三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)江中下游沙量平衡分析*

許全喜，李思璇，袁 晶，楊成剛

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局，武漢 430010)

隨著人類(lèi)對(duì)水資源利用程度的增長(zhǎng)，水庫(kù)修建深刻改變水沙條件，導(dǎo)致壩下游河床變形等響應(yīng)性調(diào)整[1-2]. 大型水利工程蓄水運(yùn)用后，壩下河段再造床過(guò)程中的河道沖淤調(diào)整是河床演變學(xué)、河流地貌學(xué)的研究重點(diǎn)之一. 由于水庫(kù)調(diào)蓄方式、規(guī)模大小、河床邊界條件不同，河道呈現(xiàn)出束窄、展寬、下切等差異性調(diào)整特征[3-5]，而河床調(diào)整幅度、沖淤量大小及沖淤發(fā)展態(tài)勢(shì)對(duì)于河勢(shì)穩(wěn)定、黃金水道建設(shè)、保障防洪安全等具有重要意義，沙量平衡分析是合理評(píng)估水庫(kù)運(yùn)行對(duì)壩下游河道演變影響的重要依據(jù)之一.

長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段，屬于大型沖積性平原河流. 受以三峽水庫(kù)為核心的長(zhǎng)江上游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)用影響，中下游泥沙通量發(fā)生明顯改變[6]，打破了河道原有的沖淤相對(duì)平衡狀態(tài)，入海泥沙來(lái)源由以上游來(lái)沙為主，變?yōu)橹邢掠沃Я鳌⒑磥?lái)沙和河床沖刷補(bǔ)給占優(yōu). 董炳江等[7]基于實(shí)測(cè)資料，分析認(rèn)為三峽水庫(kù)壩下游沖刷逐漸向下游發(fā)展，城陵磯以下河段河床沖刷強(qiáng)度明顯增大[8-9]；另有部分研究提出，壩下游河道泥沙沿程恢復(fù)，沖刷將在長(zhǎng)江中游城陵磯附近達(dá)到新的水沙平衡[10]. 目前，宜昌以下河段受長(zhǎng)江上游水庫(kù)群影響的范圍、程度尚存在爭(zhēng)議. 長(zhǎng)江中下游沙量平衡分析是反映以三峽水庫(kù)為核心的水利工程影響下河床調(diào)整態(tài)勢(shì)、開(kāi)展河道演變及整治研究的重要依據(jù). 大型沖積河流河床由非均勻沙組成，但由于河道形態(tài)的多樣性、河床組成的差異性、沿程支流水系入?yún)R等因素的影響，沿程泥沙沖刷補(bǔ)給較為復(fù)雜[11]. 在河床沖刷與沙量恢復(fù)的過(guò)程中，各粒徑組的輸沙量均不會(huì)超出建庫(kù)前水平，這是與河床邊界、河型等因素?zé)o關(guān)的一般性規(guī)律[12]. 已有研究表明，三峽水庫(kù)蓄水后細(xì)顆粒沙量在長(zhǎng)江中游沿程緩慢恢復(fù)且恢復(fù)程度遠(yuǎn)小于蓄水前[13]，粗顆粒沙量補(bǔ)給區(qū)域?yàn)橐瞬帘O(jiān)利河段，其下游為淤積趨勢(shì)[14]. 以上研究成果系統(tǒng)分析了長(zhǎng)江中下游泥沙輸移規(guī)律，但受三峽水庫(kù)持續(xù)影響，壩下游沖刷強(qiáng)度明顯向下游發(fā)展，不同時(shí)空尺度的分組泥沙沖淤特性有待進(jìn)一步揭示.

沙量平衡法與斷面地形法是計(jì)算泥沙沖淤量的兩種主要方法. 沙量平衡法主要依據(jù)實(shí)測(cè)斷面輸沙量，認(rèn)為河道沖淤量為進(jìn)、出口斷面輸沙量差值，該方法的準(zhǔn)確性主要取決于斷面輸沙量的測(cè)量精度. 斷面地形法基于河道地形，斷面間槽蓄量差值即為河道沖淤量. 安催花等[15]采用沙量平衡法和斷面地形法分析計(jì)算了1960年以來(lái)黃河寧蒙河段的泥沙沖淤量，認(rèn)為兩種方法計(jì)算結(jié)果接近、各有特點(diǎn)，可互為補(bǔ)充. 段光磊等[16]、元媛等[17]認(rèn)為沙量平衡法需考慮懸沙測(cè)驗(yàn)改正、泥沙測(cè)驗(yàn)定線誤差、水量不平衡、河道采砂和分流洪道沖淤等；斷面地形法需在彎道、汊道、河道急劇放寬和束窄的局部河段布置相對(duì)較密的斷面. 這些工作較為詳盡地闡述了沙量平衡法、斷面地形法計(jì)算差異及其主要影響因素，但多集中在局部河段. 考慮上游梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度影響范圍廣、作用時(shí)間長(zhǎng)，本文選取長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段為研究對(duì)象，收集了長(zhǎng)江水利委員會(huì)所屬干、支流主要水文站1950-2018年年徑流量、輸沙量及泥沙級(jí)配等實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)，以及干流宜昌至大通河段1998-2018年河道地形和固定斷面觀測(cè)資料. 首先，基于大量實(shí)測(cè)資料，開(kāi)展三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)江中下游不同時(shí)空尺度、分組泥沙沙量平衡分析；其次，比較沙量平衡法、斷面地形法計(jì)算差異，并從測(cè)量誤差、斷面代表性及斷面間距帶來(lái)的誤差、河道采砂影響等多方面探討產(chǎn)生差異的主要原因，以期加深對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)蓄影響下壩下游河段沖淤規(guī)律的認(rèn)識(shí)、為泥沙問(wèn)題的研究提供參考.

1 研究區(qū)域及計(jì)算方法

1.1 研究河段

長(zhǎng)江中下游為沖積性平原河流，除宜昌至江口河段為礫卵石河床外，其他河段均以沙質(zhì)河床為主. 河道兩岸抗沖性較弱，但受兩岸堤防和護(hù)岸等工程的控制作用，總體河勢(shì)基本穩(wěn)定. 受自然因素、水庫(kù)群調(diào)蓄等人類(lèi)活動(dòng)影響，長(zhǎng)江中下游江河湖庫(kù)泥沙輸移、交換及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制均十分復(fù)雜.

本文研究范圍為長(zhǎng)江中下游宜昌至大通長(zhǎng)約1183 km的河道，其中宜昌至湖口為長(zhǎng)江中游，長(zhǎng)955 km，流域面積68萬(wàn)km2；湖口至大通為下游，長(zhǎng)228 km. 長(zhǎng)江中下游沿江兩岸支流、湖泊眾多，江湖關(guān)系復(fù)雜，主要包括清江、洞庭湖水系、漢江、鄱陽(yáng)湖水系等，荊江南岸有松滋、太平、藕池、調(diào)弦四口分流入洞庭湖(調(diào)弦口于1959年建閘封堵)，研究區(qū)域及長(zhǎng)江中下游江湖關(guān)系見(jiàn)圖1.

圖1 研究區(qū)域示意圖Fig.1 Sketch of the study area

1.2 計(jì)算方法

沙量平衡法與河道地形法是計(jì)算沖淤量的常見(jiàn)方法. 沙量平衡法基于物質(zhì)守恒定律，計(jì)算輸入沙量與輸出沙量的差值，作為該河段的沖淤量，該方法利用日均水文泥沙資料，在時(shí)間尺度上具備較好的連續(xù)性. 計(jì)算公式為：

ΔW=W1-W2+E1-E2

(1)

式中，W1、W2分別代表進(jìn)、出口輸沙量；E1、E2分別為區(qū)間匯入、引出沙量；ΔW為河段沖淤量. 長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段沙源較為復(fù)雜，包括干流進(jìn)口沙量以及洞庭湖、鄱陽(yáng)湖、漢江水系等區(qū)間支流湖泊來(lái)沙量；從河道輸出沙量包括干流出口沙量以及松滋口、太平口、藕池口三口分流沙量.

斷面地形法是利用河道地形計(jì)算沖淤量的方法之一，主要是基于固定斷面或利用河道地形圖沿程切割斷面，計(jì)算河段內(nèi)上、下斷面過(guò)水面積，在空間尺度上具有較好的連續(xù)性，常采用截錐公式計(jì)算河段槽蓄量：

(2)

式中，V代表河道槽蓄量(本文取平灘河槽)；N為河段斷面?zhèn)€數(shù)；Ai為第i個(gè)斷面過(guò)水面積；Li為斷面間距. 各測(cè)次之間的槽蓄量之差為河道沖淤量，即ΔV=V1-V2.

本文基于長(zhǎng)江中下游干、支流水文站點(diǎn)泥沙輸移量開(kāi)展沙量平衡分析，對(duì)比沙量平衡法、斷面地形法河道沖淤量計(jì)算結(jié)果，分析產(chǎn)生差異的主要原因. 由于沙量平衡法計(jì)算沖淤量以重量計(jì)，而斷面地形法以體積計(jì)，文中按沙重1.35 t/m3進(jìn)行換算. 此外，考慮到斷面代表性及間距會(huì)對(duì)斷面地形法計(jì)算精度產(chǎn)生影響，在主要原因分析中，局部河段斷面地形法計(jì)算沖淤量結(jié)果與網(wǎng)格地形法進(jìn)行對(duì)比，以合理評(píng)估斷面布置帶來(lái)的誤差. 網(wǎng)格地形法主要利用河道地形實(shí)測(cè)點(diǎn)三維數(shù)據(jù)(x，y，z)或直接用GPS、全站儀、野外測(cè)量等提取實(shí)測(cè)地形三維數(shù)據(jù)，根據(jù)地形圖測(cè)圖比例尺大小或測(cè)點(diǎn)間距等確定適宜的網(wǎng)格尺寸，建立DEM數(shù)字高程模型，給定水位計(jì)算河道槽蓄量，兩次測(cè)槽蓄量的差值即為河道沖淤量.

2 長(zhǎng)江中下游沙量平衡分析

2.1 長(zhǎng)江中下游泥沙沿程恢復(fù)

以三峽水庫(kù)為核心的梯級(jí)水庫(kù)群陸續(xù)投運(yùn)后，宜昌站下泄沙量大幅減少，長(zhǎng)江中下游河道泥沙沿程補(bǔ)給. 但受水動(dòng)力條件變化、河床組成差異性、河道形態(tài)多樣性、通江湖泊以及支流入?yún)R等多重因素的影響，泥沙恢復(fù)過(guò)程較為復(fù)雜.

長(zhǎng)江中下游干流主要控制站實(shí)測(cè)水沙資料表明，各粒徑組輸沙量均未恢復(fù)至蓄水前水平(圖2). 對(duì)于粒徑d<0.125 mm的懸移質(zhì)細(xì)顆粒泥沙而言，其輸沙量沿程遞增，主要受河床補(bǔ)給與江湖入?yún)R共同的影響[18]. 1987-2002年，宜昌、漢口、大通站d<0.125 mm的懸移質(zhì)泥沙年均輸沙量分別為3.77億、3.06億和3.15 億t，三峽水庫(kù)蓄水后2003-2018年三站年均輸移量分別為0.34億、0.79億和1.23億t，減幅為91%、74%和61%. 對(duì)于d>0.125 mm的懸移質(zhì)粗沙部分而言，主要受壩下游河床沖刷補(bǔ)給影響，與蓄水前相比，宜昌、漢口和大通站年均粗沙輸沙量減幅分別為95%、22%和58%，粗沙減幅明顯小于全沙. 特別是2003-2008年，監(jiān)利站年均粗沙輸沙量為0.34億t，已基本達(dá)到蓄水前多年平均值.

圖2 三峽水庫(kù)蓄水前后長(zhǎng)江中下游水文站點(diǎn)不同粒徑組多年平均輸沙量Fig.2 Average annual sediment transport of different diameter groups at hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River before and after the impoundment of the Three Gorges Reservoir

不同粒徑組泥沙恢復(fù)距離存在差異，細(xì)顆?；謴?fù)距離較長(zhǎng)，而粗顆?；謴?fù)距離相對(duì)較短. 三峽水庫(kù)蓄水后的2003-2018年，宜昌至監(jiān)利河段細(xì)、粗顆粒泥沙均呈沖刷態(tài)勢(shì)，年均沖刷量分別為0.18億和0.25億t，以粗沙沖刷為主；監(jiān)利至大通河段細(xì)沙年均沖刷0.40億t，而粗沙落淤0.17億t，表現(xiàn)為“沖細(xì)淤粗”的現(xiàn)象(圖3). 一方面，從河流泥沙基本理論來(lái)看，河床中細(xì)顆粒泥沙相對(duì)于粗顆粒更易起動(dòng)；另一方面，河床補(bǔ)給是泥沙沿程恢復(fù)的主要來(lái)源，長(zhǎng)江中下游河床組成自上而下逐漸細(xì)化，表現(xiàn)出沖積河流的一般特點(diǎn). 各站點(diǎn)級(jí)配曲線表明(圖4)，宜昌至沙市站河床組成以粒徑d>0.125 mm的粗沙為主，且隨著水庫(kù)蓄水運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，河床呈粗化態(tài)勢(shì)，而下游監(jiān)利至大通站粒徑d<0.125 mm細(xì)沙百分含量相對(duì)較大，細(xì)顆粒在河床中所占比例沿程增加，為長(zhǎng)距離細(xì)顆粒沖刷恢復(fù)提供了來(lái)源.

隨著三峽水庫(kù)蓄水運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，粗沙主要沖刷補(bǔ)給帶有所下移. 2003-2008年，宜昌至沙市河段粗沙年均沖刷量為0.21億t，是粗沙的主要補(bǔ)給區(qū)域. 受清水沖刷砂卵石河床粗化的影響(圖4)，三峽水庫(kù) 175 m 試驗(yàn)性蓄水后，宜昌至枝城河段床沙明顯粗化，對(duì)該組分泥沙的補(bǔ)給程度減弱，枝城至沙市河段粗沙年均補(bǔ)給量由0.11億t降低至0.07億t，粗沙主要沖刷補(bǔ)給帶下移至沙市至監(jiān)利河段，該河段粗沙年均補(bǔ)給量增加近0.04億t，沖刷逐步向下游發(fā)展.

圖3 2003-2018年長(zhǎng)江中下游各區(qū)間河段不同粒徑組年均河床泥沙補(bǔ)給量Fig.3 Average annual sediment replenishment of different diameter groups from river bed in the middle and lower reaches of the Yangtze River from 2003 to 2018

圖4 長(zhǎng)江中下游水文站床沙顆粒級(jí)配變化Fig.4 Changes of bed material grading at hydrological stations in the middle and lower reaches of the Yangtze River

2.2 長(zhǎng)江中下游沙量平衡分析

2.2.1 沿程變化 三峽水庫(kù)蓄水后，長(zhǎng)江中下游出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的響應(yīng)性沖淤調(diào)整. 沿程各區(qū)間河段沖淤量計(jì)算成果表明(圖5)，2003-2018年，以沙市為界，距離壩址較近的宜昌至枝城、枝城至沙市河段兩方法計(jì)算絕對(duì)差值分別為0.73億和2.98億t，而沙市至螺山、螺山至漢口、漢口至大通河段計(jì)算絕對(duì)差值達(dá)到了6.22億、5.72億和10.54億t(由于城陵磯以下河段2002年10月無(wú)固定斷面數(shù)據(jù)，沙市至大通河段沙量平衡法及斷面地形法計(jì)算年份為2002-2018年，下同)，沙市至大通河段是長(zhǎng)江中下游宜昌至大通長(zhǎng)河段計(jì)算偏差的主要來(lái)源，占比高達(dá)86%. 考慮到在河段長(zhǎng)度方面，沙市以上河段河長(zhǎng)較短，僅占宜昌至大通河段全長(zhǎng)的14%，而沙市至螺山、螺山至漢口、漢口至大通河段河長(zhǎng)占比分別為23%、18%和45%，其中，河長(zhǎng)占比最高的漢口至大通河段也是兩方法計(jì)算絕對(duì)偏差最大的河段，河段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生的累積偏差也會(huì)越大. 各河段單位河長(zhǎng)沖淤量絕對(duì)偏差表明，2003-2018年，宜昌至枝城、枝城至沙市、沙市至螺山、螺山至漢口、漢口至大通河段計(jì)算絕對(duì)差值分別為124萬(wàn)、338萬(wàn)、234萬(wàn)、274萬(wàn)和206萬(wàn)t/km，相對(duì)而言，枝城至沙市河段單位河長(zhǎng)絕對(duì)差值較大.

2.2.2 沿時(shí)變化 以三峽水庫(kù)蓄水初期、金沙江下游溪洛渡向家壩水電站陸續(xù)投運(yùn)為界，在時(shí)間尺度上劃分為2003-2006、2007-2011、2012-2018年3個(gè)時(shí)段. 宜昌至枝城河段河床沖刷量逐步減少，而枝城至沙市河段沖刷量增大，沖刷逐步向下游發(fā)展. 兩河段沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算絕對(duì)偏差與沖刷量變化趨勢(shì)基本一致，而相對(duì)偏差均呈逐時(shí)段增大態(tài)勢(shì)，至2012-2018年，宜昌至枝城、枝城至沙市河段相對(duì)偏差分別達(dá)39%、69%；沙市至螺山、螺山至漢口、漢口至大通河段2007-2011年沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算相對(duì)偏差較小，在50%左右，而2003-2006、2012-2018年相對(duì)偏差較大，特別是在三峽水庫(kù)蓄水初期(2003-2006年)，沙量平衡法計(jì)算螺山至漢口河段呈淤積態(tài)勢(shì)，而斷面地形法計(jì)算該河段以沖刷為主，兩方法定性上出現(xiàn)了相反的結(jié)果，相對(duì)偏差達(dá)124%.

2.2.3 不同粒徑泥沙平衡分析 從不同粒徑組泥沙沖淤來(lái)看，宜昌至大通長(zhǎng)河段以懸移質(zhì)中粒徑d≤0.062 mm 的泥沙沖刷為主，2003-2018年，該粒徑組泥沙累計(jì)沖刷8.22億t，占全沙沖刷量的近76%，且絕大部分來(lái)源于漢口至大通河段.

對(duì)于懸移質(zhì)而言，宜昌至枝城、枝城至沙市以及沙市至螺山河段粗、細(xì)沙均呈沖刷態(tài)勢(shì)，其中，距離壩址較近的宜昌至枝城、枝城至沙市河段以粒徑d>0.125 mm的粗沙以沖刷為主，粗沙沖刷量分別為0.70億、1.37億t，占比分別達(dá)懸移質(zhì)輸沙量的58.3%、52.0%；相對(duì)而言，沙市至螺山河段細(xì)沙沖刷量占比增大而粗沙占比減小，2003-2018年，粒徑d≤0.125 mm的細(xì)沙沖刷為1.46億t，占比達(dá)62.9%. 螺山至漢口、漢口至大通河段細(xì)沙沖刷而粗沙落淤，粒徑d≤0.125 mm的泥沙沖刷量是沙量平衡法計(jì)算河道沖淤量的主要影響因素，以漢口至大通河段為例，2003-2018年，該河段懸移質(zhì)泥沙沖刷量為3.91億t，其中，粒徑d≤0.125 mm的泥沙沖刷量近5.56億t，是漢口至大通河段的主要沖刷粒徑組.

對(duì)于推移質(zhì)而言，三峽水庫(kù)蓄水后，距壩址較近的宜昌至枝城河段推移質(zhì)沖刷量最大，達(dá)0.33億t，隨距壩址距離的增加，推移質(zhì)沖刷量逐步減少，直至漢口至大通河段，推移質(zhì)落淤0.12億t，相對(duì)而言，推移質(zhì)沖淤量占全沙沖淤的比例較小.

總體來(lái)看，在沿程變化方面，沙市至大通河段是長(zhǎng)江中下游沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算偏差的主要來(lái)源，占比高達(dá)86%，而單位河長(zhǎng)沖淤量絕對(duì)偏差以枝城至沙市河段最大；在沿時(shí)變化方面，宜昌至沙市河段計(jì)算相對(duì)偏差均呈逐時(shí)段增大態(tài)勢(shì)，沙市至大通河段2003-2006、2012-2018年兩時(shí)段計(jì)算相對(duì)偏差較大；在不同粒徑泥沙沖淤方面，粒徑d≤0.125 mm的泥沙沖刷量是沙量平衡法計(jì)算河道沖淤的主要影響因素.

從三峽水庫(kù)蓄水后長(zhǎng)江中下游宜昌至大通全河段沖淤量計(jì)算成果來(lái)看，2003-2018年，沙量平衡法、斷面地形法計(jì)算結(jié)果表明，宜昌至大通河段沖刷量分別為10.76億和36.95億t，兩者定性一致，但定量上相差71%(表1). 單位河長(zhǎng)年均沖淤量計(jì)算結(jié)果表明，2003-2018年沙量平衡法與斷面地形法絕對(duì)偏差為14.17萬(wàn)t/(km·a)，其中，2012-2018年年均計(jì)算絕對(duì)偏差較大，為20.72萬(wàn)t/(km·a)(圖6).

圖5 長(zhǎng)江中下游各區(qū)間河段沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算結(jié)果對(duì)比(沖淤量計(jì)算中“-”為沖刷， “+”為淤積；絕對(duì)偏差=沙量平衡法計(jì)算沖淤量-斷面地形法計(jì)算沖淤量，相對(duì)偏差= 絕對(duì)偏差/斷面地形法計(jì)算沖淤量的絕對(duì)值；由于城陵磯以下河段2002年10月無(wú)固定斷面數(shù)據(jù)， 沙市至大通河段沙量平衡法及斷面地形法計(jì)算年份為2002-2018年，下同)Fig.5 Comparison of the calculation results between sediment balance method and the section topographical method of each reach in the middle and lower reaches of the Yangtze River

表1 2003-2018年長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖6 不同時(shí)段長(zhǎng)江中下游宜昌至大通河段單位河長(zhǎng)沙量平衡法與斷面地形法年均計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of the average annual calculation results between sediment balance method and the section topographical method of Yichang to Datong per unit length in different periods

3 沙量平衡法與斷面地形法差異的主要原因分析

沙量平衡法反映了整個(gè)河段的綜合沖淤情況，而斷面地形法體現(xiàn)了不同計(jì)算水位下河槽的沖淤量，若考慮各自誤差的影響，對(duì)于同一河段在相同時(shí)段內(nèi)，理論上沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算的沖淤量應(yīng)相等或大致相同[19]. 三峽水庫(kù)運(yùn)用以來(lái)長(zhǎng)江中下游沖淤計(jì)算結(jié)果表明，宜昌至大通河段沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算相對(duì)偏差為71%，距離三峽大壩較近的宜昌至沙市河段兩方法計(jì)算偏差小，而沙市至大通河段偏差較大，單位河長(zhǎng)絕對(duì)偏差以枝城至沙市河段最大. 可以看出，由于水文泥沙及河道地形測(cè)量誤差、斷面布置、河道采砂影響等，兩種方法的計(jì)算成果在定量上存在一定差異，局部河段甚至在定性上出現(xiàn)相反的結(jié)果，這將會(huì)對(duì)長(zhǎng)江泥沙沖淤特性的分析與研究、三峽水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度及安全運(yùn)行產(chǎn)生極大的影響. 因此，本文進(jìn)一步探討沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算河道沖淤量產(chǎn)生差異的主要原因.

3.1 測(cè)量誤差

由于水文泥沙測(cè)驗(yàn)和地形測(cè)量技術(shù)的限制，河道地形測(cè)量和水文泥沙測(cè)驗(yàn)所依據(jù)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)不同，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的測(cè)量精度和誤差，測(cè)量誤差是沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算河床沖淤量產(chǎn)生差異的原因之一.

3.1.1 泥沙測(cè)量誤差 (1)懸移質(zhì)輸沙量測(cè)驗(yàn)準(zhǔn)確度：對(duì)于懸移質(zhì)測(cè)驗(yàn)而言，由于懸移質(zhì)含沙量沿?cái)嗝娴目v、橫向分布的復(fù)雜性和取樣儀器、測(cè)驗(yàn)方法、水樣處理等的局限性，綜合測(cè)驗(yàn)誤差大于流量測(cè)驗(yàn)誤差. 根據(jù)現(xiàn)行的懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)規(guī)范，一類(lèi)站輸沙率成果的允許隨機(jī)不確定度為17.7%，允許系統(tǒng)誤差為3%. 若按長(zhǎng)江中游宜昌站2003-2018年多年平均輸沙量為0.36億t計(jì)，系統(tǒng)誤差量可達(dá)0.01億t.

(2)懸移質(zhì)輸沙量測(cè)驗(yàn)誤差分析：沙量平衡法利用進(jìn)、出沙量計(jì)算河道沖淤量. 影響懸移質(zhì)輸沙量精度的因子主要有臨底懸沙測(cè)驗(yàn)誤差、單-斷沙關(guān)系誤差等：

①臨底懸沙測(cè)驗(yàn)誤差：對(duì)于懸移質(zhì)泥沙測(cè)驗(yàn)而言，根據(jù)測(cè)量規(guī)范要求，測(cè)量范圍在距離河底0.2倍水深以上，對(duì)于0.2倍水深以下的臨底層泥沙尚未施測(cè). 從斷面含沙量沿垂線分布來(lái)看，從水面到河底含沙量逐漸增大，且在三峽水庫(kù)蓄水后粗顆粒泥沙百分含量增大，近底含沙量明顯大于垂線平均含沙量，該部分缺少測(cè)量會(huì)對(duì)沙量平衡法計(jì)算河道沖淤量產(chǎn)生影響. 2006年以來(lái)長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局首先在三峽水庫(kù)進(jìn)出庫(kù)5個(gè)水文站(含枝城、沙市、監(jiān)利三站)開(kāi)展臨底懸沙試驗(yàn)研究，對(duì)懸移質(zhì)輸沙進(jìn)行了相應(yīng)的改正[20]，其中沙市站臨底懸沙對(duì)輸沙量沖刷量的改正比例為13.2%.

韓其為[21]根據(jù)理論分析認(rèn)為，粗顆粒懸移質(zhì)在長(zhǎng)江中游絕大部分集中于離河底相對(duì)深η=0.1～0.2以下的近底部分，粒徑在0.50～1.00 mm之間的顆粒在荊江輸沙量約81%集中于η=0.1以下，而對(duì)于城漢河段可能達(dá)到92%. 對(duì)于荊江平均床沙質(zhì)條件(0.25～0.5 mm及λ=9.68)到兩點(diǎn)法和三點(diǎn)法(1∶1∶1)的誤差為7.4%和26.7%. 從長(zhǎng)時(shí)空尺度來(lái)看，宜昌站懸沙改正率很小，可忽略不計(jì)，若大通站懸沙改正率按26.7%計(jì)，則三峽水庫(kù)蓄水后的2003-2018年，大通站懸沙改正后輸沙量增加近6.46億t，宜昌至大通河段沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算相對(duì)誤差可由71%減小至53%.

②單-斷沙關(guān)系帶來(lái)的誤差：斷面平均含沙量常與斷面上某一測(cè)點(diǎn)含沙量或某一垂線平均含沙量有一定關(guān)系. 單斷沙關(guān)系的相關(guān)性強(qiáng)弱與測(cè)驗(yàn)河段平面形態(tài)、斷面形態(tài)和測(cè)驗(yàn)斷面河床沖淤等有關(guān)，根據(jù)段光磊統(tǒng)計(jì)結(jié)果[22]，2003-2008年監(jiān)利站單沙取樣代表性很好，而沙市站斷沙比單沙偏大，懸移質(zhì)輸沙量改正系數(shù)為0.973. 對(duì)于沙市至螺山河段而言，若三峽水庫(kù)蓄水后的2002-2018年沙市站懸移質(zhì)輸沙量改正系數(shù)按0.973計(jì)，經(jīng)修正后的沙市至螺山河段沙量平衡法計(jì)算沖刷量增加0.298億t，與斷面地形法相比，相對(duì)偏差可由73%減少至69%，差值進(jìn)一步縮小.

3.1.2 河道地形測(cè)點(diǎn)高程誤差 測(cè)點(diǎn)高程主要受推算的水位精度及回聲儀測(cè)深精度的影響. 其中，水位精度包括代表性誤差、觀讀誤差與推算模型誤差等；而水深測(cè)量的關(guān)鍵在于測(cè)深儀對(duì)地形觀測(cè)的適應(yīng)性.

3.2 斷面代表性及斷面間距

斷面地形法是利用河道地形觀測(cè)資料，按斷面切割法或地形圖量算法計(jì)算河段的沖淤量. 斷面地形法計(jì)算沖淤量的關(guān)鍵因素是河道槽蓄量計(jì)算誤差的大小，斷面間槽蓄量計(jì)算主要采取椎體法，截錐公式有嚴(yán)格立體幾何定義的公式，要求兩底面平行且相似，然而實(shí)際河道中固定斷面測(cè)量工作量大，斷面布設(shè)不可能足夠密集，斷面代表性及其間距會(huì)對(duì)斷面地形法計(jì)算精度產(chǎn)生影響. 特別是三峽水庫(kù)蓄水后下荊江急彎段出現(xiàn)了“切灘撇彎”的新現(xiàn)象[23-24],城陵磯以下分汊河段表現(xiàn)出“主長(zhǎng)支消”和“主消支長(zhǎng)”并存的分異性規(guī)律[25-26]，而以往固定斷面多依據(jù)水庫(kù)蓄水前彎曲河段凹岸側(cè)普遍沖刷、分汊河段主支汊沖淤交替等演變特征布設(shè)，斷面布置能否反映蓄水后河道沖淤變化特性也將直接影響到河道沖淤量的計(jì)算結(jié)果. 因此，進(jìn)一步對(duì)比斷面地形法與網(wǎng)格地形法計(jì)算沖淤量結(jié)果，以合理評(píng)估斷面布置產(chǎn)生的誤差.

對(duì)于長(zhǎng)江中下游河段而言，2002-2018年宜昌至湖口河段采用1∶5000實(shí)測(cè)固定斷面，共有斷面578個(gè)，斷面間距平均約為1.5 km. 從斷面地形法計(jì)算結(jié)果來(lái)看，1998-2013年三峽水庫(kù)下游宜昌至湖口河段平灘河槽沖刷量為17.1801億m3，網(wǎng)格地形法計(jì)算沖刷量相對(duì)較小，為15.8627億m3，絕對(duì)偏差僅占該河段平灘河槽槽蓄量的0.68%，計(jì)算相對(duì)偏差在8.3%左右(表2). 以上結(jié)果表明，目前宜昌-湖口河段由于斷面布置及間距引起的計(jì)算誤差較小、精度較高，固定斷面的布設(shè)能較好地反映河床沖淤特性(圖7).

湖口至大通河段采用1∶10000實(shí)測(cè)地形圖切割斷面，斷面間距平均約為2 km. 從湖口至大通河段斷面地形法與網(wǎng)格地形法計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)看，1998-2016年，斷面地形法計(jì)算該河段沖刷泥沙3.2393億m3，與網(wǎng)格地形法相比計(jì)算沖刷量偏大，相對(duì)誤差達(dá)23.5%. 其中，2011-2016年，斷面地形法計(jì)算河段沖刷量為2.1569億m3，與網(wǎng)格地形法相比，絕對(duì)偏差為0.7751億m3，相對(duì)偏差高達(dá)56.1%(表3). 相對(duì)于宜昌至湖口河段而言，一方面，湖口至大通河段沖淤幅度較小，計(jì)算相對(duì)偏差較高；另一方面，該河段斷面平均間距在2 km左右，與宜昌至湖口河段相比，斷面布置較為稀疏，由于斷面布置及間距引起的計(jì)算誤差較大.

三峽水庫(kù)蓄水后2002-2018年，沙量平衡法計(jì)算宜昌至大通河段沖刷泥沙10.76億t，若采用網(wǎng)格地形法計(jì)算，即在斷面地形法計(jì)算的基礎(chǔ)上，宜昌至湖口河段相對(duì)偏差按8.3%計(jì)，湖口至大通河段相對(duì)偏差按23.5%計(jì)，則沙量平衡法與網(wǎng)格地形法絕對(duì)偏差可減小約3.95億t，相對(duì)偏差由71%減少至67%.

從長(zhǎng)江中下游各區(qū)間河段統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，對(duì)于宜昌至湖口河段而言，斷面地形法與網(wǎng)格地形法計(jì)算差異最大的河段位于沙市至螺山河段，相對(duì)偏差達(dá)30%，該河段多以分汊、彎曲河型為主，深泓走向曲折多變，兩個(gè)相鄰常測(cè)固定斷面夾角往往很大，誤差最為顯著的石首河段、監(jiān)利河段等均為典型的彎曲分汊河型，石首河段絕對(duì)偏差達(dá)8023萬(wàn)m3，相對(duì)偏差在77%左右. 若采用網(wǎng)格地形法計(jì)算沙市至螺山河段沖淤量(在斷面地形法計(jì)算的基礎(chǔ)上，沙市至螺山河段相對(duì)偏差按30%計(jì))，三峽水庫(kù)蓄水后2003-2018年，沙量平衡法與網(wǎng)格地形法計(jì)算絕對(duì)偏差減少近40%，相對(duì)偏差可由73%減少至61%. 對(duì)于湖口至大通河段而言，斷面地形法與網(wǎng)格地形法相比，計(jì)算差異最大的河段為馬垱河段(圖8)，從平面形態(tài)來(lái)看，馬垱河段為微彎分汊河型，河道多級(jí)分汊，江心擱排洲灘體規(guī)模較大，1998-2016年，兩方法計(jì)算該河段絕對(duì)偏差為5634萬(wàn)m3，相對(duì)偏差高達(dá)339%. 可見(jiàn)，對(duì)于局部河段而言，斷面間距大、彎曲、分汊河型等斷面代表性較差，常測(cè)固定斷面控制不了地形變化，特別是彎曲分汊河段，斷面地形法計(jì)算河道沖淤量時(shí)會(huì)存在一定的誤差.

表2 1998-2013年三峽水庫(kù)下游宜昌至湖口河段斷面地形法與網(wǎng)格地形法平灘河槽沖淤量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖7 1998-2013年三峽水庫(kù)下游宜昌至湖口各區(qū)間河段平灘河槽沖淤量Fig.7 The amount of erosion and deposition of the bankfull channel in the Yichang to Hukou reaches downstream of the Three Gorges Reservoir from 1998 to 2013

表3 三峽水庫(kù)下游湖口至大通河段斷面地形法與網(wǎng)格地形法平灘河槽沖淤量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖8 1998-2016年及2011-2016年三峽水庫(kù)下游湖口至大通各區(qū)間河段平灘河槽沖淤量Fig.8 The amount of erosion and deposition of the bankfull channel in the Hukou to Datong reaches downstream of the Three Gorges Reservoir from 1998 to 2016 and 2011 to 2016

3.3 河道采砂影響

河砂是寶貴的自然資源，也是長(zhǎng)江沿線基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要來(lái)源之一，為滿(mǎn)足工業(yè)需求，長(zhǎng)江干流已大量開(kāi)采砂石料. 人類(lèi)活動(dòng)影響中，河道采砂是沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算河道沖淤量產(chǎn)生差異的主要原因之一.

對(duì)于長(zhǎng)江中下游河段而言，壩下游宜昌至大通河段以沖刷為主，斷面地形法計(jì)算的沖刷量大于沙量平衡法，相對(duì)誤差絕對(duì)值在2%～124%之間. 從人類(lèi)活動(dòng)采砂影響來(lái)看，干流采砂規(guī)劃共計(jì)3輪：第1輪采砂規(guī)劃期為2002-2010年，規(guī)劃對(duì)象為建筑砂料開(kāi)采，年度采砂控制總量為3400萬(wàn)t；第2輪采砂規(guī)劃期為2011-2015年，規(guī)劃對(duì)象包括建筑砂料開(kāi)采及吹填等其他砂料開(kāi)采，其中吹填造地主要發(fā)生在大通以下河段，建筑砂料年度控制開(kāi)采總量為1940萬(wàn)t；第3輪采砂規(guī)劃期為2016-2020年，建筑砂料年度控制開(kāi)采總量為1730萬(wàn)t，較上輪規(guī)劃減少210萬(wàn)t.

《長(zhǎng)江泥沙公報(bào)》數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，2004-2015年長(zhǎng)江中游干流湖北、江西、安徽等3省經(jīng)許可實(shí)施的采砂總量為1.312億t(合0.905億m3)，約占宜昌至湖口河段平灘河槽累積沖刷量的6.2%. 2012年以后河道采砂主要集中在長(zhǎng)江下游的安徽、江蘇和上海等省(市).

另外，由于非法采砂活動(dòng)猖獗，長(zhǎng)江中下游河道實(shí)際采砂量更大. 據(jù)不完全調(diào)查統(tǒng)計(jì)，本屬于禁采區(qū)的宜昌至沙市河段2003-2009年采砂總量約為7140萬(wàn)t，為同期實(shí)測(cè)河床沖刷量的20%左右；2012-2014年采砂總量約為1820萬(wàn)t，平均年開(kāi)采量在600萬(wàn)t左右. 采用沙量平衡法計(jì)算宜昌至沙市河段沖淤量，2003-2009年、2012-2014年分別沖刷22407萬(wàn)和6354萬(wàn)t；斷面地形法計(jì)算的沖刷量分別為28838萬(wàn)和18527萬(wàn)t，沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算相對(duì)誤差分別為22.3%和65.7%，若考慮采砂影響，則修正后的斷面地形法計(jì)算宜昌至沙市河段沖刷泥沙分別為21698萬(wàn)和16707萬(wàn)t，兩方法計(jì)算相對(duì)誤差降低至3.2%和62.0%. 整體來(lái)看，對(duì)于宜昌至沙市河段而言，2003-2018年沙量平衡法和斷面地形法計(jì)算沖淤量分別為4.18億和7.89億t，相對(duì)誤差為47.0%，若考慮采砂影響及臨底懸沙測(cè)驗(yàn)誤差，其中河道采砂量占實(shí)測(cè)河床沖刷量的比例約為20%，宜昌站懸沙改正率很小，可忽略不計(jì)，松滋口、太平口、沙市站臨底懸沙對(duì)輸沙量的改正比例為13.2%～26.7%(平均約20%計(jì))，則修正后的沙量平衡法、斷面地形法計(jì)算宜昌至沙市河段沖刷泥沙分別為6.09億和6.31億t，兩方法計(jì)算相對(duì)誤差降低至3.5%，吻合相對(duì)較好.

4 結(jié)論

1)以三峽水庫(kù)為核心的梯級(jí)水庫(kù)群蓄水?dāng)r沙運(yùn)用導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游出現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離的沖刷調(diào)整. 沙量平衡分析表明，2003-2018年宜昌至大通河段沖刷泥沙10.76億t(含推移質(zhì)泥沙沖刷0.26億t)，其中粒徑小于0.125 mm的泥沙沖刷約9.54億t，占懸移質(zhì)泥沙總沖刷量的90.9%. 河床沿程沖刷補(bǔ)給作用明顯，以螺山為界，宜昌至螺山段“粗細(xì)均沖”，螺山至大通河段則“細(xì)沖粗淤”.

2)宜昌至大通河段2003-2018年沙量平衡法與斷面地形法計(jì)算的沖淤量分別為10.76億和36.95億t，計(jì)算結(jié)果定性一致，相對(duì)偏差為71%. 從沿程差異分布來(lái)看，距離三峽大壩壩址較近的宜昌至沙市河段兩方法計(jì)算絕對(duì)差值較小，而沙市至大通河段差值較大，占宜昌至大通全河段絕對(duì)偏差的近86%. 河段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，產(chǎn)生的累積偏差也會(huì)越大，2003-2018年，宜昌至枝城、枝城至沙市、沙市至螺山、螺山至漢口、漢口至大通河段單位河床計(jì)算絕對(duì)差值分別為124萬(wàn)、338萬(wàn)、234萬(wàn)、274萬(wàn)和206萬(wàn)t/km，枝城至沙市河段偏差較大.

3)宜昌至沙市河段沙量平衡法和斷面地形法計(jì)算結(jié)果分別為4.18億和7.89億t，河道采砂量約占實(shí)測(cè)河床沖刷量的20%，臨底懸沙對(duì)輸沙量沖刷量的改正比例為13.2%～26.7%(平均約為20%). 修正后，兩方法計(jì)算結(jié)果吻合相對(duì)較好. 沙市至大通河段相差較大，泥沙測(cè)驗(yàn)、固定斷面布設(shè)、河道采砂等是導(dǎo)致沙量平衡法與斷面地形法出現(xiàn)差異的主要原因.