三峽水庫蓄水對(duì)長江中游兩湖泥沙沖淤的影響

三峽水庫蓄水后，水庫下游水文砂勢(shì)明顯調(diào)整，尤其是沙量的大幅減少，對(duì)長江中下游兩大江湖（湖泊和蕪湖）的砂勢(shì)整體分布特征做出了一定程度的變化，導(dǎo)致湖泊砂勢(shì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)和湖泊關(guān)系的變化。針對(duì)三峽水庫蓄水對(duì)長江中游兩湖影響這一問題,以往研究成果眾多,在水文泥沙情勢(shì)、泥沙沖淤和生態(tài)環(huán)境等方面均取得了重要認(rèn)識(shí)。由于兩湖地區(qū)水域組成極為龐大復(fù)雜,實(shí)測的地形資料難以獲取,已有關(guān)于兩湖泥沙沖淤的分析多是基于進(jìn)出湖控制水文站的水沙輸移關(guān)系的對(duì)比,或是用遙感影像資料中洲灘面積等特征形態(tài)的變化來進(jìn)行間接描述,對(duì)于湖區(qū)泥沙沖淤分布的反應(yīng)尚不夠全面,尤其缺少三峽水庫蓄水前后兩湖地區(qū)泥沙沖淤分布的對(duì)比研究,難以充分體現(xiàn)三峽水庫蓄水后對(duì)兩湖泥沙沖淤的實(shí)際影響。本文在收集兩湖地區(qū)近年實(shí)測地形資料的基礎(chǔ)上,綜合泥沙沖淤總量及分布兩大方面,對(duì)比分析了三峽水庫蓄水前后兩湖泥沙沖淤變化,并通過對(duì)湖區(qū)歷史泥沙沖淤情況的梳理,提取了不同時(shí)期影響兩湖泥沙沖淤的主要因素。在詳細(xì)考量三峽水庫蓄水后兩湖水沙情勢(shì)變化的基礎(chǔ)上,研究了三峽水庫蓄水對(duì)兩湖泥沙沖淤的影響,有助于進(jìn)一步深入研究三峽水庫蓄水對(duì)長江中游江湖關(guān)系的影響程度。1資料來源及資料來源本文所用數(shù)據(jù)為長江中游及兩湖流域主要水文站、水位站1950—2012年年徑流量、輸沙量、水位實(shí)測資料系列;洞庭湖湖區(qū)采用1995年、2003年、2011年實(shí)測1∶10000地形,鄱陽湖湖區(qū)采用1998年、2010年實(shí)測1∶10000地形資料,資料來源于長江水利委員會(huì)水文局和江西水文局。本文主要采用水文學(xué)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)相結(jié)合的分析方法,同時(shí)考慮到三峽水庫蓄水運(yùn)用后對(duì)長江中游兩湖泥沙沖淤變化帶來的影響,重點(diǎn)對(duì)三峽水庫蓄水運(yùn)用前(1950—2002年)、后(2003—2012年)長江中游及兩湖地區(qū)水沙變化進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)于洞庭湖、鄱陽湖而言,采用輸沙量法計(jì)算湖區(qū)淤積量,采用實(shí)測地形對(duì)比分析湖區(qū)泥沙沖淤分布特征。2影響因素研究2號(hào)湖泊沉積物的性質(zhì)和影響因素2.1影響因素和湖泊砂層泥漿的性質(zhì)和影響因素2.1.1泥沙沉積率和沖刷量洞庭湖位于長江南岸,西面和南面納湖南湘、資、沅、澧“四水”,東面有汨羅江和新墻河入湖,北面有松滋、太平、藕池、調(diào)弦(于1959年建閘封堵)等“四口”分泄長江水流,并經(jīng)城陵磯再次匯入長江,江湖關(guān)系十分復(fù)雜。洞庭湖泥沙來自于荊江三口和湖南四水,其中荊江三口1956—2012年多年平均入湖沙量占總?cè)牒沉康?0.7%,三口分沙是洞庭湖泥沙主要來源。自長江干流下荊江裁彎工程實(shí)施至三峽水庫蓄水前,三口分入洞庭湖的泥沙總量逐年減少,使得洞庭湖入湖總沙量趨于減少,湖區(qū)淤積總量也隨之減少,但各年淤積量占入湖沙量的比例,即泥沙沉積率在42.6%(1994年)~84.0%(1974年)之間波動(dòng)(圖1),綜合長系列和時(shí)段平均值來看,湖區(qū)泥沙沉積率無明顯增大或減小的趨勢(shì),典型時(shí)段均值始終保持在71%左右(表1)。三峽水庫蓄水后,洞庭湖入湖沙量大幅減小,相較于三峽水庫蓄水前1996—2002年均值,2003—2012年荊江三口、湖南四水入湖沙量分別減少83.8%和46.7%,受此影響,湖區(qū)泥沙淤積量和沉積率都呈明顯減小趨勢(shì),其中泥沙沉積總量減少96.4%,泥沙沉積率下降為11.5%。尤其是2006年、2008—2012年,入湖沙量明顯少于出湖沙量,特別是2011年,入湖沙量為0.0350億t,而出湖沙量達(dá)0.143億t,湖區(qū)泥沙沖刷0.108億t(表1)。以往眾多研究均認(rèn)為洞庭湖區(qū)遵循“高水淤積,低水沖刷”的變化規(guī)律。一方面,高水期入湖沙量顯著偏大,從多年平均情況來看(1956—2012年),汛期6~9月荊江三口輸沙量占全年總量的90.6%;另一方面,高水期洞庭湖出口城陵磯水位較高,干流頂托作用下,湖區(qū)水面比降減小,流速減緩,泥沙易于落淤。至枯水期,入湖沙量大幅減少,同時(shí)城陵磯頂托作用減弱,湖區(qū)水面比降增大,流速增大,泥沙進(jìn)入沖刷狀態(tài)。依據(jù)長江水利委員會(huì)水文局1995年、2003年和2011年的洞庭湖區(qū)實(shí)測地形資料,對(duì)比三峽水庫蓄水前后9年,從洞庭湖湖區(qū)泥沙沖淤分布情況來看(圖2),三峽水庫蓄水前1995—2003年,洞庭湖以淤積為主,包括西洞庭湖的目平湖、南洞庭湖楊柳潭以東及東洞庭湖均處于淤積狀態(tài),其中東洞庭湖泥沙淤積幅度最大,最大淤積厚度達(dá)到3m以上,整個(gè)湖區(qū)的泥沙平均淤積厚度約為3.7cm;三峽水庫蓄水后2003—2011年,洞庭湖湖區(qū)由淤轉(zhuǎn)沖,與蓄水前形成鮮明對(duì)比,少量淤積主要發(fā)生在南洞庭湖西部和東洞庭湖的南部,湖區(qū)的泥沙平均沖刷深度約為10.9cm,其中東洞庭湖泥沙平均沖刷厚度最大,約19cm。2.1.2荊江未來年內(nèi)泥沙分布從1956年至今洞庭湖入湖泥沙總量與湖區(qū)泥沙沉積總量的關(guān)系來看(圖3),湖區(qū)泥沙沖淤量的大小主要取決于來沙量的大小,兩者存在良好的正相關(guān)關(guān)系,可見,影響洞庭湖湖區(qū)泥沙沖淤的主要因素仍然是入湖沙量,這一關(guān)系三峽水庫蓄水前后沒有發(fā)生改變。從入湖沙量的兩大組成部分來看,一方面三峽水庫蓄水后,盡管荊江三口入湖沙量占總量比例有所減小,2003—2012年均值約53.8%,仍然在一半以上,未來一段時(shí)間內(nèi),隨著長江上游一系列大型水利樞紐的建成,長江上游沙量將進(jìn)一步減小,而荊江三口含沙量與長江干流含沙量密切相關(guān)(圖4),荊江三口分流能力基本不會(huì)超過當(dāng)前水平,甚至可能會(huì)繼續(xù)減小,荊江三口分沙量也將隨之減小;另一方面湖南四水干流水庫(水電站)的建成運(yùn)用,水庫攔沙作用下,輸入洞庭湖沙量也將有所減小,近10年四水入湖沙量均值已經(jīng)較多年平均情況下降了66%。綜合兩個(gè)部分的變化趨勢(shì),可以預(yù)計(jì),洞庭湖湖區(qū)泥沙淤積將有所減緩。另外,根據(jù)湖南省最新的洞庭湖區(qū)采砂規(guī)劃報(bào)告,湖區(qū)年度控制開采量為2820萬m3,約7.5萬t,也會(huì)減少湖區(qū)局部區(qū)域的淤積。2.2由于鳳陽沉積物洪水泛濫的特點(diǎn)和影響因素2.2.1泥沙沖淤特征鄱陽湖流域處于長江中下游右岸,是中國目前最大淡水湖泊,它承納贛江、撫河、信江、饒河和修水等五大河及博陽河、漳田河和潼津河等支流來水,經(jīng)調(diào)蓄后由湖口注入長江,是一個(gè)過水型、吞吐型、季節(jié)性的湖泊。鄱陽湖水系泥沙主要來自“五河”,且絕大部分來自贛江,其他諸河所占比例較小。1957—2012年年均入湖沙量1260萬t,年均出湖(湖口站)沙量991萬t,若不考慮“五河”控制水文站以下水網(wǎng)區(qū)入湖沙量,湖區(qū)年均淤積泥沙273萬t,占總?cè)牒沉康?1.6%。其中三峽水庫蓄水前,“五河”年均入湖泥沙1420萬t,出湖懸移質(zhì)泥沙946萬t,不考慮“五河”控制水文站以下水網(wǎng)區(qū)入湖沙量,則湖區(qū)年均淤積泥沙469萬t,占入湖沙量的33.1%;三峽水庫蓄水后,2003—2012年“五河”年均入湖泥沙576萬t,出湖懸移質(zhì)泥沙明顯增多,達(dá)到1240萬t(表2)。出湖沙量顯著偏大主要與入江水道大規(guī)模采砂有關(guān),采砂活動(dòng)對(duì)床沙的擾動(dòng)作用,會(huì)造成局部含沙量異常偏大。年內(nèi)鄱陽湖4月以前為河相,比降較大,流速相對(duì)較快,且由于“五河”處于漲水階段,入湖流量增加,流域來沙能順利通過鄱陽湖進(jìn)入長江,淤積在主航道附近的泥沙沖刷,出湖沙量大于入湖沙量;4月起,“五河”進(jìn)入汛期,流域入湖的水、沙驟增,湖水位升高,鄱陽湖呈湖相,比降減小,流速減緩,泥沙落淤,出湖沙量小于入湖沙量,但出湖沙量的比例仍較大;7~9月為長江干流汛期,湖水受頂托或發(fā)生江水倒灌,入湖泥沙大部分淤積在湖內(nèi),江沙倒灌會(huì)增加泥沙淤積幅度;10月以后,湖水隨長江洪水退落而泄量增加,鄱陽湖再成河相,湖區(qū)泥沙開始沖刷。因此,鄱陽湖泥沙年內(nèi)沖淤變化規(guī)律一般為“低水沖、高水淤”,其中4~10月為淤積期,11月~次年3月為沖刷期。從湖區(qū)淤積強(qiáng)度分布特征來看,三峽水庫蓄水前(1952—1984年)鄱陽湖多年平均沉積速率約2.6mm/a。沖刷區(qū)大體上與枯水期河道位置一致,棠蔭以南枯水期沖刷、洪水期堆積,但全年仍以淤積為主;棠蔭以北沖刷作用增強(qiáng),尤以星子至湖口水道最甚,最大沖刷速率超過5.0mm/a,局部因江水頂托和倒灌,沉積作用也較強(qiáng)。湖泊沉積區(qū)以“五河”尾間和入湖三角洲的沉積速率最大,一般大于20.0mm/a,其中南部青嵐湖累計(jì)淤厚1.79m,平均沉積速率達(dá)69.0mm/a,湖盆和湖灣沉積速率相對(duì)較小,一般不超過2.0mm/a。三峽水庫蓄水后,仍是入江水道區(qū)域沖刷最為明顯,青嵐湖及湖盆東北部區(qū)域少量淤積,淤積主要集中在湖盆中部。1998—2010年期間,由于挖沙嚴(yán)重,入江水道區(qū)域、贛江、修水河口區(qū)域沖刷明顯,斷面河床高程呈下降趨勢(shì),同一高程下,2010年斷面面積增大,其中入江水道9#斷面10m以下高程面積增至1998年的5.6倍,河床平均高程下切1.23m;撫河、信江入湖河口至湖盆過渡帶由于上游來沙造成沉降,使得湖盆中部、東北部區(qū)域仍有所淤積,斷面河床高程呈上升趨勢(shì),河床平均高程淤積約0.11m;南部、青嵐湖下游區(qū)域斷面略有沖刷,斷面變化不大,河床平均高程下切0.26m(圖5)。從沖刷速率來看,鄱陽湖區(qū)北部入江水道區(qū)域1998—2010年期間河底下切,沖刷嚴(yán)重,年沖刷速率最大為0.61m(出現(xiàn)在9#斷面),平均沖刷速率0.09m;中部區(qū)域呈緩慢淤積,年淤積速率最大為0.06m,平均淤積速率為0.01m;南部區(qū)域?yàn)檩p度沖刷,年沖刷速率最大為0.03m,平均沖刷速率0.02m。2.2.2人類活動(dòng)對(duì)單一次區(qū)域泥沙沉積量的影響相較于洞庭湖,鄱陽湖近60年的沖淤演變受人類活動(dòng)的影響顯著。因此,要分析其湖區(qū)泥沙沖淤的影響因素,首先要了解鄱陽湖湖區(qū)人類活動(dòng)作用強(qiáng)度及主要時(shí)期。20世紀(jì)50年代至80年代初期,隨著人口的快速增長和農(nóng)業(yè)發(fā)展對(duì)耕地需求的迅猛提高,“圍湖造田”現(xiàn)象達(dá)到了瘋狂的地步,至80年代初期,這種現(xiàn)象才有所緩解,直到1992年之后,“圍湖造田”才得到禁止,1954至1983年期間,“圍湖造田”使得鄱陽湖湖區(qū)面積減小約1270km2,湖盆容積共減小79億m3;80年代初期至2000年,人類活動(dòng)對(duì)湖區(qū)的干擾強(qiáng)度相對(duì)較弱;自2001年長江中下游干流河道實(shí)行全面禁采以來,大量采砂船涌入鄱陽湖,尤其是鄱陽湖入江水道采砂活動(dòng)呈現(xiàn)白熱化狀態(tài),據(jù)海事、港航等部門的相關(guān)資料表明,僅2005—2007年,九江市沿湖縣(區(qū))年均實(shí)際采砂量2.3億~2.9億t?？梢?20世紀(jì)80年代初期之前及進(jìn)入21世紀(jì)以來,人類活動(dòng)對(duì)鄱陽湖湖區(qū)泥沙沖淤的影響都十分顯著,這一特征也能夠通過鄱陽湖入湖沙量與湖區(qū)泥沙沉積量的相關(guān)關(guān)系顯現(xiàn)出來(圖6)。與洞庭湖相似,在人類活動(dòng)干擾較弱的前提下,鄱陽湖湖區(qū)泥沙沉積量也應(yīng)與來沙量存在較好的相關(guān)關(guān)系,一旦受到人類活動(dòng)的擾動(dòng),兩者相關(guān)性發(fā)生變化。1957—1980年和2001—2012年,受大規(guī)?！皣焯铩奔安缮盎顒?dòng)的影響,鄱陽湖入湖沙量與湖區(qū)沉積量的相關(guān)關(guān)系較差,表明湖區(qū)泥沙沉積量受人類活動(dòng)影響較大;而1981—2000年,人類活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較弱,入湖沙量越大,湖區(qū)泥沙沉積量也越大,兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.76,湖區(qū)泥沙沉積量的大小主要與入湖沙量有關(guān)?？梢?與洞庭湖相比,鄱陽湖湖區(qū)人類活動(dòng)對(duì)其泥沙沉積的影響要大得多。3三峽水庫蓄水對(duì)兩湖沉積物侵蝕影響研究3.1峽水庫水位動(dòng)態(tài)變化三峽水庫對(duì)洞庭湖泥沙沖淤的影響主要集中在兩個(gè)方面:一是影響洞庭湖入湖沙量。水庫攔沙作用下,壩下游干流沙量大幅減少,荊江三口含沙量隨之銳減,經(jīng)由荊江三口洪道分入洞庭湖的泥沙大幅減少;二是影響洞庭湖出口水位。受三峽水庫蓄水?dāng)r沙作用的影響,壩下游干流河道沖刷造成同流量下中枯水位產(chǎn)生一定幅度的下降,洞庭湖湖區(qū)沖刷又集中在汛后低水期,干流水位下降造成湖區(qū)水面比降的調(diào)整也可能影響泥沙沖淤強(qiáng)度。荊江三口分入洞庭湖的泥沙由兩部分組成,一是三口分泄的干流沙量,二是三口洪道沖淤產(chǎn)生或沉積的沙量(見表3)。三峽水庫蓄水后,長江中下游干流含沙量大幅減少,荊江三口分泄干流沙量由蓄水前1995—2003年年均6320萬t銳減至1110萬t(2003—2011年均值),減幅達(dá)到82.4%。1995—2003年三口洪道淤積泥沙4680萬m3,年均淤積泥沙約727萬t,2003—2011年洪道含沙量減小后,河床產(chǎn)生沖刷,累積沖刷量達(dá)到7520萬m3,年均沖刷泥沙約1170萬t。因而,三峽水庫蓄水后9年與蓄水前9年相比,荊江三口洪道年均分入洞庭湖的泥沙量減少3310萬t,減幅59.1%。同期,洞庭湖年均入湖總沙量減少約6020萬t,三口分入洞庭湖泥沙減幅占總量的55%。而三口分沙量減少的主要原因在于干流含沙量的銳減,可見,三峽水庫蓄水對(duì)洞庭湖近10年沉積量減少的影響十分顯著。統(tǒng)計(jì)三峽水庫蓄水前10年和蓄水后10年東洞庭湖、洞庭湖出口城陵磯中枯水期水位變化見表4,三峽水庫調(diào)蓄作用下,汛前枯水期對(duì)壩下游干流河道水量具有一定補(bǔ)償作用,因此同期水位相較于蓄水前有所抬升,東洞庭湖水位則變化不大,因此,湖區(qū)水面比降是趨于減緩的;汛后蓄水期及枯水期,東洞庭湖區(qū)及干流水位均較蓄水前有所下降,且降幅基本相同,湖區(qū)水面比降基本未發(fā)生明顯變化。綜合來看,一方面,中枯水期,盡管長江干流段水位在三峽水庫影響下有所下降,但東洞庭湖湖區(qū)水位降幅與干流段基本一致,湖區(qū)水面比降并未發(fā)生明顯調(diào)整,同流量下,洞庭湖湖區(qū)水面比降還有一定幅度的減小,洞庭湖湖區(qū)汛后沖刷的特性沒有發(fā)生變化;另一方面,三峽水庫蓄水加大了湖區(qū)主沖刷期水位下降的速度,使得原本處于沖刷狀態(tài)的低灘過早的出露,沖刷歷時(shí)縮短,但這一過程并未影響洞庭湖淤積減緩的總體趨勢(shì)?？傮w來看,三峽水庫蓄水引起的水位變化對(duì)湖區(qū)泥沙沖淤的影響相對(duì)較弱,對(duì)近幾年洞庭湖淤積減緩的作用不明顯?？梢?三峽水庫蓄水對(duì)洞庭湖泥沙沖淤的影響主要集中在入湖沙量方面,而三口分沙量的減少關(guān)鍵在于水庫攔沙后,干流含沙量的銳減,這是一個(gè)長期的過程,因此,洞庭湖泥沙淤積減緩的趨勢(shì)也將持續(xù)。3.2峽水庫水位變化與洞庭湖不同,鄱陽湖與長江是單聯(lián)通的關(guān)系,江水倒灌是長江干流對(duì)湖區(qū)的典型作用方式,且多發(fā)生在6月之后,鄱陽湖為湖相(星子站水位高于15m)的情況下,倒灌頻率及沙量大小會(huì)對(duì)湖區(qū)泥沙沖淤造成一定影響。同時(shí),若干流水位出現(xiàn)趨勢(shì)性的變化,也會(huì)引起湖區(qū)水位及比降的調(diào)整,從而影響湖區(qū)的泥沙沖淤。從通量的角度來看,前者是影響入湖沙量,后者則會(huì)影響出湖沙量。三峽水庫調(diào)蓄對(duì)鄱陽湖倒灌沙量的影響主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn):一是汛期長江干流含沙量大幅度減小,即使倒灌水量不發(fā)生變化,倒灌總沙量也不可避免地減小;二是水庫調(diào)度方式影響倒灌的頻率和強(qiáng)度。關(guān)于鄱陽湖倒灌發(fā)生的判別條件,已有研究認(rèn)為當(dāng)長江干流流量的日漲幅超過了湖口前一天的出流流量時(shí),江水會(huì)發(fā)生倒灌現(xiàn)象,若三峽水庫發(fā)揮調(diào)洪作用,減小長江干流洪水的上漲速度,則會(huì)使得鄱陽湖倒流機(jī)會(huì)減小。然而,三峽水庫蓄水以來,與歷史情況相比,長江倒灌鄱陽湖的頻率有所下降,總倒灌天數(shù)較蓄水前時(shí)段均值減少22d,但倒灌水量并未減小,較20世紀(jì)90年代還偏大40.7%(表5)。與水量變化相反,三峽水庫蓄水后10年倒灌總沙量為529萬t,僅高于70年代,較90年代減少37.8%,占出湖總沙量的4.3%,較90年代下降9.0%。可見,三峽水庫蓄水后,汛期倒灌鄱陽湖的總水量并未減少,倒灌沙量減少的主要原因仍在于長江干流含沙量的銳減。值得注意的是,近幾年,為進(jìn)一步減輕長江中下游防洪壓力,充分發(fā)揮三峽水庫防洪效益,水庫汛期采用削峰調(diào)度的運(yùn)行方式,汛期控制下泄流量不超過45000m3/s,改變了下游的流量過程,如2010年6月10日~9月9日,三峽水庫入庫洪峰流量大于50000m3/s的洪水出現(xiàn)3次,壩前最大洪峰流量為70000m3/s(7月20日)。這期間,三峽水庫進(jìn)行防洪調(diào)度,下泄流量基本控制在40000m3/s以下(圖7)。這一調(diào)蓄作用使得鄱陽湖發(fā)生倒灌的機(jī)會(huì)減小,與2003—2012年總的情況相比,2010—2012年江水倒灌鄱陽湖的頻率及強(qiáng)度都明顯減弱(表5)。三峽水庫蓄水后,受河道沖刷的影響,長江中下游干流同流量下水位沿程呈現(xiàn)不同幅度的下降,但螺山以下水位下降的現(xiàn)象基本不明顯,就鄱陽湖與長江交匯的區(qū)域來看(九江站),其水位下降現(xiàn)象尚不明顯(圖8)?？紤]到鄱陽湖湖區(qū)沖刷主要集中在入江水道,選取星子水位站作為入江水道控制站,都昌站作為湖區(qū)控制站,湖口站水位變化基本受干流水流條件影響,可作為干流水位變化控制站。從上文分析成果來看,鄱陽湖沖刷主要發(fā)生在中低水時(shí)期,統(tǒng)計(jì)三峽水庫蓄水前后湖區(qū)與湖口中低水期水位變化見表6?？梢钥闯?汛前枯水期(1~3月),湖區(qū)水位降幅明顯較干流水位降幅偏大,且都昌站水位降幅大于星子站,表明干流水位下降并非鄱陽湖入江水道水位下降的主要原因,其水位變化主要與近年“五河”來水偏小有關(guān);三峽水庫蓄水期及汛后枯期(9~12月),鄱陽湖入江水道水位降幅與干流基本一致,湖區(qū)略大于