近年來三峽水庫水沙通量變化過程及原因分析

郭 率，周 曼，胡 挺，肖揚(yáng)帆，譚政宇

（中國長江三峽集團(tuán)有限公司流域樞紐運(yùn)行管理中心，湖北宜昌 443100）

0 引 言

三峽工程泥沙問題是影響水庫長期有效使用和綜合效益發(fā)揮的關(guān)鍵技術(shù)問題［1］，而入出庫水沙條件是研究水庫泥沙問題的基礎(chǔ)，探究入出庫水沙條件的時(shí)空變化趨勢(shì)對(duì)三峽水庫科學(xué)調(diào)度運(yùn)行、庫區(qū)泥沙淤積分布、航道規(guī)劃及長江中下游河道治理等具有重要的工程指導(dǎo)意義［2-5］。20 世紀(jì)90年代以來，長江上游干支流水庫不斷建成運(yùn)行，加之降雨分布、水土保持工程等自然條件與強(qiáng)人類活動(dòng)的影響，長江上游產(chǎn)沙及三峽水庫入庫水沙通量均發(fā)生了重大變化［6，7］，較大的來沙量及來沙組成變化，以及三峽水庫調(diào)度運(yùn)行方式的不斷優(yōu)化［8］，使得庫區(qū)和壩下游河道出現(xiàn)了與論證階段不同的沖淤情況。

自三峽水庫論證、設(shè)計(jì)及運(yùn)行以來，國內(nèi)相關(guān)單位及學(xué)者對(duì)入庫水沙量、水沙來源及組成進(jìn)行了系統(tǒng)研究。許全喜等［9］、戴會(huì)超等［10］、張信寶等［11］對(duì)長江上游主要水系的來沙情況及變化規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)分析，李海彬等［12］在分析長江上游水沙變化特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，定量分析了上游干支流已建水庫對(duì)三峽入庫沙量的影響，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)擬建水庫投運(yùn)后三峽入庫沙量的變化趨勢(shì)，朱玲玲等［13］、劉潔等［14］重點(diǎn)分析了金沙江下游向家壩和溪洛渡水庫修建運(yùn)行對(duì)三峽水庫入庫泥沙的影響，周銀軍等［15］也探究了三峽水庫入庫泥沙的地區(qū)組成變化及其與水庫建設(shè)之間的關(guān)系，陳顯維等［16］、劉同宦等［17］依據(jù)水文泥沙原始觀測(cè)資料，系統(tǒng)研究了三峽水庫蓄水前后入出庫水沙特性的變化特點(diǎn)，黃仁勇等［18］、李海寧等［19］在分析入出庫水沙特征的前提下還初步探究了其影響因素，王淑慧等［20］認(rèn)為人類活動(dòng)中的水利水電工程是引起輸沙量變化的主要因素，其次是水土流失治理。

2021年是三峽工程整體竣工驗(yàn)收，由試驗(yàn)性蓄水期轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行期的第一年，前人的研究未明確三峽水庫入庫水沙各組分的貢獻(xiàn)比例變化，不能較精確的預(yù)測(cè)三峽水庫入庫水沙的變化趨勢(shì)。本文依據(jù)三峽水庫長系列水沙資料對(duì)入庫水沙通量的時(shí)空變化過程及趨勢(shì)進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究成果可為三峽水庫正常運(yùn)行期的科學(xué)調(diào)度運(yùn)行提供參考。

1 研究區(qū)域

長江上游集水面積約100 萬km2，占長江全流域面積的55%。三峽水庫來水來沙主要由上游的金沙江、流域面積較大的支流雅礱江、岷江、沱江、嘉陵江、橫江、烏江及干流區(qū)間組成，具體分布見圖1。2008年三峽水庫試驗(yàn)性蓄水后，庫區(qū)回水末端上延至江津，庫區(qū)總長約673.5 km，江津附近有朱沱水文站，可以作為干流入庫水沙控制站。2012年后上游的溪洛渡、向家壩水庫相繼開始蓄水運(yùn)行，向家壩至朱沱河段沖淤變化較大，因此本文的研究區(qū)域也包括該河段。

圖1 長江上游流域主要水系及重要控制站分布Fig.1 Distribution of basin and hydrologic stations along the upper Yangtze River

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文采用長江朱沱站、嘉陵江北碚站和烏江武隆站三站來水來沙之和代表三峽水庫入庫水沙總量，向家壩站代表金沙江及雅礱江的水沙總量，岷江高場(chǎng)站、沱江富順站、橫江橫江站、烏江武隆站代表各支流的水沙總量，朱沱站水沙總量與金沙江和各支流的水沙總量的差值近似代表向家壩站至朱沱站長江干流區(qū)間的水沙總量。各水文站的水沙資料均來源于長江水利委員會(huì)水文局歷年水文整編成果。論文采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)比分析三峽水庫不同階段、不同區(qū)域的來水來沙變化過程，研究成果可為三峽水庫正常運(yùn)行期的科學(xué)調(diào)度運(yùn)行提供技術(shù)支持。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 三峽水庫入庫水沙總體變化

三峽水庫入庫徑流量多年來無明顯趨勢(shì)性變化（圖2），三峽水庫蓄水前年均徑流量為3 812 億m3，蓄水后為3 726 億m3，減小了約2.3%，這主要受流域降雨、蒸發(fā)等氣候因素的影響。而年輸沙量自20 世紀(jì)90年代以后呈明顯減小趨勢(shì)，這主要是受上游干支流水庫修建、水土保持工程、河道采砂等人類活動(dòng)因素的影響，因此氣候變化和人類活動(dòng)的影響是輸沙量減少的主要原因，有研究［21］表明氣候變化的影響約占19%，人類活動(dòng)因素的影響約占81%。

圖2 三峽水庫入庫水沙變化Fig.2 Processes of runoff and sediment into the TGR

研究結(jié)果表明［22］，1956-1990年長江上游水庫總攔沙量為18.98 億m3，而1990-2005年15年時(shí)間水庫攔沙量達(dá)到了19.75億m3；同時(shí)，20 世紀(jì)80年代后開展了較多水土保持工作，如1989年開始實(shí)施的長江上游水土保持重點(diǎn)防護(hù)工程，到2008年累計(jì)修復(fù)水土流失面積9.58 萬km2，使得長江中下游輸沙量進(jìn)一步減少；此外，近年來河道采砂量也較大，如2018年長江干流河道總采砂量約1 301 萬t，2020年三峽水庫庫區(qū)總采砂量約970 萬t，使得上游泥沙在采砂河段淤積，造成下游來沙量減少。

近年來干支流控制性水庫的蓄水?dāng)r沙，進(jìn)一步減少了下游輸沙量，如在2012年、2013年向家壩和溪洛渡水庫的蓄水運(yùn)行后，三峽水庫入庫泥沙由2003年至2012年的20 271 億t減少為2013 至2020年的8 749 億t，減少了56.8%，其中向家壩站則由14 163 億t 減少為162 億t，減少幅度達(dá)到了98.9%，占三峽水庫入庫泥沙減少量的82.3%。

從年內(nèi)變化來看（圖3），三峽水庫入庫徑流主要集中在汛期，而入庫泥沙則更是集中在汛期的幾場(chǎng)洪水中。1956-1990年、1991-2002年、2003-2012年、2013-2020年各階段月均入庫徑流變化不大，主要集中在汛期的6-10月，且各階段7月份徑流總量最大。

圖3 三峽水庫月均徑流泥沙變化Fig.3 Variation of monthly average runoff and sediment variation of the TGR

入庫泥沙則常常來源于汛期的幾場(chǎng)洪水中，如1956-1990年汛期輸沙量占全年總輸沙量的98.2%，1991-2002年、2003-2012年、2013-2020年占比分別也達(dá)到了97.7%、97.2%、98.3%。但4個(gè)階段的月均入庫沙量變化較大，總體呈遞減趨勢(shì)，與年均入庫沙量變化趨勢(shì)相同（表1），如1991-2002年年均入庫沙量減少了27%（與1956-1990年階段相比，下同），2003-2012年、2013-2020年分別減少了58%、82%，年內(nèi)減幅最大的是7月和8月，超過年輸沙量總減少量的50%。

表1 各階段月均入庫沙量減少占比Tab.1 The decrease proportion of monthly inflow sediment in each stage

根據(jù)2020年各月入庫沙量與往年對(duì)比也可以看出（圖4），受長江發(fā)生流域性大洪水的影響，2020年三峽水庫入庫泥沙約1.94億t，較2003-2019年均值偏多30%，且主要是8月形成的一次較大的復(fù)式洪水過程（4、5次編號(hào)洪水，洪峰流量分別達(dá)到了62 000、75 000 m3/s）挾帶了大量泥沙，8月入庫輸沙量達(dá)到了14 100 萬t，占全年入庫沙量的72.7%，成為建庫以來入庫輸沙量最大的月份，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，8月13日至23日洪水期間，三峽入庫沙量達(dá)到1.27 億t，短短12 d 的輸沙量已遠(yuǎn)大于2014-2017、2019年全年入庫輸沙量（0.320～0.685 億t）。這充分說明了場(chǎng)次洪水期間入庫泥沙成為了全年入庫沙量的絕大組成部分，因此增大洪水期間的排沙比對(duì)有效減少水庫淤積、保留有效庫容具有重要意義。

圖4 2020年三峽入庫輸沙量與往年對(duì)比Fig.4 Comparison of inflow sediment of TGR in 2020 with previous years

3.2 排沙比及不同區(qū)間淤積占比變化

三峽水庫自2003年月開始蓄水運(yùn)行后，經(jīng)歷了2003年6月至2006年8月的圍堰發(fā)電期，2006年9月至2008年9月的初期蓄水期，2008年10月至2020年11月的試驗(yàn)性蓄水期，此后進(jìn)入正常運(yùn)行階段。

從三峽水庫蓄水后的歷年排沙比變化過程可以看出（圖5），三峽水庫不同運(yùn)行階段排沙比也不同，圍堰蓄水階段水庫排沙比最大，約為37%（表2）；初期蓄水期，水庫排沙比為18.8%，三峽水庫175 m 試驗(yàn)性蓄水后，2008年10月至2020年12月三峽入庫懸移質(zhì)泥沙14.541 億t，出庫懸移質(zhì)泥沙2.790 億t，不考慮區(qū)間來沙，水庫淤積泥沙11.751 億t，水庫排沙比為19.2%，顯著小于圍堰蓄水期，重要原因之一就是其運(yùn)行水位的變化，特別是汛期運(yùn)行水位的抬升，對(duì)水庫排沙比的影響較大。

圖5 三峽水庫排沙比變化Fig.5 Variation of sediment delivery ratio of the TGR

表2 三峽水庫進(jìn)出庫泥沙與水庫淤積量Tab.2 Sediment and reservoir siltation of the TGR

2012、2013、2018、2020年三峽水庫開展了汛期沙峰排沙調(diào)度實(shí)踐，取得了顯著成果。如2020年調(diào)度期間，三峽水庫壩前最高調(diào)洪水位雖然高達(dá)167.65 m，但此次沙峰過程排沙比仍達(dá)到了27%，高出試驗(yàn)性蓄水以來平均排沙比9 個(gè)百分點(diǎn)，2012、2013、2018年沙峰排沙調(diào)度后，水庫排沙比均有所提高，沙峰排沙調(diào)度取得了良好效果。

上游溪洛渡和向家壩水庫蓄水運(yùn)行后，不同粒徑組的泥沙入庫量均顯著下降，出庫泥沙也跟著下降，在2018年和2020年受入庫徑流較大的影響，入庫沙量有所增加（圖6）；對(duì)于不同粒徑泥沙的排沙比也存在差異，入庫沙量中主要是粒徑d≤0.062的泥沙，占入庫泥沙總量的88.9%，而粒徑為0.062＜d≤0.125 和d＞0.125 的泥沙占比較少，分別為5.8%、5.3%；粒徑d≤0.062 的泥沙排沙比最大，即水庫排出的泥沙主要是粒徑d≤0.062 的泥沙，初期運(yùn)行后，粒徑d≤0.062、0.062＜d≤0.125 和d＞0.125 的泥沙排沙比分別為19.7%，7.5%，4.8%。

圖6 不同粒徑泥沙淤積率Fig.6 Sediment deposition rates of different particle sizes

從沿程不同區(qū)間淤積分布來看（圖7），庫區(qū)泥沙主要淤積在清溪場(chǎng)至萬縣和萬縣至大壩區(qū)間，2003-2020年平均淤積占比分別為50%、43%，而2006年進(jìn)入初期蓄水階段后，庫區(qū)范圍上延，2006-2020年寸灘至清溪場(chǎng)區(qū)間淤積占比7%，2009、2015年整個(gè)區(qū)間還出現(xiàn)沖刷情況，2009年試驗(yàn)性蓄水后，水位抬升，庫區(qū)范圍進(jìn)一步上延，2009-2020年朱沱至寸灘區(qū)間平均淤積占比為1%，2014-2017年該區(qū)間呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)，如2016年該區(qū)間的淤積占比甚至達(dá)到了-11%（負(fù)值表示該區(qū)間呈現(xiàn)沖刷狀態(tài)）。

圖7 不同區(qū)間泥沙淤積占比Fig.7 Proportion of sediment deposition in different sections

3.3 來水來沙組成變化及占比分析

長江上游金沙江及各主要支流的控制站不同時(shí)間階段實(shí)測(cè)年均徑流量和輸沙量統(tǒng)計(jì)情況見表3。從表3 中可以看出：各區(qū)域徑流量年際間無明顯變化，總體上隨流域降雨強(qiáng)度變化而改變，但輸沙量減少較明顯（除沱江富順站）。如金沙江在溪洛渡、向家壩水庫蓄水后，輸沙量相較于蓄水前減少了98.9%，而橫江、岷江流域在2003-2020年期間輸沙量變化較小，沱江有所增加，因此金沙江向家壩站大幅度減沙是引起長江干流朱沱站減沙的主要原因，同時(shí)該時(shí)期嘉陵江北碚站和烏江武隆站輸沙量變化也較小，所以三峽水庫入庫輸沙量減少主要是由金沙江向家壩站輸沙減少引起的，其減少量占三峽水庫入庫輸沙減少量的122%，即金沙江減少量超過了三峽水庫入庫輸沙減少量。采用同樣的方法，可以看出1991-2002年階段，朱沱、北碚和武隆輸沙量總和減少了12 900 萬t，其中嘉陵江北碚站減少了9 680 萬t，占總減少量的75%；2003-2012年階段，三峽水庫入庫輸沙量減少了14 829 萬t，而金沙江向家壩站減少了13 937 萬t，占減少量的94%。

表3 不同階段三峽水庫入庫水沙組成變化Tab.3 Variation of water and sediment composition in TGR at different stages

多年來長江上游年均徑流量占比變化較小，其中金沙江是三峽水庫入庫徑流的主要組成部分，多年來平均占比為38.1%，其次是岷江、嘉陵江、烏江，沱江和橫江占比較小，且略小于向家壩至朱沱區(qū)間小支流匯流，且向家壩至朱沱區(qū)間徑流量占三峽水庫入庫徑流量有增加趨勢(shì)，4個(gè)時(shí)間階段占比分別為3.1%、4.4%、4.7%、6.3%（圖8）。

圖8 三峽水庫入庫徑流組成占比（單位：%）Fig.8 The proportion of runoff into the TGR

在向家壩和溪洛渡水庫蓄水運(yùn)行以前，三峽水庫入庫泥沙主要來源于金沙江，1990年以前、1991-2002 和2003-2012年三個(gè)階段金沙江來沙占三峽水庫入庫泥沙分別為51.2%、80.1%、69.9%，向家壩和溪洛渡水庫開始蓄水運(yùn)行后，攔截了金沙江絕大部分來沙，下泄的泥沙僅占三峽水庫入庫泥沙的1.8%（圖9），同時(shí)，由于金沙江來沙量占比的急劇減少，三峽水庫入庫泥沙各水系占比由極不均勻逐漸趨于相對(duì)均勻。

圖9 三峽水庫入庫泥沙組成占比（單位：%）Fig.9 The proportion of sediment into the TGR

而支流中來沙占比較大的主要是嘉陵江和岷江，且在2013-2020年因金沙江來沙大幅度減少，嘉陵江和岷江成為三峽水庫入庫泥沙的主要來源，占比達(dá)到了66.3%，同時(shí)橫江、沱江、烏江及向家壩至朱沱區(qū)間來沙占比相對(duì)于2003-2012年階段也有所增加。

溪洛渡和向家壩水庫蓄水運(yùn)行后，向家壩至朱沱區(qū)間來沙占比發(fā)生了較大變化。兩個(gè)水庫蓄水以前，該區(qū)間占比為負(fù)值，即該河段呈淤積狀態(tài)，但蓄水以后，下泄的不飽和水流沖刷該河段河床，2012年10月至2020年10月累計(jì)沖刷泥沙約8 946 萬m3，區(qū)間來沙量占三峽水庫入庫泥沙的8.1%，僅次于嘉陵江、岷江和沱江，成為三峽水庫入庫泥沙來源的重要組成部分。

4 結(jié) 論

（1）隨著金沙江及各支流上水庫群的建成運(yùn)行，三峽水庫入庫徑流變化不大，但入庫泥沙總量顯著減少，1991-2002年階段三峽水庫入庫輸沙減少主要由嘉陵江北碚站輸沙減少引起，占減少量的75%；2003-2012、2013-2020年2 個(gè)階段三峽水庫入庫輸沙量減少均由金沙江向家壩站輸沙減少引起，其減少量占比分別為94%、122%。

（2）三峽水庫試驗(yàn)下蓄水后平均排沙比為23.9%，較蓄水初期有所減少，主要淤積在清溪場(chǎng)至大壩區(qū)間，入庫沙量中88.9%是粒徑d≤0.062的泥沙，排出庫區(qū)的也主要是該粒徑的泥沙。

（3）從三峽水庫入庫水沙組成來看，不同階段各組成中徑流量占比變化不大，輸沙量占比變化較大。2013年以前，金沙江輸沙量是三峽水庫入庫泥沙的主要來源，2013-2020年階段，金沙江輸沙量占比僅1.8%，嘉陵江和岷江成為三峽水庫入庫沙量的主要來源，同時(shí)向家壩至朱沱區(qū)間河床由淤積轉(zhuǎn)為沖刷而補(bǔ)給泥沙，成為三峽水庫入庫泥沙來源的重要組成部分。