第28卷 第4期
2008年7月
第
四 纪 研 究QUATERNARY SCIENCES 文章编号 1001-7410(2008)04-569-09 Vol.28, No.4July,2008 长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义
3 许 炯 心 (中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院水循环与地表过程重点实验室,北京 100101) 摘要 通过河流输沙分析研究了长江上游河道的悬移质泥沙存贮量及其变化。
结果表明,1956～2000年屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化可以划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和1个泥沙释放期。
1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,累计存贮量为410126×108t,与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系;1969～1983年为泥沙释放期,累积释放量为216533×108t———支流水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少,含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放;1984～2000年为第2个泥沙存贮期,累积存贮量为410733×108t。
金沙江下游重点产沙区产沙量增加,进入长江干流的泥沙增多,葛洲坝水库建成后投入运行,三峡水库大坝的建设,也导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。
输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间均存在较明显的正相关关系,而存贮量与降水量不相关,说明河道泥沙存贮对于降水量的变化不敏感。
屏山-宜昌河道泥沙输移比的时间变化大致可以分为两个阶段,即在1956～1982年河道泥沙输移比呈增加趋势,1983～2000年则呈减小趋势。
这种变化可以用河道泥沙存贮的变化来解释。
长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化相位在一定程度上是相反的,说明上游河道泥沙存贮增多会导致中游河道泥沙存贮减少,上游河道泥沙存贮减少会导致中游河道泥沙存贮增多。
主题词 泥沙存贮 山区河流 泥沙输移比 长江上游中图分类号 P931.1,TV148 文献标识码
A 1 前言 冲积性河床的演变是通过改变河道存贮量及其空间分布来实现的,研究河道存贮量及其空间分布是查明河流泥沙输移行为和河床演变机理的一把钥匙。
近年来,国际上对于河道泥沙存贮的研究十分重视,通过河床横断面和河道床地形测量、河段进出口控制断面上的悬移质、推移质输沙量的测量来确定河段的泥沙存贮量的变化,并把这种变化和流域因素的变化相联系,以阐明河道调整对流域因素变化的响应。
Rovira等[1]研究了一条西班牙河流的河道泥沙输出量、输入量与存贮量,进而计算出了河道泥沙存贮的休止时间;Kesel等[2]通过124个断面测量资料研究了密西西比河下游河道泥沙存贮的变化,并将这一变化与人类活动相联系;McLean和Church[3]通过地形测量确定了Fraser河一个河段的泥沙存贮量的变化,以此为基础研究了推移质输沙 率的动态变化。
我国对河道泥沙存贮的系统研究尚不多见。
对 于长江上游的流域侵蚀产沙,已有大量研究成果报道[4～11]。
冲积河流河道冲淤量即是泥沙存贮量的变化,我们在黄河下游和长江中游的研究中,对冲淤量的变化及其对流域水沙条件变化的响应进过分析[12,13]。
Wang等研究了全流域尺度上长江流域的泥沙收支平衡[14]。
此外,一些学者对于长江上游的河谷地貌发育进行了研究[15～17]。
然而,对于长江上游山区河段的泥沙存贮及其变化,目前还很少涉及。
本文在长河段的空间尺度上,对长江上游屏山至宜昌之间河道泥沙存贮量的变化及其地貌意义进行研究。
2 概况、研究方法与资料来源 211 河道概况 本研究以屏山-宜昌的长江上游河道为研究对象(图1),为山区河道,包括川江河道和著名的长江 作者简介:许炯心 男 60岁 研究员 河流地貌专业 E2mail:xujx@ 3国家自然科学基金项目(批准号:40671019)和国家重点基础研究发展规划项目(批准号:2003CB415202)资助 2008-01-30收稿,2008-05-04收修改稿 570 第
四 纪 研 究 2008年 图
1 长江流域图Fig11 AmapoftheChangjiangRiverdrainagebasin 三峡河道。
河段上段为四川盆地与云贵高原的分界,下段则穿越四川盆地东缘大巴山地,形成峡谷河道。
河段位于川东褶皱带,形成著名的平行岭谷区,具有峡谷与宽谷交替的鲜明特色。
峡谷段河道切入基岩,河道窄深;宽谷段水流分散,河宽增大,有利于泥沙淤积,是泥沙存贮的重要场所,形成了泥沙存贮带。
野外考察证明,所研究河段是大量泥沙的沉积场所。
据段光磊等研究[18],在屏山至重庆的448km河段,共有132处洲滩,平均314km即有一处洲滩。
泸州至重庆间,河道曲折,宽河段较多,洲滩发育较好。
泸州至千佛岩段长115km,洲滩十分发育,有洲滩27个,规模最大,洲滩平均面积达0191km2,其中大于110km2占2816%,大于015km2占75%。
千佛岩至朝天门段长137km,有洲滩41个,平均面积为0181km2,其中大于110km2占22%,大于015km2占71%。
由于汇口段受嘉陵江入汇顶托影响,出现了若干大型洲滩,如大中坝、珊瑚坝等。
洲滩可分为边滩、心滩和江心洲,边滩所占比例最大。
屏山至宜宾,边滩占95%。
宜宾至重庆间,河床展宽,水流分散,江心洲较发育,边滩比例有所降低。
边滩占洲滩总数的75%,江心洲占21%,心滩仅占4%。
河岸物质组成,屏山至宜宾间,两岸多为山体,基岩岸线所占比例很大;宜宾至重庆间,两岸丘陵及阶地发育,由砂壤土为主组成的河漫滩及阶地岸线占总岸线85%。
由此可见,所研究河段虽为基岩卵石河床,但仍存在有利于泥沙堆积的场所。
据长江科学院研究[19],在重庆河段茄子溪至桐子溪之间72km河段上,存在着4个分汊段和两个 峡谷段。
该河段一般宽度为600～800m。
分汊河段江心洲发育,洪水宽度达到1500m以上,而峡谷段洪水河宽仅为300～400m。
悬移质年内冲淤变化表现为汛期泥沙淤积、非汛期冲刷,年度泥沙基本冲淤平衡。
根据在九龙坡左汊218km河段上的观测研究,1968年2～9月的淤积量为15512×104t,汛后9～11月的冲刷量为13418×104t;1990年4～9月的淤积量为10319×104t,汛后9～12月的冲刷量为7416×104t[19]。
以上数据表明,该分汊段存在着泥沙的净存贮。
大量边滩、江心洲以及大量的由砂壤土为主组成的河漫滩岸线,均是泥沙长期沉积的结果,形成了泥沙存贮带。
泥沙存贮带是一个缓冲带,来沙多而径流相对较少时,泥沙存贮会增多,因而产沙量会减小;来沙少而径流相对较多时,原来存贮的泥沙会受到冲刷而释放,使产沙量增加。
故研究泥沙存贮量的变化趋势,对于更好的理解长江上游产沙量的变化趋势,有重要的意义。
212 研究方法和资料 某一河段在某一时段中的淤积量,可以视为河道泥沙存贮量的增量,冲刷量则为河道泥沙存贮量的减少量,或负增量。
因此,可以用冲淤量来定义河道泥沙的存贮量,某一河道的年冲淤量即为该河道的泥沙年存贮量增量。
我们运用著名学者D1Knighton的河道泥沙收支平衡的概念[20],以进入某一河道的泥沙量(输入沙量)和输出该河段的沙量(输出沙量)之差来表示河道泥沙的存贮量的变化量。
由于缺乏系统的推移质观测资料,本文只对悬移质泥沙 4期 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 571 的存贮量进行研究。
对于屏山-宜昌干流河道,可以写出: 屏山-宜昌间干流河道泥沙存贮量的变化量 (ΔSTOP2Y)计算如下:ΔSTOP2Y=Σ输入沙量-输出沙量 =(Qs,屏山+Qs,高场+Qs,北碚+Qs,武隆+ Qs,未控区)-Qs,宜昌
(1) 公式
(1)中,Qs,宜昌为宜昌站年输沙量,Qs,屏山为 金沙江屏山站年输沙量,Qs,高场为岷江高场站年输沙 量,Qs,北碚为嘉陵江北碚站年输沙量,Qs,武隆为乌江武 隆站年输沙量,Qs,未控区为屏山-宜昌之间未控区年 输沙量。
未控区流域面积是指未受到上述水文站控 制的流域面积。
未控区的面积为122564km2,占宜 昌站控制流域面积的12119%。
未控区年产沙量按 已控区平均年产沙量乘以未控区面积占总面积比率 而得到: Qs,未控区=(Qs,宜昌/A宜昌)×A未控区
(2) 公式
(2)中,A宜昌为宜昌站控制流域面积,A未控区 为未控区的流域面积。
考虑到水文站的泥沙测验误 差常常达到10%左右,在未控区面积不是很大(例 如在10%上下)时,在无更好的方法确定未控区产 沙量的情况下,采用上述的近似方法是可以接受的。
本研究所依据的河流输沙量资料,来自相关水 文站。
所涉及的降水资料,来自中国气象局的全国 基本气象站资料,采用算术平均方法求得流域面平 均年降水量。
某一较长时段内的河道泥沙存贮量,可以通过 计算该时段内历年泥沙冲淤量的代数和而求得,此 即为从该时段起始年到结束年的冲淤量的累计值。
若累计值为负值,即河道泥沙存贮量为负,说明该河 道发生了净冲刷。
同时,我们还计算了屏山-宜昌间河道泥沙输 移比(SDR): SDR=Qs,宜昌/(Qs,屏山+Qs,高场+Qs,北碚+ Qs,武隆+Qs,未控区)
(3) 依据所得到的结果,本文研究了河道泥沙存贮 量和输移比的时间变化趋势,并揭示了这种变化的 地貌意义。
3 结果与分析 311 长江上游河道存贮量的变化趋势 1956～2000年屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化ΔSTOP2Y已点绘在图2中。
尽管有较大的离散,但仍可以看到某种趋势,大致经历了增大、减小、再增大的变化过程,可以分为3个阶段。
我们还计算出了河道存贮量的变化的累积值,其时间变化见图3中,可以很清楚地划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和一个泥沙释放期。
前人对位于长江上游干流的重庆河段进行过研究,发现河道年内冲淤过程表现为汛期淤积、非汛期冲刷,年际间一般无单向的冲刷和淤积现象[21]。
图3表明,在40～50年的时间尺度上,长江上游河道仍然存在着单向的存贮(淤积)和释放(冲刷)的现象。
这是河道针对流域因素的变化所导致的河段输入沙量的变化以及河道自身输沙能力的变化进行调整的结果。
兹将上述3个阶段的成因分述如下。
1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,时段累积存贮量为410126×108t。
这与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系。
依据《四川森林》一书记载[22],20世纪40年代中,当时的四川省建设厅编制了《四川省森林分布图》,经求积仪测得,四川森林覆盖率约40%,其中原始林占全省面积12%,次生林占28%。
大面积的森林 图
2 屏山-宜昌河段历年河道存贮量的变化Fig12 TemporalvariationinchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangoftheChangjiangRiver 572 第
四 纪 研 究 2008年 仅存在于岷江上游地区,嘉陵江流域的森林已遭到严重破坏,仅上游秦巴山地尚有面积不大的森林分布。
另外该书还记载[22],民国时期的农业部1948年1月编发的《中国土地分类表》中,四川省森林覆盖率已减至20%。
新中国成立以来,长江上游川西滇北构成我国第二大林区西南林区的主体,但森林采伐量急剧增大。
例如1958年“大炼钢铁”运动中大范围砍伐森林、“文化大革命”时期毁林开荒,都导致了大规模的森林破坏。
据解放以来前3次全国森林普查资料,四川省1962年森林覆盖率已降到1115%。
大规模砍伐森林、开垦坡耕地特别是陡坡耕地以及1963年以后的“三线建设”,修路、开矿、在山区挖洞建厂,均导致侵蚀加剧,使得进入长江干流的泥沙增多,发生淤积,因而河道泥沙存贮增多。
1969～1983年为泥沙释放期,时段累积释放量为216533×108t。
表1列出了长江上游地区已建成各类水库的数量和总库容,表2列出了已建水库的分年代统计数据,表3则给出了水库年淤积量统计。
图4中点绘了各年代修建的水库数量和总库容量。
从图4可以看到,20世纪70年代是长江上游支流大量修建水库的时期,水库的数量与总库容均达到高值。
水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少。
同时,这些水库拦截泥沙后,下泄的水流含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放。
1984～2000年为第2个泥沙存贮期,时段累积存贮量为410733×108t。
长江上游支流上的一些水库(如大渡河龚嘴水库)接近于淤满后,恢复排沙,进入干流的泥沙量增多。
金沙江下游重点产沙区产沙量增加[10],也使得进入长江干流的泥沙增多。
这两个因素使得干流河道发生淤积。
同时,葛洲坝水库从1981年建成后投入运行,拦截了来自水库上游流域的泥沙;三峡水库大坝的施工和第一期工程建成后的蓄水拦沙,也会导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。
据研究[23],葛洲坝水库自1981年投入运行以来,库区淤积量到1992年已达1146×108t。
三峡工程1993年开工以来,1995年葛洲坝水库达到最大淤积量为1181×108t(部分为三峡工程坝区开挖堆填所 图
3 屏山-宜昌河段河道存贮量累积值的变化Fig13 Temporalvariationincumulativechannelsedimentstorageinthesection betweenPingshanandYichangoftheChangjiangRiver 水系 金沙江岷江沱江嘉陵江乌江干流区间合计 表
1 长江上游地区已建成各类水库[23]Table1 ReservoirsbuiltintheareaoftheupperreachesofChangjiangRiver 水库合计 数量/座 1880893136445421630162211931 总库容/×108m3 281131610118131561104410642143205104 大型 数量/座 12133313 总库容/×108m3 51537117212521150311332917597153 中型 数量/座 441722501616165 总库容/×108m3 1014231345192131913140216239161 小(一)型 数量/座 总库容/×108m3 335 8152 118 3129 282 7101 452 10122 263 5190 316 6186 1766 41180 小(二)型 数量/座 总库容/×108m3 1500 3166 756 2121 1059 3113 4037 10148 1348 3143 1287 3120 9987 26111 4期 年代
50607080 合计 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 573 表
2 长江上游已建水库分年代统计[23]Table2 ReservoirsintheareaoftheupperreachesofChangjiangRiverconstructedindifferentdecades 水库合计 数量/座 160316897199144011931 总库容/×108m3 30140331267415866180205104 大型 数量/座 144413 总库容/×108m3 1013174171514162725511668174971594 中型 数量/座 46237719165 总库容/×108m3 11150610218100411039162 小(一)型 数量/座 总库容/×108m3 237 5130 249 5194 1072 25198 208 4160 1766 41182 小(二)型 数量/座 总库容/×108m3 1319 313 1413 318 6046 1610 1209 310 9987 2611 水系 金沙江岷沱江嘉陵江乌江干流区间总合计占年总淤量(%) 表
3 长江上游水库年淤积量统计(截止于20世纪80年代末)[23]Table3 Reservoirsedimentationintheareaoftheupperreachesof\ChangjiangRiver 大型 总库容/×104m3 年淤量/×104m3 53300 141 94200 1537 215000 1683 313300 1288 297500 1690 973300 6339 - 4513 中型 总库容
/×104m3 年淤量/×104m3 104200 417 92600 272 139100 668 34000 116 26200 82 396100 1555 - 1111 小型 总库容
/×104m3 年淤量/×104m3 121800 1180 156400 965 207000 2461 93300 641 100600 846 679100 6093 - 4316 合计 总库容
/×104m3 年淤量/×104m3 279300 1738 343200 2774 561100 4812 440600 2045 424300 2618 2048500 13987 - 100 占水库
年总淤量 /% 12141918341414161817100 - 图
4 各年代修建的水库数量和总库容量Fig14 Numberandtotalstoragecapacityofthereservoirsbuiltinvariousdecades 致)。
但受1998年大洪水影响,库区冲刷量达5340×104t。
故1981年至1998年,葛洲坝水库共淤积量为11313×108t,平均每年拦沙730×104t。
这一时期中干流河道泥沙存贮量的增加,也是1986年以后宜昌站来沙量减小的重要原因。
312 河道泥沙收支平衡的3个分量的关系 河道泥沙收支平衡由3个分量构成,即输入沙量、输出沙量和泥沙存贮量。
图5中分别为屏山宜昌河段的年泥沙存贮量与年输入沙量、年输出沙量的关系以及年输入沙量与年输出沙量之间的关 系。
泥沙存贮量与年输入沙量有一定的正相关(见 图5a),尽管各点较为分散,但仍然在p<0101的水 平上是显著的。
这说明,泥沙存贮量在一定程度上 受到泥沙输入量的控制。
图5b显示,泥沙存贮量与 输出沙量之间不存在相关关系,点子十分分散。
年 输入沙量与年输出沙量的关系表现为很强的正相关 (见图5c),可以分别用不通过原点和通过原点的线 性方程来拟合: y=018165x+821711 (R2=018544)
(4) y=019668x (R2=018236)
(5) 公式
(4)和
(5)的相关显著性都很强,公式
(4) 的相关系数要高于公式
(5)。
由上列二式可知,屏 山-宜昌河段的泥沙输移具有“多来多排”的特性。
由公式
(5)可知,在多年平均的意义上,输出沙量是 输入沙量的019668倍,即只有不到4%的泥沙淤在 河道中。
因此,可以认为河道接近于平衡状态。
我们还分析了屏山-宜昌河段河道泥沙收支平 衡的3个分量输入沙量、输出沙量和泥沙存贮量与 流域面平均年降水量的关系。
从图6中可以看到, 输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间 均存在较明显的正相关关系。
输入沙量取决于流域 的侵蚀与支流的产沙,因而受降水的控制(见 图6a)。
输出沙量除了取决于输入沙量外,还取决 574 第
四 纪 研 究 2008年 图
5 屏山-宜昌河段的年泥沙存贮量与年输入沙量(a)、年输出沙量(b)的关系以及年输入沙量与年输出沙量之间的关系(c) Fig15 Relationshipamongannualchannelsedimentstorage,sedimentinput,andsedimentoutput(a)sedimentstorageversussedimentinput;(b)sedimentstorageversussedimentoutput; ( c) sedimentinputversussedimentoutput 于河道输沙能力,这与径流量有较大关系,因而也与降水有关(见图6b)。
值得注意的是,存贮量与降水量不相关(见图6c)。
这是由于,降水量大时,来沙量大,来水量亦大;来沙量大,则河流负载重,易淤积;来水量大,则水流挟沙力强,易冲刷。
二者抵消,故降水量与存贮量的关系不密切。
这说明,河道泥沙存贮对于降水量的变化是不敏感的。
313 河道泥沙输移比随时间的变化 河道泥沙存贮与河道泥沙输移比密切相关。
上 图
6 屏山-宜昌河段输入沙量(a)、输出沙量(b)和泥沙存贮量(c)与流域面平均年降水量的关系 Fig16 Annualsedimentinput(a),sedimentoutput(b),andchannelsedimentstorage(c) plottedagainstannualprecipitation 文已经讨论了屏山-宜昌河段河道泥沙存贮随时间的变化,表现出某种规律性。
图7中为屏山-宜昌间河道泥沙输移比的时间变化。
可以看到,大致可以分为两个阶段,即1956～1982年河道泥沙输移比呈增加趋势和1983～2000年则呈减小趋势。
1956～1982年的增大趋势,与1968～1983年间河道泥沙的释放有密切关系。
1968～1983年间,河道泥沙存贮表现为累积性减小(见图2),意味着河道泥沙输移能力提高了,因而泥沙输移比增大。
从图2中还可以看到,1983～2000年是第2个河道泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增大,这导致了1983～2000年间河道泥沙输移比的减小。
4期 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 575 图
7 屏山-宜昌河道泥沙输移比的时间变化Fig17 TemporalvariationinchannelsedimentdeliveryratioofthesectionbetweenPingshanandYichangofChangjiangRiver 314 长江上游河道泥沙存贮变化对中游河道冲淤的影响 河流系统各部分是紧密联系的,存在着一定的耦合关系。
一部分发生变化,会导致另一部分作出响应。
上游河道中泥沙的存贮和释放对下游河道的来沙量起着一定程度的控制作用。
将长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与文献[13]给出的中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化点绘在同一坐标中(图8),可以看到,两条趋势线(以4次多项式拟合)的变化在某种程度上具有异相性,即二者变化的相位相反。
这意味着,上游河道的淤积(泥沙存贮增多)会导致中游河道的冲刷(泥沙存贮减少),上游河道的冲刷(泥沙存贮减少)会导致中游河道的淤积(泥沙存贮增多)。
4 结论 本文综合河流输沙分析得到了长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量变化结果如下: (1)1956～2000年间屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化可以划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和一个泥沙释放期。
1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系;1969～1983年为泥沙释放期,支流水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少,含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放。
1984～2000年为第2个泥沙存贮期,金沙江下游重点产沙区产沙量增加,进入长江干流的泥沙增多,葛洲坝水库建成后投入运行,三峡水库大坝的建设,也导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。
图
8 屏山-宜昌河段河道泥沙存贮与宜昌-武汉河段泥沙冲淤时间变化的比较 宜昌-武汉河段泥沙冲淤量数据来自许炯心[13]Fig18 TemporalvariationinchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangintheupperreachesofChangjiangRiverandthesectionbetweenYichangand W u han i nthemiddlereachesofChangjiangRiver
(3)输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间均存在较明显的正相关关系,而存贮量与降水量不相关,说明河道泥沙存贮对于降水量的变化不敏感。
(4)屏山-宜昌间河道泥沙输移比的时间变化大致可以分为两个阶段,1956～1982年,河道泥沙输移比呈增加趋势,1983～2000年则呈减小趋势。
这种变化可以用河道泥沙存贮的变化来解释。
(5)长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化相位在一定程度上是相反的,说明上游河道泥沙存贮增多会导致中游河道泥沙存贮减少,上游河道泥沙存贮减少会导致中游河道泥沙存贮增多。
三峡水库的修建使河道泥沙存贮发生了很大的变化。
对于这种变化,在获得足够资料之后将另文讨论。
致谢 感谢匿名审稿专家对文章修改所提出的建设性意见。
参考文献(References)
1 RoviraA,BatallaRJ,SalaM.FluvialsedimentbudgetofaMediterraneanriver:ThelowerTordera(Catalancoastalranges,NESpain).Catena,2005,60
(1):19～42
2 KeselRH,YodisE,McCrawD.AnapproximationofthesedimentbudgetofthelowerMississippiRiverpriortomajorhumanmodification.EarthSurfaceProcessesandLandforms,1992,17:711～722
3 McLeanDG,ChurchM.SedimenttransportalonglowerFraser 576 第
四 纪 研 究 2008年 River.Ⅱ.Estimatesbasedonthelongtermgravelbudget.WaterResourcesResearch,1999,35
(8):2549～25594 冯明汉.长江流域土壤侵蚀研究现状及存在问题.人民长江,2005,36
(2):9～11 FengMingquan.SoilerosionintheupperYangtzeRiverBasin:Researchprogressandproblems.YangtzeRiver,2005,36
(2):9～115 刘 毅,张 平.长江上游流域地表侵蚀与河流泥沙输移.长江科学院院报,1995,12
(1):40～44 LiuYi,ZhangPing.SurfaceerosioninupperYangtzeregionand riversedimenttransport.JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute,1995,12
(1):40～446 钟劭南.长江上游重点水土流失区遥感动态监测及泥沙输移分析.国土资源遥感,2001,
(1):1～
8 ZhongShaonan.AremotesensingandGISbaseddynamicsoil erosionmonitoringsysteminthemajorsoilerosionareasinupper Jialingjiangwatershed.RemoteSensingforLand&Resources,2001,
(1):1～87 杨 泉,何文社.嘉陵江水土保持对三峡工程水沙的影响.兰州交通大学学报(自然科学版),2005,24
(3):37～40 YangQuan,HeWenshe.InfluencetoThreeesReservoirfor implementationsoilandwaterconservationprojectinJialingRiver.JournalofLanzhouJiaotongUniversity(NaturalSciences),2005,24
(3):37～408 潘久根.金沙江流域的河流泥沙输移特性.泥沙研究,1999,
(2):46～49 PanJiugen.CharacteristicsofsedimenttransportationinJinshaRiverBasin.JournalofSedimentResearch,1999,
(2):46～499 刘邵权,陈治谏,陈国阶等.金沙江流域水土流失现状与河道泥沙分析.长江流域资源与环境,1999,8
(4):423～428 LiuShaoquan,ChenZhijian,ChenGuojieetal.SurfaceerosionandfluvialsiltintheJinshaRiverwatershed.ResourcesandEnvironmentintheYangtzaBasin,1999,8
(4):423～42810 张信宝,文安邦.长江上游干流和支流河流泥沙近期变化及其原因.水利学报,2002,
(4):56～59 ZhangXinbao,WenAnbang.VariationsofsedimentinupperstreamofYangtzeRiveranditstributary.ShuiliXuebao,2002,
(4):56～5911 许炯心.长江上中游的水沙变化及其与森林破坏的关系.水利学报,2000,
(1):72～80 XuJiongxin.Runoffandsedimentvariationsintheupperreachesof ChangjiangRiveranditstributariesduetodeforestation.ShuiliXuebao,2000,
(1):72～8012 许炯心.黄河下游洪水的泥沙输移特征.水科学进展,2002,13
(5):562～568 XuJiongxin.StudyonsedimenttransportinthelowerYellowRiverduringfloodperiod.AdvancesinWaterScience,2002,13
(5):562～56813 许炯心.长江宜昌-武汉河段泥沙年冲淤量对水沙变化的响应.地理学报,2005,60
(2):337～348 XuJiongxin.Responseofchannelsedimentbudgettoflowandsedimentinputs:AnexampleoftheYichang2WuhanReach,YangtzeRiver.ActaGeographicaSinica,2005,60
(2):337～34814 WangZhaoyin,LiYitian,HeYiping.SedimentbudgetoftheYangtzeRiver.WaterResourcesResearch,2007,43:1～1415 周 彬,杨达源,韩志勇等.长江三峡河段下切速率研究.第四纪研究,2006,26
(2):406～412 ZhouBin,YangDayuan,HanZhiyongetal.Incisionrateofthe ThreeessectionoftheChangjiangRiver.QuaternarySciences,2006,26
(2):406～41216 任雪梅,杨达源,韩志勇.长江上游水系变迁的河流阶地证据.第四纪研究,2006,26
(2):413～420 RenXuemei,YangDayuan,HanZhiyong.Terraceevidenceofriver systemchangeintheupperreachesofChangjiangRiver.QuaternarySciences,2006,26
(2):413～42017 葛兆帅,刘庆友,胥勤勉等.金沙江下段河槽地貌特征与地貌过程.第四纪研究,2006,26
(3):421～428 GeZhaoshuai,LiuQingyou,XuQinmianetal.Thegeomorphic evolutionandcharacteristicsoftheriverbedinthelowerreachesofJinshajiangRiver.QuaternarySciences,2006,26
(3):421～42818 段光磊,彭严波,肖 华.三峡库尾上游河段河床边界组成.人民长江,2000,31
(9):1～
3 DuanGuanglei,PengPanbo,XiaoHua.Compositionofchannel boundarymaterialoftheYangtzeRiverintheupperreachoftheThreeesReservoir.YangtzeRiver,2000,31
(9):1～319 长江科学院.三峡工程运用初期重庆城区河段及铜锣峡河段整治试验研究.见:国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙课题专家组,中国长江三峡工程开发总公司工程泥沙专家组编.长江三峡工程泥沙问题研究(1996～2000)(第五卷)———三峡工程上游来沙与水库泥沙问题.北京:知识产权出版社,2002.194～198 ScientificResearchInstitutefortheYangtzeRiver.Experimental studyonchanneltrainingoftheChongqingreachoftheYangtze RiverfortheearlystageaftertheclosureofThreeesReservoir. In:ExpertsGrouponSedimentIssuesoftheThreeesProjecteds.AStudyofSedimentIssuesoftheThreeesProject(Vol.5)———SedimentSupplyfromtheDrainageAreaabovetheThree esDamandProblemoftheSedimentationintheReservoir.Beijing:IntellectualPropertyPublishingHouse,20021194～19820 KnightonD.FluvialFormsandProcesses:ANewPerspective.London:Arnold,1996193～9521 彭万兵,刘德春,刘同宦等.重庆市主城区河段冲淤特性分析.泥沙研究,2005,
(6):44～50 PengWanbing,LiuDechun,LiuTonghuanetal.Analyseson erosionanddepositioncharacteristicsoftheriverreachinChongqingCity.JournalofSedimentResearch,2005,
(6):44～5022 《四川森林》编辑委员会编著.四川森林.北京:中国林业出版社,1992.1～1535EditorialCommissionfor“ForestryinSichuanProvince”ed. ForestryinSichuanProvince.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse,1992.1～153523 国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙课题专家组,中国长江三峡工程开发总公司工程泥沙专家组编.长江三峡工程泥沙问题研究(1996～2000)(第八卷)———长江三峡工程“九五”泥沙研究综合分析.北京:知识产权出版社,2002.5～
8 ExpertsGrouponSedimentIssuesoftheThreeesProject.AStudyofSedimentIssuesoftheThreeesProject(Vol.8)——— ComprehensiveAnalysisofSedimentIssuesoftheThreeesProjectduingthe“Ninth52Year”Plan.Beijing:IntellectualPropertyPublishingHouse,2002.5～
8 4期 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 577 VARIATIONINCHANNELSEDIMENTSTORAGEINTHESECTIONBETWEENPINGSHANANDYICHANGOFTHEUPPERREACHES OFCHANGJIANGRIVERANDSOMEGEOMORPHICIMPLICATIONS XuJiongxin (InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryforWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101) Abstract Basedondataofsuspendedsedimentloadfromhydrometricstations,astudyhasbeenmadeonchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangoftheupperreachesofChangjiangRiveranditstemporalvariation.Duringtheperiodof1956～2000,thechannelsedimentstoragecanbedividedinto3stages,twoofsedimentstorageandoneofsedimentreleasing.Thestagefrom1956to1968wasthefirststageofsedimentstorage,withthecumulativestoragebeing401126milliont.Inthisstage,thechannelsedimentstorageincreased,inresponsetotheintensifiedsoilerosioninthedrainagebasin.Thestagefrom1969to1983wasaperiodofsedimentreleasing,withthecumulativereleasingbeing265133milliont.Inthisstage,manyreservoirswerebuilt,resultinginareductioninsedimentloadoftheChangjiangRiver.Therefore,sedimentconcentrationdeclined,andthepreviouslystoredsedimentinthechannelwaserodedandreleased.Thestagefrom1984to2000wasthesecondstageofsedimentstorage,withthecumulativestoragebeing407133milliont.Inthisstage,thesedimentyieldedfromthelowerreachesofJinshajiangRiverincreased,andsuppliedmoresedimenttotheChangjiangRiver.TheconstructionofGezhoubaDamandThreeesDamalsoincreasedchannelsedimentstorageintheupperreachesofChangjiangRiver.Ithasbeenfoundoutthat,forthestudiedriversection,closecorrelationexistsbetweenannualsediment2input,sediment2output,andannualprecipitation,butnocorrelationbetweenannualsedimentstorageandannualprecipitationhasbeenfound,indicatingthatchannelsedimentstorageisun2sensitivetoannualprecipitation.Thevariationinchannelsedimentdeliveryratioshowstwostages.From1956～1982,ittendedtoincrease,andafterwards,decrease.Thiscanbeexplainedbythevariationinchannelsedimentstorage.IthasbeenalsofoundoutthatthetemporalvariationinchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangisinversetosomedegreetothatbetweenYichangandWuhaninthemiddlereachesofChangjiangRiver.Thisindicatesthattheincreaseinchannelsedimentstorageintheupstreammayresultinadecreaseinthedownstream. Keywords sedimentstorage,sedimentdelivery,upperreachesofChangjiangRiver
四 纪 研 究QUATERNARY SCIENCES 文章编号 1001-7410(2008)04-569-09 Vol.28, No.4July,2008 长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义
3 许 炯 心 (中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院水循环与地表过程重点实验室,北京 100101) 摘要 通过河流输沙分析研究了长江上游河道的悬移质泥沙存贮量及其变化。
结果表明,1956～2000年屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化可以划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和1个泥沙释放期。
1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,累计存贮量为410126×108t,与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系;1969～1983年为泥沙释放期,累积释放量为216533×108t———支流水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少,含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放;1984～2000年为第2个泥沙存贮期,累积存贮量为410733×108t。
金沙江下游重点产沙区产沙量增加,进入长江干流的泥沙增多,葛洲坝水库建成后投入运行,三峡水库大坝的建设,也导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。
输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间均存在较明显的正相关关系,而存贮量与降水量不相关,说明河道泥沙存贮对于降水量的变化不敏感。
屏山-宜昌河道泥沙输移比的时间变化大致可以分为两个阶段,即在1956～1982年河道泥沙输移比呈增加趋势,1983～2000年则呈减小趋势。
这种变化可以用河道泥沙存贮的变化来解释。
长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化相位在一定程度上是相反的,说明上游河道泥沙存贮增多会导致中游河道泥沙存贮减少,上游河道泥沙存贮减少会导致中游河道泥沙存贮增多。
主题词 泥沙存贮 山区河流 泥沙输移比 长江上游中图分类号 P931.1,TV148 文献标识码
A 1 前言 冲积性河床的演变是通过改变河道存贮量及其空间分布来实现的,研究河道存贮量及其空间分布是查明河流泥沙输移行为和河床演变机理的一把钥匙。
近年来,国际上对于河道泥沙存贮的研究十分重视,通过河床横断面和河道床地形测量、河段进出口控制断面上的悬移质、推移质输沙量的测量来确定河段的泥沙存贮量的变化,并把这种变化和流域因素的变化相联系,以阐明河道调整对流域因素变化的响应。
Rovira等[1]研究了一条西班牙河流的河道泥沙输出量、输入量与存贮量,进而计算出了河道泥沙存贮的休止时间;Kesel等[2]通过124个断面测量资料研究了密西西比河下游河道泥沙存贮的变化,并将这一变化与人类活动相联系;McLean和Church[3]通过地形测量确定了Fraser河一个河段的泥沙存贮量的变化,以此为基础研究了推移质输沙 率的动态变化。
我国对河道泥沙存贮的系统研究尚不多见。
对 于长江上游的流域侵蚀产沙,已有大量研究成果报道[4～11]。
冲积河流河道冲淤量即是泥沙存贮量的变化,我们在黄河下游和长江中游的研究中,对冲淤量的变化及其对流域水沙条件变化的响应进过分析[12,13]。
Wang等研究了全流域尺度上长江流域的泥沙收支平衡[14]。
此外,一些学者对于长江上游的河谷地貌发育进行了研究[15～17]。
然而,对于长江上游山区河段的泥沙存贮及其变化,目前还很少涉及。
本文在长河段的空间尺度上,对长江上游屏山至宜昌之间河道泥沙存贮量的变化及其地貌意义进行研究。
2 概况、研究方法与资料来源 211 河道概况 本研究以屏山-宜昌的长江上游河道为研究对象(图1),为山区河道,包括川江河道和著名的长江 作者简介:许炯心 男 60岁 研究员 河流地貌专业 E2mail:xujx@ 3国家自然科学基金项目(批准号:40671019)和国家重点基础研究发展规划项目(批准号:2003CB415202)资助 2008-01-30收稿,2008-05-04收修改稿 570 第
四 纪 研 究 2008年 图
1 长江流域图Fig11 AmapoftheChangjiangRiverdrainagebasin 三峡河道。
河段上段为四川盆地与云贵高原的分界,下段则穿越四川盆地东缘大巴山地,形成峡谷河道。
河段位于川东褶皱带,形成著名的平行岭谷区,具有峡谷与宽谷交替的鲜明特色。
峡谷段河道切入基岩,河道窄深;宽谷段水流分散,河宽增大,有利于泥沙淤积,是泥沙存贮的重要场所,形成了泥沙存贮带。
野外考察证明,所研究河段是大量泥沙的沉积场所。
据段光磊等研究[18],在屏山至重庆的448km河段,共有132处洲滩,平均314km即有一处洲滩。
泸州至重庆间,河道曲折,宽河段较多,洲滩发育较好。
泸州至千佛岩段长115km,洲滩十分发育,有洲滩27个,规模最大,洲滩平均面积达0191km2,其中大于110km2占2816%,大于015km2占75%。
千佛岩至朝天门段长137km,有洲滩41个,平均面积为0181km2,其中大于110km2占22%,大于015km2占71%。
由于汇口段受嘉陵江入汇顶托影响,出现了若干大型洲滩,如大中坝、珊瑚坝等。
洲滩可分为边滩、心滩和江心洲,边滩所占比例最大。
屏山至宜宾,边滩占95%。
宜宾至重庆间,河床展宽,水流分散,江心洲较发育,边滩比例有所降低。
边滩占洲滩总数的75%,江心洲占21%,心滩仅占4%。
河岸物质组成,屏山至宜宾间,两岸多为山体,基岩岸线所占比例很大;宜宾至重庆间,两岸丘陵及阶地发育,由砂壤土为主组成的河漫滩及阶地岸线占总岸线85%。
由此可见,所研究河段虽为基岩卵石河床,但仍存在有利于泥沙堆积的场所。
据长江科学院研究[19],在重庆河段茄子溪至桐子溪之间72km河段上,存在着4个分汊段和两个 峡谷段。
该河段一般宽度为600～800m。
分汊河段江心洲发育,洪水宽度达到1500m以上,而峡谷段洪水河宽仅为300～400m。
悬移质年内冲淤变化表现为汛期泥沙淤积、非汛期冲刷,年度泥沙基本冲淤平衡。
根据在九龙坡左汊218km河段上的观测研究,1968年2～9月的淤积量为15512×104t,汛后9～11月的冲刷量为13418×104t;1990年4～9月的淤积量为10319×104t,汛后9～12月的冲刷量为7416×104t[19]。
以上数据表明,该分汊段存在着泥沙的净存贮。
大量边滩、江心洲以及大量的由砂壤土为主组成的河漫滩岸线,均是泥沙长期沉积的结果,形成了泥沙存贮带。
泥沙存贮带是一个缓冲带,来沙多而径流相对较少时,泥沙存贮会增多,因而产沙量会减小;来沙少而径流相对较多时,原来存贮的泥沙会受到冲刷而释放,使产沙量增加。
故研究泥沙存贮量的变化趋势,对于更好的理解长江上游产沙量的变化趋势,有重要的意义。
212 研究方法和资料 某一河段在某一时段中的淤积量,可以视为河道泥沙存贮量的增量,冲刷量则为河道泥沙存贮量的减少量,或负增量。
因此,可以用冲淤量来定义河道泥沙的存贮量,某一河道的年冲淤量即为该河道的泥沙年存贮量增量。
我们运用著名学者D1Knighton的河道泥沙收支平衡的概念[20],以进入某一河道的泥沙量(输入沙量)和输出该河段的沙量(输出沙量)之差来表示河道泥沙的存贮量的变化量。
由于缺乏系统的推移质观测资料,本文只对悬移质泥沙 4期 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 571 的存贮量进行研究。
对于屏山-宜昌干流河道,可以写出: 屏山-宜昌间干流河道泥沙存贮量的变化量 (ΔSTOP2Y)计算如下:ΔSTOP2Y=Σ输入沙量-输出沙量 =(Qs,屏山+Qs,高场+Qs,北碚+Qs,武隆+ Qs,未控区)-Qs,宜昌
(1) 公式
(1)中,Qs,宜昌为宜昌站年输沙量,Qs,屏山为 金沙江屏山站年输沙量,Qs,高场为岷江高场站年输沙 量,Qs,北碚为嘉陵江北碚站年输沙量,Qs,武隆为乌江武 隆站年输沙量,Qs,未控区为屏山-宜昌之间未控区年 输沙量。
未控区流域面积是指未受到上述水文站控 制的流域面积。
未控区的面积为122564km2,占宜 昌站控制流域面积的12119%。
未控区年产沙量按 已控区平均年产沙量乘以未控区面积占总面积比率 而得到: Qs,未控区=(Qs,宜昌/A宜昌)×A未控区
(2) 公式
(2)中,A宜昌为宜昌站控制流域面积,A未控区 为未控区的流域面积。
考虑到水文站的泥沙测验误 差常常达到10%左右,在未控区面积不是很大(例 如在10%上下)时,在无更好的方法确定未控区产 沙量的情况下,采用上述的近似方法是可以接受的。
本研究所依据的河流输沙量资料,来自相关水 文站。
所涉及的降水资料,来自中国气象局的全国 基本气象站资料,采用算术平均方法求得流域面平 均年降水量。
某一较长时段内的河道泥沙存贮量,可以通过 计算该时段内历年泥沙冲淤量的代数和而求得,此 即为从该时段起始年到结束年的冲淤量的累计值。
若累计值为负值,即河道泥沙存贮量为负,说明该河 道发生了净冲刷。
同时,我们还计算了屏山-宜昌间河道泥沙输 移比(SDR): SDR=Qs,宜昌/(Qs,屏山+Qs,高场+Qs,北碚+ Qs,武隆+Qs,未控区)
(3) 依据所得到的结果,本文研究了河道泥沙存贮 量和输移比的时间变化趋势,并揭示了这种变化的 地貌意义。
3 结果与分析 311 长江上游河道存贮量的变化趋势 1956～2000年屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化ΔSTOP2Y已点绘在图2中。
尽管有较大的离散,但仍可以看到某种趋势,大致经历了增大、减小、再增大的变化过程,可以分为3个阶段。
我们还计算出了河道存贮量的变化的累积值,其时间变化见图3中,可以很清楚地划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和一个泥沙释放期。
前人对位于长江上游干流的重庆河段进行过研究,发现河道年内冲淤过程表现为汛期淤积、非汛期冲刷,年际间一般无单向的冲刷和淤积现象[21]。
图3表明,在40～50年的时间尺度上,长江上游河道仍然存在着单向的存贮(淤积)和释放(冲刷)的现象。
这是河道针对流域因素的变化所导致的河段输入沙量的变化以及河道自身输沙能力的变化进行调整的结果。
兹将上述3个阶段的成因分述如下。
1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,时段累积存贮量为410126×108t。
这与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系。
依据《四川森林》一书记载[22],20世纪40年代中,当时的四川省建设厅编制了《四川省森林分布图》,经求积仪测得,四川森林覆盖率约40%,其中原始林占全省面积12%,次生林占28%。
大面积的森林 图
2 屏山-宜昌河段历年河道存贮量的变化Fig12 TemporalvariationinchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangoftheChangjiangRiver 572 第
四 纪 研 究 2008年 仅存在于岷江上游地区,嘉陵江流域的森林已遭到严重破坏,仅上游秦巴山地尚有面积不大的森林分布。
另外该书还记载[22],民国时期的农业部1948年1月编发的《中国土地分类表》中,四川省森林覆盖率已减至20%。
新中国成立以来,长江上游川西滇北构成我国第二大林区西南林区的主体,但森林采伐量急剧增大。
例如1958年“大炼钢铁”运动中大范围砍伐森林、“文化大革命”时期毁林开荒,都导致了大规模的森林破坏。
据解放以来前3次全国森林普查资料,四川省1962年森林覆盖率已降到1115%。
大规模砍伐森林、开垦坡耕地特别是陡坡耕地以及1963年以后的“三线建设”,修路、开矿、在山区挖洞建厂,均导致侵蚀加剧,使得进入长江干流的泥沙增多,发生淤积,因而河道泥沙存贮增多。
1969～1983年为泥沙释放期,时段累积释放量为216533×108t。
表1列出了长江上游地区已建成各类水库的数量和总库容,表2列出了已建水库的分年代统计数据,表3则给出了水库年淤积量统计。
图4中点绘了各年代修建的水库数量和总库容量。
从图4可以看到,20世纪70年代是长江上游支流大量修建水库的时期,水库的数量与总库容均达到高值。
水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少。
同时,这些水库拦截泥沙后,下泄的水流含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放。
1984～2000年为第2个泥沙存贮期,时段累积存贮量为410733×108t。
长江上游支流上的一些水库(如大渡河龚嘴水库)接近于淤满后,恢复排沙,进入干流的泥沙量增多。
金沙江下游重点产沙区产沙量增加[10],也使得进入长江干流的泥沙增多。
这两个因素使得干流河道发生淤积。
同时,葛洲坝水库从1981年建成后投入运行,拦截了来自水库上游流域的泥沙;三峡水库大坝的施工和第一期工程建成后的蓄水拦沙,也会导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。
据研究[23],葛洲坝水库自1981年投入运行以来,库区淤积量到1992年已达1146×108t。
三峡工程1993年开工以来,1995年葛洲坝水库达到最大淤积量为1181×108t(部分为三峡工程坝区开挖堆填所 图
3 屏山-宜昌河段河道存贮量累积值的变化Fig13 Temporalvariationincumulativechannelsedimentstorageinthesection betweenPingshanandYichangoftheChangjiangRiver 水系 金沙江岷江沱江嘉陵江乌江干流区间合计 表
1 长江上游地区已建成各类水库[23]Table1 ReservoirsbuiltintheareaoftheupperreachesofChangjiangRiver 水库合计 数量/座 1880893136445421630162211931 总库容/×108m3 281131610118131561104410642143205104 大型 数量/座 12133313 总库容/×108m3 51537117212521150311332917597153 中型 数量/座 441722501616165 总库容/×108m3 1014231345192131913140216239161 小(一)型 数量/座 总库容/×108m3 335 8152 118 3129 282 7101 452 10122 263 5190 316 6186 1766 41180 小(二)型 数量/座 总库容/×108m3 1500 3166 756 2121 1059 3113 4037 10148 1348 3143 1287 3120 9987 26111 4期 年代
50607080 合计 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 573 表
2 长江上游已建水库分年代统计[23]Table2 ReservoirsintheareaoftheupperreachesofChangjiangRiverconstructedindifferentdecades 水库合计 数量/座 160316897199144011931 总库容/×108m3 30140331267415866180205104 大型 数量/座 144413 总库容/×108m3 1013174171514162725511668174971594 中型 数量/座 46237719165 总库容/×108m3 11150610218100411039162 小(一)型 数量/座 总库容/×108m3 237 5130 249 5194 1072 25198 208 4160 1766 41182 小(二)型 数量/座 总库容/×108m3 1319 313 1413 318 6046 1610 1209 310 9987 2611 水系 金沙江岷沱江嘉陵江乌江干流区间总合计占年总淤量(%) 表
3 长江上游水库年淤积量统计(截止于20世纪80年代末)[23]Table3 Reservoirsedimentationintheareaoftheupperreachesof\ChangjiangRiver 大型 总库容/×104m3 年淤量/×104m3 53300 141 94200 1537 215000 1683 313300 1288 297500 1690 973300 6339 - 4513 中型 总库容
/×104m3 年淤量/×104m3 104200 417 92600 272 139100 668 34000 116 26200 82 396100 1555 - 1111 小型 总库容
/×104m3 年淤量/×104m3 121800 1180 156400 965 207000 2461 93300 641 100600 846 679100 6093 - 4316 合计 总库容
/×104m3 年淤量/×104m3 279300 1738 343200 2774 561100 4812 440600 2045 424300 2618 2048500 13987 - 100 占水库
年总淤量 /% 12141918341414161817100 - 图
4 各年代修建的水库数量和总库容量Fig14 Numberandtotalstoragecapacityofthereservoirsbuiltinvariousdecades 致)。
但受1998年大洪水影响,库区冲刷量达5340×104t。
故1981年至1998年,葛洲坝水库共淤积量为11313×108t,平均每年拦沙730×104t。
这一时期中干流河道泥沙存贮量的增加,也是1986年以后宜昌站来沙量减小的重要原因。
312 河道泥沙收支平衡的3个分量的关系 河道泥沙收支平衡由3个分量构成,即输入沙量、输出沙量和泥沙存贮量。
图5中分别为屏山宜昌河段的年泥沙存贮量与年输入沙量、年输出沙量的关系以及年输入沙量与年输出沙量之间的关 系。
泥沙存贮量与年输入沙量有一定的正相关(见 图5a),尽管各点较为分散,但仍然在p<0101的水 平上是显著的。
这说明,泥沙存贮量在一定程度上 受到泥沙输入量的控制。
图5b显示,泥沙存贮量与 输出沙量之间不存在相关关系,点子十分分散。
年 输入沙量与年输出沙量的关系表现为很强的正相关 (见图5c),可以分别用不通过原点和通过原点的线 性方程来拟合: y=018165x+821711 (R2=018544)
(4) y=019668x (R2=018236)
(5) 公式
(4)和
(5)的相关显著性都很强,公式
(4) 的相关系数要高于公式
(5)。
由上列二式可知,屏 山-宜昌河段的泥沙输移具有“多来多排”的特性。
由公式
(5)可知,在多年平均的意义上,输出沙量是 输入沙量的019668倍,即只有不到4%的泥沙淤在 河道中。
因此,可以认为河道接近于平衡状态。
我们还分析了屏山-宜昌河段河道泥沙收支平 衡的3个分量输入沙量、输出沙量和泥沙存贮量与 流域面平均年降水量的关系。
从图6中可以看到, 输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间 均存在较明显的正相关关系。
输入沙量取决于流域 的侵蚀与支流的产沙,因而受降水的控制(见 图6a)。
输出沙量除了取决于输入沙量外,还取决 574 第
四 纪 研 究 2008年 图
5 屏山-宜昌河段的年泥沙存贮量与年输入沙量(a)、年输出沙量(b)的关系以及年输入沙量与年输出沙量之间的关系(c) Fig15 Relationshipamongannualchannelsedimentstorage,sedimentinput,andsedimentoutput(a)sedimentstorageversussedimentinput;(b)sedimentstorageversussedimentoutput; ( c) sedimentinputversussedimentoutput 于河道输沙能力,这与径流量有较大关系,因而也与降水有关(见图6b)。
值得注意的是,存贮量与降水量不相关(见图6c)。
这是由于,降水量大时,来沙量大,来水量亦大;来沙量大,则河流负载重,易淤积;来水量大,则水流挟沙力强,易冲刷。
二者抵消,故降水量与存贮量的关系不密切。
这说明,河道泥沙存贮对于降水量的变化是不敏感的。
313 河道泥沙输移比随时间的变化 河道泥沙存贮与河道泥沙输移比密切相关。
上 图
6 屏山-宜昌河段输入沙量(a)、输出沙量(b)和泥沙存贮量(c)与流域面平均年降水量的关系 Fig16 Annualsedimentinput(a),sedimentoutput(b),andchannelsedimentstorage(c) plottedagainstannualprecipitation 文已经讨论了屏山-宜昌河段河道泥沙存贮随时间的变化,表现出某种规律性。
图7中为屏山-宜昌间河道泥沙输移比的时间变化。
可以看到,大致可以分为两个阶段,即1956～1982年河道泥沙输移比呈增加趋势和1983～2000年则呈减小趋势。
1956～1982年的增大趋势,与1968～1983年间河道泥沙的释放有密切关系。
1968～1983年间,河道泥沙存贮表现为累积性减小(见图2),意味着河道泥沙输移能力提高了,因而泥沙输移比增大。
从图2中还可以看到,1983～2000年是第2个河道泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增大,这导致了1983～2000年间河道泥沙输移比的减小。
4期 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 575 图
7 屏山-宜昌河道泥沙输移比的时间变化Fig17 TemporalvariationinchannelsedimentdeliveryratioofthesectionbetweenPingshanandYichangofChangjiangRiver 314 长江上游河道泥沙存贮变化对中游河道冲淤的影响 河流系统各部分是紧密联系的,存在着一定的耦合关系。
一部分发生变化,会导致另一部分作出响应。
上游河道中泥沙的存贮和释放对下游河道的来沙量起着一定程度的控制作用。
将长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与文献[13]给出的中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化点绘在同一坐标中(图8),可以看到,两条趋势线(以4次多项式拟合)的变化在某种程度上具有异相性,即二者变化的相位相反。
这意味着,上游河道的淤积(泥沙存贮增多)会导致中游河道的冲刷(泥沙存贮减少),上游河道的冲刷(泥沙存贮减少)会导致中游河道的淤积(泥沙存贮增多)。
4 结论 本文综合河流输沙分析得到了长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量变化结果如下: (1)1956～2000年间屏山-宜昌河段历年的河道存贮量的变化可以划分为3个阶段,即两个泥沙存贮期和一个泥沙释放期。
1956～1968年为第1个泥沙存贮期,河道泥沙存贮累积性增加,与这一时期人类活动导致的流域侵蚀加剧有密切的关系;1969～1983年为泥沙释放期,支流水库大量修建,拦截了泥沙,下泄泥沙减少,进入长江干流的泥沙减少,含沙量降低,使得干流中前期存贮的泥沙发生侵蚀而释放。
1984～2000年为第2个泥沙存贮期,金沙江下游重点产沙区产沙量增加,进入长江干流的泥沙增多,葛洲坝水库建成后投入运行,三峡水库大坝的建设,也导致长江干流河道中泥沙存贮量的增大。
图
8 屏山-宜昌河段河道泥沙存贮与宜昌-武汉河段泥沙冲淤时间变化的比较 宜昌-武汉河段泥沙冲淤量数据来自许炯心[13]Fig18 TemporalvariationinchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangintheupperreachesofChangjiangRiverandthesectionbetweenYichangand W u han i nthemiddlereachesofChangjiangRiver
(3)输入沙量、输出沙量和与流域面平均年降水量之间均存在较明显的正相关关系,而存贮量与降水量不相关,说明河道泥沙存贮对于降水量的变化不敏感。
(4)屏山-宜昌间河道泥沙输移比的时间变化大致可以分为两个阶段,1956～1982年,河道泥沙输移比呈增加趋势,1983～2000年则呈减小趋势。
这种变化可以用河道泥沙存贮的变化来解释。
(5)长江上游屏山-宜昌河段河道泥沙存贮的时间变化与中游宜昌-武汉河段泥沙冲淤量的时间变化相位在一定程度上是相反的,说明上游河道泥沙存贮增多会导致中游河道泥沙存贮减少,上游河道泥沙存贮减少会导致中游河道泥沙存贮增多。
三峡水库的修建使河道泥沙存贮发生了很大的变化。
对于这种变化,在获得足够资料之后将另文讨论。
致谢 感谢匿名审稿专家对文章修改所提出的建设性意见。
参考文献(References)
1 RoviraA,BatallaRJ,SalaM.FluvialsedimentbudgetofaMediterraneanriver:ThelowerTordera(Catalancoastalranges,NESpain).Catena,2005,60
(1):19～42
2 KeselRH,YodisE,McCrawD.AnapproximationofthesedimentbudgetofthelowerMississippiRiverpriortomajorhumanmodification.EarthSurfaceProcessesandLandforms,1992,17:711～722
3 McLeanDG,ChurchM.SedimenttransportalonglowerFraser 576 第
四 纪 研 究 2008年 River.Ⅱ.Estimatesbasedonthelongtermgravelbudget.WaterResourcesResearch,1999,35
(8):2549～25594 冯明汉.长江流域土壤侵蚀研究现状及存在问题.人民长江,2005,36
(2):9～11 FengMingquan.SoilerosionintheupperYangtzeRiverBasin:Researchprogressandproblems.YangtzeRiver,2005,36
(2):9～115 刘 毅,张 平.长江上游流域地表侵蚀与河流泥沙输移.长江科学院院报,1995,12
(1):40～44 LiuYi,ZhangPing.SurfaceerosioninupperYangtzeregionand riversedimenttransport.JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute,1995,12
(1):40～446 钟劭南.长江上游重点水土流失区遥感动态监测及泥沙输移分析.国土资源遥感,2001,
(1):1～
8 ZhongShaonan.AremotesensingandGISbaseddynamicsoil erosionmonitoringsysteminthemajorsoilerosionareasinupper Jialingjiangwatershed.RemoteSensingforLand&Resources,2001,
(1):1～87 杨 泉,何文社.嘉陵江水土保持对三峡工程水沙的影响.兰州交通大学学报(自然科学版),2005,24
(3):37～40 YangQuan,HeWenshe.InfluencetoThreeesReservoirfor implementationsoilandwaterconservationprojectinJialingRiver.JournalofLanzhouJiaotongUniversity(NaturalSciences),2005,24
(3):37～408 潘久根.金沙江流域的河流泥沙输移特性.泥沙研究,1999,
(2):46～49 PanJiugen.CharacteristicsofsedimenttransportationinJinshaRiverBasin.JournalofSedimentResearch,1999,
(2):46～499 刘邵权,陈治谏,陈国阶等.金沙江流域水土流失现状与河道泥沙分析.长江流域资源与环境,1999,8
(4):423～428 LiuShaoquan,ChenZhijian,ChenGuojieetal.SurfaceerosionandfluvialsiltintheJinshaRiverwatershed.ResourcesandEnvironmentintheYangtzaBasin,1999,8
(4):423～42810 张信宝,文安邦.长江上游干流和支流河流泥沙近期变化及其原因.水利学报,2002,
(4):56～59 ZhangXinbao,WenAnbang.VariationsofsedimentinupperstreamofYangtzeRiveranditstributary.ShuiliXuebao,2002,
(4):56～5911 许炯心.长江上中游的水沙变化及其与森林破坏的关系.水利学报,2000,
(1):72～80 XuJiongxin.Runoffandsedimentvariationsintheupperreachesof ChangjiangRiveranditstributariesduetodeforestation.ShuiliXuebao,2000,
(1):72～8012 许炯心.黄河下游洪水的泥沙输移特征.水科学进展,2002,13
(5):562～568 XuJiongxin.StudyonsedimenttransportinthelowerYellowRiverduringfloodperiod.AdvancesinWaterScience,2002,13
(5):562～56813 许炯心.长江宜昌-武汉河段泥沙年冲淤量对水沙变化的响应.地理学报,2005,60
(2):337～348 XuJiongxin.Responseofchannelsedimentbudgettoflowandsedimentinputs:AnexampleoftheYichang2WuhanReach,YangtzeRiver.ActaGeographicaSinica,2005,60
(2):337～34814 WangZhaoyin,LiYitian,HeYiping.SedimentbudgetoftheYangtzeRiver.WaterResourcesResearch,2007,43:1～1415 周 彬,杨达源,韩志勇等.长江三峡河段下切速率研究.第四纪研究,2006,26
(2):406～412 ZhouBin,YangDayuan,HanZhiyongetal.Incisionrateofthe ThreeessectionoftheChangjiangRiver.QuaternarySciences,2006,26
(2):406～41216 任雪梅,杨达源,韩志勇.长江上游水系变迁的河流阶地证据.第四纪研究,2006,26
(2):413～420 RenXuemei,YangDayuan,HanZhiyong.Terraceevidenceofriver systemchangeintheupperreachesofChangjiangRiver.QuaternarySciences,2006,26
(2):413～42017 葛兆帅,刘庆友,胥勤勉等.金沙江下段河槽地貌特征与地貌过程.第四纪研究,2006,26
(3):421～428 GeZhaoshuai,LiuQingyou,XuQinmianetal.Thegeomorphic evolutionandcharacteristicsoftheriverbedinthelowerreachesofJinshajiangRiver.QuaternarySciences,2006,26
(3):421～42818 段光磊,彭严波,肖 华.三峡库尾上游河段河床边界组成.人民长江,2000,31
(9):1～
3 DuanGuanglei,PengPanbo,XiaoHua.Compositionofchannel boundarymaterialoftheYangtzeRiverintheupperreachoftheThreeesReservoir.YangtzeRiver,2000,31
(9):1～319 长江科学院.三峡工程运用初期重庆城区河段及铜锣峡河段整治试验研究.见:国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙课题专家组,中国长江三峡工程开发总公司工程泥沙专家组编.长江三峡工程泥沙问题研究(1996～2000)(第五卷)———三峡工程上游来沙与水库泥沙问题.北京:知识产权出版社,2002.194～198 ScientificResearchInstitutefortheYangtzeRiver.Experimental studyonchanneltrainingoftheChongqingreachoftheYangtze RiverfortheearlystageaftertheclosureofThreeesReservoir. In:ExpertsGrouponSedimentIssuesoftheThreeesProjecteds.AStudyofSedimentIssuesoftheThreeesProject(Vol.5)———SedimentSupplyfromtheDrainageAreaabovetheThree esDamandProblemoftheSedimentationintheReservoir.Beijing:IntellectualPropertyPublishingHouse,20021194～19820 KnightonD.FluvialFormsandProcesses:ANewPerspective.London:Arnold,1996193～9521 彭万兵,刘德春,刘同宦等.重庆市主城区河段冲淤特性分析.泥沙研究,2005,
(6):44～50 PengWanbing,LiuDechun,LiuTonghuanetal.Analyseson erosionanddepositioncharacteristicsoftheriverreachinChongqingCity.JournalofSedimentResearch,2005,
(6):44～5022 《四川森林》编辑委员会编著.四川森林.北京:中国林业出版社,1992.1～1535EditorialCommissionfor“ForestryinSichuanProvince”ed. ForestryinSichuanProvince.Beijing:ChinaForestryPublishingHouse,1992.1～153523 国务院三峡工程建设委员会办公室泥沙课题专家组,中国长江三峡工程开发总公司工程泥沙专家组编.长江三峡工程泥沙问题研究(1996～2000)(第八卷)———长江三峡工程“九五”泥沙研究综合分析.北京:知识产权出版社,2002.5～
8 ExpertsGrouponSedimentIssuesoftheThreeesProject.AStudyofSedimentIssuesoftheThreeesProject(Vol.8)——— ComprehensiveAnalysisofSedimentIssuesoftheThreeesProjectduingthe“Ninth52Year”Plan.Beijing:IntellectualPropertyPublishingHouse,2002.5～
8 4期 许炯心:长江上游屏山至宜昌河道泥沙存贮量的变化及其地貌学意义 577 VARIATIONINCHANNELSEDIMENTSTORAGEINTHESECTIONBETWEENPINGSHANANDYICHANGOFTHEUPPERREACHES OFCHANGJIANGRIVERANDSOMEGEOMORPHICIMPLICATIONS XuJiongxin (InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryforWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101) Abstract Basedondataofsuspendedsedimentloadfromhydrometricstations,astudyhasbeenmadeonchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangoftheupperreachesofChangjiangRiveranditstemporalvariation.Duringtheperiodof1956～2000,thechannelsedimentstoragecanbedividedinto3stages,twoofsedimentstorageandoneofsedimentreleasing.Thestagefrom1956to1968wasthefirststageofsedimentstorage,withthecumulativestoragebeing401126milliont.Inthisstage,thechannelsedimentstorageincreased,inresponsetotheintensifiedsoilerosioninthedrainagebasin.Thestagefrom1969to1983wasaperiodofsedimentreleasing,withthecumulativereleasingbeing265133milliont.Inthisstage,manyreservoirswerebuilt,resultinginareductioninsedimentloadoftheChangjiangRiver.Therefore,sedimentconcentrationdeclined,andthepreviouslystoredsedimentinthechannelwaserodedandreleased.Thestagefrom1984to2000wasthesecondstageofsedimentstorage,withthecumulativestoragebeing407133milliont.Inthisstage,thesedimentyieldedfromthelowerreachesofJinshajiangRiverincreased,andsuppliedmoresedimenttotheChangjiangRiver.TheconstructionofGezhoubaDamandThreeesDamalsoincreasedchannelsedimentstorageintheupperreachesofChangjiangRiver.Ithasbeenfoundoutthat,forthestudiedriversection,closecorrelationexistsbetweenannualsediment2input,sediment2output,andannualprecipitation,butnocorrelationbetweenannualsedimentstorageandannualprecipitationhasbeenfound,indicatingthatchannelsedimentstorageisun2sensitivetoannualprecipitation.Thevariationinchannelsedimentdeliveryratioshowstwostages.From1956～1982,ittendedtoincrease,andafterwards,decrease.Thiscanbeexplainedbythevariationinchannelsedimentstorage.IthasbeenalsofoundoutthatthetemporalvariationinchannelsedimentstorageinthesectionbetweenPingshanandYichangisinversetosomedegreetothatbetweenYichangandWuhaninthemiddlereachesofChangjiangRiver.Thisindicatesthattheincreaseinchannelsedimentstorageintheupstreammayresultinadecreaseinthedownstream. Keywords sedimentstorage,sedimentdelivery,upperreachesofChangjiangRiver
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