金沙江流域的河流泥沙输移特性(潘久根)

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金沙江流域河流泥沙输移特性*

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潘久根水利论文o/}QMs

(四川联合大学)水利论文/v9j`c`'I

摘 要金沙江是长江上游河流泥沙的主要来源。通过对金沙江流域主要控制水文站径流泥沙资料的统计分析,该文论述了金沙江河流泥沙的来源和沿程分配、输沙量的年内分配和年际变化、径流量和输沙量的关系以及泥沙形成的原因。为研究金沙江流域的水土流失和泥沙输移规律、合理地开发和利用其水土资源提供了科学依据。

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关键词金沙江 河流泥沙 输移

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  长江干流上游自青海玉树至四川宜宾称金沙江,流经青、藏、川、滇四省区,全长2290km。流域面积50万km,恰为三峡水库集水面积的一半。河口(宜宾)多年平均流量4920m3/s,年径流量1550亿m3,是黄河的3倍,水量充沛且稳定。河道落差大而集中,干流落差达3280m。可开发水能7512万Kw。水能条件之优势为世界所少有。规划中在干流上拟建的500~1500万Kw级装机容量的巨形电站就有向家坝、溪落渡、白鹤滩、虎跳峡等。加上支流雅砻江的水能资源,全流域水电可开发容量占全国的1/4左右,是我国拟开发建设的最大水电基地。目前正建的规模仅次于三峡电站装机容量330万Kw的二滩电站就位于金沙江的最大支流—雅砻江上。但是,金沙江却又是长江上游泥沙最多的河流,是三峡水库入库泥沙的主要来源。研究金沙江流域的泥沙输移特性和水土保持,是该流域水电资源开发中的重要问题,对于减少三峡水库入库泥沙、充分发挥三峡电站效益十分重要。

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*本研究得到国家自然科学基金委员会49471048项目资助,特此致谢

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1 来沙的沿程变化及地区分布水利论文e5{fIFiOD

  金沙江干流及主要支流(集水面积大于5000km)控制水文站分布示意图见图1。根据实测水文资料,干流出口控制站屏山水文站测验时间较长(1939年开始)。在分析该站资料系列的代表性和考虑其余测站实测资料系列的情况后,选取1954~1987年为统计时段,有缺测年份的情况,分别进行相关插补,最后分析计算得各站历年同步系列的径流量和悬移质输沙量特征值成果如表1。

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表1 径流量、悬移质泥沙特征值统计表

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  从表1可以看出,金沙江上游(雅砻江汇口以上)地区来沙量较少。干流渡口站集水面积占全流域面积的56.9%;多年平均径流量占全流域的35.5%;其多年平均悬移质输沙量仅为流域的16.8%。干流上各站的多年平均含沙量均在1.00kg/m3以下。多年平均输沙模数从最上游直门达站的70.5t/(km·a)依次渐增至渡口站的151t/(km·a),均小于200t/(km·a)。包括金沙江最大支流雅砻江在内,金沙江上游地区集水面积为414501km,占流域面积的82.9%;多年平均径流量为1110亿km,占流域的73.3%;其多年平均悬移质输沙量为8070万t,占全流域的31.5%。平均含沙量为0.724kg/m。平均输沙模数为195t/(km·a)。该区内除支流雅砻江、安宁河下游和干流河谷地区为沟蚀、重力侵蚀的强度流失区,是金沙江上游泥沙的主要来源,其余绝大部分地区由于自然植被较好,有茂密的原始森林和广阔的天然牧场、人烟稀少、人类活动影响不大,水土流失较少。输沙模数远小于长江上游地区的平均输沙模数。

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  金沙江下游(雅砻江汇口以下)集水面积85379km2,占全流域面积的17.1%;多年平均径流量为405亿m3,占流域总径流量的26.6%;多年平均悬移质输沙量计17600万t,占流域总输沙量的68.5%。平均含沙量4.33kg/m3,为上游地区的6倍。平均输沙模数计2060t/(km2·a)。约为上游区的11倍,远大于长江上游地区的平均输沙模数。可见,金沙江的泥沙主要是产生在下游区,并主要来自渡口、雅砻江汇口至屏山的干流区间。下游较大支流如龙川江、牛栏江和横江流域的输沙模数均在1000t/(km2·a)左右,属中度水土流失区。扣除这些支流流域,干流区间(包括众多小支流)集水面积为54168km2,仅占全流域面积的10.8%;多年平均径流量为269亿m3,占流域的17.7%。多年平均输沙量为14700万t,竟占了全流域的57.0%。多年平均含沙量计5.46kg/m3。多年平均输沙模数达2710t/(km2·a),其中干流河谷地区的输沙模数在3000t/(km2·a)以上,是长江上游水土流失最严重的地区。水利论文8U0F/?fHS

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图1 金沙江流域控制站示意图

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Schematic map of major hydrologic stations in Jinsha River basin水利论文v9x,A#@p~9_aE9c

2 来沙量在时间上的变化水利论文{-s8HC%a5cB

2.1 年际变化

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  根据金沙江干流出口控制站屏山站的历年径流量、输沙量过程线图(图2)显示,历年输沙量的变化与径流量的变化过程相似,并呈不规则周期变化。该站多年平均径流量为1430亿m3,占长江上游(宜昌以上)的32.5%;最大年径流量发生于1965年,其值为1940亿m3,占长江上游该年径流量的44.1%;最小年径流量发生于1959年,其值为1160亿m3。最大、最小年径量之比为1.67。历年径流量系列的变差系数Cv=0.16。径流量的年际变化小,水量比较稳定,这是金沙江水能资源开发的有利条件之一。金沙江的输沙量的年际变化比径流量大。屏山站多年平均悬移质输沙量为24400万t,占长江上游(宜昌以上)多年平均输沙量53000万t的48.7%。历年最大年输沙量发生于1974年,其值为50100万t,为长江上游该年输沙量的77.2%。是年,金沙江(屏山+横江)的年输沙量达54300万t,比宜昌站多年平均输沙量还大。历年最小输沙量发生于1975年,其值为12600万t。最大、最小年输沙量之比值为3.98。历年输沙量系列的变差系数Cv=0.34。

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图2 屏山站径流量、悬移质输沙量过程线图

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Runoff and suspended sediment load hydrographs at Pingshan Staion

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图3 屏山站多年平均径流量、输沙量年内分配图

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Distribution of annual runoff and sediment loadat Pingshan station

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2.2 年内变化水利论文&i,X*`4p'P d6S7n

  分析代表站屏山站多年平均月、年径流量、输沙量资料,绘制其多年平均流量及输沙量年内分配如图3。该站历年汛期(6~10月)的平均径流量占年径流量的74.9%。其中7~9月径流量占年径流量的53.9%,8月径流量最大,占年径流量的19.0%。输沙量的年内分配更不均匀。历年汛期(6~10月)的平均输沙量占年输沙量的95.4%,其中7~9月的输沙量即占全年输沙量的76.8%,7、8月输沙量最大,均占27.9%。1974年大沙年,汛期来沙占全年的97.0%,7~9月即占全年输沙量的83.3%。水利论文!TT,wX%B:i3A$b

3 水沙关系分析

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  对于确定流域而言,降雨、径流是影响来沙变化的主要因素。图2已经显示,屏山站历年的水沙变化过程基本相应。进一步对该站历年的水沙资料进行回归分析表明,年径流量与年输沙量间具有较好的相关关系。由于泥沙主要因暴雨洪水造成,汛期(6~10月)的径流量与输沙量的关系更为密切。点绘其关系图见图4,其相关系数r=0.81,关系点据比较集中。水利论文B9l1s se

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图4 屏山站汛期(6~10月)径流量—输沙量关系

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图5 金沙江屏山站累积年径流量—输沙量关系水利论文oq;@-^e

Relation of runoff and sediment load at Pingshan station in flood season水利论文 yU(Gf j&J%e

Relation of runoff and sediment load at Piangshan station

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  将屏山站历年(1954~1992年)的年径流量、输沙量分别累加,然后点绘逐年累积径流量—输沙量关系图(图5)。其关系基本为一直线。但从图中可以看出,1982年以后的关系点据的分布趋势有转折变化。若将1983~1992年10年的平均年径流量和输沙量与1954~1982年29年的相应值比较,前29年的平均年径流量为1430亿m3,平均年输沙量为23800万t,后10年的平均年径流量为1420亿m3,平均年输沙量为26800万t,两时段年平均径流量几乎相同,1983~1992年10年的平均年径流量还略小,而其年输沙量平均增加3000万t,平均含沙量由1.66kg/m3增至1.89kg/ m3。这表明1983年以后从金沙江进入长江的泥沙比以前有系统增加的迹象,从客观上反映了金沙江流域(主要是下游干流区间)的水土流失情况比以前更为严重,对于该流域水土保持重点防治区的治理工作已十分迫切和重要。

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4 泥沙成因浅析

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  金沙江的泥沙主要来自下游干流区间,主要受以下因素的影响。水利论文Ai!HG1v

4.1 气候因素

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  金沙江下游干流区间属大陆性亚热带气候。因大气环流和地形条件的制约,冬春季节受干燥而强劲的西风气候的影响;夏秋季节,为潮湿而多雨的西南季风所控制,干湿季分明。干季(11~4月)多晴天、风速大、蒸发强、湿度小;雨季雨量充沛、降水集中。在地形条件影响下,垂直气候明显,常形成一种控制面积小、历时短、强度大的局部性暴雨。地区内气候的另一影响因素是气温的时空变化大,高山寒冷,最低温度低至-25℃;河谷地区干燥炎热,最高温度可达45℃。同一高程,气温的日变差可达15℃。温湿的强烈变化,又激发了地表的风化剥蚀作用,加速了松散碎屑物质的积累过程。水利论文-O2mm5a'u!p

4.2 地貌、地质和地震作用

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  该区域在地貌上多处于西部高原向东部丘陵山地的过渡地带。地面切割强烈,山高谷深,河流两岸地形陡峻,河道坡度大。受重力作用,地表径流引起强烈的片蚀和细沟侵蚀,河流形成下切和溯蚀。区内地质构造和地层复杂,断裂构造发育。在强烈、频繁的地震作用下,破坏山体稳定,使岩层变得更加松散、破碎,节理、裂隙更加发育,塌方、滑坡、泥石流等不良地质现象频频发生。大量固体物质堆积于坡脚、沟道和沟口,为河流泥沙提供了来源。区内东川协地区就是国内外闻名的泥石流高发区。水利论文;Je-e!BAF^+l

4.3 人类活动影响

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  该地区人口稠密,人均耕地少,人类活动频繁。不适宜的经济活动,如滥垦、滥伐、滥牧,使生态环境受到严重破坏。不合理的工程设计施工、开采、爆破等破坏了地表的均衡结构。山地环境恶变,加剧了本地区的水土流失。东川协地区严重泥石流的形成,除受特定的地质构造等条件影响外,与东川铜矿的开采也有关系。历代掠夺式的砍伐树木烧炭炼铜,致使森林砍伐殆尽,变成一片荒山秃岭。加上开矿弃碴,水土流失和不良物理现象接踵而至,推进了泥石流的发展过程。水利论文;p_B5G)Dm

  金沙江下游干流区间是长江上游水土保持重点防治区之一,水土保持工作正在开展,通过综合治理,土壤流失面积将逐渐得到控制,地面侵蚀量会减少。由于影响金沙江流域河流泥沙变化的主要因素是气候和地质地貌等条件,短时间不可能变化。因此,今后一段时期金沙江干流的河流泥沙还不会有显著的变化。泥沙问题仍将是金沙江流域水利水电工程建设中需要研究和解决的重要问题。水利论文 v;d&eh(m5Q$e nS

参考文献水利论文 vo:vsI };y@

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D DV8`E M04杨意诚。三峡水库水沙条件的分析研究综述,水文,1995(1).

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