近60年来长江中下游悬沙颗粒组成变化分析

近60年来长江中下游悬沙颗粒组成变化分析

1水文泥沙分析近年来，由于人类活动的加剧，长江上游修建了大量的节水电工程，尤其是对三峡关门蓄水的影响。下游实施了大量的海滩恢复、河流处理、污水收集、砂采、深水通道建设等工程，对长江以南的水文和沉积物特征有一定的影响。大量水库的修建拦截了一部分径流,同时,水土保持及水库建成等造成的截沙效应超过水土流失造成的增沙效应,入河口输沙量降低,导致下游径流、泥沙过程发生变化。三峡水库的调度运行,在一定程度上引起了长江中下游径流量及其年内分配发生变化。据资料,2003年三峡工程蓄水以来,60%~70%的上游来沙被拦截在库内,尽管坝下游河床冲刷补偿了一部分泥沙,但入河口输沙量较之前仍下降了约1/3。大通水文站距离长江入海口624km,为长江河口的潮区界,集水面积170.5×104km2,控制流域面积约占长江总流域面积的95%,是长江干流下游泥沙、流量的代表水文站,其水量基本能代表长江河口入海水量。因此,依据实测水文泥沙数据,对大通水文站水沙变化规律进行深入分析有着积极意义和必要性。本文以1986~2012年大通水文站实测水沙资料为基础,重点分析了1998~2012年的水沙特性及其变化趋势,以期为长江口综合整治规划、深水航道工程建设以及长江口水资源利用规划等项目的实施提供参考。2资料来源及分析方法(1)资料选取及研究时段划分。1986~2002年与1950~1985年相比,大通水文站的输沙量减幅达27.2%,三峡大坝关闸蓄水后输沙量明显减小,蓄水后与蓄水前相比减幅为65.4%。1998年长江全流域发生了特大洪水,洪水挟带大量泥沙,对长江中下游河道滩槽变化产生了深远影响,进而影响了水体的泥沙输移特性。因此,本文选用大通水文站1986~2012年逐日流量、逐日含沙量资料,以2003年三峡水库开始蓄水为界,重点分析1998年以来大通水文站水沙特性变化。(2)分析方法。依据实测的逐日流量、逐日含沙量资料,统计出有关特征值,进而从逐月变化、年际变化、汛初流量增大阶段和汛末流量减小阶段变化等方面分析三峡水库蓄水前后大通水文站水沙关系特性、悬沙中值粒径变化、悬沙颗粒组成变化等。3水-沙关系的特点3.1峡水库输沙量和径流对1986~2012年7月三峡水库蓄水前后大通水文站逐月水、沙变化过程及相关关系进行分析,见图1。由图1可看出:1大通水文站月均径流量与输沙量变化过程一致,峰值均集中在汛期,曲线呈“单峰”,两者相关程度非常高。2三峡水库运行对大通水文站的水沙特性产生了明显影响,输沙量的变化比径流量更为显著。三峡水库蓄水前后枯季径流及输沙量基本上无变化,但汛期明显减小。32003~2012年7月与1986~2002年的多年平均月径流量相比较,枯季的1~3月径流量略有增加,4月份则减小了13%,5~6月略有减小,汛期的7~11月减小了11%~18%;2003~2012年7月与1986~2002年的多年平均月输沙量相比,仅2月输沙量增加了6.4%,1、3月略有减小,其他月份的输沙量均出现大幅减小,变化率为-33.4%~-70.69%,汛期7~11月降幅均超过56%,显然这一变化与三峡水库关闸蓄水有很大关系。三峡水库蓄水期,即2003年前后对比,9月份径流量减小11%、输沙量降幅为58%;10月份径流量减小19%,输沙量骤降70%。可见在蓄水期,随着径流量的减小,输沙量降幅更大。3.2水文泥沙特性对大通水文站1986~2012年逐月均流量与输沙率的一致性分析表明,大多数年份月均流量与输沙率的变化趋势一致,枯季、汛初流量增大与汛末流量减小阶段趋势性都非常好,但个别年份存在输沙率峰值超前或滞后于流量峰值的现象。通过对各年月均流量与输沙率变化趋势进行逐一分析可知,各年内两者存在不一致现象,具体表现为:1996、1998、2005、2008、2011年均为输沙峰值“超前”于流量峰值,1991、2002、2004、2006年则是输沙峰值“滞后”于流量峰值。在其他年份,两者均具有良好的一致性。统计表明,1998年以来,泥沙与径流出现“超前或滞后”的频率比1998年以前高很多,表明大通水文站的水文泥沙特性发生了较大的变化。对1950~2012年大通水文站的径流量数据进行频率分析可知,1998年是历史上少有的丰水年,径流量达12445×108m3,而2011年是历史上少有的枯水年,径流量为6666×108m3,仅相当于1998年的1/2;2006年亦为枯水年,径流量为6887×108m3,仅略高于2011年;2002年则为丰水年,径流量为9930×108m3;2004、2008年则为平水年。由此可见,大通水文站输沙率峰值“超前或滞后”于流量峰值与径流的丰平枯无必然关系。依上述分析,三峡水库蓄水前后大通水文站存在的输沙率峰值“超前或滞后”于流量峰值的现象不具有规律性。3.3日输沙量有所降低,但按“波动下行”的趋势外显为掌握近期大通水文站在流量增大和减小阶段相同流量下的输沙量变化情况,分别统计了1998~2012年流量在35000、40000m3/s时的汛初流量增大、汛末流量减小阶段的日均输沙量,见图2。由图2可看出:1大通水文站流量为35000m3/s时,1998~2012年,汛初流量增大、汛末流量减小阶段的日输沙量均处于逐渐减小的趋势,特别是2003年之后,日输沙量减小明显。2006年之前,表现为汛初流量增大阶段的输沙量小于汛末流量减小阶段,2006年之后,则出现相反的规律,即汛初流量增大阶段的输沙量大于汛末流量减小阶段。2大通水文站流量为40000m3/s时,1998~2012年,汛初流量增大、汛末流量减小阶段的日输沙量均处于“波动下行”的状态。2003年之后,汛初流量增大阶段日输沙量明显减小,虽然2007、2010年有所增加,但随后继续减小,到2012年迅速减至44.1×104t,相当于多年平均的58%;2004年之后,汛末流量减小阶段的日输沙量也急剧减小,到2011年减至55.6×104t,相当于多年平均的63%;在2009年之前,基本上保持着汛初流量增大阶段的日输沙量小于汛末流量减小阶段,而2009年之后,则转变为相反的规律。由此可见,近年来,大通水文站在汛初流量增大及汛末流量减小阶段日输沙量在不断减小,而汛末流量减小阶段日输沙量减幅更大,2009年为一个明显的转折点,即由汛初流量增大阶段输沙量小于汛末流量减小阶段转变为相反的变化。4平均值的粒度变化4.1年生时期中值粒径通过实测资料分析,1986~2002年大通水文站多年平均中值粒径为0.009mm,2003~2011年多年平均中值粒径为0.010mm,表明三峡水库蓄水前后,大通水文站多年平均中值粒径基本维持不变。对逐年的年均中值粒径进行分析,发现2003~2006年大通水文站的年均中值粒径呈逐年变细的趋势,2007年以后,处于小幅波动状态,没有趋势性的变化。4.2枯季生长期中值粒径将2003~2012年6月与1998~2002年的数据相比较,2003年前后多年平均中值粒径的逐月变化表现为:12月至次年5月份,中值粒径变小,而6~11月表现为增大,洪季中值粒径大于枯季;三峡水库蓄水期多年平均中值粒径增大。对1998~2002年逐月中值粒径进行分析可知,各年逐月中值粒径无趋势性变化,枯季中值粒径较为稳定,而汛初流量增大阶段的5~6月份波动较大;对2003~2011年逐月中值粒径进行分析可知,各年逐月中值粒径亦波动较大,无具体规律性,特别是2003、2007~2009年4年逐月中值粒径波动十分剧烈,其他年份则在枯季波动较小。4.3不同流量下中值粒径变化的年际变化基于实测资料,统计了汛初流量增大、汛末流量减小阶段流量分别在35000、40000m3/s时对应年份大通水文站的泥沙中值粒径数据见表1。由表1可看出:1在不同流量下,汛初流量增大、汛末流量减小阶段中值粒径波动均较大,均呈现出前一阶段中值粒径大于后一阶段的态势,即汛初流量增大阶段泥沙比汛末流量减小阶段的粗。2从年际变化来看,在流量为35000m3/s时,汛初流量增大阶段和汛末流量减小阶段的中值粒径均无明显的趋势性变化;在流量为40000m3/s时,汛初流量增大阶段中值粒径无明显变化,而汛末流量减小阶段的中值粒径呈现出波动增大的趋势,即汛末流量减少阶段泥沙有变粗的趋势。5单月悬沙的组成和变化5.1流量逐年增加或比枯季更细蓄水前后逐月悬沙颗粒组成见图3。由图3可看出:11998~2002年逐月颗粒组成变化。1~5月小于某粒径沙量百分数逐月下降,表明泥沙在逐月加粗;6~10月小于某粒径沙量百分数逐月上升,表明泥沙在逐月变细;11~12月小于某粒径沙量百分数再次下降,表明泥沙又开始加粗。22003~2012年6月年逐月颗粒组成变化。1~6月小于某粒径泥沙含量百分数逐月下降,表明泥沙在逐月加粗;7~12月小于某粒径沙量百分数逐月上升,表明泥沙在逐月变细。综上所述,汛初流量增大过程中泥沙逐渐变粗,而汛末流量减小过程中泥沙又逐渐变细,同时洪季比枯季的泥沙粗。对比蓄水前后泥沙颗粒粒径可知,2003年之后,大通水文站各月粒径小于0.004mm的颗粒(粘粒)所占沙重百分数有明显下降,粒径介于0.004~0.008mm的颗粒(极细粉砂)所占沙重百分数缓慢增加,表明泥沙有变粗的趋势。5.2泥沙组成分析对1998~2012年各月的颗粒组成进行分析,以掌握近年来各月大通水文站颗粒组成的变化特点,以1月为例进行分析:1998~2012年,粘粒所占沙重百分数在逐年下降,由最高值的68.8%降至30.8%;极细粉砂所占沙重百分数由12.2%增至约22.7%;较粗粉砂(粒径介于0.008~0.062mm)所占沙重百分数由16.1%增至42.6%。因此,1月泥沙在逐渐加粗。通过分析各月逐年的颗粒组成,可得如下结论:11998~2012年,不论枯季还是汛季,大通水文站泥沙中粘粒含量逐年下降的趋势明显,极细粉砂在缓慢增大,较粗粉砂含量增长较快;2大通水文站泥沙的优势粒径逐渐发生变化,由小于0.004mm的粘粒占优,转变为粒径介于0.008~0.062mm的较粗粉砂占优;31998~2012年,大通水文站泥沙变粗的趋势十分明显。5.3颗粒组成的变化基于实测资料,选取流量为40000m3/s时的颗粒组分数据,将2003年前后的汛初流量增大、汛末流量减小阶段的颗粒组成取均值分别加以分析,见图4。由图4可看