劉尚武，張 鵬，苗 蔚，王治力，李丹勛

(1. 清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室，北京 100084；2. 重慶交通大學國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074；3. 華北電力大學水利與水電工程學院，北京 102206)

河流輸沙量是水土流失治理、河道整治和水庫泥沙研究等的重要基礎(chǔ)。受全球大尺度氣候變化和區(qū)域人類活動的影響，近年來全球多數(shù)河流的輸沙量呈減少趨勢，導(dǎo)致全球河流泥沙時空分布與產(chǎn)輸過程發(fā)生了重大變化[1]。這些變化在不同時期、不同區(qū)域的影響程度和作用形式有所不同[2]，揭示流域不同尺度的水沙變化對自然條件和人類活動的響應(yīng)機理，對認識流域水沙變化特性、提升流域產(chǎn)輸沙的預(yù)測能力具有重要意義。

水沙關(guān)系變化是流域自然條件和人類活動影響的綜合反映。河流輸沙量的減少必然導(dǎo)致河流水沙關(guān)系在不同時間尺度內(nèi)(年尺度至洪水場次尺度)發(fā)生顯著變化。對于雨洪河流，由于河流輸沙量主要來源于1場或幾場高強度暴雨洪水過程，因此除年、月尺度外，場次洪水尺度的水沙變化規(guī)律也引起了相關(guān)學者的廣泛關(guān)注。Bussi等[2]分析了英國泰晤士河1974年以來場次洪水的水沙關(guān)系，認為該河流的年輸沙量主要來源于年內(nèi)第1場洪水，相同洪量條件下的次洪輸沙量是其他場次洪水的1.5～2.0倍，且近年來場次洪水的輸沙量呈減少趨勢；胡春宏等[3]認為隨著黃土高原下墊面土壤侵蝕環(huán)境大幅改善，2000年以后黃河中游水沙關(guān)系發(fā)生明顯變化，次洪輸沙量平均減少50%～85%。

嘉陵江是長江上游的重點產(chǎn)沙區(qū)和三峽入庫泥沙的主要來源區(qū)之一，是典型的雨洪河流。20世紀60年代后，由于人類活動的不斷增強，長江各主要支流輸沙量發(fā)生了明顯變化[4]，進入21世紀后，嘉陵江流域輸沙量呈現(xiàn)出明顯減小趨勢。Ding和Kateb[5]通過對嘉陵江流域近50 a來的年徑流量和年輸沙量變化分析，發(fā)現(xiàn)年徑流量系列無趨勢變化，而輸沙量呈顯著減少趨勢；許炯心和孫季[6]將北碚站的水沙系列劃分為基準期(1956—1982年)和措施期(1983—2000年)，通過建立流域產(chǎn)沙量與年降水的關(guān)系，分析了人類活動和降水變化對嘉陵江流域侵蝕產(chǎn)沙的影響；許全喜等[7]認為降雨量減少、水庫攔沙、水土保持工程等是造成嘉陵江北碚站輸沙量明顯減少的主要因素，并量化了各因素的貢獻率。上述研究主要關(guān)注的是嘉陵江控制站(北碚站)年尺度的輸沙量變化，由于嘉陵江年輸沙量主要來源于汛期1場或幾場高強度的洪水，如涪江小河壩站2018年7月9日至15日輸沙量為3 820萬t，占該站年輸沙量的73.9%，占該年三峽入庫總沙量的26.7%,不同量級的場次洪水輸沙特性到底如何變化，目前鮮見相關(guān)研究成果。此外，由于嘉陵江流域面積較大，地域廣闊，地形地質(zhì)條件和氣候變化差異較大，如干流上游為黃土覆蓋區(qū)，涪江位于龍門山斷裂帶附近，加之人類活動影響程度不一，北碚站的水沙變化不足以全面反映嘉陵江流域不同區(qū)域水沙變化特點。近年來，三峽入庫水沙出現(xiàn)了新的變化，嘉陵江取代金沙江成為三峽水庫泥沙主要來源區(qū)，特別是支流涪江次洪輸沙量以及占三峽入庫沙量的百分比出現(xiàn)了明顯增大現(xiàn)象，亟需分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

本文根據(jù)嘉陵江流域的小河壩站、羅渡溪站、武勝站、北碚站逐日水沙數(shù)據(jù)，在計算各站歷年場次洪量及輸沙量的基礎(chǔ)上，結(jié)合徑流侵蝕功率理論和M-K分析等方法，分析嘉陵江流域不同時期、不同區(qū)域場次洪水的輸沙特點，探討近期涪江輸沙量偏大的原因及其對三峽水庫的影響。

1 研究區(qū)域

嘉陵江發(fā)源于陜西秦嶺南麓，流經(jīng)陜西、甘肅、四川、重慶4省市，分為東西兩源，東源出自陜西省鳳縣以北的秦嶺鎮(zhèn)，向南流經(jīng)徽縣至略陽的兩河口，與源自甘肅省禮縣的兩漢水相匯，過陽平關(guān)進入四川省境內(nèi)，南流至四川省廣元市昭化鎮(zhèn)與上游最大支流白龍江相匯，流經(jīng)閬中附近有東河匯入，至南部又有西河匯入，再經(jīng)南充、武勝，至渠河嘴與渠江匯合，在重慶合川區(qū)與涪江相匯，構(gòu)成巨大的扇型水系，繼續(xù)向東南流經(jīng)北碚抵重慶朝天門匯入長江(圖1)。

圖1 嘉陵江流域水系及水文站分布示意Fig.1 Sketch of tributaries and hydrological stations in the Jialingjiang River basin

嘉陵江流域面積約15.6萬km2，干流全長1 120 km，平均比降2.05‰，是長江水系中流域面積最大的一條支流。流域內(nèi)渠江流域面積4.05萬km2，河長720 km，平均比降約1.95‰；涪江流域面積3.64萬km2，河長670 km，平均比降約4.19‰。嘉陵江流域地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，橫跨三大構(gòu)造單元，土壤組成除西漢水上游分布有2 350 km2的黃土區(qū)外，其他均為紫色土和土石山區(qū)。嘉陵江流域是長江各大支流中水土流失比較嚴重的地區(qū)，全流域水土流失面積達8.28萬km2，占流域總面積的近52.0%，年均侵蝕模數(shù)平均4 419 t/km2，年均土壤侵蝕量3.66億t，是長江上游重點產(chǎn)沙區(qū)域之一。截至2015年，嘉陵江流域已修建水庫5 140座，總庫容236.24億m3，其中大型、中型、小型水庫庫容占比分別為72%、18%和10%[8]。

2 資料來源及研究方法

2.1 資料來源

將嘉陵江流域分為3個子區(qū)域，分別為嘉陵江干流區(qū)域、涪江區(qū)域和渠江區(qū)域。嘉陵江干流區(qū)域以武勝站作為控制水文站，控制流域面積為79 714 km2，采用1955—2020年逐日水沙資料；涪江區(qū)域以小河壩站作為控制水文站，控制流域面積為28 901 km2，采用1951—2020年逐日水沙資料；渠江區(qū)域以羅渡溪站作為控制水文站，控制流域面積為38 064 km2，采用1957—2020年逐日水沙資料；北碚站是嘉陵江出口控制水文站，控制流域面積156 142 km2，采用1955—2020年逐日水沙資料。水文站點分布見圖1。

各水文站資料均來自于長江水利委員會水文局，其中，武勝站和北碚站各66 a資料，羅渡溪站64 a資料，小河壩站70 a資料，資料序列較長，既包含了1981年、2018年、2020年等大水大沙年，也涵蓋了2008年、2012年等小水小沙年，具有較好的代表性。

2.2 次洪輸沙量與洪量計算方法

對各站每年的場次洪水進行挑選，使資料有較好的代表性。挑選時，首先點繪各站歷年的汛期逐日流量和輸沙率過程線，為減少工作量，僅挑選場次最大流量大于該年汛期平均流量且具有明顯起漲、峰頂、峰谷的完整洪水過程，然后將該洪水過程的日均流量和輸沙率分別累加，乘以1 d的時間，即得到各場次洪水的洪量和相應(yīng)的輸沙量。

2.3 徑流侵蝕功率計算方法

降雨及其在地表上產(chǎn)生的徑流是土壤侵蝕的主要動力，在國內(nèi)外比較流行的流域土壤侵蝕模型中，應(yīng)用最廣泛的侵蝕動力因子是降雨侵蝕力(R)。Wischmeier[9]指出降雨總動能(Ep)與最大30 min雨強(I30)的乘積是表征降雨侵蝕力的最好指標；卜兆宏等[10]指出雨量(P)與I30的乘積也能較好體現(xiàn)降雨侵蝕力。無論EpI30還是PI30，僅反映了雨滴濺蝕對土壤侵蝕的作用，均沒有體現(xiàn)水力侵蝕作用中的徑流侵蝕作用和徑流輸沙作用。為此，魯克新等[11]采用徑流深和洪峰流量模數(shù)的乘積作為次暴雨侵蝕產(chǎn)沙的侵蝕動力指標，即：

E=HQ′max

(1)

2.4 場次洪水水沙量系列突變點確定

采用M-K分析法[15]進行趨勢性和突變點分析；用秩和檢驗法[16]鑒別突變點的顯著性；采用雙累積曲線法[17]分析突變點成果的合理性。以次洪輸沙模數(shù)(Wm)為縱坐標，徑流侵蝕功率為橫坐標，若雙累積曲線向右偏移，表明在同樣的徑流侵蝕功率或徑流侵蝕功率增量下輸沙模數(shù)系統(tǒng)減小，反之，則增大。次洪輸沙模數(shù)Wm=104Ws/A，t/km2，Ws為次洪輸沙量，萬t。

3 結(jié)果與分析

3.1 場次洪水基本輸沙特性

嘉陵江流域洪水主要是由暴雨形成，年最大洪峰多出現(xiàn)在7—9月，北碚站1955—2020年在上述3個月出現(xiàn)年最大洪峰的占比為86.3%。北碚站汛期洪水主要來自嘉陵江干流，其次為渠江，涪江占比最小，經(jīng)統(tǒng)計，小河壩站、羅渡溪站、武勝站7—9月的徑流量分別占北碚站同期的24.1%、32.5%、36.3%，輸沙量分別占北碚站同期的15.9%、19.7%、49.7%。因暴雨中心的位置和量級大小的不同，各站出現(xiàn)的洪水次數(shù)有所差異，小河壩站、羅渡溪站、武勝站、北碚站出現(xiàn)的年均洪水次數(shù)分別為4次、6次、5次、7次。

嘉陵江年輸沙量主要集中在汛期的1場或幾場大洪水。經(jīng)統(tǒng)計，小河壩站單次洪量和輸沙量占全年洪量和輸沙量的最大百分數(shù)分別為26.7%和83.4%；羅渡溪站分別為28.6%和88.6%；武勝站分別為26.2%和92.2%；北碚站分別為25.3%和80.1%?？梢娂瘟杲饔虼魏檩斏沉繉τ谀贻斏沉康拇笮∮忻黠@影響。

3.2 年際間場次洪水突變點

M-K趨勢分析表明，在顯著性水平(α)為0.05條件下，嘉陵江各站年際間的場次洪量和徑流侵蝕功率的趨勢參數(shù)|Z|均小于Zα/2=1.96(表1)，說明總體上無明顯趨勢性變化；而輸沙量(輸沙模數(shù))的趨勢參數(shù)|Z|>Zα/2=1.96，均呈顯著減少趨勢，存在突變點(小河壩站為1974年、1999年和2013年；羅渡溪站為1992年、1998年和2006年；武勝站為1966年、1984年和1998年；北碚站為1984年、1998年和2013年)。經(jīng)秩和檢驗，除小河壩站1974年、羅渡溪站1998年、武勝站1966年和北碚站2013年的突變點不顯著外，其余突變點均表現(xiàn)顯著。

表1 嘉陵江各站M-K趨勢分析參數(shù)Z統(tǒng)計表Table 1 Statistics of M-K trend analysis parameter Z in the Jialingjiang River basin

圖2是各站W(wǎng)m與E雙累積曲線，將各站的顯著性突變點點繪在雙累積曲線圖上，并繪制關(guān)系線，關(guān)系線符合較好，說明前面確定的突變點是合理的。

圖2 嘉陵江各站E與Wm雙累積曲線Fig.2 Double accumulation curve between E and Wm of each station in the Jialingjiang River basin

嘉陵江流域在1989年被納入“長江上游水土保持重點防治區(qū)”，據(jù)許全喜等[7]研究，嘉陵江水土保持綜合治理措施帶來的減沙量僅占北碚站總減沙量的16.3%；據(jù)楊泉和何文社[18]研究，嘉陵江流域水土保持措施對北碚站的減沙效益在10%～25%之間。由于水土保持工程發(fā)揮減沙效益是一個緩慢累積的過程，因此短時間內(nèi)不會引起次洪輸沙量發(fā)生突變。另據(jù)袁晶等[8]研究成果，截至2015年，嘉陵江流域已修建水庫5 140座，其中2006—2015年水庫年均攔沙量為4 720萬t，對北碚站的減沙權(quán)重高達92%，說明嘉陵江各站次洪輸沙量突變主要是由于水庫修建造成的。具體看，渠江四九灘水庫和金盤子水庫蓄水時間與羅渡溪站1992年和2006年次洪輸沙量突變點對應(yīng)；武勝站和北碚站突變點的年份與Zhou等[19]的研究成果基本一致，主要與1984年蓄水的升鐘水庫和1998年蓄水的寶珠寺水庫有關(guān)；小河壩站的雙累積曲線在1999年向右偏轉(zhuǎn)，主要受金華水庫蓄水的影響，但2012年后的雙累積曲線較1998—2012年明顯向左偏轉(zhuǎn)，表明近期輸沙量呈明顯增加趨勢。

雖然涪江和渠江修建的多為低水頭中型水庫(涪江金華水庫庫容約為3 400萬m3，渠江四九灘水庫庫容約為8 500萬km3，渠江金盤子水庫庫容約為10 000萬km3)，但庫容總體相對于本流域其他水庫較大，仍具有明顯的攔沙作用，考慮到涪江和渠江的年輸沙量相對較小，故上述水庫修建也能對涪江和渠江的河流泥沙輸移產(chǎn)生明顯影響。

3.3 次洪輸沙模數(shù)與徑流侵蝕功率關(guān)系變化

根據(jù)突變結(jié)果，點繪各站突變前后不同時期場次洪水Wm與E的關(guān)系(圖3)，發(fā)現(xiàn)各站不同時期Wm與E之間存在較好冪函數(shù)關(guān)系，即

Wm=BEn

(2)

圖3 嘉陵江各站不同時期E與Wm關(guān)系Fig.3 Relationship between E and Wm at different period in the Jialingjiang River basin

式中：B為系數(shù)；n為指數(shù)。從產(chǎn)沙機理看，B反映了流域的產(chǎn)沙特性，主要與自然條件和人類活動方式有關(guān)，如黃土區(qū)的B值一般比土石區(qū)大，在上游修建攔沙工程后，B值將減小；n值體現(xiàn)了泥沙對水流的敏感程度，n越大，意味著侵蝕功率增加時，Wm增加越快，如上游修建攔沙工程后，由于下游含沙量大幅減小，在侵蝕功率變幅相同時，攔沙工程修建后的輸沙模數(shù)變幅較修建前大，故n值增加。對于特定流域，B、n值均在一定程度上反映了人類活動對流域產(chǎn)沙的影響。

點繪次洪輸沙量系列突變前的Wm與E關(guān)系見圖4，該時期次洪輸沙系列基本不受人類活動影響或影響較弱。在相同徑流侵蝕功率條件下，嘉陵江干流武勝站的次洪輸沙模數(shù)比涪江小河壩站和渠江羅渡溪站偏大，原因主要是嘉陵江干流上游的西漢水位于秦嶺南側(cè)，有2 350 km2的黃土覆蓋區(qū)，植被覆蓋面積較小，是長江上游重點產(chǎn)沙區(qū)，該區(qū)域水力侵蝕較強，故暴雨侵蝕產(chǎn)沙量較大；涪江小河壩站的次洪輸沙模數(shù)比渠江羅渡溪站大，可能與涪江流域的平均坡降比渠江大有關(guān)。

圖4 嘉陵江各站不受人類活動影響期的E與Wm關(guān)系Fig.4 Relationship between E and Wm with least human influence in the Jialingjiang River basin

4 討 論

4.1 涪江近期次洪輸沙量偏大的原因分析

涪江小河壩站近期次洪輸沙量呈顯著性增加趨勢，原因主要為：

(1) 涪江上游位于龍門山斷裂帶附近，近年來先后經(jīng)歷了汶川地震、蘆山地震和九寨溝地震，地震震中均在龍門山斷裂帶附近。根據(jù)中國地震局發(fā)布的汶川地震烈度分布圖，汶川地震各烈度區(qū)沿龍門山斷裂帶呈不規(guī)則橢圓形狀展布，其中Ⅺ度區(qū)面積約2 419 km2，Ⅹ度區(qū)面積約3 144 km2，Ⅸ度區(qū)面積約為7 738 km2，Ⅷ度區(qū)面積約27 786 km2，Ⅶ度區(qū)面積約84 449 km2。據(jù)陳曉利等[20]研究，汶川地震產(chǎn)生的滑坡崩塌災(zāi)害點主要分布在Ⅶ度區(qū)域內(nèi)，即岷江、沱江、涪江上游區(qū)域及嘉陵江上游的白龍江區(qū)域，嘉陵江干流和渠江受災(zāi)程度相對較小，且愈往下游，受災(zāi)程度愈小。地震過程中，由于大量滑坡體的產(chǎn)生，導(dǎo)致山體泥沙大量下泄，為涪江提供了豐富的泥沙來源。據(jù)Wang等[21]研究，汶川地震形成滑坡的沙量約為48 000萬t，清空小于25 mm細顆粒需要33 a，粗顆粒泥沙更是會持續(xù)千年以上的時間，一旦有一定強度或連續(xù)降雨，可促使滑坡沉積物輸移，導(dǎo)致大量地表松散堆積物進入河道。汶川地震后，涪江上游區(qū)域先后經(jīng)歷了2013年、2018年和2020年強降雨過程，降雨范圍剛好與龍門山斷裂帶重合，故導(dǎo)致河道輸沙量明顯增加。以汶川地震前小河壩站2003年8月29日至9月3日和地震后2018年6月25—30日洪水過程為例說明，2003年8月29日至9月3日的洪峰流量為6 080 m3/s，洪量為14.81億m3，輸沙量為239萬t，2018年6月25—30日的洪峰流量為6 230 m3/s，洪量為13.33億m3，輸沙量為451萬t，2個洪水過程的持續(xù)時間、洪峰流量、洪量差別不大，但地震后的輸沙量比地震前明顯偏大。

(2) 涪江沿線雖然修建了三江、龍鳳等低水頭水庫，但由于部分水庫修建多年，攔沙效果減弱，甚至部分水庫庫區(qū)達到了沖淤平衡的狀態(tài)，一旦遭遇大洪水時，水庫往往開閘暢泄，庫區(qū)大量泥沙被攜帶出來，導(dǎo)致下游輸沙量增大。此外，在遭遇特大暴雨時，部分水利工程損毀嚴重，如2018年永安、龍鳳和三塊石水電站兩側(cè)護堤在洪水過程中基本被摧毀，發(fā)生大范圍的崩岸，特別是三塊石水電站，由于建成年代久遠，在2018年7月的大洪水過程中大壩已基本被摧毀，上游河道沖刷嚴重，并發(fā)生大幅度和大范圍的崩岸，一定程度增加了下游輸沙量。受此影響，小河壩2013—2020年的平均次洪輸沙量較1999—2012年增大約4.9倍。

圖5 小河壩站水流挾沙力與實際含沙量對比Fig.5 Comparison of sediment carrying capacity and actual sediment concentration at Xiaoheba station

4.2 涪江突發(fā)洪水對三峽入庫沙量的影響

受長江上游氣候變化、水土保持工程、梯級水庫蓄水等影響，三峽入庫沙量呈明顯減少趨勢，但徑流量變化不大[23]。金沙江下游向家壩、溪洛渡水庫蓄水前，三峽入庫泥沙主要來自于金沙江，其次來自于嘉陵江。圖6為嘉陵江北碚站和小河壩站年水沙量占三峽入庫水沙量(朱沱+北碚+武隆)的百分數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計，三峽水庫蓄水前的1955—2002年，北碚站、小河壩站水量分別占三峽入庫水量的16.7%和3.7%，沙量分別占三峽入庫沙量的24.9%和3.5%；蓄水后的2003—2012年，北碚站、小河壩站水量分別占三峽入庫水量的18.0%和3.4%，沙量占三峽入庫沙量的14.4%和2.1%，輸沙量占比明顯減小；2013年向家壩、溪洛渡水庫蓄水后，嘉陵江取代金沙江成為三峽入庫泥沙的主要來源，2013—2020年嘉陵江沙量占三峽入庫沙量的百分數(shù)上升至38.9%，涪江占比上升至24.3%，水量占比略有增加，由2003—2012年的3.4%增至2013—2020年的3.6%，但增幅遠小輸沙量的增幅。

圖6 北碚站、小河壩站水沙量占三峽入庫水沙量占比過程線Fig.6 Proportion of runoff and sediment discharge at Beibei and Xiaoheba station to the Three Gorges Reservoir

2013年、2018年、2020年涪江流域發(fā)生明顯的強降雨過程，小河壩站沙量顯著增加，年輸沙量分別為3 810萬t、5 170萬t和7 026萬t，分別占三峽入庫沙量的30.1%、36.2%和36.2%。特別是2013年7月8—17日、2018年7月9—15日、2020年8月15—21日場次輸沙量為2 943萬t、3 820萬t和4 754萬t，占該站全年輸沙量的77.2%、73.9%和68.1%，占三峽入庫沙量的23.2%、26.7%和24.5%。

小河壩站2013—2020年的次洪輸沙量較1999—2012年增加，導(dǎo)致該站年輸沙量也相應(yīng)增大，經(jīng)統(tǒng)計(表2)，小河壩站2013—2020年的年均輸沙量為2 115萬t，是1999—2012年的4.7倍；相應(yīng)的三峽入庫控制站(北碚站)的年輸沙量也有一定程度的增加，由1999—2012年的年均2716萬t增至2013—2020年的年均3 392萬t，增幅24.9%。由于武勝站和羅渡溪站近期輸沙量呈減少趨勢，故北碚站的增幅小于小河壩站。

表2 嘉陵江各站1999—2012年和2013—2020年均徑流量和年均輸沙量統(tǒng)計表Table 2 Results of runoff discharge and sediment load of hydrological stations in the Jialingjiang River basin during the period of 1999—2012 and 2013—2020

5 結(jié) 論

根據(jù)嘉陵江流域小河壩站、羅渡溪站、武勝站及北碚站歷年場次洪量與輸沙量資料，基于徑流侵蝕功率理論，研究流域場次洪水輸沙變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

(1) 嘉陵江流域汛期洪量和輸沙量主要來自于嘉陵江干流，其次為渠江，涪江最小；嘉陵江各站次洪輸沙量最大可達全年輸沙量的80%以上，對各站年輸沙量大小的影響十分明顯。

(2) 隨著徑流侵蝕功率的逐漸增加，嘉陵江各區(qū)域次洪輸沙模數(shù)的變幅逐漸縮窄；小河壩站和羅渡溪站次洪輸沙模數(shù)變幅小于武勝站，表明涪江和渠江場次洪水輸沙受人類活動影響程度較嘉陵江干流區(qū)域小，主要是涪江和渠江修建的多為低水頭徑流式電站，攔沙效果有限，而嘉陵江干流修建了多座大型控制性水庫，對河道輸沙的影響更為明顯。

(3) 嘉陵江各區(qū)域的場次洪量均呈不顯著減少趨勢，次洪輸沙模數(shù)(輸沙量)總體呈顯著減少趨勢，但受地震和強降雨等多因素的影響，小河壩站2013—2020年次洪輸沙量較1998—2012年顯著增加，導(dǎo)致北碚站的次洪輸沙量也相應(yīng)增加，增幅小于小河壩站。

(4) 鑒于目前涪江小河壩站的含沙量低于水流挾沙力，受汶川地震等影響，涪江上游堆積了大量泥沙，若發(fā)生強降雨過程，堆積的泥沙逐漸下移，小河壩站的輸沙量有進一步增加的可能，建議加強觀測研究。