水利工程論文-金沙江流域的河流泥沙輸移特性摘要：金沙江是長江上游河流泥沙的主要來源。通過對金沙江流域主要控制水文站徑流泥沙資料的統(tǒng)計(jì)分析，該文論述了金沙江河流泥沙的來源和沿程分配、輸沙量的年內(nèi)分配和年際變化、徑流量和輸沙量的關(guān)系以及泥沙形成的原因。為研究金沙江流域的水土流失和泥沙輸移規(guī)律、合理地開發(fā)和利用其水土資源提供了科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞：金沙江河流泥沙輸移長江干流上游自青海玉樹至四川宜賓稱金沙江，流經(jīng)青、藏、川、滇四省區(qū)，全長2290km。流域面積50萬km，恰為三峽水庫集水面積的一半。河口(宜賓)多年平均流量4920m3/s,年徑流量1550億m3，是黃河的3倍，水量充沛且穩(wěn)定。河道落差大而集中，干流落差達(dá)3280m?？砷_發(fā)水能7512萬Kw。水能條件之優(yōu)勢為世界所少有。規(guī)劃中在干流上擬建的5001500萬Kw級裝機(jī)容量的巨形電站就有向家壩、溪落渡、白鶴灘、虎跳峽等。加上支流雅礱江的水能資源，全流域水電可開發(fā)容量占全國的1/4左右，是我國擬開發(fā)建設(shè)的最大水電基地。目前正建的規(guī)模僅次于三峽電站裝機(jī)容量330萬Kw的二灘電站就位于金沙江的最大支流雅礱江上。但是，金沙江卻又是長江上游泥沙最多的河流，是三峽水庫入庫泥沙的主要來源。研究金沙江流域的泥沙輸移特性和水土保持，是該流域水電資源開發(fā)中的重要問題，對于減少三峽水庫入庫泥沙、充分發(fā)揮三峽電站效益十分重要。*本研究得到國家自然科學(xué)基金委員會(huì)49471048項(xiàng)目資助，特此致謝1來沙的沿程變化及地區(qū)分布金沙江干流及主要支流(集水面積大于5000km)控制水文站分布示意圖見圖1。根據(jù)實(shí)測水文資料，干流出口控制站屏山水文站測驗(yàn)時(shí)間較長(1939年開始)。在分析該站資料系列的代表性和考慮其余測站實(shí)測資料系列的情況后，選取19541987年為統(tǒng)計(jì)時(shí)段，有缺測年份的情況，分別進(jìn)行相關(guān)插補(bǔ)，最后分析計(jì)算得各站歷年同步系列的徑流量和懸移質(zhì)輸沙量特征值成果如表1。表1徑流量、懸移質(zhì)泥沙特征值統(tǒng)計(jì)表Characteristicsofrunoffandsuspendedsediment序號河名站名集水面積多年平均多年平均多年平均多年平均徑流量輸沙量含沙量輸沙模數(shù)(km)占流域%(108m3)占流域%(104t)占流域%(kg/m3)t/(kma)1金沙江直門達(dá)13770427.51248.169713.790.78370.52金沙江巴塘18787337.527217.914505.660.53377.23金沙江石鼓23265146.541327.221808.520.52893.74金沙江渡口28454056.953935.5429016.80.7961515雅礱江小得石11892424.450333.1281011.00.5592366安寧河灣灘1103720.872.34.769733.801.358827龍川江小黃瓜園55601.118.200.544351.705.307828金沙江龍街42320284.7118077.6956037.30.8102269金沙江巧家45069690.2123080.91660064.81.3536810牛欄江大沙店108702.1738.22.5111704.573.06108011金沙江屏山48509997.0143094.12440094.21.7150312橫江橫江147812.9689.65.8812805.001.43866從表1可以看出，金沙江上游(雅礱江匯口以上)地區(qū)來沙量較少。干流渡口站集水面積占全流域面積的56.9%；多年平均徑流量占全流域的35.5%；其多年平均懸移質(zhì)輸沙量僅為流域的16.8%。干流上各站的多年平均含沙量均在1.00kg/m3以下。多年平均輸沙模數(shù)從最上游直門達(dá)站的70.5t/(kma)依次漸增至渡口站的151t/(kma)，均小于200t/(kma)。包括金沙江最大支流雅礱江在內(nèi)，金沙江上游地區(qū)集水面積為414501km，占流域面積的82.9%；多年平均徑流量為1110億km，占流域的73.3%；其多年平均懸移質(zhì)輸沙量為8070萬t，占全流域的31.5%。平均含沙量為0.724kg/m。平均輸沙模數(shù)為195t/(kma)。該區(qū)內(nèi)除支流雅礱江、安寧河下游和干流河谷地區(qū)為溝蝕、重力侵蝕的強(qiáng)度流失區(qū)，是金沙江上游泥沙的主要來源，其余絕大部分地區(qū)由于自然植被較好，有茂密的原始森林和廣闊的天然牧場、人煙稀少、人類活動(dòng)影響不大，水土流失較少。輸沙模數(shù)遠(yuǎn)小于長江上游地區(qū)的平均輸沙模數(shù)。金沙江下游(雅礱江匯口以下)集水面積85379km2，占全流域面積的17.1%；多年平均徑流量為405億m3，占流域總徑流量的26.6%；多年平均懸移質(zhì)輸沙量計(jì)17600萬t，占流域總輸沙量的68.5%。平均含沙量4.33kg/m3，為上游地區(qū)的6倍。平均輸沙模數(shù)計(jì)2060t/(km2a)。約為上游區(qū)的11倍，遠(yuǎn)大于長江上游地區(qū)的平均輸沙模數(shù)?？梢姡鹕辰哪嗌持饕钱a(chǎn)生在下游區(qū)，并主要來自渡口、雅礱江匯口至屏山的干流區(qū)間。下游較大支流如龍川江、牛欄江和橫江流域的輸沙模數(shù)均在1000t/(km2a)左右，屬中度水土流失區(qū)?？鄢@些支流流域，干流區(qū)間(包括眾多小支流)集水面積為54168km2，僅占全流域面積的10.8%；多年平均徑流量為269億m3，占流域的17.7%。多年平均輸沙量為14700萬t，竟占了全流域的57.0%。多年平均含沙量計(jì)5.46kg/m3。多年平均輸沙模數(shù)達(dá)2710t/(km2a)，其中干流河谷地區(qū)的輸沙模數(shù)在3000t/(km2a)以上，是長江上游水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。圖1金沙江流域控制站示意圖SchematicmapofmajorhydrologicstationsinJinshaRiverbasin2來沙量在時(shí)間上的變化2.1年際變化根據(jù)金沙江干流出口控制站屏山站的歷年徑流量、輸沙量過程線圖(圖2)顯示，歷年輸沙量的變化與徑流量的變化過程相似，并呈不規(guī)則周期變化。該站多年平均徑流量為1430億m3，占長江上游(宜昌以上)的32.5%；最大年徑流量發(fā)生于1965年，其值為1940億m3，占長江上游該年徑流量的44.1%；最小年徑流量發(fā)生于1959年，其值為1160億m3。最大、最小年徑量之比為1.67。歷年徑流量系列的變差系數(shù)Cv=0.16。徑流量的年際變化小，水量比較穩(wěn)定，這是金沙江水能資源開發(fā)的有利條件之一。金沙江的輸沙量的年際變化比徑流量大。屏山站多年平均懸移質(zhì)輸沙量為24400萬t，占長江上游(宜昌以上)多年平均輸沙量53000萬t的48.7%。歷年最大年輸沙量發(fā)生于1974年，其值為50100萬t，為長江上游該年輸沙量的77.2%。是年，金沙江(屏山+橫江)的年輸沙量達(dá)54300萬t，比宜昌站多年平均輸沙量還大。歷年最小輸沙量發(fā)生于1975年，其值為12600萬t。最大、最小年輸沙量之比值為3.98。歷年輸沙量系列的變差系數(shù)Cv=0.34。圖2屏山站徑流量、懸移質(zhì)輸沙量過程線圖RunoffandsuspendedsedimentloadhydrographsatPingshanStaion圖3屏山站多年平均徑流量、輸沙量年內(nèi)分配圖DistributionofannualrunoffandsedimentloadatPingshanstation2.2年內(nèi)變化分析代表站屏山站多年平均月、年徑流量、輸沙量資料，繪制其多年平均流量及輸沙量年內(nèi)分配如圖3。該站歷年汛期(610月)的平均徑流量占年徑流量的74.9%。其中79月徑流量占年徑流量的53.9%，8月徑流量最大，占年徑流量的19.0%。輸沙量的年內(nèi)分配更不均勻。歷年汛期(610月)的平均輸沙量占年輸沙量的95.4%，其中79月的輸沙量即占全年輸沙量的76.8%，7、8月輸沙量最大，均占27.9%。1974年大沙年，汛期來沙占全年的97.0%，79月即占全年輸沙量的83.3%。3水沙關(guān)系分析對于確定流域而言，降雨、徑流是影響來沙變化的主要因素。圖2已經(jīng)顯示，屏山站歷年的水沙變化過程基本相應(yīng)。進(jìn)一步對該站歷年的水沙資料進(jìn)行回歸分析表明，年徑流量與年輸沙量間具有較好的相關(guān)關(guān)系。由于泥沙主要因暴雨洪水造成，汛期(610月)的徑流量與輸沙量的關(guān)系更為密切。點(diǎn)繪其關(guān)系圖見圖4，其相關(guān)系數(shù)r=0.81，關(guān)系點(diǎn)據(jù)比較集中。圖4屏山站汛期(610月)徑流量輸沙量關(guān)系圖5金沙江屏山站累積年徑流量輸沙量關(guān)系RelationofrunoffandsedimentloadatPingshanstationinfloodseasonRelationofrunoffandsedimentloadatPiangshanstation將屏山站歷年(19541992年)的年徑流量、輸沙量分別累加，然后點(diǎn)繪逐年累積徑流量輸沙量關(guān)系圖(圖5)。其關(guān)系基本為一直線。但從圖中可以看出，1982年以后的關(guān)系點(diǎn)據(jù)的分布趨勢有轉(zhuǎn)折變化。若將19831992年10年的平均年徑流量和輸沙量與19541982年29年的相應(yīng)值比較，前29年的平均年徑流量為1430億m3，平均年輸沙量為23800萬t，后10年的平均年徑流量為1420億m3，平均年輸沙量為26800萬t，兩時(shí)段年平均徑流量幾乎相同，19831992年10年的平均年徑流量還略小，而其年輸沙量平均增加3000萬t，平均含沙量由1.66kg/m3增至1.89kg/m3。這表明1983年以后從金沙江進(jìn)入長江的泥沙比以前有系統(tǒng)增加的跡象，從客觀上反映了金沙江流域(主要是下游干流區(qū)間)的水土流失情況比以前更為嚴(yán)重，對于該流域水土保持重點(diǎn)防治區(qū)的治理工作已十分迫切和重要。4泥沙成因淺析金沙江的泥沙主要來自下游干流區(qū)間，主要受以下因素的影響。4.1氣候因素金沙江下游干流區(qū)間屬大陸性亞熱帶氣候。因大氣環(huán)流和地形條件的制約，冬春季節(jié)受干燥而強(qiáng)勁的西風(fēng)氣候的影響；夏秋季節(jié)，為潮濕而多雨的西南季風(fēng)所控制，干濕季分明。干季(114月)多晴天、風(fēng)速大、蒸發(fā)強(qiáng)、濕度小；雨季雨量充沛、降水集中。在地形條件影響下，垂直氣候明顯，常形成一種控制面積小、歷時(shí)短、強(qiáng)度大的局部性暴雨。地區(qū)內(nèi)氣候的另一影響因素是氣溫的時(shí)空變化大，高山寒冷，最低溫度低至-25；河谷地區(qū)干燥炎熱，最高溫度可達(dá)45。同一高程，氣溫的日變差可達(dá)15。溫濕的強(qiáng)烈變化，又激發(fā)了地表的風(fēng)化剝蝕作用，加速了松散碎屑物質(zhì)的積累過程。4.2地貌、地質(zhì)和地震作用該區(qū)域在地貌上多處于西部高原向東部丘陵山地的過渡地帶。地面切割強(qiáng)烈，山高谷深，河流兩岸地形陡峻，河道坡度大。受重力作用，地表徑流引起強(qiáng)烈的片蝕和細(xì)溝侵蝕，河流形成下切和溯蝕。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造和地層復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育。在強(qiáng)烈、頻繁的地震作用下，破壞山體穩(wěn)定，使巖層變得更加松散、破碎，節(jié)理、裂隙更加發(fā)育，塌方、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象頻頻發(fā)生。大量固體物質(zhì)堆積于坡腳、溝道和溝口，為河流泥沙提供了來源。區(qū)內(nèi)東川協(xié)地區(qū)就是國內(nèi)外聞名的泥石流高發(fā)區(qū)。4.3人類活動(dòng)影響該地區(qū)人口稠密，人均耕地少，人類活動(dòng)頻繁。不適宜的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，如濫墾、濫伐、濫牧，使生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。不合理的工程設(shè)計(jì)施工、開采、爆破等破壞了地表的均衡結(jié)構(gòu)。山地環(huán)境惡變，加劇了本地區(qū)的水土流失。東川協(xié)地區(qū)嚴(yán)重泥石流的形成，除受特定的地質(zhì)構(gòu)造等條件影響外，與東川銅礦的開采也有關(guān)