李思璇，杨成刚，董炳江，张欧阳

(长江水利委员会 水文局，武汉 430010)

1 研究背景

长江三峡上游流域面积达100万km2，水文气象和地质地貌条件时空差异明显，水沙分布极为不均，产输沙条件复杂，表现出显著的地域分异特征，是长江流域径流和泥沙的主要来源地。近年来，随着以三峡工程为核心的长江上游水库群的逐步建成并联合调度运用，特别是金沙江下游溪洛渡、向家坝水库建成后，改变了流域泥沙时空分布，上游产输沙条件及来沙地区组成发生明显变化。

众多学者已针对不同时期三峡库区泥沙来源、输移特性及其影响因素开展了分析，受水库修建、水土保持、气候变化等因素影响，三峡入库泥沙大幅减少，金沙江已不再是三峡入库泥沙第一供给区[1-2]，水库拦沙是近年长江上游各大水系减沙的主要影响因素[3-4]。已有研究为三峡上游泥沙输移特性研究奠定了较好的基础，然而，长江流域产输沙主要集中在汛期场次洪水，与暴雨强度、落区、范围等密切相关，暴雨洪水时沙量大且集中，干、支流年内水沙过程，特别是以场次洪水为代表的局部暴雨洪水带来的高强度输沙[5]，将直接对三峡水库泥沙淤积和调度运行带来风险与影响，严重威胁到水库的使用寿命。水库淤积是工程泥沙的重要内容之一[6]，长江上游来沙大部分集中在汛期，几场洪水的输沙量往往能占到全年沙量的80%以上，是库区泥沙淤积的主要来源。在时间尺度上，长江上游高洪水期涨、落期泥沙输移存在差异；在空间尺度上，不同流域高洪水期产输沙决定了入库泥沙地区组成占比，对于三峡库区洪峰沙峰异步传播、水库淤积分布、下游冲淤态势[7-8]等均会产生一定影响，而长江上游短时间尺度高洪水期泥沙输移特性方面的研究较为鲜见。

本文以1980—2019年长江上游主要干、支流水文资料为基础，探讨三峡水库入库控制站寸滩高洪水期泥沙来源组成及输移特性，以期为三峡水库沙峰排沙调度、库尾减淤调度提供参考，为延长梯级水库使用寿命、充分发挥水库综合效益提供支撑。

2 研究区域及数据来源

2.1 研究区域概况

长江三峡上游水系众多，金沙江、横江、岷江、沱江、嘉陵江等河流是长江上游径流和泥沙的主要来源地，空间尺度上水沙异源现象十分突出，泥沙输移兼具不确定性与复杂性。寸滩上游水沙来源区面积差异悬殊，其中，金沙江向家坝站集水面积相对较大(图1)，为45.88万km2，占寸滩站比例达53%，支流嘉陵江北碚站、岷江高场站集水面积分别为15.67万、13.54万km2，而横江站及沱江富顺站集水面积相对较小，占寸滩站比例仅为2%。寸滩上游不同流域来水大小、泥沙组成存在明显差异。受水库修建、水土保持工程实施等强人类活动影响，长江上游产输沙条件发生了较大改变。

图1 研究区域示意图及干支流集水面积占比Fig.1 Sketch of the study area and catchment proportions of the main tributaries

2.2 数据来源及处理

长江上游寸滩站是反映三峡水库入库水沙条件的重要水文站点，汛期高洪水期涨落期泥沙输移、来源地区组成变化等是影响库区泥沙淤积的关键因素。对于大、中型流域的暴雨，一般取1、3、5、7、15、30 d作为统计时段。根据长时间序列寸滩站多场次洪峰过程，选取最大流量对应的7 d为1次产流产沙的主要时间段。

本文收集了长江上游干、支流主要水文站日均流量、含沙量等实测数据，基于向家坝水电站上游地区、横江、岷江、沱江、嘉陵江等干支流历年水沙过程，明确高洪水期涨落期水沙输移特征，并通过溯源分析，研究寸滩站汛期场次洪水径流泥沙主要来源，实测资料均来自于长江水利委员会水文局。研究区域及控制性水文站见图1。

1980—2019年，统计寸滩站洪峰过程共计369场次，其中，峰值流量<30 000 m3/s的有217场次，洪峰流量分别介于30 000～40 000 m3/s和40 000～50 000 m3/s区间的洪水场次分别为94场和40场，而>50 000 m3/s共计18场次。为合理选取典型洪峰过程，综合考虑峰值流量区间出现频率，选取寸滩站>30 000 m3/s洪峰流量对应的共计152场次洪水进行分析，推求同时段长江上游干、支流主要站点7 d洪量及沙量。考虑到三峡水库输移洪水平均传播时间，沱江富顺站、岷江高场站、横江站、金沙江屏山站(向家坝站)场次洪水按上述时间段提前1 d处理。

3 寸滩站高洪水期水沙输移特征

根据寸滩站实测资料统计，1980—1990年寸滩站洪峰流量大、出现频次多，洪峰流量30 000 m3/以上洪水场次共计60场。而20世纪90年代以来，洪水场次有所减少，特别是溪洛渡、向家坝水电站陆续建成投运后，受水库蓄水拦沙等因素影响，2013—2019年，寸滩站洪水场次仅14场，减幅达82%。不同时段洪水场次及年均洪水场次见表1。

表1 不同时段寸滩站洪水场次及年均洪水场次(洪峰流量30 000 m3/s以上)Table 1 Total and annual-averaged flood events at Cuntan Station in different periods (flood peak discharge exceeding 30 000 m3/s)

不同时段寸滩站洪峰流量统计值(表2)表明，溪洛渡、向家坝水库建成以来，最大洪峰流量已由1980—1990年的84 300 m3/s减小至57 100 m3/s，主要与梯级水库群联合调度运用后削峰补枯作用密切相关。

表2 不同时段寸滩站洪峰流量Table 2 Flood peak discharge at Cuntan Station in different periods

寸滩上游金沙江、嘉陵江、岷沱江、横江流域等是洪水径流泥沙的主要来源区。从不同时段场次洪水对应的7 d洪量平均值来看(图2)，1991—2002年寸滩站7 d洪量为194亿m3，与1990年前多年均值相比，增大15亿m3。这主要是由于上游金沙江屏山站7 d洪量增大25亿m3，增幅达42.4%，而嘉陵江北碚站减少17亿m3，岷江7 d洪量基本持平(表3)。

表3 不同时段长江上游场次洪水7 d洪量、沙量均值Table 3 The averaged seven-day flood volume and sediment transport in the upper reaches of the Yangtze River in different periods

图2 长江上游场次洪水7 d洪量均值Fig.2 Averaged seven-day flood volume in the upper reaches of the Yangtze River

三峡水库蓄水运用后2003—2012年与1980—1990年均值相比，由于金沙江、嘉陵江7 d洪量相对较大，寸滩站增大5亿m3。溪洛渡、向家坝等水电站陆续投运后，与1980—1990年均值相比，寸滩站7 d洪量增大9亿m3，其中，长江上游岷江高场站、沱江富顺站、嘉陵江北碚站分别增大2亿、4亿、7亿m3，而金沙江向家坝站减少9亿m3，横江7 d洪量基本持平。总体来看，近40 a来，寸滩站场次洪水中7 d洪量未出现趋势性变化。

从场次洪水对应的7 d沙量均值来看，20世纪90年代以来，在水利工程拦沙、降雨时空分布变化、水土保持等因素的综合影响下，寸滩站7 d沙量明显减少(图3)。与1990年前相比，1991—2002年寸滩站场次洪水7 d沙量减少679万t，减幅达15.6%，长江上游泥沙除金沙江屏山站、横江站分别增加896万、62万t外，岷江高场站、沱江富顺站、嘉陵江北碚站7 d沙量分别减少201万、108万、1251万t，特别是嘉陵江减幅达68%，是寸滩站沙量减少的主要因素。三峡水库蓄水运用后，长江上游场次洪水来沙减小趋势仍然持续。2003—2012年寸滩站场次洪水7 d沙量为2 081万t，与1980—1990年相比，减少2 281万t、减幅达52.3%;上游干支流站点7 d沙量也均呈减小态势，其中，嘉陵江北碚站、金沙江屏山站7 d沙量分别减少1 200万、593万t，是寸滩站沙量减少的主要来源。溪洛渡、向家坝等水电站陆续投运后，寸滩站场次洪水7 d沙量为1 742万t，与1990年前均值相比减少2 621万t，长江上游除沱江富顺站7 d沙量增大268万t外，其余干支流均有所减少，特别是金沙江向家坝水电站出库泥沙大幅降低，7 d沙量仅为9万t，减幅高达99%。

图3 长江上游场次洪水7 d沙量均值Fig.3 Averaged seven-day sediment transport during floods in the upper reaches of the Yangtze River

4 长江上游高洪水期涨落期输沙特性

1980—2019年，寸滩站洪峰流量>30 000 m3/s的场次为152场，占年总天数的比例为7%，但各年场次洪水输沙量占年输沙量的比重均值则达到43%左右。1980—1990年，由于长江上游洪峰流量大、年均场次多，洪峰流量>30 000 m3/s的高洪水期输沙占年输沙比例为48%(表4)，而近年来水库入库泥沙明显减少的条件下，洪水输沙显得更为集中。2013—2019年，在年均洪水场次大幅减小的情况下，洪峰流量>30 000 m3/s的场次洪水输沙占年输沙量的比例高达48%，与1980—1990年基本持平。特别是在2018年7月14号洪水期间，短短7 d时间寸滩站沙量达到了0.659亿t，占全年沙量的近50%，均大于2014—2017年全年寸滩站输沙量。可见，长江上游三峡水库入库泥沙的主要来源于汛期场次洪水。

表4 不同时段寸滩站高洪水期输沙占比Table 4 Proportion of sediment transport during high floods at Cuntan Station in different periods

一场洪水由涨水期、落水期组成，涨、落水期泥沙输移特性存在明显差异。本文选取7 d洪水过程中前3 d为涨水期、后3 d为落水期，分析寸滩站不同时段场次洪水涨、落水期输沙比例。1980—1990年，寸滩站洪峰流量>30 000 m3/s的高洪水期共计60场，其中，涨水期输沙占优场次为37场，与比高达62%(表5)，洪水输沙以涨水期为主；1991—2002年、2003—2012年，涨水输沙占优比例分别为54%、49%，可视为涨、落水期输沙占优场次基本持平；金沙江下游溪洛渡、向家坝水库建成后，2013—2019年，在寸滩站共计14场高洪水期过程中，仅3场涨水期输沙量高于退水期，占比21%，表现为落水输沙占优的特征。因此，从长时段来看，寸滩站高洪水期输沙经历了“涨水输沙占优—涨、落水基本持平—落水输沙占优”的变化过程。

表5 寸滩站涨水输沙占优场次及比例Table 5 Number of events and proportion of the rising flow dominating sediment transport at Cuntan Station

5 长江上游高洪水期径流泥沙来源组成

从三峡水库入库场次洪水径流地区组成来看，近10 a来，金沙江、嘉陵江、岷江一直是寸滩站场次洪水径流的主要来源，但不同时段干支流占比存在波动。基于各地区占比，可确定不同时期寸滩站径流主要来源区。1990年以前，寸滩站60场次洪水中有26场来自于金沙江、7场来自于岷江、27场主要来自于嘉陵江；1991—2002年，寸滩站41场次洪水中径流主要来源区仍为嘉陵江、岷江、金沙江，其中38场次主要来自于金沙江；三峡水库蓄水后(2003—2012年)，20场次洪水来自于金沙江，17场次洪水主要来自于嘉陵江，两者比例为1∶0.85，金沙江为主要来源区的次数相对较多；向家坝、溪洛渡陆续投运后，受水库削峰补枯影响，金沙江向家坝站出库洪峰流量减小，2013—2019年寸滩站14场次洪水中仅4场主要来自于金沙江，其余9场主要来自于嘉陵江，1场来自岷江(图4)。

图4 不同时间段寸滩站洪水径流主要来源区场次Fig.4 Main source areas of runoff during high floods at Cuntan Station in different periods

从长江上游干支流为径流主要来源区的年均洪水场次来看，1980—1990年寸滩站平均每年发生洪水5.5场次，其中2.5场次洪水径流主要来自于嘉陵江、2.4场次来自于金沙江，两者占比基本相当；1991—2002年，寸滩站年均3.4场次洪水中有3.1场次主要来自于金沙江，仅有近0.3场次的洪水主要来自于嘉陵江或岷江；三峡水库蓄水后2003—2012年，寸滩站平均每年发生洪水3.7场次，其中以金沙江、嘉陵江为主要来源区的洪水场数分别为2.0、1.7场次；向家坝、溪洛渡水电站陆续投运后，2013—2019年寸滩站年均洪水场次仅2场，其中1.3场次来自于嘉陵江、0.6场次来自于金沙江、0.1场来自岷江(表6)。

表6 不同时间段寸滩站洪水径流主要来源区年均场次Table 6 Annual-averaged events regarded as the main source areas of flood runoff at Cuntan Station in different periods

一般而言，场次洪水中径流、泥沙主要来源区基本一致，但也存在洪峰、沙峰异源的情形。不同时间段寸滩站洪水泥沙主要来源区场次见图5。1990年以前，寸滩站60场次洪水中有30场泥沙主要来自于嘉陵江，5场来自于岷江,25场来自于金沙江，嘉陵江为主要来源区的概率相对较大；1991—2002年，寸滩站41场次洪水中泥沙主要来源区为嘉陵江和金沙江，其中37场次主要来自于金沙江，仅4场来自于嘉陵江；三峡水库蓄水后2003—2012年，寸滩站27场次主要来自于金沙江、10场次洪水来自于嘉陵江，两者比例为2.7∶1，金沙江为泥沙主要来源区的次数相对较多；溪洛渡、向家坝水库相继调度运行后，2013—2019年间洪水期向家坝站出库泥沙大幅减少，寸滩站14场次洪水中9场泥沙主要来自于嘉陵江，岷江3场，沱江、横江各1场。

图5 不同时间段寸滩站洪水泥沙主要来源区场次Fig.5 Main source areas of sediment during high floods at Cuntan Station in different periods

从长江上游干支流为泥沙主要来源区的年均洪水场次来看，1980—1990年寸滩站平均每年发生洪水5.5场次，其中2.3场次洪水泥沙主要来自于金沙江、2.7场次来自于嘉陵江，两者占比基本相当，场次洪水中径流、泥沙主要来源区基本一致；1991—2002年，寸滩站年均3.4场次洪水中有3.1场次主要来自于金沙江，仅有近0.3场次洪水泥沙主要来自于嘉陵江，受水库拦沙及水土保持工程影响，嘉陵江流域输沙锐减，而金沙江流域仅治理2 km2土地，减沙效果极为有限[9]；三峡水库蓄水后(2003—2012年)，寸滩站平均每年发生洪水3.7场次，其中以金沙江、嘉陵江为主要来源区的洪水场数分别为2.7、1.0场次，金沙江为泥沙主要来源区的概率相对较大；向家坝、溪洛渡水电站陆续投运后，2013—2019年寸滩站年均洪水场次仅2场，其中1.3场次来自于嘉陵江，其余0.7场次分别来自于沱江、岷江、横江(表7)，而金沙江受梯级水库群拦沙影响，不再是寸滩站场次洪水中泥沙的主要来源区。

表7 不同时间段寸滩站洪水泥沙主要来源区年均场次Table 7 Annual-averaged events regarded as the main source areas of sediment during high floods at Cuntan Station in different periods

6 结 论

(1)20世纪90年代以来，寸滩站>30 000 m3/s洪峰流量对应的高洪水期场次有所减少，特别是溪洛渡、向家坝水电站陆续建成投运后，受水库蓄水拦沙等因素影响，寸滩站洪峰削减，与1980—1990年相比，2013—2019年年均洪水场次已由5.5场减至2场。近40 a来，寸滩站场次洪水中7 d洪量未出现趋势性变化，而7 d沙量显著减少。

(2)长江上游三峡水库入库寸滩站泥沙主要来源于汛期场次洪水，而洪水过程中涨、落水期泥沙输移特性存在明显差异。1980—1990年，寸滩站涨水期输沙占优比高达62%，1991—2002年、2003—2012年涨、落水期输沙占优场次基本持平；金沙江下游溪洛渡、向家坝水库建成后，2013—2019年，在寸滩站14场高洪水期过程中，仅3场涨水期输沙量高于退水期，表现为落水输沙占优的特征。从长时段来看，寸滩站高洪水期输沙经历了“涨水输沙占优—涨、落水基本持平—落水输沙占优”的变化过程。

(3)1991—2002年，寸滩站年均3.4场次洪水中有3.1场次径流及泥沙均主要来自于金沙江；三峡水库蓄水后(2003—2012年)，寸滩站平均每年发生洪水3.7场次，以金沙江、嘉陵江为径流主要来源区的洪水场数分别为2.0、1.7场次；以两者为泥沙主要来源区的洪水场数分别为2.7、1.0场次；向家坝、溪洛渡陆续投运后，2013—2019年寸滩站年均洪水场次仅2场，从径流来源来看，1.3场次主要来自于嘉陵江、0.6场次来自于金沙江，0.1场次来自岷江；从泥沙来源来看，1.3场次泥沙主要来自于嘉陵江，其余0.7场次分别来自于沱江、岷江、横江，金沙江已不是寸滩站高洪水期过程中泥沙的主要来源区。