金沙江流域大型梯級(jí)水庫(kù)對(duì)水沙變化的影響

陸傳豪， 董先勇， 唐家良， 劉剛才?

(1.中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，中國(guó)科學(xué)院山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，610041，成都； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，100049，北京；3.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，610041，成都)

水沙變化是人類活動(dòng)影響、環(huán)境特性、水土流失程度等的綜合反映[1]。自然和人為因素都會(huì)對(duì)水沙產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[2]，相關(guān)研究表明，在全球范圍內(nèi)，自然和人為因素改變了眾多河流徑流和輸沙在空間上(沿河)和時(shí)間上(季節(jié)之間和年際)的分布[3-6]，這其中水庫(kù)修建等人類活動(dòng)所產(chǎn)生的影響尤為迅速而顯著[7-8]。大型水庫(kù)的修建和運(yùn)行改變了天然的水文循環(huán)和泥沙輸移過程，對(duì)河流水沙狀況產(chǎn)生的影響十分顯著?，F(xiàn)有研究[7]表明，眾多大型河流如尼羅河、亞馬遜河、科羅拉多河等在修建水庫(kù)后，其輸沙量均呈顯著降低態(tài)勢(shì)。在中國(guó)，眾多研究同樣表明，在修建水庫(kù)后，河流的輸沙量顯著下降[9-11]。

金沙江是長(zhǎng)江上游地區(qū)來沙量最大的河流，對(duì)三峽入庫(kù)水沙有著舉足輕重的影響，其多年平均徑流量約占宜昌站的 33%，輸沙量占50%～70%[12-14]。至今為止，已有部分學(xué)者對(duì)金沙江流域水沙特征進(jìn)行了研究。陳松生等[12]的研究表明，該區(qū)域中上游一直有增沙趨勢(shì)，1991—2000年下游增沙明顯，2001年后呈減少趨勢(shì)；許炯心[13]在流域梯級(jí)水庫(kù)修建初期對(duì)輸沙減少與水庫(kù)建設(shè)之間的關(guān)系進(jìn)行了探討。隨著金沙江水電資源開發(fā)的加快，2010年之后金沙江中游、下游一系列梯級(jí)水庫(kù)相繼蓄水運(yùn)行，流域水沙輸移條件大幅改變。但目前，對(duì)金沙江流域大型梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)流域水沙變化帶來的影響尚缺乏了解，因此筆者選擇主要控制站攀枝花、白鶴灘、向家壩站等的多年水沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析金沙江流域徑流和輸沙在梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行前后的時(shí)空差異，探討大型梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)金沙江流域水沙狀況帶來的影響，研究結(jié)果可為金沙江流域資源的合理開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

金沙江流域位于長(zhǎng)江上游，介于E 90°～105°和N 24°～36°之間，發(fā)源于青海省雜多縣唐古拉山東北一座海拔5 054 m的無(wú)名山，干流全長(zhǎng)為3 481 km，流域面積約45.86萬(wàn)km2，約占長(zhǎng)江流域面積的26.3%。主要支流包括雅礱江，普隆河，龍川江，普渡河，牛欄江等(圖1)。受熱帶季風(fēng)、副熱帶季風(fēng)、高原季風(fēng)以及復(fù)雜地形影響，流域氣候類型復(fù)雜多樣，從高原亞寒帶亞干旱氣候到亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候均有分布；流域多年平均氣溫3.04 ℃，總體沿流程遞增，源頭區(qū)年均溫度在0 ℃以下，中下游攀枝花等地在19.0 ℃以上；流域多年平均降水量為753 mm，同樣呈沿流程增加的分布態(tài)勢(shì)，流域出口降水為源頭地區(qū)的約3.83倍，受降水年內(nèi)分布影響，金沙江汛期為5—10月，汛期徑流和泥沙輸出量分別占到了全年的68%和85%以上[15]。

金沙江總落差3 300 m，水力資源超過1億kW，占長(zhǎng)江流域的40%以上[12]。干流至玉樹直門達(dá)以下始稱金沙江，直門達(dá)至石鼓為金沙江上游，上游段河長(zhǎng)965 km，流域面積7.65萬(wàn)km2，為典型的深谷河段，特別是橫斷山縱谷段，河谷至兩岸山頂相對(duì)高差超過2 500 m。石鼓至攀枝花為金沙江中游，水文控制站為攀枝花，流域面積約4.5萬(wàn)km2，干流河長(zhǎng)約564 km，至金江街以后，金沙江脫離橫斷山脈進(jìn)入川滇山地。中游河段已于2010—2016年間先后建成梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖6個(gè)電站。攀枝花至宜賓岷江口為金沙江下游，水文控制站為屏山(后改為向家壩)，流域面積21.4萬(wàn)km2，干流河長(zhǎng)約768 km。下游河段在建及已建成烏東德(在建)、白鶴灘(在建)、溪洛渡、向家壩4座巨型梯級(jí)水電站，其基本情況見表1。

2 數(shù)據(jù)來源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

筆者選取金沙江干流主要控制站石鼓、攀枝花、烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩，以及主要支流控制站點(diǎn)桐子林(雅礱江)、黃瓜園(龍川江)、寧南(黑水河)等(表2)1965—2016年的徑流和輸沙數(shù)據(jù)，對(duì)金沙江流域水沙變化特征進(jìn)行分析。金沙江流域干支流水文監(jiān)測(cè)資料以及控制站信息均來源于中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司。其中，主要水庫(kù)的累計(jì)沖淤量，已用水深儀于2015年10月至2016年5月，對(duì)河道典型斷面進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，在過水面積變化、深泓變化、平均水深及典型斷面沖淤變化的分析中，則采用重合斷面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。沖淤量為正數(shù)則表示河道為沖刷，為負(fù)數(shù)則為淤積。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic map of the study area

梯級(jí)水庫(kù)Cascade reservoir控制面積Control area/104km2庫(kù)容 Storage capacity/108m3裝機(jī)容量 Installed capacity/MW建設(shè)情況Construction status烏東德 Wudongde40.6874.0810200在建 Under construction白鶴灘 Baihetan43.03206.2716000在建 Under construction溪洛渡 Xiluodu45.44126.7013860建成 Constructed向家壩 Xiangjiaba45.8851.636400建成 Constructed

表2 主要水文站基本情況Tab.2 Basic information of major hydrological stations

數(shù)據(jù)處理過程中遵循標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和錯(cuò)誤分析，以確保準(zhǔn)確性[9]。在數(shù)據(jù)處理過程中，如涉及到有起止年份不一的統(tǒng)計(jì)分析，用共同的年份段數(shù)據(jù)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。本研究所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析均使用SPSS 12.0，制圖工具采用windows系統(tǒng)下的Sigmaplot 10.0。

2.2 研究方法

筆者選擇Mann-Kendall(M-K)秩相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)水沙序列的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，該方法是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法，其不要求數(shù)據(jù)遵從一定的概率分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，在水文泥沙過程的趨勢(shì)研究方面有極為廣泛的應(yīng)用[16]。在M-K檢驗(yàn)中，假設(shè)時(shí)間序列X是具有n個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本(x1，x2，…，xn)，則定義檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S的計(jì)算公式如下：

(1)

式中S近似服從正態(tài)分布，其均值E(S)=0，

方差：

Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18。

(2)

當(dāng)n>10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為：

(3)

統(tǒng)計(jì)量Z>0時(shí)表示上升趨勢(shì)，<0時(shí)表示下降趨勢(shì)。Z的絕對(duì)值在≥1.28、1.96、2.32時(shí)，分別表示通過置信度90%、95%、99%的顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑流和輸沙的時(shí)間變化特征

金沙江中游攀枝花站的徑流和輸沙總體上呈先上升后下降的變化過程(圖2)，攀枝花站多年平均徑流量為564億m3，變差系數(shù)為0.158，年際差異較小，最大值位于1998年，最小徑流量382.2億m3位于1994年。多年平均輸沙量為4 770萬(wàn)t，變差系數(shù)達(dá)到0.531，年際差異較大，最大輸沙量同樣位于1998年，最小值為2015年的256萬(wàn)t。攀枝花站水沙相關(guān)系數(shù)為0.772(P<0.01)，相關(guān)性較高，1998年前水沙變化趨勢(shì)基本一致，而1998年之后輸沙的減少顯著快于徑流。這一狀況主要為自2010年起，中游一系列梯級(jí)電站相繼建成并運(yùn)行，使得2010年后輸沙明顯減少。

圖2 攀枝花站水沙的變化過程Fig.2 Variation process of runoff and sediment load in Panzhihua

金沙江下游白鶴灘站的徑流和輸沙總體上呈波動(dòng)式變化(圖3)，多年平均徑流量為1 250億m3，變差系數(shù)Cv為0.164，年際差異較小，最大徑流量1 692億m3出現(xiàn)于1998年，最小值為2011年的945.7億m3。多年平均輸沙量為1.6 3億t，變差系數(shù)0.437，年際差異大于徑流，最大值出現(xiàn)于1998年，最小值為2011年的4 460萬(wàn)t。白鶴灘站水沙相關(guān)系數(shù)為0.722(P<0.01)，研究期內(nèi)其水沙過程線形態(tài)基本一致，但輸沙的波動(dòng)幅度較徑流更大。

圖3 白鶴灘站水沙的變化過程Fig.3 Variation process of runoff and sediment load in Baihetan

金沙江下游向家壩站的徑流和輸沙總體上呈2個(gè)上升和2個(gè)下降的變化過程(圖4)。其多年平均徑流量為1 420億m3，變差系數(shù)為0.160，差異同樣不大，最大徑流量為1998年的1 971億m3，最小值為2011年的1 027億m3。多年平均輸沙量為22 300萬(wàn)t，變差系數(shù)達(dá)到了0.513，最大輸沙量出現(xiàn)于1974年，最低值為2015年的60.4萬(wàn)t。向家壩站水沙的相關(guān)系數(shù)為0.656(P<0.01)，水沙相關(guān)度相對(duì)較低，1998年前水沙變化過程線形態(tài)基本一致，而之后輸沙的減少顯著快于徑流。1998年起，雅礱江及金沙江下游大型水電站相繼修建，特別是2012后，溪洛渡、向家壩等大型梯級(jí)電站先后建成運(yùn)行，使得輸沙顯著減少。

圖4 向家壩站水沙的變化過程Fig.4 Variation process of runoff and sediment load in Xiangjiaba

從干流1998年前后水沙變化情況(圖5)看，1998年后中游攀枝花站的年均徑流和輸沙量較1998年前分別增加15.27%和5.01%，這主要是降雨增加所致。下游白鶴灘站1998年后徑流量較之前上升7.38%，而輸沙量較之前下降21.84%。下游控制站向家壩的年均徑流量1998年之后呈增加趨勢(shì)，增幅約為4.29%，但輸沙則明顯減少，減少幅度約為38.55%，說明2010年后下游大規(guī)模的水電開發(fā)建設(shè)，特別是溪洛渡等大型梯級(jí)水電站的相繼建設(shè)和運(yùn)行，使得下游河道輸沙顯著減少。

圖5 金沙江干流站不同時(shí)期年均水沙量對(duì)比Fig.5 Comparison of annual runoff and sediment load of main stream stations along Jinsha River in different periods

3.2 徑流和輸沙的空間分布特征

水沙的空間分布方面，由表3可見，中上游區(qū)域徑流和輸沙所占比例均小于面積所占比例，說明金沙江中上游是少水少沙區(qū)，且1998年后水沙均呈增加趨勢(shì)，特別是輸沙所占比例增加12.99%。雅礱江流域的多年輸沙量占流域總量比例為15.34%，小于面積所占比例，而徑流則明顯相反，說明雅礱江流域是多水少沙區(qū)，其1998年后輸沙占流域總量比例減少7.70%。攀枝花至白鶴灘區(qū)間(不含雅礱江)，徑流占流域總量比例小于面積所占比例，而其輸沙在1998年前所占比例較面積比例多24.88%，1998年后多37.88%，說明攀枝花至白鶴灘區(qū)間(不含雅礱江)是金沙江的重產(chǎn)沙區(qū)。白鶴灘至向家壩區(qū)間的徑流和輸沙占流域總量比例均大于面積比例，但1998年后所占比例均有減少趨勢(shì)，特別是輸沙比例在1998年后減少了約19%，說明金沙江下游輸沙減少主要發(fā)生于白鶴灘以下區(qū)域。

除雅礱江外主要支流的徑流和輸沙量占流域總量比例均低于3%，其中徑流量和輸沙量相對(duì)較高的龍川江多年徑流量所占比例為0.51%，輸沙量比例為1.90%；黑水河多年徑流量比例為1.46%，輸沙量比例為2.03%，1998年之后，該類支流的徑流變化不明顯，但輸沙所占比例有一定升高，說明龍川江和黑水河等支流流域的泥沙輸出量未得到明顯控制。

3.3 大型梯級(jí)水庫(kù)對(duì)金沙江流域水沙變化的影響

3.3.1 大型梯級(jí)水庫(kù)影響下水沙的變化趨勢(shì) 徑流方面，攀枝花站、白鶴灘站、向家壩站1965—2016年徑流系列M-K統(tǒng)計(jì)量分別為1.17、1.01、0.58，均未超過顯著性α=0.05的臨界值1.96，呈不顯著增加趨勢(shì)。由圖6(a)可知，在研究期內(nèi)，中下游主要控制站年徑流變化趨勢(shì)線基本一致，其中在1980年之前，均為減小趨勢(shì)，而后先后轉(zhuǎn)為增加態(tài)勢(shì)，在1998—2004年期間，受降雨增加的影響，3個(gè)站的徑流量增加趨勢(shì)均十分明顯，并先后超過顯著性α=0.05的臨界值1.96呈顯著增加趨勢(shì)。總體而言，金沙江梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)對(duì)徑流量影響較小，研究期內(nèi)金沙江徑流呈現(xiàn)的上升態(tài)勢(shì)主要為降雨增加所致。

圖6 干流主要水文站徑流(a)和輸沙(b)的M-K統(tǒng)計(jì)量序列Fig.6 Runoff (a) and sediment load (b) M-K statistic sequence of hydrological stations along the main stream

輸沙方面，研究期攀枝花站、白鶴灘站、向家壩站年輸沙系列M-K統(tǒng)計(jì)量分別為-0.18、-2.18、-2.84，其中白鶴灘、向家壩站均超過顯著性α=0.05的臨界值-1.96，呈顯著下降趨勢(shì)。由圖6(b)可知，3個(gè)站的輸沙變化趨勢(shì)線在1998年之前基本一致，其中1980年之前輸沙變化受降雨和徑流影響，均呈下降態(tài)勢(shì)，而后逐步轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)。在1998—2002年期間，均超過顯著性α=0.05的臨界值1.96，呈顯著增加趨勢(shì)。之后，白鶴灘站、向家壩站的增加趨勢(shì)迅速放緩，這主要是1998年雅礱江二灘水庫(kù)蓄水?dāng)r沙所致。2010年之后，下游梯級(jí)水庫(kù)溪洛渡、向家壩先后建成運(yùn)行，白鶴灘站、向家壩站輸沙變化趨勢(shì)均迅速轉(zhuǎn)為顯著下降。總體而言，1998年之前輸沙變化趨勢(shì)與徑流基本一致，各站之間也未呈現(xiàn)較大差異。1998年后中游梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行使得中游控制站攀枝花的輸沙量增加趨勢(shì)放緩，并逐步轉(zhuǎn)為小幅下降；而下游地區(qū)受溪洛渡、向家壩等巨型梯級(jí)水庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行的影響，白鶴灘站、向家壩站的輸沙均迅速轉(zhuǎn)為顯著下降趨勢(shì)。

3.3.2 梯級(jí)水庫(kù)影響下的輸沙模數(shù)與沖淤特征變化 輸沙模數(shù)是衡量河流輸沙狀況的重要指標(biāo)，是人類活動(dòng)、氣候等因素對(duì)流域泥沙綜合影響的直觀反映。從輸沙模數(shù)(圖7)來看，攀枝花站多年輸沙模數(shù)為184 t/(km2·a)，1998年之后其輸沙模數(shù)略高于1998年之前；下游白鶴灘站多年平均輸沙模數(shù)為365 t/(km2·a)，1998年后呈下降態(tài)勢(shì)；下游即向家壩站的多年輸沙模數(shù)為454 t/(km2·a)，1998年后較之前減少了191.80 t/(km2·a)，減幅為37.85%。中上游輸沙模數(shù)的增加主要為該地區(qū)降水和徑流的增加，使得泥沙的產(chǎn)輸均有不同程度升高；而下游輸沙模數(shù)的顯著減少，則主要為下游河段溪洛渡、向家壩以及雅礱江二灘等大型水庫(kù)的蓄水運(yùn)行產(chǎn)生了顯著的攔沙效應(yīng)，使得泥沙大量淤積于庫(kù)區(qū)河道。

圖7 主要水文站不同時(shí)期年均輸沙模數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of annual sediment transport modulus in major hydrological stations in different periods

在大型梯級(jí)水庫(kù)對(duì)流域沖淤特征影響方面，根據(jù)監(jiān)測(cè)和計(jì)算結(jié)果，建設(shè)中的烏東德庫(kù)區(qū)干流河道當(dāng)前仍舊以沖刷為主。建設(shè)中的白鶴灘庫(kù)區(qū)干流河道已經(jīng)由前期的沖刷轉(zhuǎn)為淤積狀態(tài)。2013年建成運(yùn)行的溪洛渡庫(kù)區(qū)淤積泥沙最多，其平均年淤積強(qiáng)度達(dá)到8 404萬(wàn)m3/a。向家壩水庫(kù)運(yùn)行后淤積迅速，而后受到上游溪洛渡蓄水運(yùn)行影響，來沙銳減，其年淤積強(qiáng)度約為310萬(wàn)m3/a。當(dāng)前大型梯級(jí)水庫(kù)整體上呈顯著淤積狀態(tài)。本次研究通過結(jié)合泥沙密度將梯級(jí)水庫(kù)的沖淤量轉(zhuǎn)換成沖淤模數(shù)，即整個(gè)流域單位面積上每年的沖淤量。經(jīng)計(jì)算，沖淤模數(shù)為-183.6 t/(km2·a)，占向家壩近年輸沙模數(shù)平均減少量的95.70%，表明大型梯級(jí)水庫(kù)對(duì)金沙江下游出口沙量減少的貢獻(xiàn)為95%以上，影響極其顯著。

4 討論

研究表明，金沙江流域徑流量整體上有增加趨勢(shì)，這與已有的研究結(jié)果[15-18]一致，主要應(yīng)歸因于近幾十年來該區(qū)域的降雨量略有增加。從水沙分布的比例看，中上游是少水少沙區(qū)，下游是多水多沙區(qū)，也是主產(chǎn)沙區(qū)，這也與前人研究結(jié)果[13-14,19]一致。

相對(duì)而言，金沙江流域輸沙的時(shí)空變化較復(fù)雜，中上游即攀枝花以上地區(qū)，1998年后輸沙量和輸沙模數(shù)均有增加趨勢(shì)，特別是這一區(qū)域的支流，水沙都有較明顯增加，這主要由于一方面區(qū)域降雨量呈增加趨勢(shì)[15-18]，另一方面上游川西高原上的部分區(qū)域植被退化并未好轉(zhuǎn)[19]，表明中上游流域面上的侵蝕產(chǎn)沙仍未明顯減少，水土保持的需求仍十分突出。

下游即攀枝花以下(不含雅礱江)，近20年來輸沙呈顯著減少趨勢(shì)。這一區(qū)域的輸沙減少主要?dú)w因于水庫(kù)建設(shè)等人類活動(dòng)，特別是下游干流上大型梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)行，產(chǎn)生了顯著的攔沙效應(yīng)。本次研究的結(jié)果表明，人為活動(dòng)(水庫(kù)建設(shè))對(duì)金沙江輸沙減少的貢獻(xiàn)達(dá)95%以上，即表明水庫(kù)建設(shè)是輸沙減少的主要原因，這一結(jié)果與已有研究[3]的結(jié)果一致。隨著金沙江流域大型梯級(jí)水庫(kù)數(shù)量的增加，流域輸沙將會(huì)進(jìn)一步下降。與此同時(shí)，金沙江下游地區(qū)輸沙的減少，還應(yīng)歸因于該區(qū)植被恢復(fù)的作用，近幾十年來，下游地區(qū)實(shí)施了“長(zhǎng)治”工程等多種水土保持項(xiàng)目，獲得了一定的水土保持效益[13-14,20]，減少了泥沙輸出量。但值得注意的是近年來，一方面，隨著退耕還林進(jìn)入第2個(gè)補(bǔ)助期后，受補(bǔ)助下降以及已有退耕還林林地效益低等的影響，局部區(qū)域近年來存在突出的陡坡開荒或退林還耕的現(xiàn)象，加劇了該類區(qū)域的水土流失，另一方面，區(qū)內(nèi)多種資源的開發(fā)利用和工程建設(shè)，特別是礦山開采，大規(guī)模的水電建設(shè)等，導(dǎo)致水土流失、泥石流和滑坡等狀況有所加劇。

5 結(jié)論

金沙江中上游的徑流和泥沙占全流域比例均低于面積所占比例，1998年之后其年均值分別上升15.27%和5.01%，該類區(qū)域的水土保持工作有待加強(qiáng)。下游地區(qū)尤其是攀枝花至白鶴灘區(qū)間(不含雅礱江)多年平均產(chǎn)沙量占到流域總量的36.40%，是流域的主要產(chǎn)沙區(qū)，也是控沙的核心區(qū)域，近年來輸沙明顯減少，主要?dú)w因于下游河段上一系列大型梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)。結(jié)果表明，金沙江流域大型梯級(jí)水庫(kù)在減少輸沙方面的效果非常顯著，其分別使得白鶴灘和向家壩站1998年后的年均輸沙量較之前下降21.84%和38.55%，隨著金沙江中下游一系列水電站的相繼建成和運(yùn)行，金沙江泥沙輸出將進(jìn)一步下降。另一方面，過去幾十年流域內(nèi)實(shí)施的各類水土保持工程產(chǎn)生了一定的減沙效應(yīng)，但下游等地區(qū)的產(chǎn)沙量仍舊較高，需進(jìn)一步加強(qiáng)水土保持工程的實(shí)施。