三峽大壩下游粗細顆粒泥沙輸移規(guī)律及成因?

楊云平，張明進，李松喆，朱玲玲，由星瑩，李侃禹，余新明

（1：交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通運輸行業(yè)重點實驗室，天津300456）（2：天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072）（3：長江水利委員會水文局，武漢430010）（4：湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢430064）（5：長江航道局，武漢430010）

三峽大壩下游粗細顆粒泥沙輸移規(guī)律及成因?

楊云平1，張明進1，李松喆2，朱玲玲3，由星瑩4，李侃禹5，余新明5

（1：交通運輸部天津水運工程科學研究所，工程泥沙交通運輸行業(yè)重點實驗室，天津300456）（2：天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津300072）
（3：長江水利委員會水文局，武漢430010）
（4：湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，武漢430064）
（5：長江航道局，武漢430010）

以三峽下游河段為研究對象，利用1987-2014年原型觀測數(shù)據(jù)，分析粗細顆粒在時間和空間的輸移過程，并以水文站作為劃分單元探討其成因.三峽水庫蓄水后壩下游d≤0.125mm（細顆粒）各粒徑組沙量沿程遞增，并小于蓄水前均值；d＞0.125 mm（粗顆粒）沙量在宜昌—監(jiān)利河段得到補給，其下游為淤積趨勢，其中2003-2007年至監(jiān)利站恢復程度最大.在成因上：①宜昌—沙市河段，河床粗化限制了粗細顆粒泥沙補給，其中細顆粒補給受制于總水量，粗顆粒受制于大流量持續(xù)天數(shù)和量值；②沙市—監(jiān)利河段，粗細顆粒補給均受制于總水量；③監(jiān)利—螺山河段，洞庭湖入?yún)R對細顆粒補給起決定作用，河床補給量中洪水年大于中枯水年，粗顆粒為淤積趨勢，且中洪水年淤積量小于中枯水年；④螺山—漢口河段，細顆粒增加受河床補給決定，2008-2014年補給強度弱于2003-2007年，2010年前后粗顆粒泥沙由淤轉(zhuǎn)沖，與大流量持續(xù)天數(shù)和量值增加有關(guān)；⑤漢口—九江河段，細顆粒泥沙淤積，粗顆粒因河床沖刷得到補給，大水年補給量高于枯水；⑥九江—大通河段，鄱陽湖入?yún)R和河床補給對細顆粒增加的貢獻比例為1∶2.82，河床沖刷對粗顆粒泥沙起補給作用，受大流量持續(xù)天數(shù)和量值影響.

分組沙；輸移規(guī)律；成因分析；三峽大壩；長江中下游

流域水庫或大壩的修建，尤其是梯級水庫聯(lián)合運用后強大的調(diào)度功能對河流徑流起到了巨大的調(diào)節(jié)作用，改變了壩下游天然的水文循環(huán)和泥沙輸送過程［1］.各河流上水庫的運行規(guī)則不同，其下游支流和湖泊分匯、河床沖刷、河型調(diào)整等情況各異，且同一河流年際間水量豐枯也存在差異，但水庫修建后壩下游輸沙量均存在沿程恢復，但總量上均未超過建庫前多年均值.一般而言，水庫下游非均勻沙恢復飽和系數(shù)的數(shù)量級一般可達10-3～10-1，且隨著泥沙粒徑的增大而減小，也隨著河床沖刷歷時增加、床沙粗化程度提高而呈遞減趨勢［2］.漢江丹江口水庫修建后壩下游泥沙得到恢復，其中1980-1985年期間因來水量大，恢復程度高于1970-1979年期間，但量值仍小于蓄水前均值［3］.黃河三門峽水庫壩下游d≤0.05 mm沙量沿程上得到持續(xù)恢復，0.05mm＜d≤0.10mm沙量在恢復一定距離后減小，d＞0.10mm泥沙在花園口以下為增大趨勢，這可能與區(qū)間支流匯入有關(guān)［4］.綜上，水庫修建后壩下游粗細顆粒泥沙沿程上均能得到恢復，受流量、河床組成、分匯流等影響，恢復程度存在差異.

三峽水庫蓄水后壩下游總沙量為減少趨勢，與全球大型水庫蓄水后下游泥沙輸移規(guī)律一致［5］，其影響因素從大到小為三峽水庫蓄水、水土保持、江湖關(guān)系等［6-7］.針對粗、細顆粒泥沙輸移特性的研究，三峽水庫蓄水前預測成果認為，壩下游各粒徑組沙量均得到恢復，但總量不會超過建庫前均值［8］，2003-2011年期間壩下游沙量沿程增加趨勢，與預測基本一致［9-10］.2003-2007年實測數(shù)據(jù)顯示，近壩段長距離沖刷的原因是床沙中細顆粒泥沙補給不足［9］.2003-2011年期間d≤0.125 mm沙量在沿程上緩慢恢復，在壩下游200 km內(nèi)d＞0.125mm泥沙恢復較快，說明蓄水后強沖刷發(fā)生在荊江河段［10］.長江宜昌—武漢［11］、黃河三門峽—利津河段［12］河道沖淤對不同粒徑組泥沙響應關(guān)系不同，粒徑越大兩者的相關(guān)性越強，且單位來沙量改變引起的河道沖淤量越大，即河道沖淤不僅取決于來自本河段上游的泥沙數(shù)量，也取決于泥沙的粒度組成.三峽水庫蓄水位由135m逐漸提升至175m，改變了壩下游徑流的洪季和枯季分配比例［13］，使得洪水流量削減及持續(xù)天數(shù)縮短［14］，改變了水流對非均勻沙的攜帶能力及河床沖刷能力.長江中下游床沙為粗化趨勢，近壩段的0～200 km河段內(nèi)粗化最為明顯［15］.在河床沖淤上，2003-2007和2008-2014年時段間宜昌至枝城、上荊江為粗細均沖，下荊江為淤粗沖細，漢口至大通河段為淤粗沖細，城陵磯至漢口河段2003-2007年為淤粗沖細，2008-2014年為粗細均沖［16-17］.同時，長江中下游存在湖泊分匯和支流入?yún)R等作用，也會影響長江干流的泥沙輸移量.針對三峽水庫蓄水后，壩下游流量過程、河床組成、湖泊分匯和支流入?yún)R等發(fā)生調(diào)整，對于綜合因素作用下粗、細顆粒泥沙輸移規(guī)律的認識尚不明晰，仍需開展深入研究工作.

本文收集1987-2014年期間三峽水庫進出庫、壩下游干支流及湖泊水文站泥沙總量及級配、河床組成等資料，充分考慮泥沙沖淤特性、測量粒徑組及河道沖淤關(guān)系等，以d＝0.125 mm為懸沙粗細顆粒劃分的臨界粒徑，分析研究三峽大壩下游干流河段粗細顆粒泥沙輸移規(guī)律，從流量過程、河床組成、江湖分匯、支流入?yún)R等方面著手，探討粗、細顆粒沙輸移過程的時空差異性及成因.

1 研究區(qū)域、資料來源及水文泥沙特征

1.1 研究區(qū)域

宜昌至大通河段長度1183 km，宜昌至大埠街為砂卵石河段，長度約為116.4 km，大埠街至大通為沙質(zhì)河段，長度為1066.6 km（圖1）.研究河段內(nèi)有宜昌、枝城、沙市、監(jiān)利、螺山、漢口、九江和大通等水文站；洞庭湖分流口為松滋口、太平口和藕池口，習稱洞庭湖“三口”；洞庭湖、漢江和鄱陽湖入江水文控制站分別為城陵磯、皇莊和湖口站.

圖1 三峽大壩下游干流概略圖Fig.1 Schematic diagram of themainstream in the downstream of the Three Gorges Dam

1.2 資料來源

收集1987-2014年長江三峽大壩下游干流、支流及湖泊分匯流水文站水文泥沙、懸沙級配數(shù)據(jù)，宜昌至大通站區(qū)間河床沉積物顆粒數(shù)據(jù)資料，數(shù)據(jù)來源與時段見表1.

表1 三峽大壩下游水文泥沙觀測數(shù)據(jù)來源Tab.1 Source of sediment and hydrological data in the downstream of the Three Gorges Dam

1.3 水文泥沙特征

2003-2014年壩下游各水文站水量和輸沙量均小于1987-2002年均值，其中2008-2014年期間減幅大于2003-2007年（圖2）；2003-2014年各水文站水量和輸沙量減幅分別在3.5%～13.0%和53.5%～93.5%之間，向下游水量減幅略有增大，輸沙量減幅縮小.已有研究表明：2003-2012年與1993-2002年期間相比較，降雨、城市水消耗、三峽大壩、其他大壩及水土保持對水量減少的貢獻比例分別為61%、2%、3%、5%和9%，對輸沙量減少的貢獻分別為14%、1%、65%、10%和10%［6］.因此，降雨因素對水量減少的貢獻最大，三峽大壩攔沙作用對輸沙量減少的貢獻最大.

圖2 三峽大壩下游水量、沙量變化Fig.2 Changes of discharge and flux in the downstream of the Three Gorges Dam

1987-2002、2003-2007和2008-2014年期間（圖3），洞庭湖“三口”分水量、分沙量及占枝城站比例均為減少趨勢，城陵磯站水量和輸沙量均為先減少后增加，水量占螺山站比例為減少趨勢，輸沙量占螺山站比例為增加趨勢；漢江入?yún)R長江的水量、輸沙量及占漢口站比例為先增加后減少；湖口站水量及占大通站比例為先減少后增加，輸沙量及占大通站比例為先增加后減少.

圖3 三峽大壩下游支流及湖泊水量、沙量變化Fig.3 Changes of discharge and flux in the lakes and tributary of the downstream of the Three Gorges Dam

1987-2002、2003-2007和2008-2014年期間壩下游懸沙中值粒徑沿程上先增大后減小，三峽水庫蓄水后監(jiān)利站中值粒徑最大（圖4）.年際變化上，宜昌站先減小后增大，枝城站略有減小，沙市、監(jiān)利和螺山站先增大后減小，漢口和大通站略有增大；洞庭湖“三口”先減小后增大，城陵磯站增大趨勢；漢江皇莊站先增大后減少.漢江皇莊站懸沙中值粒徑高于漢口站，但漢口站與上下游水文站的差異較小，主要是皇莊站輸沙量占漢口站比例較小，對漢口站懸沙粒度的影響相對較?。煌瑫r皇莊站—入江口門河段粗顆粒泥沙淤積，細顆粒泥沙沖刷，使得對漢口站懸沙粒徑的影響進一步減弱.

2 長江三峽大壩下游不同粒徑組泥沙的輸移規(guī)律

2.1 不同粒徑組泥沙的輸移過程

以d≤0.031mm、0.031mm＜d≤0.063mm、0.063mm＜d≤0.125mm、0.125mm＜d≤0.25mm和d＞0.25mm粒徑區(qū)間劃分懸移質(zhì)粒度，空間上輸移規(guī)律為（圖5）：1987-2002年期間d≤0.031mm輸沙量在宜昌—枝城—螺山—大通河段經(jīng)歷了增加—減少—再增加的過程，2003-2007年期間宜昌—枝城—監(jiān)利—大通河段為增加—減小—再增加的過程，2008-2014年期間宜昌—大通河段為增加趨勢.1987-2002年期間0.031 mm＜d≤0.063 mm輸沙量在宜昌—枝城—螺山、螺山—漢口—大通均為先增加后減少，2003-2007、2008-2014年兩時段在宜昌—監(jiān)利—螺山—大通為增加—減小—增加的變化過程.1987-2002年期間0.063mm＜d≤0.125 mm輸沙量在宜昌—枝城—螺山、螺山—漢口—大通河段均為先減少后增加趨勢，2003-2007年期間宜昌—漢口—大通為先增加后減小趨勢，2008-2014年期間為增加趨勢.1987-2002年期間0.125 mm＜d≤0.25mm輸沙量在宜昌—枝城—監(jiān)利為先減少后增加，監(jiān)利—螺山—漢口—大通河段減少—增加—減少的變化趨勢；2003-2007年期間宜昌—監(jiān)利—大通河段為先增加后減少趨勢，2008-2014年期間宜昌—監(jiān)利—螺山、螺山—漢口—大通河段均為先增加后減少趨勢.1987-2002年期間宜d＞0.25 mm輸沙量在宜昌—枝城—沙市、沙市—監(jiān)利—螺山、螺山—漢口—大通均為先減少后增加趨勢，2003-2007年期間宜昌—枝城—大通為先增加后減少，2008-2014年期間宜昌—監(jiān)利—大通為先增加后減少趨勢.

圖4 三峽大壩下游懸沙中值粒徑變化（1987-2014年）Fig.4 Change ofmedian diameter of suspended sediment in the downstream of the Three Gorges Dam during 1987-2014

圖5 三峽大壩下游不同粒徑組泥沙的輸移過程Fig.5 Transport process of different particle sizes of sediment in the downstream of the Three Gorges Dam

在時間上，d≤0.125mm各粒徑組區(qū)間輸沙量2008-2004年＜2003-2007年＜1987-2002年；2003-2007年期間0.125 mm＜d≤0.25 mm輸沙量在監(jiān)利、螺山和漢口站高于1987-2002年，而2008-2014年小于2003-2007年和1987-2002年；2003-2007年期間d＞0.25 mm輸沙量在枝城站略高于1987-2002年，2008-2014年期間除大通站外均低于2003-2007和1987-2002年.

2.2 三峽水庫蓄水后典型年份粗、細顆粒泥沙輸移過程

2006和2011年為典型的枯水年（圖6a），d≤0.125mm含沙量變化分析表明：2011與2006年相比較，宜昌、枝城、沙市、螺山和大通站均減小，監(jiān)利和漢口站增加；2011年與2006年d＞0.125 mm含沙量相比較，各水文站均有減小趨勢.2011年水量與2006年相比較，宜昌、枝城、沙市和監(jiān)利站均增加，螺山、漢口和大通站變化較小.2010年和2012年為典型洪水年（圖6b），d≤0.125 mm含沙量變化分析表明，2012年與2010年相比較，宜昌-漢口站均為增加趨勢，大通站為減少趨勢；d＞0.125 mm含沙量宜昌、枝城、沙市和大通站減少趨勢，螺山和漢口站為增加趨勢，2012年沿程各水文站的水量均略大于2010年.

圖6 三峽大壩下游典型年份分組沙輸移過程Fig.6 Transport process of different particle sizes of sediment in the downstream of the Three Gorges Dam in the hydrological typical years

進一步對比洪水年份和枯水年份，以2006和2010年為例，分析表明：各水文站d≤0.125 mm含沙量2010年均高于2006年，這一原因首先是上游含沙量較高，含沙量沿程恢復程度2006年強于2010年；各水文站d＜0.125mm含沙量除大通站外，其余各站均為2006年高于2010年，說明雖然2006年為枯水年流量偏小，但是河床粗顆粒泥沙補給充足.

2.3 d＞0.125 mm（粗）和d≤0.125 mm（細）泥沙輸移特性

d＞0.125mm和d≤0.125mm泥沙輸移規(guī)律在沿程上和時間上存在明顯差異，下面以這兩組泥沙做重點分析.在時間上（圖7a，7c）：2003-2007、2008-2014年兩時段各水文站d≤0.125mm輸沙量和含沙量均小于1987-2002年期間；2003-2007年期間宜昌—監(jiān)利之間d＞0.125 mm逐漸恢復，監(jiān)利站輸沙量和含沙量與1987-2002年期間持平或略有增加，2008-2014年期間宜昌—監(jiān)利之間該組泥沙雖有恢復，但量值上小于1987-2002、2003-2007年兩時段.在空間上（圖7b，7d）：1987-2002年期間d≤0.125 mm輸沙量在宜昌—枝城—沙市之間為先增加后減少，沙市—大通之間變化不大；2003-2007和2008-2014年期間d≤0.125 mm輸沙量沿程逐漸增加，含沙量宜昌—監(jiān)利之間增加，在監(jiān)利—螺山之間略有減小，螺山—大通之間為增加趨勢；宜昌—監(jiān)利之間d＞0.125 mm輸沙量和含沙量在1987-2002年期間為減小趨勢，蓄水后兩時段為增加趨勢，蓄水前后監(jiān)利—大通之間均為減少趨勢.

3 三峽大壩下游粗、細顆粒泥沙輸移過程差異性成因探討

影響三峽水庫壩下游粗細顆粒泥沙輸移的直接因素為三峽水庫攔沙，間接因素為河床粗化、總水量、年內(nèi)流量過程、支流及湖泊分匯作用等.

3.1 三峽水庫攔蓄作用對粗、細顆粒泥沙輸移過程的影響

2003年以來三峽進出庫的d≤0.125 mm沙量均減少，庫區(qū)淤積比例增加，即d≤0.125 mm泥沙主要淤積在庫區(qū)（圖8）；入庫的d＞0.125 mm沙量無明顯趨勢性變化，出庫沙量減少，庫區(qū)淤積比例增加，2005-2014年期間比例為96.9%，即該組泥沙主要淤積在庫區(qū)（圖8）.因此，三峽水庫攔蓄了大量的粗顆粒和細顆粒泥沙，是壩下游粗細顆粒泥沙量減少的主要原因.在近壩段宜昌—監(jiān)利河段內(nèi)，2003-2007、2008-2014年期間宜昌站粗顆粒沙量分別為0.054×108和0.016×108t／a，監(jiān)利站分別為0.337×108和0.221×108t／a，2個時期監(jiān)利站粗顆粒沙量來自于區(qū)間河床補給量分別為0.283×108和0.205×108t／a，河床補給比例分別為85.3%和92.8%；2003-2007、2008-2014年期間宜昌站細顆粒沙量分別為0.62×108和0.25×108t／a，監(jiān)利站分別為0.66×108和0.41×108t／a，兩時期監(jiān)利站細顆粒沙量來自于區(qū)間河床補給量分別為0.04×108和0.16× 108t／a，河床補給比例分別為6.1%和39.0%.綜上，監(jiān)利站粗細顆粒沙量來自于河床補給比例增加，但粗顆粒泥沙年均補給量減少，細顆粒泥沙年均補給量增加，這可能與河床組成和流量過程等有關(guān)，后面將重點分析.

圖7 三峽大壩下游d≤0.125 mm（a、c）和d＞0.125mm（b、d）輸沙量和含沙量變化Fig.7 Changes of sediment load and sediment concentration from sediment group with d≤0.125 mm（a，c）and d＞0.125（b，d）mm in the downstream of the Three Gorges Dam

圖8 三峽水庫d≤0.125 mm（a）和d＞0.125 mm（b）泥沙進出庫比例變化Fig.8 The ratios of inflow sediment to outflow sediments with particle sizes grouped into d≤0.125 mm（a）and d＞0.125 mm（b）of the Three Gorges Reservoir

3.2 床沙粗化對粗、細顆粒泥沙輸移過程的影響

2003、2007和2010年為粗化趨勢（圖9），宜昌至枝城河段粗化程度最大，枝城至螺山河段為普遍粗化，向下游粗化程度減弱，螺山以下河段整體上略有粗化.其中壩下游床沙引起河床糙率增加（表2），考慮縱向形態(tài)阻力和河勢調(diào)整阻力的影響，其綜合阻力為增大趨勢［18］，阻力的增加會削弱河床對粗、細顆粒泥沙的補給強度，沙質(zhì)河段粗化程度較小，床沙粗化后對懸沙補給的影響較小.

圖9 三峽大壩下游河段床沙中值粒徑變化Fig.9 Change ofmedian diameters for riverbed sediment in the downstream of the Three Gorges Dam

表2 河床粗化引起的糙率變化［17］Tab.2 Roughness change caused by riverbed coarsening

3.3 流量過程變化對粗、細顆粒泥沙輸移過程的影響

無論是粗顆粒還是細顆粒泥沙，輸移量最大值均發(fā)生在大流量時期.2006年沙市站Q＞15000m3／s流量天數(shù)為26 d，2011年為76 d，天數(shù)明顯增加，但宜昌—沙市河段內(nèi)d＞0.125 mm和d≤0.125 mm沙量均為減少趨勢（圖10）.2006年和2011年沙市站最大流量均小于25000 m3／s（接近平灘流量），高灘基本不過水，水流沖刷集中在平灘河槽，因深槽中d≤0.125 mm泥沙比例較少，使得2011年細顆粒沙量小于2006年.持續(xù)天數(shù)的增加有利于河床上d＞0.125 mm組分泥沙沖刷補給，由于河床粗化使得河道阻力增加，減弱了水流對河床的沖刷能力，使得2011年d＞0.125 mm沙量小于2006年.2010年沙市站Q＞15000 m3／s、Q＞25000 m3／s（接近平灘流量）流量天數(shù)分別為110、25 d，2012年分別為132、37 d，天數(shù)也明顯增加，但宜昌—沙市河段內(nèi)d＞0.125 mm沙量為減少趨勢，d≤0.125 mm沙量均為增加趨勢.大流量時期水流漫過邊心灘的時間較長，不飽和水流對高灘的沖刷時間增加，使得2012年d≤0.125mm沙量高于2010年，由于河床粗化使得河道阻力增加，減弱了水流對河床的沖刷能力，使得d＞0.125 mm沙量2012年小于2010年.宜昌—沙市河段包含砂卵石、砂卵石過渡段，沙質(zhì)河段較短，無論是枯水年還是洪水年，河床粗化引起的床面阻力增加，限制了水流對河床的沖刷能力，使得河床對d＞0.125 mm沙量補給減少，洪水年份河床對d≤0.125 mm沙量補給大，主要是漫灘水流使得高灘沖刷所致，但補給量也受制于大流量持續(xù)天數(shù).宜昌—監(jiān)利河段選取Q≥2.5×104m3／s，螺山站Q≥3.0×104m3／s，漢口站Q≥3.5×104m3／s，大通站Q≥4.5×104m3／s作為中洪水流量（圖11）.2008-2014年期間壩下游宜昌、枝城、沙市、監(jiān)利和漢口站大于某流量天數(shù)和天數(shù)內(nèi)均值流量均低于2003-2007年期間，螺山和大通站2008-2014年高于2003-2007年期間.在無支流、湖泊匯入的水文站區(qū)間，2008-2014年期間粗細顆粒沙量小于2003-2007年，這與區(qū)間大流量持續(xù)天數(shù)和量值相對應.

3.4 江湖交換及支流入?yún)R作用對粗、細顆粒泥沙輸移過程的影響

將宜昌—大通河段劃分為宜昌—沙市、沙市—監(jiān)利、監(jiān)利—螺山、螺山—漢口、漢口—九江—大通河段.江湖關(guān)系及支流入?yún)R作用對不同河段單元粗、細顆粒泥沙輸移的影響如下：

（1）宜昌—沙市河段.三峽水庫蓄水后沙市站d＞0.125mm和d≤0.125 mm輸沙量高于宜昌站，表明區(qū)間河床補給量大于松滋口和太平口的分沙量，即河床沖刷補給能力決定著區(qū)間的補給量.2008-2014年期間d≤0.125mm輸沙量補給高于2003-2007年，與總水量的變化規(guī)律一致.統(tǒng)計表明，宜昌—沙市河段內(nèi)的邊灘和心灘面積為減少趨勢［19］，即河床對細顆粒泥沙的補給主要來自于灘地.2008-2014年期間d＞0.125 mm輸沙量補給低于2003-2007年，與河床粗化和大流量持續(xù)天數(shù)及量值變化規(guī)律一致.綜上，宜昌—沙市河段細顆粒泥沙補給來自于灘地，受總水量的影響較大，作用于灘地的水流沖刷時間增加得到補給，粗顆粒泥沙補給受制于大流量持續(xù)天數(shù)及量值的影響.

圖10 三峽水庫蓄水后沙市水文站典型年份流量變化過程Fig.10 Discharge changes in typical hydrological years in the Shashi hydrological station after the Three Gorges Reservoir impoundment

圖11 三峽大壩下游中洪水流量及持續(xù)天數(shù)變化Fig.11 Change of flood discharge and duration in the downstream of the Three Gorges Dam

圖12 宜昌—沙市河段粗、細顆粒泥沙沖淤量變化Fig.12 Change of quantity of scouring and sedimentation for coarse and fine sediment in Yichang to Shashi section

（2）沙市—監(jiān)利河段.三峽水庫蓄水后監(jiān)利站d＞0.125 mm和d≤0.125 mm沙量均高于枝城站，表明區(qū)間河床補給量大于藕池口的分沙量，即河床沖刷補給能力決定著區(qū)間的補給量（圖13）.d≤0.125 mm和d＞0.125mm沙量2008-2014年期間均高于2003-2007年，與總水量變化趨勢一致.雖然河床表現(xiàn)為粗化趨勢，但為沙質(zhì)河床，粗細顆粒泥沙的補給來源充足，由于沙市—監(jiān)利河段間藕池口分沙作用的存在，沙市—監(jiān)利河段間粗細顆粒泥沙的補給量主要受制于水量多寡，其次是河床粗化及大流量持續(xù)天數(shù)及量值等因素.

圖13 沙市—監(jiān)利河段粗細顆粒泥沙沖淤量變化Fig.13 Change of quantity of scouring and sedimentation for coarse and fine sediment in Shashi to Jianli section

（3）監(jiān)利—螺山河段.洞庭湖城陵磯站沙量與螺山—監(jiān)利站之間d≤0.125 mm沖淤量關(guān)系（圖14a），兩者表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，中洪水年份的補給量大于中枯水年份，約2／3的年份補給量均大于城陵磯站d≤0.125mm的來沙量.從2003-2014年平均值上看，河床補給作用占監(jiān)利—螺山站之間河段d≤0.125mm泥沙增量的9.4%，即監(jiān)利—螺山之間d≤0.125 mm泥沙的補給主要來自于洞庭湖入?yún)R，河床補給占次要作用. d＞0.125 mm泥沙在監(jiān)利—螺山之間主要為淤積趨勢（2003年除外），中洪水年的淤積量小于中枯水年，表明中洪水年大流量對d＞0.125 mm泥沙起到較強的攜帶作用（圖14b）.

圖14 洞庭湖入?yún)R對監(jiān)利—螺山河段泥沙輸移過程的影響（將三峽水庫蓄水后螺山站流量進行排序，以平均值作為分界，大于平均流量定義為中洪水年份，小于平均流量為中枯水年份，2004、2006、2007、2009、2011和2013年為中枯水年份，2003、2005、2008、2010、2012和2014年為中洪水年份；大通站與螺山站劃分年份相同）Fig.14 Impact of confluence from Lake Dongting on the sediment transporting process in Jianli to Luoshan section

（4）螺山—漢口河段.螺山—漢口河段存在漢江入?yún)R，其入?yún)R口門在漢口站以上約1.5 km，對整個河段的沖淤影響較小，將漢口站粗細顆粒沙量扣除漢江入?yún)R量，分析螺山—漢口河段粗細顆粒泥沙輸移過程（圖15）.分析表明：2003-2014年期間，d≤0.125 mm泥沙在螺山—漢口河段河床對其起到補給作用，年均補給量2008-2014年略低于2003-2007年；d＞0.125mm泥沙在2003-2009年期間螺山—漢口河段為淤積趨勢，2010-2014年期間為河床沖刷補給趨勢.在三峽水庫蓄水前，d＞0.125 mm泥沙在螺山—漢口河段為淤積趨勢，在2003-2007年期間延續(xù)了淤積的趨勢，但淤積量有所減少［9］，但2010年以來轉(zhuǎn)為河床沖刷補給，主要受來流過程的影響.上文3.3小節(jié)分析得到，2008-2014年期間螺山站Q≥2.5×104m3／s流量均值和持續(xù)天數(shù)均為增加趨勢，在螺山站沙量持續(xù)銳減的條件下，洪水流量持續(xù)天數(shù)增加使得水流對河床沖刷動力增強，致使2010年以來d＞0.125mm泥沙在螺山—漢口河段沖淤特性發(fā)生轉(zhuǎn)變.

圖15 螺山—漢口河段粗細顆粒泥沙沖淤量變化Fig.15 Change of quantity of scouring and sedimentation for coarse and fine sediment in Luoshan to Hankou section

（5）漢口—九江河段.漢口—九江河段（圖16），2007-2012年期間九江站d≤0.125 mm低于漢口站，表明該河段內(nèi)細顆粒泥沙為淤積趨勢；九江站d＞0.125 mm沙量高于漢口站，說明2007-2012年期間河床對粗顆粒泥沙為補給趨勢.整體上，在漢口—九江河段內(nèi)，細顆粒泥沙淤積，粗顆粒泥沙沖刷.粗細顆粒泥沙淤積量上，大水年份細顆粒泥沙淤積量高于中枯水年份，粗顆粒泥沙沖刷量大水年份高于中枯水年份，主要與大流量數(shù)值及持續(xù)天數(shù)有關(guān).

圖16 漢口—九江河段粗細顆粒泥沙沖淤量變化Fig.16 Change of quantity of scouring and sedimentation for coarse and fine sediment in Hankou to Jiujiang section

（6）九江—大通河段.九江—大通河段（圖17），細顆粒泥沙為補給趨勢，且中洪水年份高于中枯水年份，在量值上高于鄱陽湖入?yún)R的細顆粒泥沙量，但鄱陽湖入?yún)R水量多少為區(qū)間細顆粒泥沙補給的決定因素，這與文獻［9］的研究結(jié)論一致；粗顆粒泥沙為淤積趨勢，鄱陽湖入?yún)R的粗顆粒沙量極少，對淤積的貢獻程度較小，但中洪水淤積量小于中枯水，鄱陽湖入?yún)R水量雖增加了大通站水量、大流量數(shù)值及天數(shù)，使得淤積量減少，但未能改變泥沙的沖淤特性.在2007-2012年期間，鄱陽湖入?yún)R細顆粒沙量為0.76×108t，河床沖刷量為2.14×108t，鄱陽湖入?yún)R和河床沖刷對九江—大通細顆粒泥沙補給量的貢獻比例為1∶2.82.

圖17 鄱陽湖入?yún)R九江—大通河段粗細顆粒泥沙沖淤量的影響Fig.17 Impact of confluence from the Lake Poyang on quantity of scouring and sedimentation for coarse and fine sediment in Jiujiang to Datong section

4 結(jié)論

本文收集了1987-2014年期間三峽水庫進出庫、壩下游干支流及湖泊水文站泥沙總量及級配、河床組成等資料，研究了三峽大壩下游干流河段粗細顆粒泥沙輸移規(guī)律，從流量過程、河床組成、江湖分匯、支流入?yún)R等方面著手，探討粗細顆粒沙輸移的時空差異性及成因.主要結(jié)論為：

1）分組沙輸移規(guī)律：①三峽水庫蓄水后壩下游各水文站d≤0.031mm、0.031＜d≤0.063mm和0.063mm＜d≤0.125 mm量均小于蓄水前，其中2008-2014年期間小于2003-2007年期間，空間上蓄水后各粒徑組沙量沿程上整體為增加趨勢；②三峽水庫蓄水后壩下游各水文站d＞0.125 mm沙量在宜昌—監(jiān)利得到有效補給，至監(jiān)利站2003-2007年超過了蓄水前均值，2008-2014年期間恢復程度減弱，數(shù)值低于2003-2007年和蓄水前均值.

2）粗、細顆粒泥沙輸移差異性的成因：①宜昌—沙市河段，河床粗化限制了粗細顆粒泥沙補給，其中細顆粒沙量補給受制于總水量，粗粒受制于大流量持續(xù)天數(shù)和量值；②沙市—監(jiān)利河段，粗細顆粒泥沙補給均受制于總水量；③監(jiān)利—螺山河段，洞庭湖入?yún)R對細顆粒沙量的補給起決定作用，河床補給量中洪水年大于中枯水年，粗顆粒為淤積趨勢，且中洪水年淤積量小于中枯水年；④螺山—漢口河段，細顆粒沙量增加主要受河床補給決定，且2008-2014年補給強度弱于2003-2007年，2010年前后粗顆粒泥沙由淤積轉(zhuǎn)為沖刷，與大流量持續(xù)天數(shù)和量值的增加有關(guān)；⑤漢口—九江河段，細顆粒泥沙淤積，中洪水年份淤積量大于中枯水，粗顆粒泥沙受河床補給影響為增加趨勢，中洪水年份補給量高于中枯水；⑥九江—大通河段，鄱陽湖入?yún)R和河床補給對細顆粒沙量增加的貢獻比例為1∶2.82，河床沖刷對粗顆粒泥沙起補給作用，主要與鄱陽湖入?yún)R水量多寡有關(guān).

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Transport patterns of the coarse and fine sediments and its causes in the downstream of the Three Gorges Dam

YANG Yunping1，ZHANG M ingjin1，LISongzhe2，ZHU Lingling3，YOU Xingying4，LIKanyu5＆YU Xinm ing5
（1：Key Laboratory ofEngineering Sediment，Tianjin Research Institute forWater Transport Engineering，Ministry of Transport，Tianjin 300456，P.R.China）
（2：State Key Laboratory ofHydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，P.R.China）
（3：Bureau ofHydrology，Changjiang Water Resources Commission，Wuhan 430010，P.R.China）
（4：Hubei ProvincialWater Resources and Hydropower Planning Survey and Design Institute，Wuhan 430064，P.R.China）
（5：Changjiang Waterway Bureau，Wuhan 430010，P.R.China）

Building reservoirs affects the process ofwater and sediment transport in the basin of the dam.The impact of the Three Gorges Reservoir（TGR）on sediment transport in the downstream has appeared.After the TGR impoundment，the total sediments in the downstream have been reduced.Sediments grouped with d≤0.125 mm（fine particle）were increasing along the path，but the average amountwas still less than the amount before the reservoir impoundment.Sediments grouped with d＞0.125mm（coarse particle）have been recharged in the Yichang to Jianlisection，but downstream of Jianli has a trend of deposition.In specific，the coarse sediment in the Yichang to Jianlisection in 2003-2007 wasabove the value before the TGR impoundment，but increasing ofthe sediments concerning both coarse and fine sediments in 2008-2014 less than that in 2003 to 2007.Sediment retaining by the Dam is themajor reason for the reduction of sediment in the downstream.However，the retaining in different reaches of the River is impacted by coarsening of the riverbed，the discharge，flow process，conditions of lake functioning and recharging from the tributaries.Themain conclusions from our study are：（1）In the Yichang to Shashisection，the riverbed is relatively coarse that limits the recharge of coarse sediment，where the supplied fine sediment is controlled by the discharge by the duration of flood and itsmagnitude.（2）In the Shashi to Jianli section，recharging of both coarse and fine sediments is controlled by amount of total discharge；（3）In the Jianli to Luoshan section，the flow recharge from the Dongting Lake plays themost important roles on sediment recharging.Sediments supply from riverbed is higher in flood years than that from the dry years.The coarse sediment tends to depositand the deposit amount in dry years is larger than that in flood years.（4）In the Luoshan to Hankou section，the recharge of fine sediment is controlled by supply from the riverbed.The recharging in 2008-2014 ismore than that in 2003-2007.In about2010，the coarse sediments were transited from depositing to scouring that is probably caused by the increasing of continuous large flow days.（5）In the Hankou to Jiujiang section，more fine sediments appear to deposit.The coarse sediment is recharged by the scouring of the riverbed and thereweremore coarse sediments recharged from the riverbed in the flood years than that in the dry years.（6）In the Jiujiang to Datong section，the rate of the fine sediment recharge from Poyang Lake to that from the riverbed was 1∶2.82.It is obvious that the sediment from scouring of riverbed contributedmore to coarse sediment transportation and the contribution ismainly affected bymagnitude and continuous days of large flow.

Grouped sediment；transportation characteristics；genetic analysis；Three Gorges Dam；themiddle and lower reaches of Yangtze River

DOI 10.18307／2017.0418

?2017 by Journal of Lake Sciences?國家重點基礎研究發(fā)展計劃（2016YFC0402106）、國家自然科學基金項目（51579123，51579185，51339001）、中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費項目（TKS160103，TKS150102）和水利部公益性行業(yè)科研專項（201401021）聯(lián)合資助.2016-08-25收稿；2016-11-02收修改稿.楊云平（1985～），男，助理研究員；E-mail：yangsan520_521＠163.com.