长江水利委员会水文局，湖北 武汉

收稿日期：2022年10月7日；录用日期：2023年1月2日；发布日期：2023年2月24日

摘要

金沙江下游是长江流域的重点产沙区，自2012年开始，下游的乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝四个梯级水库陆续蓄水运行，截断了金沙江下游的泥沙，水库群下游向家坝坝址至江津河段发生冲刷，河床下切导致同流量中低水位下降，可能对下游河道的水生态环境及通航造成影响。基于金沙江下游的水沙和河道地形、断面等观测资料，围绕金沙江下游梯级水库蓄水对水沙条件的影响和向家坝下游河道河床冲刷两个主要内容进行分析，结果表明，自2012年向家坝水库开始蓄水，金沙江下游出口沙量骤减幅度超过90%，向家坝坝下游至江津河段河床发生冲刷，累计冲刷量为1.516亿m³，河床冲刷导致枯水位下降0.41 m。

关键词

金沙江下游，梯级水库群，河道冲刷，枯水位

Analysis of River Bed Scour Downstream from Dams of Cascade Reservoirs in the Lower Jinsha River

Lingling Zhu, Ming Xiong

Bureau of Hydrology, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan Hubei

Received: Oct. 7^th, 2022; accepted: Jan. 2^nd, 2023; published: Feb. 24^th, 2023

ABSTRACT

The lower Jinsha River is a key sediment producing area in the Yangtze River basin. Four cascade reservoirs at the lower reaches, Wudongde, Baihetan, Xiluodu, and Xiangjiaba, have been successively impounded and operated since 2012, thus cut off the sediment at the lower Jinsha River. The reach from the reservoir group downstream Xiangjiaba damsite to the Jiangjin River has been scoured, and the cutting down of the riverbed has led to the lowering of the middle and low water levels at the same flow, which may have an impact on the aquatic ecological environment and navigation of the downstream river channels. Based on the observation data of water and sediment, river channel topography and cross section in the lower Jinsha River, the impact of water storage in cascade reservoirs in the lower Jinsha River on water and sediment conditions and river bed scouring downstream from the Xiangjiaba Dam to Jiangjin are analyzed. The results show that since Xiangjiaba Reservoir began to store water in 2012, the sediment amount at the outlet of the lower Jinsha River has decreased by more than 90%, and the river bed in the lower reaches of Xiangjiaba River to Jiangjin River has been scoured, with a total scouring amount of 151.6 million m³, the low water level drops by 0.41 m due to river bed scouring at Xiangjiaba hydrometric station.

Keywords:The Lower Jinsha River, Cascade Reservoirs, River Channel Scouring, Low Water Level

Copyright © 2023 by author(s) and Wuhan University.

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1. 引言

上世纪90年代开始，金沙江下游先后经历了二滩、中游梯级电站等重大水利工程和流域重点区域水土保持工程的影响，水沙条件持续变化 [1] [2] [3] 。尤其是2012年起，金沙江下游的乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座梯级水电站陆续建成运行，4个梯级均为高坝深库，排沙比较小 [4] ，拦沙是电站建设的主要任务之一 [5] ，水库群蓄水后基本截断了金沙江流域的泥沙，水库群下游向家坝水文站的年输沙量一度下降至不足百万吨，相较于设计阶段的2.5亿吨，现阶段金沙江下游出口的泥沙减幅超过90%。向家坝下游的河道也与三峡水库坝下游一样，经历了高强度的河床冲刷过程。所不同的是，一方面向家坝下游为山区河流，河床可冲刷的沙质覆盖层极薄；另一方面向家坝至江津河段区间还有多条含沙量偏大的支流入汇，给干流河道提供了一定的泥沙补充 [6] 。因而，向家坝下游河道的河床冲刷发展过程也有一定的特点，以往详细的阐述相对较少。同时，河床冲刷下切必然会带来枯水位的下降，向家坝下游自宜宾以下的江段均有通航 [7] ，枯水位下降对于通航水深是否会造成影响，以及枯水位是否会持续下降等都值得深入探讨。除此之外，向家坝下游依次分布有长江上游珍稀、特有鱼类国家级自然保护区试验区、缓冲区和核心区，向家坝的不同出库流量以及河床冲刷带来的床面组成变化都会对鱼类繁殖等造成一定影响 [8] 。文章以金沙江下游水文观测站和河床断面观测资料为主，针对向家坝坝址至三峡水库变动回水区末端的江津段为对象，开展水沙条件变化分析和河床冲淤计算以及枯水位下降幅度研究，基本明确了向家坝下游枯水位下降趋势。

2. 研究区域及数据源

分析以金沙江下游向家坝坝址至江津为主要对象，河道总长约325.8 km，冲淤量的统计分为近坝的向家坝坝址至宜宾、宜宾至朱沱和朱沱至江津三段，长度分别为29.8 km、233 km和63 km。以位于向家坝坝址下游约2 km的向家坝水文站作为水沙变化的分析对象。自2006年金沙江下游梯级水电站开工建设以来，研究河段内存在大量护堤护岸等工程施工及河道采砂活动，这些人类活动对河道冲淤计算成果均有较大影响，采用断面法对向家坝坝址至江津河段进行冲淤计算时，对护坡及施工影响明显的断面进行了还原处理。水文、泥沙及河道断面观测资料均来源于长江水利委员会水文局。

3. 梯级水库对水沙的影响

3.1. 金沙江下游梯级水库运行情况

2002年国家授权长江三峡集团有限公司开发建设金沙江下游乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝4座巨型水电站，总装机容量相当于2座三峡电站，4座电站首尾相连。其中：

乌东德工程为金沙江下游干流首级枢纽，位于四川省会东县和云南省禄劝县交界处的金沙江峡谷内，坝址下至宜宾河道长562 km，距白鹤滩大坝180 km。电站2015年4月实现大江截流，2015年12月正式开工建设，2017年3月大坝开始浇筑，2020年6月大坝全线到顶，2020年5月初期蓄水，2020年6月首台机组投产发电，2021年6月全部机组投产发电。

白鹤滩工程为金沙江下游干流第2级枢纽，位于四川省宁南县和云南省巧家县交界处的金沙江峡谷内，坝址下至宜宾河道长382 km，至溪洛渡大坝199 km。电站于2014年11月导流洞过流，2015年11月实现大江截流，2016年6月围堰投入运行，2017年3月大坝主体混凝土浇筑，2021年5月初期蓄水，2021年6月首台机组投产发电，2022年6月全部机组投产发电。

溪洛渡工程为金沙江下游干流第3级枢纽，坝址位于四川省雷波县和云南省永善县交界的金沙江峡谷内，下至宜宾河道长190 km，至向家坝坝址157 km。电站于2005年底正式开工，2007年11月实现大江截流，2013年5月初期蓄水完成，2013年7月首批机组发电，2014年6月底18台机组全面投产发电。

向家坝工程为金沙江下游干流第4级枢纽，库区回水长度约157 km，位于四川省屏山县和云南省水富县交界的金沙江峡谷内。水电站于2006年11月开工建设，2008年12月实现大江截流，2012年10月初期蓄水完成，2012年11月首台机组投产发电，2014年7月7日8台机组全面投产发电；2018年5月升船机正式试通航。

3.2. 梯级水库对下游水沙的影响

2012年之前，金沙江下游出口的水沙均由向家坝坝址上游约28 km的屏山水文站控制，2012年向家坝水电

图1. 金沙江下游向家坝站(屏山站)年径流量和年输沙量变化过程

站蓄水运行后，屏山站改为水位站，在向家坝坝址下游约2 km处设立了向家坝水文站，控制金沙江下游出口的径流和泥沙输移量。金沙江下游径流整体上变化较小，其输沙过程先后受到最大的支流雅砻江二滩电站建成、金沙江中游梯级水库建成、重点区域水土保持工程和2012年以来的乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝水电站群蓄水等综合影响，年输沙量持续减少，依据这些控制性工程建设和运行时间，将向家坝站径流输沙统计时段划分为1956~1997年、1998~2010年和2011~2021年，统计分析发现，这三个时期向家坝站多年平均年径流量分别为1400亿m³、1550亿m³和1350亿m³，以周期性波动变化为主；多年平均年输沙量为2.49亿t、2.07亿t和1980万t，2011年金沙江中游、下游梯级陆续运用后，2011~2021年年输沙量均值分别相较于1956~1997年和1998~2010年均值偏小92%和90.4%，尤其是乌东德、白鹤滩蓄水后，2020年、2021年向家坝站年输沙量均不足130万t，梯级水库群基本上截断了金沙江流域的泥沙(如图1)。梯级水库群“清水”下泄，是造成向家坝下游河道河床冲刷的直接原因。

4. 向家坝下游河道河床冲刷及影响分析

4.1. 河床冲刷分析

向家坝水库蓄水后2012年10月至2021年11月，坝址至三峡水库回水末端江津共计325.8 km的河道累计冲刷泥沙约1.516亿m³ (如表1)。其中，从沿时变化来看，冲刷主要发生在2016年以前，2012年10月至2016年11月，河道累计冲刷1.5635亿m³，2016年11月至2021年11月河床累积呈小幅度淤积的状态，淤积量为475万m³。其主要原因在于，一方面该段河道曾经采砂活动频繁，采砂量较大，2016年开始河道全面禁止采砂；另一方面，向家坝至朱沱江段水系较为发育，分别有横江、岷江和沱江等支流入汇，其中岷江和沱江于宜宾至朱沱江段入汇，2020年岷、沱江流域强降雨带来的强输沙造成宜宾至朱沱段泥沙大幅度淤积。2020年6~8月(主汛期)，岷、沱江上中游附近降雨超过800 mm，尤其是8月，嘉陵江、岷江、沱江等流域均遭遇明显暴雨过程 [9] ，强降雨带来了强输沙，岷江高场站和沱江富顺站观测到入汇长江干流的年输沙量分别高达6630万t和2100万t，分别相较于多年平均值偏大55.5%和145%。同时干支流洪水过程反复遭遇、相互顶托，向家坝坝址至江津段水动力条件较弱。冲淤计算结果显示，2019年10月至2020年11月间，向家坝坝址至江津河段累计淤积1881万m³，其中宜宾至朱沱江段淤积1594万m³。

从沿程变化来看，向家坝坝址至宜宾、宜宾至朱沱和朱沱至江津河段分别累计冲刷1243万m³、7929万m³和5988万m³，分别占总冲刷量的8.2%、52.3%和39.5%，单位河长的冲刷量以朱沱至江津段最大，宜宾至朱沱段最小，其最主要的原因是岷江和沱江仍然是长江上游重要的泥沙来源，遭遇强降雨过程，仍然会为宜宾至朱沱江段提供一定的泥沙来源，从而缓解该段河床冲刷。

表1. 2012~2021年向家坝坝址至江津河段河床冲淤量

注：冲刷量的单位为“万m³”，正值表示淤积，“-”表示冲刷。

4.2. 冲刷对枯水位的影响分析

河床是枯水位的下边界，河床冲刷下切后，一般都会造成枯水位的下降。2012~2021年间，基于实测流量和水位资料，建立向家坝站水位流量关系如图2，2000 m³/s下，向家坝站枯水位累计下降约0.41 m，且2015年前相对稳定，2015年之后枯水位开始下降，与河床冲刷发展的过程基本一致。随着流量的增大，水位降幅也有所增加，3000 m³/s下，向家坝站枯水位累计下降约0.72 m，4000 m³/s下，枯水位累计下降约1.17 m。枯水位降幅随着流量增大而增加的原因在于，枯水位主要受深槽形态的影响，向家坝下游深泓纵剖面存在高凸的节点，且年际间基本稳定，对枯水位下降幅度有一定的控制作用，相反地，下游河道砂石料开采主要发生在中低滩段，是以中水的水位下降幅度大于低水，这与三峡水库下游近坝砂卵石河段水位下降规律基本一致 [10] 。

长江干流航道上起宜宾，河床冲刷和电站日调节都可能对通航造成一定影响，一方面河床冲刷可能导致水位下降，造成部分浅滩段水深不满足；另一方面，《向家坝水电站水库运行与电站运行调度规程(试行)》规定，为保障枯水期通航，向家坝最小下泄流量不小于1200 m³/s，最大日水位变幅不超过4.5 m/d，最大小时水位变幅不超过1.0 m/h [7] 。为缓解枯水位下降对坝下游宜宾以下江段通航的不利影响，向家坝电站自2012年起不断加大最小下泄流量，自2017年，各年最小下泄流量均在1500 m³/s以上，基本满足相关通航保障的论证要求。至2021年，向家坝最小下泄流量增加729 m³/s，与之相关的年最低水位也有所抬升，累计增幅约0.72 m；年内仅较短时间内不满足最大小时水位变幅的要求。伴随向家坝下游河床冲刷强度逐渐减弱，加之电站对枯水期小流量的调控作用，向家坝下游枯水位继续大幅下降的可能性较小，基本不会对宜宾以下通航水深造成不利影响。

图2. 2012~2021年金沙江下游向家坝站实测水位流量关系

5. 主要认识

1) 伴随金沙江中游、下游梯级水库群陆续建成运行，2011~2021年金沙江出口控制站年输沙量锐减幅度超过90%，水库群基本截断了金沙江流域的来沙。

2) 向家坝水库蓄水后，坝址至三峡水库回水末端江津段河床累计冲刷泥沙约1.516亿m³，冲刷主要发生在2016年以前，2016年后河床累积呈小幅淤积的状态。采砂活动、区间支流来沙对河床冲刷发展过程及沿程分布有一定影响。

3) 2012~2021年，2000 m³/s枯水流量下，向家坝站水位累计下降约0.41 m，随着流量的增大，水位降幅增加。河床纵剖面高凸部分稳定和电站不断增大最小下泄流量双重影响下，向家坝下游枯水位继续大幅下降的可能性较小，基本不会对宜宾以下通航水深造成不利影响。

基金项目

本文由长江水科学联合基金项目(编号：U2040218)资助。

文章引用

朱玲玲,熊 明. 金沙江梯级水库群下游河道河床冲刷分析
Analysis of River Bed Scour Downstream from Dams of Cascade Reservoirs in the Lower Jinsha River[J]. 水资源研究, 2023, 12(01): 10-15. https://doi.org/10.12677/JWRR.2023.121002

参考文献