长江水利委员会水文局，湖北 武汉

收稿日期：2022年5月1日；录用日期：2022年6月13日；发布日期：2022年6月29日

摘要

乌江作为三峡入库水沙的重要控制站，水库拦沙对其流域输沙的影响，直接关系到三峡入库水沙条件的变化。为了系统掌握乌江流域水库拦沙情况，基于1956年以来流域内水库及实测水沙资料，采用经验公式、典型调查以及输沙平衡原理相结合的方法，对近60年不同阶段乌江流域的水库拦沙情况以及水库建设对乌江流域减沙贡献权重进行了定量研究。结果表明：1956~2015年，乌江流域水库年均拦沙1347万t，大型水库拦沙量占总拦沙量的83%，其中1956~1990、1991~2005、2006~2015年水库拦沙对乌江武隆站的减沙权重分别为14%、45%和72%，可见水库拦沙作用逐步增强；1991~2005年对武隆站减沙造成影响的主要分布在乌江中游的乌江渡和东风水库，2006~2015年则主要分布在乌江中下游干流的构皮滩、思林、沙陀和彭水等水库。

关键词

水沙关系，水库拦沙，减沙权重，乌江

Study on Sediment Retention and Reduction of Reservoirs in Wujiang River Basin

Jing Yuan, Weiwei Chen, Chenggang Yang, Ming Xiong^*

Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan Hubei

Received: May 1^st, 2022; accepted: Jun. 13^th, 2022; published: Jun. 29^th, 2022

ABSTRACT

As an important control station of flow and sediment into the Three Gorges Reservoir (TGR), the influence of reservoir trapping in the Wujiang River has a great influence on the condition of the inflow and sediment of the TGR. To complete understanding of the situation of reservoir trapping in the Wujiang River basin, the reservoir silting situation in the recent 60 years and the contribution weight of reservoir trapping to sediment reduction were studied quantitatively based on the observed flow and sediment data from 1956, and the empirical formulas using typical investigations and the principle of sediment transport balance. The results indicated that the average annual sediment interception capacity of reservoirs was 13.47 million tons from 1956 to 2015, and the sediment interception capacity of large reservoirs accounted for 83% of the total sediment interception capacity. In which the contribution weight of reservoir trapping to the sediment reduction at Wulong station from 1956 to 1990, 1991 to 2005, and 2006 to 2015 was 14%, 45% and 72%, respectively, it is apparent that the effect of reservoir trapping increased gradually. The sediment reduction at Wulong station were mainly affected by the Wujiangdu and Dongfeng reservoirs from 1991 to 2005, and were mainly distributed in Goupitan, Silin, Shatuo and Pengshui reservoirs in the middle and lower reaches of Wujiang River from 2006 to 2015.

Keywords:Flow and Sediment Relationship, Reservoir Trapping, Sediment Reduction Weight, Wujiang River

Copyright © 2022 by author(s) and Wuhan University.

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1. 引言

乌江是长江上游右岸最大的支流，也是我国重要的水电能源基地，乌江流域的大型水电资源开发为贵州、重庆及全国经济建设发挥着重要作用。这些工程在除害兴利、发展生产、改善生态环境等方面发挥了积极作用，但随着水电开发力度的不断加大，大部分泥沙被拦截在水库内，其对流域水沙系统造成的影响日益突出，且对流域输沙的影响远大于其对径流的影响 [1]。多年来，许多专家学者对长江流域的水沙变化及水库拦沙的影响开展了较多的研究工作，取得了十分丰富的研究成果。主要可以归纳为三个方面：

1) 水文泥沙特性及其影响因素分析、人类活动对流域内输沙量变化的影响研究以及水库拦沙及其对流域内的减沙作用研究。其中，在水文泥沙特性分析方面，熊明 [2]、王延贵 [3] 对长江上游水沙变化的影响因素进行了分析，许全喜等 [4] 对长江上游近期水沙变化特点及趋势进行了研究，吴晓玲 [5]、邵骏 [6] 等对乌江流域的水沙变化及成因进行了分析计算。

2) 在针对人类活动对流域内输沙量变化的影响方面，姚文艺 [7]、Yu [8] 等采用实测资料分析了大坝等人类活动对埃布罗河、黄河等流域内水沙输移的影响；杜俊 [9] 等利用双累积曲线和经验统计模型对长江上游主要站点1956~2007年水沙序列进行分期分析，并对各时期人为减沙因素做了定量估算；曹亚丽 [10] 等利用MIKE11模型对乌江干流水电梯级开发对水文情势累积影响进行了分析。

3) 针对长江流域内水库拦沙及减沙作用研究方面，主要有两类研究成果，一是通过典型调查和实测资料整理，估算水库的拦沙量 [11] [12] [13] [14]，如王延贵等 [11] 引入流域水库调控系数、来沙系数和输沙模数等参数，深入研究修建水库对长江干支流水沙变化态势的影响，特别是对干支流输沙量的作用。如冯秀富等 [12] 利用回归分析方法对二滩的拦沙量进行计算，在此基础上对二滩上游梯级电站及金沙江干流梯级电站建成后三峡入库沙量进行了粗估；李海彬等 [14] 分析了长江上游已建水库拦沙对三峡入库沙量的影响，此类研究成果是基于2005年以前的资料开展，然而2005年以后，即2006~2015年乌江流域新建水库的库容是1956~2005年水库总库容的1.6倍，已有研究成果尚不足以反映现状水库的拦沙、减沙效应；另一类研究成果，则主要借助于一维水沙数学模型，采用流域内相关规划资料，对水库拦沙对流域内的输沙影响开展预测计算，如段炎冲 [15] 等对长江上游水库群(含已建、在建、拟建水库)的拦沙效果进行综合分析；李海彬等 [16] 在系统分析三峡上游已建大型水库拦沙作用的基础上，预测了在建及拟建大型水库运行后三峡上游大型水库的拦沙效应。实测资料表明，这类结果的预测略显保守。

综上所述，在长江流域水沙变化特性及影响因素方面，目前基本有一个较为清晰的认识，对流域内输沙量变化的主要影响因素较为明确，然而，至于各影响因素对流域减沙的贡献权重问题，已有研究大多停留在定性分析的基础上，针对水库拦沙作用的定量研究较少，特别是2006年以来，乌江下游梯级水电站陆续建成运用后，对三峡入库的武隆站带来了新的影响，已有研究成果尚不足以反映现状水库的拦沙、减沙效应。

因此，研究乌江流域水库拦沙及其对武隆站的减沙作用，对分析三峡水库来水来沙条件的变化，具有重要意义。本文利用乌江流域主要控制站近60年的水沙实测资料序列，在全面整理流域内水库基本情况的基础上，采用典型调查、由点至面的方法，采用实测资料和经验公式的计算手段，定量分析计算了流域内截至2015年已建1422座水库在不同阶段的淤积率及淤积量，并研究了不同阶段水库拦沙对武隆站输沙量减小的贡献权重。

2. 乌江流域水库建设

乌江是长江右岸最大的支流，集中落差2143 m，水能资源开发条件十分优越，是国家规划的12个水电基地之一。1956~2015年乌江流域已建大、中、小型水库1422座，总库容275.31亿m³ (见图1和表1)。其中：大型水库21座，库容239.33亿m³，占总库容的87%；中型水库77座，库容24.32亿m³，占总库容的9%；小型水库1324座，库容11.66亿m³，占总库容的4%，可见各个阶段的水库建设均以大型水库为主，各大型水库所在位置及基本情况见图2和表2所示。

图1. 1956年以来乌江流域水库库容变化累计图

图2. 乌江流域典型拦沙水库分布示意图

表1. 乌江流域已建水库统计(1956~2015)

表2. 乌江流域大型水电站建设情况

3. 乌江流域水沙变化特性

3.1. 乌江水沙变化特性

乌江渡水电站是乌江干流上第一座大型水电站，其中一号、二号机组已分别于1979年、1981年发电，于1982年12月4日全部建成，该电站蓄水对乌江下游水沙特性影响较大。2006年以来，乌江下游梯级水电站陆续建成运用，进一步影响了乌江下游的水沙特性变化。分析表明：1956~1979、1980~2005、2006~2016年乌江干流主要控制站的径流有所减小，但减幅不大，每个时间段减小幅度基本在10%以内，然而，水电工程的建设对河段内的输沙量产生了较为显著的影响，2006~2016年鸭池河、乌江渡、思南和乌江站的输沙量仅分别为0.35、0.37、118、357万t，较1956~1979年输沙量的减幅均达到90%以上，较1980~2005年平均输沙量的减幅也达到70%以上，见图3所示。

图3. 乌江干流主要控制站水沙变化

3.2. 水沙地区组成及其变化

根据乌江流域各站多年水沙资料统计分析，乌江渡以上地区、乌江渡–思南区间和下游地区来水量分别占武隆站的30%、26%和44%；沙量则主要来自乌江渡以上地区和下游地区，其输沙量分别占武隆站的30%和54%，乌江渡–思南区间来沙量较小，仅占16%。随着流域内水电工程的大力建设，特别是乌江渡电站于1980年正式蓄水，导致水沙地区分布发生明显变化，主要表现为：乌江渡以上地区输沙量所占比例大幅度减小，由48%减小至2%；乌江渡–思南区间输沙量变化不大，下游地区输沙量虽没有发生明显的变化，但由于武隆站同期输沙量大幅减小，其占武隆站输沙量的比例由37%增大至78%，见图4。

图4. 乌江流域来水来沙组成变化

3.3. 水沙关系变化

为研究乌江流域水沙关系的变化情况，点绘乌江干流主要控制站乌江渡、思南和武隆站的径流量、输沙量的水沙相关关系(见图5，图6)。从图中可以看出：思南和武隆站近期水沙关系均发生了明显变化，同径流量条件下沙量减小明显。具体表现为：

1) 乌江渡和思南站均受乌江渡电站拦沙作用影响，1980年后年径流量没有发生明显的变化，但输沙量减小明显，1981~2016年乌江渡和思南站的径流量较1956~1980均值均偏小7%，输沙量则分别减小98%和84%，特别是近10余年来，乌江渡站的输沙量不足0.5万t/年，由于河床的冲刷补给作用，位于乌江渡下游的思南站近10年的输沙量为120万t，减幅稍小于位于其上游的乌江渡站。

2) 受1990年后上游来沙大幅减小的影响，武隆站同径流量条件下输沙量减小也较为明显，相应年径流量–输沙量关系发生了显著变化，同径流量下输沙量大幅度减小，特别是2007年乌江下游思林、彭水等水电站建成后，水沙关系进一步变化，主要表现为径流量变化不大，年均输沙量进一步减小至280万t。

图5. (a) 乌江渡站年径流量、输沙量变化图；(b) 思南站年径流量、输沙量关系图

图6. (a) 武隆站年径流量与输沙量变化图；(b) 武隆站年径流量与输沙量关系图

4. 水库拦沙调查

1) 普定电站

普定水电站于1994年蓄水，1995年第一台机组发电。工程建成后，该电站基本拦截了三岔河中上游的全部来沙量。根据其上游阳长水文站资料统计分析(见图7(a))，其年均拦沙量在250万t左右。

图7. (a) 阳长水文站水沙变化；(b) 洪家渡水文站水沙变化

2) 洪家渡电站

洪家渡水电站于2004年4月蓄水。工程建成后，其基本拦截了六冲河的全部来沙量。蓄水前，洪家渡水文站1959~2003年多年平均输沙量为611万t，蓄水后其下泄沙量大幅度减小，其下游洪家渡水文站2004年实测输沙量仅为11万t (见图7(b))，说明其2004~2005年年均拦沙量在600万t左右。

3) 东风电站

东风电站于1994年4月蓄水，其下游约5 km处有鸭池河水文站。根据该水文站实测资料分析，电站蓄水拦沙前，1957~1993年年均径流量和输沙量分别为104亿m³和1350万t，蓄水后1994~2016年则分别为99亿m³和14万t，水量变化不大，但沙量减幅达到99% (图8)。由此可以说明，东风电站建成后，其年均拦沙量为1336万t左右。

4) 乌江渡电站

乌江渡水电站是乌江干流上第一座大型水电站，于1982年12月4日全部建成。根据库区1973年、1974年以及1983年、1984年和1985年实测断面和地形资料分析统计，1980~1985年水库库区淤积泥沙约1.2亿m³，占总库容的5.7%。同时根据实测资料统计，1972~1988年，水库总淤积量为1.79亿m³ (合2.06亿t)，这主要是由于1972~1979年电站围堰挡水期间，库区泥沙存在一定淤积，其淤积量为680万m³ [17]。因此1986~1988年总拦沙量为0.522亿m³，年均拦沙量为1740万m³。

乌江渡电站建成后，其拦沙作用显著，如1956~1979年乌江渡水文站年均输沙量为1566万t，乌江渡电站建成后，1980~1994年平均输沙量减小为97万t，其减幅达94% (见图9)，可见乌江渡电站拦沙约为1500万t。东风电站1993年开始蓄水后，乌江渡入库沙量大幅减少，其上游鸭池河水文站1994~2015年年均输沙量仅为16.6万t，其拦沙量也相应减少，乌江渡水文站1995~2016年年均输沙量仅为6.5万t左右，年均拦沙量不足10万t。

5) 构皮滩、思林、沙沱、彭水梯级电站

2006年以来，乌江下游梯级水电站陆续建成运用，如构皮滩水库于2009年首台机组发电，2011年完建，库容64.54亿m³；思林水库于2009年全部机组发电，库容15.9亿m³；沙沱水库于2013年4月份下闸蓄水，5月份第一台机组投产，库容9.1亿m³；彭水水库于2009年电站全部建成投产，总库容14.65亿m³。

这一系列水库的建成运行，对流域内的水沙输移产生了较大的影响。通过采用乌江渡站、思南站、沙沱站、龚滩站泥沙资料，推得乌江渡–思林、思林–沙沱，沙沱–彭水的区间来沙量分别为300万t、370万t和600万t，再根据已有拦沙率计算结果 [14]，得到构皮滩、思林、沙沱、彭水水库等四座水库的年均拦沙量分别为273万t、97.5万t、97.3万t和460万t。

图8. 1956~2016年鸭池河站水沙变化过程

图9. 1956~2016年乌江渡站水沙变化过程

5. 水库减沙作用研究

5.1. 水库拦沙计算

依据文献 [18] 对水库拦沙的计算方法，对1956年以来乌江流域不同类型的水库淤积及其拦沙作用进行了计算。结果表明：

1) 1990年以前，乌江干流水库多年平均拦沙量为0.092亿t，以大型水库为主，占总拦沙量的77%，中、小型水库拦沙量则占23%，主要是乌江渡电站拦沙所致。

2) 1991~2005年，水库多年平均拦沙量为0.16亿t。与1956~1990年相比增加0.068亿t，主要是大型水库拦沙比例增加至89%，主要是洪家渡、东风、普定等电站拦沙所致。

3) 2006年以来，流域新建水库123座，总库容140.74亿m³，多年平均拦沙量为2315万t。其中：大型水库10座，库容128亿m³，其年均拦沙量为2003万t；中型水库31座，库容11亿m³，其年均拦沙量为272万t；小型水库82座，库容2亿m³，其年均拦沙量为40万t，见图10所示。可见，大型水库的拦沙比例高达86%，以构皮滩、思林、沙陀和彭水水库的拦沙为主。此外，位于其上游的洪家渡、东风、乌江渡水电站建成时间分别为2001年1995和1983年，仍然有拦沙作用，其年均拦沙量约为1350万t。

图10. 1956~2015年乌江流域水库拦沙量

5.2. 水库减沙贡献研究

水库拦沙后，不仅改变了流域输沙条件，大大减小流域输沙量，而且由于水库下泄清水，引起坝下游河床沿程出现不同程度的冲刷和自动调整，在一定程度上增大了流域出口的输沙量。已有研究成果表明，水库拦沙对流域出口的减沙作用系数可以表达为：

$J=\frac{C_t-C_a}{C_t}$ (1)

式中：C_t表示水库拦沙量，C_a表示区间河床冲刷调整量，水库减沙作用系数与其距河口距离的大小成负指数关系递减。

1) 1990年以前

1956~1990年除乌江渡电站位于乌江上游干流外，其他中小型水库大多位于支流上，拦沙量较小，根据“七五”攻关期间石国钰等人(1991) [19] 通过采用多维动态灰色系统理论的方法，建立了乌江流域(武隆站)产输沙方程，得到流域水库群拦沙作用系数为0.034。乌江渡电站修建后，坝下游河床冲刷调整作用较大，在蓄水后的4年内坝下游河道冲刷调整较为剧烈，电站拦沙对武隆站输沙量影响不大，1984年后，其拦沙作用得以体现，根据已有研究成果 [18]：乌江渡电站拦沙作用对武隆站输沙量的作用系数为0.59。因此，本文考虑中小型水库拦沙作用系数为0.034，大型水库为0.59作为一种近似估算，1956~1990年乌江渡电站等水库群拦沙可减小武隆站输沙量为424万t，仅占武隆站同期年均输沙量的14%，说明这时期水库群拦沙对武隆站输沙量影响不大。

2) 1991~2005年

1991~2005年流域水库拦沙主要以乌江干流上修建的大型电站为主，中小型水库由于大多位于支流或水系末端，距离武隆站较远，其拦沙对武隆站输沙量影响可忽略不计。已有研究表明，乌江上中游大型水电站拦沙对武隆站的作用系数应在0.66左右 [20]。计算得到1991~2005年乌江流域水库(主要是乌江渡电站、东风电站等大型水库)拦沙引起武隆站减沙量为941万t，与1990年前424万t相比，新增减沙量为517万t，而武隆站1991~2005年较1956~1990年平均减沙量为1150万t，占武隆站同期年均输沙减少量的45%。

3) 2006年以来

2006年以来，乌江流域内新建大型水库大多位于乌江下游，对武隆站的减沙作用较为显著，综合考虑其减沙作用系数为0.90，通过2006年以来各大型水库的拦沙量，考虑其建成年份，统一加权平均至2006~2015年，得到2006年以后新建大型水库的年均拦沙量为1803万t，中小型水库由于大多位于支流或水系末端，距离武隆站较远，其拦沙作用系数取为0.034，则其对武隆站输沙量的减沙量为10万t，可见大、中、小型水库引起武隆站的减沙量为1813万t。与1991~2005年相比，水库新增减沙量约占武隆站2005年后总减沙量1470万t的72%。

6. 结论

1) 大型水库对流域内的减沙起着十分重要的作用。1956年以来，乌江流域已建水库1422座，总库容275.31亿m³，不同阶段水库的建设均以大型水库为主，其中：大型水库21座，库容239.33亿m³，占总库容的87%；中型水库77座，库容24.32亿m³，占总库容的9%；小型水库1324座，库容11.66亿m³，占总库容的4%。

2) 1956年以来，乌江流域水库多年平均拦沙量为1347万t，其中大型水库拦沙占总拦沙量的83%。从不同阶段的拦沙变化来看，1990年以前、1991~2005和2006以来水库年均拦沙量分别为922万t、1601万t和2315万t。

3) 从水库拦沙作用的年际变化来看，1990年以前、1991~2005、2006年以来年水库拦沙对武隆站的减沙权重分别为14%、45%和72%，水库拦沙作用逐步增强；从水库减沙较为明显的典型水库来看，1991~2005年，对武隆站减沙造成影响的水库主要是乌江渡电站、东风电站，2006年以来，对武隆站减沙造成影响的水库则主要分布在乌江中下游干流的构皮滩、思林、沙陀和彭水等水库。

基金项目

国家自然科学基金联合基金项目(U2040218)。

文章引用

袁 晶,陈薇薇,杨成刚,熊 明,陈薇薇,牟 芸,柯 航,张 亭. 2020年长江上游大洪水寸滩站水文监测分析
Hydrological Measurement Analysis of 2020 Flood at Cuntan Station in the Upper Yangtze River[J]. 水资源研究, 2022, 11(03): 294-301. https://doi.org/10.12677/JWRR.2022.113032

参考文献