长江中下游水沙通量变化规律

　　长江中下游干流河道，宜昌至湖口（955 km）为中游，湖口至大通（338km）为下游，大通以下为河口段（600km）。据大通站多年实测资料统计，流域平均每年汇集河道的径流总量达9.051×1011m3（1950～2000年），并挟带约4.33×108t（1950～2000年 ）泥沙入海［1］。巨量的水沙下泄不仅对长江河口，而且对临近陆架海域的水文、泥沙、沉积和生态环境等都 有重大影响，多年来许多研究工作者已经从不同的角度对这些影响进行了讨论［2～5］。本文在前人的研究成果和大量实测资料基础上，采用水文学、泥沙运动力学和数理统 计学相结合的分析方法，着重研究长江中下游河道的水沙通量的变化规律，以及对河口水沙通 量的贡献，这对于进一步探讨河口发育及演变的成因将具有深远的意义。

　　1 水沙来源

　　长江中下游河道水量及其变化规律主要取决于流域降雨的时空分布，前人曾做过长江中下游各站年平均流量与上游流域年降雨量的比较，结果表明峰谷起伏基本相应［4］。根据统计资料，宜昌站多年平均径流量为4.382×1011m3（1950～2000年），与 入河口区（大通站） 径流总量9.051×1011m3（1950～2000年）相比［1］，只占其48.4%，由此可见，进入河口区径流量有一半来自上游，一半来自中下游流域。

　　长江中下游流域属于冲积平原河流，湖泊对于水沙的调蓄和沉积作用不容忽视，这对于河道输沙量和含沙量的沿程变化具有重要影响，洞庭湖多年平均（1956～1995）入湖沙量为1.67×108t，其中有1.32×108t泥沙通过荆江河段的松滋口、太平口和藕池口（其中 调弦口已于1959建闸）输入洞庭湖［6］；含沙量在宜昌以下呈单向递减的趋势，中游宜昌站多年平均含沙量为1.14 kg/m3（1950～2000年），下游大通站的多年平均含沙量仅为0.486kg/m3（1950～2000年）［1］，只相当于宜昌站的42.6%（表1）；同时长江上游来沙量的变化对于中下游 输沙规律的变化也起着重要的作用，上的金沙江和嘉陵江是长江流域的主要产沙区，两江多年（1954～1998年）平均输沙量分别占宜昌站输沙总量的50.6%和23.5%，而其他河流和地区来沙约共占1/4［7］。此外长江来沙又以悬沙为主，占总输沙量的98%左右［8］，这就为河口三角洲的形成提供了丰富的泥沙来源。

　　2 水沙通量时间系列的特征分析

　　在数理统计学中对时间系列进行特征分析时可以用不同的参数来说明数据量的特征，其中用来反映集中趋势的综合特征数有：算术平均数、中位数和众数等；描述分配离散情况的特征数有：方差、标准差和全距等；另外还可以通过偏态系数和峰度系数来描述系列曲线的分布特征，宜昌站和大通站多年平均流量和输沙量时间系列的相关表征参数见表2.

　　从对上述参数的分析中可知，两个测站的流量和输沙量时间系列的特征参数均存在众数＜中位数＜算术平均数的现象，故中下游水沙通量时间系列的分布都呈正偏趋势，这与我国大多数河流的水文序列是一致的；由于长江中下游河段的水沙来源不同，造成了宜昌站与大通站的年均流量和输沙量时间系列之间存在着相异的分布特征，长江中游宜昌站的水沙来量均以上游为主，下游大通站泥沙主要来源于上游，而水量则为上、中、下游的汇集量，故宜昌站的多年平均流量只相当于大通站的48.4%，但输沙量却是大通站的1.16倍；宜昌站多年平均流量时间系列曲线的峰度系数为0.026，大通站为2.602，这表明大通站的年均流量分布曲线较宜昌站的起伏要大；而两个测站的年均输沙量时间系列曲线的峰度系数绝对值相近，即二者的分布曲线形式类似。

　　3 水沙通量时间系列的趋势分析

　　3.1 趋势分析

　　采用指数平滑法对时间系列进行修匀，其目的在于通过平均消除个别年度中夹杂其他因素的影响，从而使数列呈现出更加明显的长期变化趋势，已知经过指数平滑后的流量值在较长的时间范围内，更加趋于稳定，围绕平均值上下波动，除了1954年和1998年两个特大洪水年的年均流量值有较大偏差以外，其余年份波动性均不明显，大通站平均变幅不超过4%，宜昌站的平均变幅只有0.6%左右；而两个测站的多年平均输沙量经过指数平滑后，则呈现出更加明显的下降趋势，这主要是由于近年来长江上游干流及主要支流上一些水坝及电站的修建拦截了大量的泥沙所致（据统计，至80年代末，长江上游已建水库11.931座，总库容约2.05×1011m3［1］），宜昌站在葛洲坝水库蓄水后多年平均枯季（11～4月）含沙量较蓄水前减少了62%以上［9］。总体而言，除了特殊 年份以外，流量和输沙量在较长的时间系列内的变化是具有一定的延续性的，即连续几年大于或小于平均值。

　　3.2 相关性分析

　　相关性分析主要是确定时间系列自身内部的线性相关程度，并给出相应的定量测度，对于给定的时间系列可以得到以下几种特征量的无偏或渐近无偏估计：均值τ=1，2，…，K（其中K《N），一般要求N≥50，K值约在N/10左右，在本文中取K=5，将宜昌站和大通站流量及输沙量时间系列的相关性分。

　　相关性分析结果表明，宜昌站流量时间系列自身内部线性相依性随时间τ的增加而降低，而输 沙量系列则随着时间τ的增加而降低。

　　4 水沙通量的阶段性变化

　　聚类分析中费希尔（Fisher）最优分割方法，即对任意指定的分类数K，总能将N个样本分为K类，且使各类直径的总和S达到最小，即

　　将Ｎ个对象分为Ｋ个类的分类数 目为R（N，K），则（Ｎ－１，Ｋ）＋Ｒ（Ｎ－１，Ｋ－１），且Ｒ（Ｎ，１）＝Ｒ（Ｎ，Ｎ）＝１。应用上述方法对宜昌站和大通站的多年平均流量和输沙量系列进行分析，得到宜昌站年均流量系列在1968和1975年处S出现最小值，大通站年均流量系 列在1955和1986年处S出现最小值；大通站多年平均输沙量以1966和1980年为界划分为三个 时段，而宜昌站则以1961和1968年为界划分为三个时段。?

　　长江流域在较长的时段内降水情况没有显著的变化，故长江中下游流量没有明显的阶段性变化趋势。但是输沙量的变化是径流变化与人类活动等综合因素共同作用的结果，60年代长江中下游地区全民大办农业，开垦荒地，表层植被受到了严重的破坏，故这一时段内长江中下游的输沙量普遍高于其他时段；自70年代以来，长江全流域大量修建水库及沿江护岸工程等水利设施，拦截了部分泥沙，宜昌站该时段年均输沙量降幅达到21.39%；80年 代以后，各地积极开展植树造林、绿化荒山，自1988年开始，国家启动了长江上游水土流失重点防治工程，简称“长治工程”，长治工程使当地植被覆盖率明显提高，水土流失减轻，拦沙蓄水能力有所提高，上游嘉陵江（北碚站）1990～1996年时段的年均输沙量仅为1954～1989年时段的34.2%，减少了0.96×108t［6］。大通站的多年平均输沙量也由1967～1980年时段的3.72×108t降为1981～2000年时段的3.20×108t，降幅达13.9%.

　　5 水沙通量的年内变化

　　5.1 水通量的年内变化

　　长江流域地处季风气候区，降水的时空分布主要受季风活动的影响，流域降水多集中在夏季 ，冬季仅有少量雨雪，这就导致了径流在一年内有明显的洪、枯季变化。但因流域的地域广阔、地形复杂，各地雨季也不相同，正常年份，长江中下游各支流洪峰大多发生在5～7月，上游干流的洪峰大致发生在7～9月。以大通站为例，径流量从5月开始显著增加，至7月达最大，11月以后明显减少，至翌年2月出现最低值，5～10月的平均径流量占年径流量的71.7%，为洪季；11月至翌年4月的平均径流量只占年径流量的28.3%，为枯季。

　　但洪水年的水量在年内的分布情况则略有不同，以大通站1954年和1998年两个大洪水年为例。1954年大通站从4月中旬起即进入洪水期，至10月以后，虽然流量有所降低，但仍然高于多年的月平均流量值，汛期径流量为8.891×1011m3；而1998年则在3月份即出现了一个小洪峰，进入洪季之前的流量值已经超过多年平均流量值，这对于造成1998年的大洪水有一定的影响，且汛期径流量达到7.796×1011m3，也远远超过了多年平均 汛期径流量的5.548×1011m3［7］，同时遭遇了上游干流洪峰，造成峰值的叠加，形成了罕见的洪水年。

　　5.2 悬沙通量的年内变化

　　长江中下游悬移质输沙量在年内分配的不均匀性较径流更为明显。从宜昌站和大通站多年平均输沙量年内分配曲线图中可知，两个测站洪季输沙量均显著大于枯季的输沙量，但输沙量在年内集中程度和量值则从中游向下游逐渐减少。宜昌站多年平均洪季（5～10月）输沙量占全年输沙总量的93%以上，大通站占85%以上；宜昌站多年平均枯季（11～4月）的输沙量仅占全年输沙总量的7%，大通站占15%，宜昌站多年平均洪季输沙量是多年平均枯季输沙量的23倍多，大通站为7倍左右。就多年月平均而言，7月输沙量最大，2月份输沙量最小。大通站7月份的平均输沙量占多年平均年输沙总量的23%以上，宜昌站占30%以上；大通站2月份的平均输沙量不足多年平均年输沙总量的0.7%，宜昌站所占比例则更小。多年月平均最大与最小输沙量的比值，大通站为36倍左右，宜昌站则高达332倍。

　　6 泥沙颗粒组成

　　长江来沙一般以细颗粒悬沙为主，且床沙中值粒径明显粗于悬沙中值粒径，悬沙颗粒主要由极细砂（0.1～0.05 mm）和粉砂（0.05～0.01mm）组成，而床沙则主要由中砂（0.50～0.25 mm）和细砂（0.2～0.1 mm）组成。据统计资料表明，宜昌站多年平均床沙输沙量为6.2×107t，占该站年输沙总量的11.0%，中值粒径为0.203mm；大通站多年平均床沙输沙总量为5.9× 107t，占年输沙总量的12.5%，中值粒径为0.166 mm，即从河道纵向泥沙颗粒组成看，自中游向下游，泥沙颗粒由粗逐渐变细，至河口口门地区，床沙与悬沙中值粒径相近，分别为0.009 mm和0.004mm，表明在该地区床沙与悬沙交换极为频繁。

　　从1959～1996年的长时间系列来看，九江至大通河段平滩河床河道累积是淤积的，其淤积量为5.79×108m3，枯水河床河道累积淤积量为2.64×108m3［6］。长 江中下游从江阴以下，水面线变化趋缓，泥沙颗粒粒径在这一区域内也发生了较大 的变化，江阴的悬沙中值粒径为0.0027mm，明显细于上下游河段，这是由该地区的河段边界造成的，长江中下游河道自中游向下游逐渐展宽，水位变幅逐渐减小，上游流域来沙进入河口段后，因水面纵坡降趋向展平，流速减缓，悬沙中有部分较粗的颗粒受自身重力作用，在江阴至徐六泾段落淤，使悬沙中颗粒粒径大于0.086mm的泥沙大量减少，据统计减少量约占悬移质总输沙量的10%～15%，即每年约有5.9×107t泥沙在该河段沉积下来［10］。

　　7 结语

　　（1）长江中下游流域水量沿程递增，但各测站的增幅均不明显，除特殊年份外，均在多年平均值上下波动，水量在年内有明显的季节性变化，多年月平均流量在年内呈正态分布由流域降雨的时空分布所决定，进入河口区的径流量一半来自上游，一半来自中下游。

　　（2） 长江中下游流域的泥沙主要来自上游的金沙江和嘉陵江，故上游来沙量的变化对于中下游输沙规律的变化起着重要作用，此外中下游湖泊的调蓄和沉积作用也不容忽视。

　　（3）长江来沙主要以悬沙形式下泄，悬移质输沙量由中游向下游逐渐减少，各测站悬移质输沙量呈阶梯性递减的趋势，在年内有明显的季节性变化，与水量相比分布更加不对称。

　　（4） 长江中下游的悬沙主要由极细砂和粉砂组成，而床沙则主要由中砂和细砂组成，从河道纵向泥沙颗粒组成看，长江中下游干流河道泥沙颗粒沿程逐渐细化，泥沙颗粒的变化与河段的边界及水下地形的变化有关。（爱上考试网二级建造师编辑整理）