嘉陵江流域水沙变化特性及原因分析.pdf

泥沙研究 年月第期 收稿日期 基金项目 国家重点基础研究发展资助项目 作者简介 许全喜男 湖北武汉人 长江水利委员会水文局高级工程师 武汉大学水利水电学院博士 主要从事水文泥沙 河床演变等方面的研究工作 嘉陵江流域水沙变化特性及原因分析 许全喜陈松生熊明陈泽方 长江水利委员会水文局 湖北 武汉 武汉大学 水资源与水电工程国家重点实验室 湖北 武汉 摘要 嘉陵江是长江三峡上游主要产沙区之一 近年来水沙特性发生了明显变化年与年前 相比 嘉陵江流域年均径流量减少了年均悬移质输沙量减少了亿减幅达到其主要影响 因素包括降雨量的减少 水利工程拦沙 水土保持以及河道采砂与淤积等本文采用典型调查与分析研究相 结合的方法 首次对各影响因素对北碚站输沙量减少的贡献率进行了定量分割 分析结果表明 径流量减少引 起减沙约万占总减沙量的水电工程拦沙引起减沙万占总减沙量的水土保持 综合治理措施减沙万占总减沙量的河道泥沙淤积 采砂及其他因素减沙万占北碚总 减沙量的这对预测今后三峡水库入库输沙量变化趋势具有重要意义 关键词 嘉陵江流域 水沙特性变化 原因分析 中图分类号文献标识码文章编号 长江上游水沙变化是流域多种自然因素和人为因素综合作用的结果近年来 长江上游水沙变化 出现了新的变化特点 特别是嘉陵江输沙量明显减少 其变化将对长江三峡库区水沙运动以及泥沙冲淤 变化等产生重要影响 因此一直是社会各界比较关心的问题 本文以监测资料为基础 对嘉陵江流域水 沙变化特点及变化趋势进行了分析 嘉陵江流域布设有较为完整的水文站网 见图主要控制站有顺利峡水文站 西汉水谭家坝水文 站 白龙江武都 碧口 三磊坝水文站 嘉陵江干流略阳 新店子 广元亭子口 武胜 北碚水文站 渠江 罗渡溪水文站 涪江的涪江桥和小河坝水文站其观测年限一般从世纪年代开始 项目包括 降水 水位 流量 泥沙 部分水文站如武胜 罗渡溪 小河坝等还包括有悬移质泥沙颗分测验 北碚水文 站于年开始进行悬移质泥沙颗分测验年在北碚站上游约布设有东津沱水文站 进行卵 石推移质测验 嘉陵江流域输沙量以悬移质为主 本文中的输沙量除特别说明外 均指悬移质输沙量 嘉陵江流域水沙特性变化 嘉陵江发源于秦岭南麓 流经陕西 甘肃 四川 重庆四省市 干流全长流域面积约万 嘉陵江流域在长江各大支流中是水土流失比较严重的地区根据流域年径流 输沙 资料分析 西汉水 白龙江两河是嘉陵江流域的重点产沙区 西汉水中上游及白龙江干流立节至武都区 间多年平均输沙模数高达?以上 为长江流域首屈一指的烈度产沙区 嘉陵江武胜以下至河 口段的输沙模数则在?之间 产沙也较大 水沙地区组成 图嘉陵江流域主要水文站及已建大中型水库 航电枢纽分布示意图 嘉陵江流域水沙地区组成见表由表可以看出 嘉陵江三大水系中干流水量最丰 多年平均径流 量占北碚站的渠江和涪江径流量则分别占北碚站的和来沙主要来自干流武胜 站以上地区 渠江和涪江 其输沙量分别占北碚站的和此外 嘉陵江三江汇合区 即武胜 罗渡溪 小河坝与北碚之间的未控区间 其集水面积占北碚站控制面积的多 年平均来水来沙量分别为亿和万分别占北碚站水沙量的和 与年前相比年径流量地区组成未发生明显变化 但输沙量地区组成则发生了一 定变化 见表其中嘉陵江上游主要支流西汉水 白龙江虽输沙量有所减小 但其占北碚站的比 重由增大至受上游来水来沙条件以及干流航电枢纽拦沙作用等综合影响 嘉陵江干 流武胜站输沙量减小万其占北碚站的比重则由减小为渠江和涪江输沙量之 和虽由万 减小至万但其占北碚站的比重则由增大至 近期水沙变化特点 从嘉陵江各主要控制站历年年径流量和输沙量变化过程来看 分别见图图嘉陵江干流 涪 江和渠江近期输沙量减小均较为明显年统计资料表明年和年相 比 北碚站年均径流量由亿减少至亿减少亿减幅年均输沙量则由 万 减少至万沙量减少万减幅含沙量也由?减少至? 由表分析可知 嘉陵江北碚站减沙主要由武胜以上地区 渠江 涪江和三江汇合区减沙等四部分 组成 其中武胜以上地区减沙量为万渠江减沙量万涪江减沙量万三江汇合区减 沙量万其分别占北碚站总减沙量的和 水沙年际变化特点 为分析嘉陵江流域主要测站年际变化情况 对各站各年代水沙量进行统计 见表从表可以 看出 嘉陵江各控制站水量基本以世纪年代为最大年代则有所减少年代又有所增加 近 期水沙量则大幅度减少 北碚站水沙量以年代为最大 其分别达到亿和万近期水沙量与其它年代相比 水沙量则均出现较大幅度减少 且沙量减少幅度大于径流量减少幅度 其水沙量分别为年代年 代和年代的和和和 水沙年内变化 嘉陵江各主要控制站水沙年内分配规律变化不大北碚 武胜 涪江小河坝 渠江罗渡溪站 汛期 月月径流量 输沙量分别占全年的和以上 主汛期月月径流量 输沙量分别占全年 的和以上 表嘉陵江流域水沙地区组成变化 河名站名 集水面积多年平均径流量多年平均输沙量 ?占北碚?占北碚?占北碚 含沙量 ?统计年份 白龙江三磊坝 西汉水谭家坝 嘉陵江武胜 渠江罗渡溪 涪江小河坝 嘉陵江北碚 表嘉陵江流域主要测站各年代径流量输沙量统计 河名站名 近期 径流量 ?输沙量 ?径流量 ?输沙量 ?径流量 ?输沙量 ?径流量 ?输沙量 ? 嘉陵江武胜 渠江罗渡溪 涪江小河坝 嘉陵江北碚 水沙关系变化 根据北碚站年径流量年输沙量相关关系 见图分析 嘉陵江水沙关系年前无明显变化 但 近期水沙关系发生明显变化 较其它年代同水量下沙量减小明显 流域水沙特性如发生系统变化 在水沙量双累积曲线图上将表现出明显的转折 即累积曲线斜率明 显变大或减小从北碚站水沙量双累积曲线图 见图中可以看出 北碚站累积水沙量关系线在 年后斜率明显变小 说明年后沙量减少明显 流域水沙变化原因分析 影响流域侵蚀产沙和泥沙输移的因素可分为自然和人为两个方面自然因素主要包括地质地 貌 土壤植被条件 气候等 人为因素则主要包括水利工程拦沙 水土保持 工程建设增沙 河道采砂等 在以上影响因素中 地质地貌 土壤和植被 自然地带性植被 因子相对较为稳定 对不同时间侵蚀产沙 量的变化影响较小 气候变化和人为因素通常具有不同时间尺度的周期性 是流域侵蚀产沙 输沙量变 化的重要影响因素 图武胜站年径流量 输沙量过程线图 图小河坝站年径流量 输沙量过程线图 图北碚站年径流量年输沙量相关关系 图罗渡溪站年径流量 输沙量过程线图 图北碚站年径流量 输沙量过程线图 图北碚站年径流量与年输沙量双累积曲线 降雨量 径流量 变化 嘉陵江流域面积大 地质地貌条件较为复杂 降雨落区 范围及强度对河流来沙的影响较大 不同的 降雨落区 范围及强度可导致输沙量相差倍以上 嘉陵江流域个主要控制站的雨量资料表明年流域年均降雨量为与年 前相比 其降雨落区未发生明显变化 但年均降雨量偏少约偏少幅度在左右 图北碚站年月均流量输沙率关系 从年和年北碚站 各月平均流量和输沙率对比情况来看 北碚站 径流量减小主要集中在汛期月 其减幅 在左右 主汛期月平均流量减幅则 在左右与年相比 北碚站 年年均径流量减少亿考 虑径流还原 根据北碚站月均流量月均输沙 率关系 见图和年径流量年输沙量关系 见图初步计算 嘉陵江流域由于径流量偏 少而引起北碚站输沙量减少万 万平均万占北碚站总减沙量的 平均为 水利工程拦沙 流域开发概况 截至世纪年代末 嘉陵江流域内已建成各类水库座总库容亿其中大型水 库座 碧口 鲁班和升钟总库容亿中型水库座 总库容亿小型水库座 总 库容亿 据不完全统计年以来 嘉陵江流域内已建有东西关 宝珠寺 江口 桐子壕 马回等座大 中型水库 水电站总库容达到亿渠江凉滩和富流滩等库容不详 未参与统计其中 嘉陵 江干流亿白龙江流域亿渠江流域亿涪江流域亿 水利工程拦沙作用分析 根据年前长江上游地区水库统计资料嘉陵江流域水库年均淤积泥沙约万合 万按泥沙干容重?计算 下同对北碚站的减沙量为万其中 大型水库年均拦 沙量为万鲁班 升钟水库年均拦沙量分别为万和万中型水库年均拦沙量为 万年淤积率为小型水库年均拦沙量为万年淤积率为 流域内大多数水库建于世纪年代年代年水库共拦截泥沙亿占总 库容的这部分水库目前还在发挥拦沙作用 因位于碧口水库下游的宝珠寺水库于年月开始蓄水发电 为不重复计算碧口水库和 宝珠寺水库的拦沙作用 将这两个水库的拦沙作用分开计算碧口水库总库容为亿死库容 亿据调查统计碧口水库年年均拦沙量为万年共淤积 泥沙亿年年均拦沙量为万宝珠寺年年均淤积泥沙 万合万两者加权平均计算年水库年均拦沙量为万合万 在年前已建水库中 中型水库年年均拦沙量为万其中 渠江流域万 合万嘉陵江干流水系万合万涪江流域万合万小型水库 年年均拦沙量为万合万因此 扣除碧口水库以及泥沙淤积带来的库容损失 年流域已建水库在年年均淤积量为万合万 如按水库平均年淤积率计算并结合水库淤积调查资料分析年新建水库新增 拦沙量约万?合万?其中白龙江宝珠寺水库年均淤积泥沙万涪江 流域中型水库年淤积率为因此年涪江流域水库年均拦沙万合万 渠江流域中型水库年淤积率为因此年渠江流域水库年均拦沙万合 万嘉陵江干流上修建的航电枢纽 其拦沙作用也较为明显如东西关枢纽年均淤积泥沙约 万年淤积率为当枢纽运用年后拦沙达到万万占枢纽总库容的时 淤积平衡按此估算年亭子口武胜区间已建航电枢纽 未包括桐子壕航电枢纽 共拦蓄 泥沙万万左右 年均拦沙万万左右 综上所述 嘉陵江流域已建和新建水库年年均拦沙量约万?约合万? 水利工程拦沙对北碚站减沙作用分析 水库拦沙淤积对其下游的影响是一个十分复杂的动态传递过程 在水库拦沙淤积的同时 水库坝下 游河床冲刷 输沙量沿程有所增加 但河床冲刷强度也会沿程减弱 因此上游水库拦沙量的多少 并不意 味着下游河道输沙量将减少多少 并且越往下游 受水库拦沙影响就越小 由于嘉陵江亭子口以下河床系卵砾石夹沙河床 抗冲能力较强可冲量不大 因此嘉陵江上游修 建水库后对北碚站减沙作用较大 其对下游河道悬移质减沙率可用进行初步估算另外 近年来 干流亭子口以下河道水流条件已发生较大改变 如亭子口武胜区间已建有红岩子 马回 东西 关和桐子壕航电枢纽 抬高了水位 水流流速减小 加之近年来干流流量减小 如年武胜站 最大流量为?年月日而年最大流量为?年月日河道 冲刷强度有所减弱因此初步估算 宝珠寺水库拦沙对北碚站减沙的作用系数 引起北碚站减沙量 ?水 库拦沙量 约为因此宝珠寺拦沙引起北碚站减沙量为万 渠江流域内新修水库大都位于中下游地区 如凉滩 四九滩电站控制流域面积占渠江流域面积的 左右 特别富流滩枢纽仅距罗渡溪站约其减沙作用明显已有成果表明水库拦沙作用系 数应在左右 因此年新建水库拦沙引起北碚站减沙量为万而 年前已建水库则大多位于上游 其拦沙作用系数可取为引起北碚站减沙量为 万 涪江流域内新修水库大都位于中上游地区 如螺丝池电站位于控制面积占流域面积的其拦 沙对北碚站减沙的作用较小综合已有成果分析其作用系数在左右 因此涪江流域水库拦沙 引起北碚站减沙量为万年前已建水库引起北碚站减沙量为万 鲁班水库年均拦沙量仅为万左右 可忽略不计 亭子口武胜干流区间修建的航电枢纽距离北碚站较近 其拦沙作用对北碚站减沙的作用系数约 为嘉陵江干流枢纽拦沙引起北碚站减沙量为万年前已建水库引起北碚 站减沙量为万升钟水库引起北碚站减沙量为万 年前已建小型水库 由于其大都位于支流上 距离出口站较远 其水库拦沙作用系数可按 年前平均值进行估算 则其对北碚站的减沙量为万 综上所述年嘉陵江流域水库 包括已建和新建 拦沙引起北碚站减沙量约为万 ?与年前相比 水库新增减沙量为万?约占北碚站总减沙量的 水土保持减沙作用 嘉陵江流域水土流失类型以水力侵蚀为主 其次为重力侵蚀 主要分布在西汉水 白龙江 嘉陵江中 游上段以及渠江流域据年全国遥感普查结果 水土流失面积为占水土总面积 土壤侵蚀总量为亿?侵蚀模数为? 从年起 嘉陵江中下游和陇南陕南地区被列为长江上游水土保持重点防治区之一 流域内 个县 市 区 中先后有个县 市 区 开展了水土保持重点治理 治理措施主要包括坡改梯 水保林 经 果林 种草 封禁治理 保土耕作和小型水利水保工程等其中小型水利水保工程主要包括塘堰 蓄水量 万谷坊 山沟内高度小于的小坝拦沙坝 蓄水池 排灌渠 截水沟和沉沙池等 根据全国年第二次遥感调查 采用年卫片 资料 嘉陵江流域水土流失 面积占土地总面积的与年遥感普查资料相比 流域年侵蚀量减少万 水土流失面积减小 水土保持措施减蚀效益对流域河流出口控制站的减沙作用 可根据下式进行估算 式中为水土保持措施对河流出口的减沙量为水土保持措施就地减蚀量为流域泥沙输移 比 嘉陵江流域多年平均泥沙输移比约为因此水土保持措施减沙量为万 年 流域内实施各种水保措施累计治理水土流失面积治理程度对 流域出口 北碚站 输沙量约为万而截至年底 流域内累计治理水土流失面积 较年增加了据此估算 水土保持措施对流域出口 北碚站 减沙量约为 万 综上所述年水土保持对北碚站年均减沙量在万万平均约万 占北碚站总减沙量的平均 但应当指出的是 水土保持治理工程不仅固结了土壤 改变了流域产汇流机制 减少了水土流失 在 降雨量较小时 其减沙作用会比较明显 但当降雨强度较大时 将导致淤地坝等小型水利水保工程被洪 水冲毁 还会使前期拦蓄的泥沙中 有一部分被 释放使产沙量大幅度增加应引起有关方面的高 度重视 三江汇合区泥沙淤积 根据水沙量平衡原理 由武胜 罗渡溪 小河坝 北碚等四站资料分析 嘉陵江三江汇合区 年区间年均来水来沙量分别为亿和万年均含沙量为?分别占北碚站同期 水沙量的和 年区间年均来水来沙量则分别减少为亿和万年均含沙量仅为? 与年前相比 其减幅分别为和综合分析可知由于径流量减小导致减沙量在 万 左右 水土保持措施综合减沙效益在左右 该区间年年均来沙量在 万 左右因此年后区间河段年均淤积量约万出现淤积的原 因主要是嘉陵江干流上游暴雨集中造成严重水土流失和高含沙水流以及区间河道采砂 涪江干流安 居 渭沱电站拦沙作用 河道采砂 河道采砂不仅使河床床面受到不同程度的干扰 破坏河道水流流态和输沙天然特性其中最明显 的就是 引起推移质泥沙和悬移质中的粗沙输移量减少 这对减轻三峡水库变动回水区推移质泥沙淤积 压力具有积极作用 据长江委水文局年调查 嘉陵江朝天门盐井河段平均每公里采沙万 ? 砾卵石万 另外据年调查资料 嘉陵江朝天门合川段范围内年采砂量万砾卵石占 沙占 主要认识 年前后相比 嘉陵江北碚站水量减少亿减幅沙量则减少万减幅 主要由武胜以上地区 渠江 涪江和三江汇合区减沙等四部分组成 其中武胜以上地区减沙量