫前多年平均值（1950～2002年統(tǒng)計值）491.791 Mt，減少了87.62%。

圖2 宜昌站年輸沙量變化趨勢及突變分析Fig.2 Variation tendency and mutation of annual sediment discharge at Yichang hydrologic station

圖3為1989～2008年宜昌站月輸沙量的變化趨勢和突變情況,由圖可見1～9月及11月月輸沙量均發(fā)生了突變，突變點(diǎn)分別為2004年、2003年、2003年、1998年和2004年、1998年和2003年、2003年、2003年、1998 年和2003年、2005年、2003年?？梢?，三峽水庫的運(yùn)行直接導(dǎo)致宜昌站輸沙量發(fā)生突變，月輸沙量急劇減少，建庫前和建庫后1～12月的輸沙量平均值分別為0.553、0.288、0.78、4.411、20.906、51.322、154.254、120.973、87.57、34.184、9.693、2.059和 0.069 4、0.050 8、0.063 7、0.158、0.645、2.223、18.953、18.255、18.619、1.563、0.213、0.089 6 Mt，分別減少87.45%、82.36%、91.83%、96.42%、96.91%、95.67%、87.71%、84.91%、78.74%、95.43%、97.8%、95.65%。綜上所述，三峽蓄水導(dǎo)致宜昌站的年輸沙量和月輸沙量急劇減少，幾乎可以認(rèn)為三峽水庫運(yùn)行后為清水下泄。

圖3 1989～2008年宜昌站月輸沙量變化趨勢及突變分析Fig.3 Variation tendency and mutation ofmonthly sediment discharge at Yichang hydrologic station in 1989～2008

4 漢口站徑流量與輸沙量變化趨勢、突變分析

4.1 徑流量變化趨勢及突變分析

圖4 1954～2010年漢口站徑流量變化趨勢及突變分析Fig.4 Variation tendency and mutation of runoff at Hankou hydrologic station in 1954～2010

三峽工程蓄水后（2003～2010年）漢口站年徑流量變化趨勢不明顯，建庫前1954～2002年和建庫后2003～2010年的年徑流量平均值分別為7 054.687和6 733.41×108m3，但年內(nèi)各月份的分布有所改變（圖4）：1～3月份徑流量趨勢曲線超出95%臨界線，徑流量呈現(xiàn)顯著增加趨勢，建庫前1954～2002年和建庫后2003～2010年1～3月的徑流量平均值分別為220.024、203.334、286.898和259.824、250.241、360.869×108m3，分別增長了15.32%、23.07%、25.78%；4月和12月徑流量稍有增長。由此可見三峽水庫的運(yùn)行調(diào)節(jié)了徑流過程，使得枯水期縮短，中水期延長，最小流量增加。此外，5～11月在三峽水庫運(yùn)行后徑流量減少；10月份徑流量在2008～2010年下降顯著，這是因?yàn)槿龒{水庫汛末蓄水，水庫攔蓄上游來流，下泄流量減少較多所致。其他情況的月徑流量表現(xiàn)為微弱減少。建庫前、后5～11月的徑流量平均值分別為657.178、785.283、1 145.978、994.915、884.44、718.419、447.456和627.232、776.671、1 024.51、946.156、851.504、543.1、394.034×108m3。對于降雨量最多的7～9月，三峽工程蓄水后漢口站徑流量分別減少了10.6%、4.9%及3.72%，所以三峽的運(yùn)行削減了漢口站豐水期的下泄流量，同樣使得中水期延長。

圖5 漢口站年輸沙量變化趨勢及突變分析Fig.5 Variation tendency and mutation of annual sediment discharge at Hankou hydrologic station

4.2 輸沙量變化趨勢及突變分析

圖5-a為漢口站1954～2010年長系列年年輸沙量變化趨勢及突變情況，圖5-b和圖5-c分別為1954～1993年和1994～2010年2個短系列年年輸沙量變化趨勢及突變情況。由圖5-a可見，1960～1975年、1982～1985年期間年輸沙量呈現(xiàn)微弱增加趨勢，其他時間年輸沙量均為減少趨勢，其中1995年達(dá)到了95%置信水平，1997年達(dá)到99%置信水平。由圖5-c可見，漢口站年輸沙量在2003年三峽水庫運(yùn)行后發(fā)生突變，2003年后曲線幾乎呈一斜線沒有波動，年輸沙量劇烈減少，水庫運(yùn)行8 a（2003～2010年）后漢口站年均輸沙量為87.429～173.644 Mt，平均值為118.223 Mt，較建庫前多年平均值（1954～2002年統(tǒng)計值）393.427 Mt，減少了69.95%。

由1995～2010年月輸沙量的變化趨勢（圖6）可見，除3月外，其他月份在三峽水庫蓄水之后輸沙量的下降趨勢都達(dá)到了95%的顯著置信水平，1、4～6、8～12月份達(dá)到了99%置信水平，形成十分顯著的下降趨勢。建庫前和建庫后1～12月的輸沙量平均值分別為3.579、3.02、5.651、13.118、26.239、40.236、91.893、79.652、66.27、40.792、16.416、6.563和1.446、1.817、3.512、4.976、7.618、10.659、21.611、27.36、19.521、6.893、4.177、1.914Mt，分別減少59.6%、39.83%、37.85%、62.07%、70.97%、73.51%、76.48%、65.65%、70.54%、83.1%、74.56%、70.84%。對比宜昌站，可以看出，漢口站三峽水庫運(yùn)行前后年輸沙量和月輸沙量減少的幅度及趨勢比宜昌站小，說明出庫“清水”從沿程河床獲取泥沙后不飽和度降低，輸沙量得到一定程度的恢復(fù)。

圖6 1994～2010年漢口站月輸沙量變化趨勢及突變分析Fig.6 Variation tendency andmutation ofmonthly sediment discharge at Hankou hydrologic station in 1994～2010

5 結(jié)論

根據(jù)對宜昌站和漢口站徑流量、輸沙量的變化趨勢及突變分析，可以總結(jié)得到宜漢河段在三峽蓄水運(yùn)用后的新水沙特點(diǎn)如下：（1）三峽水庫蓄水運(yùn)用后，年徑流量變化趨勢不明顯，但受水庫的調(diào)蓄作用，年內(nèi)各月份分布有所改變，各站月徑流量變化明顯，削減了豐水期下泄流量，調(diào)平了流量過程，枯水期流量有所增加，枯水期時間縮短，中水期延長。漢口站年徑流量發(fā)生了突變，宜昌站年徑流量沒有突變發(fā)生，2個水文站有個別月份的月徑流量了發(fā)生突變。但就突變發(fā)生的時間來看，無論是年徑流量還是月徑流量的突變都與三峽工程的運(yùn)行關(guān)系甚微。（2）不同于徑流量的變化趨勢，三峽水庫運(yùn)用后，宜昌站和漢口站輸沙率呈顯著下降趨勢，幾乎可以認(rèn)為三峽水庫運(yùn)行后為清水下泄。各站年輸沙量和大部分月輸沙量達(dá)到99%顯著性水平，其中尤以宜昌站減沙最為嚴(yán)重。宜昌站和漢口站年輸沙量發(fā)生了突變，從突變發(fā)生的時間來看，三峽水庫對宜昌站和漢口站起到了重要的作用。兩站的年輸沙量和部分月份的月輸沙量在三峽水庫開始運(yùn)用或延后的時間內(nèi)發(fā)生突變，輸沙量急劇減少。（3）三峽蓄水運(yùn)用后，壩下游宜昌站和漢口站輸沙量減幅87.62%、69.95%，且減幅沿程遞減，說明了水流挾沙的沿程恢復(fù)。漢口站輸沙量對三峽工程的響應(yīng)比宜昌站要小得多，不飽和水流從沿程河床獲取泥沙后，到達(dá)漢口站時沿程的輸沙量得到一定程度的恢復(fù)。

［1］江凌,李義天,孫昭華,等.三峽工程蓄水后荊江沙質(zhì)河段河床演變及對航道的影響［J］.應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2010,18（1）:1-10. JIANG L,LIY T,SUN ZH,et al.Channel Evolution of Jingjiang Reach and Its Influences on Waterway after Impoundment of the Three Gorges Project［J］.Journal of Basic Science and Engineering,2010,18（1）:1-10.

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唐山港京唐港區(qū)20萬t級航道工程竣工

2013年6月26 ～28日，河北省交通運(yùn)輸廳組織召開了3個水運(yùn)建設(shè)項(xiàng)目的初設(shè)審查和竣工驗(yàn)收會議：黃驊港綜合港區(qū)、散貨港區(qū)20萬t級航道二期工程初設(shè)審查會、唐山港曹妃甸港區(qū)文豐通用雜貨泊位工程初設(shè)審查會以及唐山港京唐港區(qū)20萬t級航道工程竣工驗(yàn)收會。據(jù)悉，已竣工的唐山港京唐港區(qū)20萬t級航道工程航道長度16.7 km，同時將原10萬t級航道配套東西潛堤各向前延伸1 000m并配套建設(shè)導(dǎo)助航設(shè)施。（殷缶，梅深）

斯里蘭卡宣布兩大港口為自由港

據(jù)報道，斯里蘭卡財政部2013年7月31日宣布將國內(nèi)2個主要港口科倫坡港和漢班托特港設(shè)為自由港。斯財政部在一份聲明中說，按照相關(guān)法案，科倫坡港、南端漢班托特港被列為自由港，同時臨近2個港口的2個出口加工區(qū)被列為保稅區(qū)，位于斯最南部的馬塔拉-拉賈帕克薩國際機(jī)場也被指定為保稅區(qū)。（殷缶，梅深）

Research on new characteristics of runoff and sediment in Yichang-Wuhan reach of middle Yangtze River after TGR impoundment

YANG Yan-hua,ZHANG M ing-jin,WANG Jian-jun
(Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China)

The impoundment of the Three Gorges Reservoir(TGR)has changed the characteristics of runoff and sediment at the downstream of the dam.In order to research the new characteristics of runoff and sediment in Yichang-Wuhan reach of the middle Yangtze Rive after TGR impoundment,the variation tendency and sudden change of the runoff and sediment data of Yichang and Hankou hydrologic stations were analyzed with Mann-Kendall method.The analysis results demonstrate that:after TGR impoundment,the water runoff process has been adjusted.The time in dry season has been shortened and that in median water period has been prolonged. Annual sediment discharge and some of monthly sediment discharge in the two hydrologic stations have changed suddenly,and the sediment passing into Yichang-Wuhan reach has been substantially reduced,so the water discharged from the dam can be almost thought of as"clear water".Research shows unsaturated degree of the clear water released from reservoirs decreased after obtaining sediment along the river,so the sediment discharge would be partly recovered.

TGR impoundment and operation;runoff;sediment discharge;Mann-Kendall method;Yichang-Wuhan reach;the Yangtze River

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2013）04-0327-08

2013-02-06；

2013-03-12

國家自然科學(xué)基金（51209112）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）（2012AA112508）;中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（TKS120102,TKS120201）;西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目（201132822430，20113282241760）

楊燕華（1985-），女，山西省人，助理研究員，主要從事航道工程研究。

Biography：YANG Yan-hua（1985-）,female,assistant professor.