美国科罗拉多河水沙变化分析_吴保生

文章编号:1005-0930(2006)03-0427-08 中图分类号:TV147 文献标识码:A收稿日期:2005-07-20;修订日期:2006-08-22基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2003CB415206)作者简介:吴保生(1959 )男,教授.美国科罗拉多河水沙变化分析吴保生, 褚明华, 府仁寿(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084)摘要:分析了开发较早的美国科罗拉多河的水沙变化趋势,依据资料为19261984年干支流3个代表测站的年水沙量资料,主要讨论了水利工程建设对水沙变化的作用.结果显示水库修建给科罗拉多河的水沙变化带来了十分显著的影响,水库修建往往导致下游测站沙量的急剧减小,并通过干支流一系列水库的共同作用,可以造成河流来沙量趋势性减少的效果.关键词:科罗拉多河;水利工程;水沙变化;减水减沙我国一些大河流如黄河和长江,近年来随着流域水资源开发利用程度的不断提高,特别是一系列大型水库的修建,使得河流主要测站的来水来沙条件发生了显著变化.例如位于黄河中游的潼关站[1],1961 1985年平均年来水量为406 3 108m 3,1986 1995年减少为287 1 108m 3,1996 2001年进一步减少为195 2 108m 3;1961 1985年平均年来沙量为12 4 108,t 1986 1995年减少为8 0 108,t 1996 2001年进一步减少为5 9 108.t长江的水沙变化虽然没有黄河剧烈,但沙量的减少趋势也是明显的.例如长江干流的宜昌站[2],1950 1987年平均年来水量为4358 108m 3,年来沙量为5 26 108;t 19882000年平均年来水量为4371 108m 3,来水量变化不大,而平均年来沙量为4 28 108,t较1950 1987年减少18 5%.汉江是长江中下游的最大支流,位于汉江中游的皇庄站,虽然来水量没有趋势性的变化,但来沙量却急剧减少,1951 1965年平均年输沙量为1 33 108,t 1966 1984年减少为0 33 108,t 1985 2000年进一步减少为0 096 108,t 较1951 1965年减少93%.对于黄河和长江的水沙变化趋势已有很多研究[2-6],总的来讲对黄河的水沙减少趋势较为一致,但对于长江的来沙减少趋势却看法不同,一方面大面积水土保持的效果难以确定,另一方面对干支流水库的减沙作用能否持续也存在疑虑.考虑到随着工农业生产的发展和人民生活水平的提高,用水量会不断提高;长江上游自1989年起被列为国家水土保持重点防治区,实施了水土流失重点防治工程;在三峡工程投入运用后,还将在其上游干支流相继修建一系列大型和特大型水库.这些必将对三峡库区的来水来沙条件及下游河道产生长远的影响,需要进行深入研究.第14卷3期2006年9月应用基础与工程科学学报J OURNAL OF BASI C SC I E NCE AND ENG I N EERI N G Vo.l 14,No .3S epte mb er 2006428应用基础与工程科学学报 V o.l13为了借鉴国际上一些开发治理较早流域的经验,进行横向的类比分析,本文选择了美国的科罗拉多河,对该河流上一些来水来沙变化明显的测站的水沙变化趋势进行分析,探讨干支流水库修建对下游河道的减沙作用,为进一步研究和预测长江干流河道的长期水沙变化趋势提供参考依据.1 流域概况科罗拉多河是北美洲西部的主要河流[7],发源于美国科罗拉多州中北部,落基山脉中的弗兰特岭西坡.流向西南,干流流经科罗拉多、犹他、亚利桑那、内华达和加利福尼亚等5个州和墨西哥西北端,最后注入加利福尼亚湾,干流全长2310km,流域面积63 7 104km2,流域简图见图1.科罗拉多河流域边界三面环山,整个流域地势为北高南低.从发源地到利兹渡口(Lees Ferry,海拔高940m)为上游段,河道蜿蜒,长约1030km.由于地势较高,终年积雪,水量较多,河道下切明显.中游从利兹渡口至比尔威廉斯河河口,流经科罗拉多高原,由于该地区多处干旱地区,增加的径流不多,河谷不易展宽,形成许多峡谷地形,其中最为著名的是科罗拉多大峡谷.科罗拉多河下游地势低洼,有山脉、盆地、沙漠等.科罗拉多河上游年均降水量为200 500mm.秋冬春各季降水量多为降雪,春末夏初当气温升高时,积雪迅速融化,河道流量大增,年径流约70%集中在4 7月.据利兹渡口站在格伦峡大坝建成以前的统计,多年平均实测径流量为129 108m3,年平均输沙量0 62 108,t年平均含沙量4 8kg/m3.科罗拉多河中、下游雨量稀少,年均降水量不足100mm,灌溉耗水及蒸发都很大,加之沿程用水调水,因此,愈往下游流量愈少,而中、下游泥沙很多,含沙量高,河水混浊.在科罗拉多大峡谷中测得年均输沙量为1 81 108,t平均含沙量11 6kg/m3.有些支流的含沙量更大,如小科罗拉多河,年均侵蚀模数达688t/k m2,平均含沙量高达120kg/m3.河口年均径流量只有49 108m3,年均输沙量1 35 108,t年均含沙量27 5kg/m3.科罗拉多河第一次大规模的开发活动始于1928年,当时通过了兴建鲍尔德峡(即胡佛坝)工程的法令,该工程于1931年开工,1936年建成.此后,在科罗拉多河流域兴建了一系列水利工程,干流上兴建水库11座,支流上修建水库95座,干支流水库总库容约为872 108m3.由于美国西半部干旱缺水,因此在科罗拉多河干、支流上兴建了许多大型引水工程,绝大部分水量用于农业灌溉,约为95 108m3,城市给水和工业用水约28 108m3.这些工程措施不仅促进了流域的开发,更好地利用了流域的水资源,而且对流域的减水减沙产生了明显的效果.2 典型测站的水沙变化趋势鉴于水电开发和灌溉引水是科罗拉多河流域开发的重点,其对河流水沙变化的影响巨大,又考虑到水土保持措施在科罗拉多河流域开展较少且缺乏测验资料,所以,本研究着重考虑典型工程对水沙变化的影响.一般来讲,大坝建成之后,在调节水量的同时也将大量泥沙拦截在库内,可以达到迅速减水减沙的效果,而且相对于减水,减沙效果更明显一些,所以流域干支流上坝系的建设对于减沙有着很显著的影响.并通过干支流一系列大图1 科罗拉多河流域简图F i g .1 Sketch m ap o f the Co l o rado R iver basi n坝的共同作用,可以长期影响河流的水沙变化趋势.从科罗拉多和的干支流上选取了3个比较有代表性的测站,包括支流格林河(G reen R i v er)的格林河站,干流的大峡谷站(G rand Canyon)和尤马站(Yum a),各测站具体位置见图1.将收集整理得到的各测站年水量和沙量资料[8-12],点绘年水量与年沙量关系曲线、年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量与水文年的关系曲线,根据这些曲线的变化来分析各站的水沙变化趋势.支流格林河的格林河站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线如图2所示.在水沙双累计曲线和沙量累计曲线上可以看到,1939和1966年分别出现了较为明显的转折现象,相应3个时段的趋势线具有不同的斜率,对应1930 1939年的年平均来沙量429N o .3吴保生等:美国科罗拉多河水沙变化分析为0 248 108,t 1940 1966年为0 168 108,t 1967 1984年为0 0953 108,t 19671984年与1930 1939年相比,年来沙量减少61 5%.弗莱明峡水库(F la m i n g Gorge)位于格林河站上游,于1967年全部投入运用,具有库容153 108m 3,显然1966年的沙量急剧减少是由弗莱明峡水库的修建引起的.至于1939年的转折,推测也是水库修建的结果,因为1912年在格林河站的上游就有水库修建,如斯特罗伯里水库(Stra wberry),只不过由于缺少格林河的完整工程资料,目前还难以和具体的水库联系起来.值得注意的是,格林河站主要表现在沙量的减少上,累计年水量长期以来并没有减少的趋势.图2 格林河的格林站年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线F i g.2 A ccu mu lated w ater runoff and sed i m ent load a tG reen Stati on of G reen R iver科罗拉多河干流中游大峡谷站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线见图3.可以看到,大峡谷站长期以来水量的变化不大,虽然位于上游的科罗拉多河 大汤普森引水工程(Co lorado -B ig Tho m pson Pro jec,t 年平均引水量2 8亿m 3)自1959年全部投入运用以来对水量有所影响,但对干流中游的总水量影响不大.由水沙量双累计曲线可知,1942和1962年分别出现了较为明显的转折,相应不同时段的年平均来沙量1927 1942年为1 97 108,t 1943 1962年为0 78 108,t 1963 1972年为0 19 108,t 1963 1972年与1927 1942年相比,年来沙量减少90 4%.可以肯定地裞,大峡谷测站在1962年的突然转折,是格伦峡大坝(G len C anyon Da m )拦沙的结果.格伦峡大坝是科罗拉多河中游库容最大的水库,总库容333 108m 3.1957年开工,1964年第一批机组投入运行,1966年8台机组全部投入运行.至于1942年的沙量突然减少,则既与大汤普森河引水工程有关,又与其上支流水库的修建有关.尤马站(Yum a)位于科罗拉多河干流下游,其年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线如图4所示.由水沙量双累计曲线可知,尤马测站在1937年发生了突然变化,1937年之前的年平均来沙量为1 13 108,t 1937年之后的沙量急剧减小,斜率接近为零,相应的年平均来沙量减为0 0446 108,t 较前一时段减少96 1%.1937年沙量的明显减少是帕克坝(Parker Da m ,1938年建成,库容为6 97 108m 3)、英皮利尔坝(I mperial Da m ,1938建成,库容为1 08 108m 3)以及胡佛坝(H oover Da m,1936年建成,总库容348 5 108m 3)共同作用的结果,这三座水库位于尤马站的上游,拦截了几乎所有的河流泥沙.水量的减少则是由于引水工程影响的结果,包括科罗拉多河引水工程(Co l o rado A queduct)、全美灌渠(A llAm erican C ana l)、中央亚利桑那工程(Central A rizona Project)、希拉河工程(G ila Project),这几个引水工程从英皮利尔水库(I m peria l)或帕克水库(Par ker)大量引430应用基础与工程科学学报 V o.l 13图3 科罗拉多河大峡谷站年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线F ig .3 A ccu m ulated w ate r runoff and sedi m ent atG rand Canyon Stati on of Colorado R i ve r水,直接导致尤马站水量的大幅度减少.长期来讲,当然还有中上游干流和支流引水增加的影响.图4 科罗拉多河尤马站的年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线F ig .4 A ccu m ulated w ate r runoff and sedi m ent at Y u m a Stati on of Co l orado R i ve r3 与长江水沙变化趋势的比较宜昌站是长江干流的代表性测站,图5点绘了宜昌站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线.可以看到,虽然每年流域内的降雨不均匀,年际的水量变化很大,但是宜昌站五十多年来的累计水量随年份基本呈线性变化,表明径流量没有趋势性增加或减小的变化.但在双累计曲线图中出现了两个折点,分别相应1987年和2002年,之后趋势线的斜率变小,也就是说,来沙量分别在1987年和2002年之后出现了趋势性的减少.对应1950 1987年的年平均来沙量为5 29 108,t 1988 2002年为4 06 108,t 20032005年为0 87 108.t 如果把2003 2005年作为自然情况下的来沙量,则1950 1987年与自然情况相比,年来沙量减少83 6%.据统计[13],截至20世纪80年代末,长江上游地区已建成各类水库11931座,总库容205 108m 3.其中,50年代建成库容30 40 108m 3,60年代33 26 108m 3,70年代库容74 58 108m 3,80年代库容66 80 108m 3.20世纪80年代末各类水库的年淤积总量为1 8 108,t 其中大型水库占45 3%(年淤积率平均为0 65%),中型水库占11 1%(年淤431N o .3吴保生等:美国科罗拉多河水沙变化分析积率平均为0 39%),小型水库占43 6%(年淤积率平均为0 9%).干流宜昌站沙量的减少综合反映了长江上游干支流水库拦沙和水土保持的作用,但主要原因是新建水库拦沙作用的结果,水土保持处于次要地位.事实上,宜昌站1988 2002年的年平均来沙量较1950 1987年减少1 23 108,t 与上游各类水库的年总拦沙量1 8 108t 基本对应,考虑到上游水库拦沙后,通过河床的冲刷补给会抵消一部分水库的减沙量,水库拦沙量大于宜昌站的实测减沙量是可以理解的.显而易见,宜昌站来沙量2002年以后的急剧减少是三峡水库2003年6月蓄水运用的结果.三峡水库总库容393 108m 3,按原设计,水库运用初期的排沙比为30%,运用80年后水库淤积达到初步平衡,排沙比达85%.事实上,随着三峡上游干支流水库的陆续修建,特别是一些大中型水库的修建,将使得进入三峡水库的泥沙量较原设计大为减少,相应的水库排沙比也将大为减少.相应三峡水库达到淤积平衡的年限将较原设计增加,进入下游河道即宜昌站的沙量也将在较长时期内大幅度减少,需要进行深入的研究.图5 长江宜昌站的年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线F i g .5 A ccumu l a ted wa ter runo ff and sed i m ent a t Y i chang Sta ti on o f Y ang tze R i ver图6是长江支流汉江皇庄站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线.可以看到,由于丹江口水库1967年的蓄水运用,导致进入下游河道的年来沙量显著减少,由建库前的2 44 108t 减少到1968 2001年的年平均0 58 108,t 减少了76 2%,显示了水库拦沙对下游河道来沙量的长期作用.至于皇庄站的年来水量在2002年之后又进一步减少为0 23 108t 的原因还有待深入研究.长江干流宜昌站和支流皇庄站的水沙变化趋势,与科罗拉多河干支流上的三个测站的水沙变化趋势颇为相似,河道累计来沙量的减少均与水库的修建密切相关.所不同的是长江干支流的减沙趋势较科罗拉多干支流的减沙趋势发生的要晚一些,此外,科罗拉多干流的减水量也十分明显,而长江干流的水量没有明显减少的趋势.4 结语本文分析了科罗拉多河干支流3个代表测站的水沙变化,并且与长江干支流代表测站的情况进行了比较,探讨了水利工程对下游河道的减沙作用.分析结果表明,水库的修建将大量的泥沙拦截在库内,迅速减少了进入下游河道的沙量,具有立竿见影的减沙作用,而且干支流水库的不断修建使得减沙作用得以长期延续,可以在较长时期内减少河流432应用基础与工程科学学报 V o.l 13图6 汉江皇庄站的年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线F i g .6 A ccu mu lated w ater runo ff and sed i m ent atH uangzhuang Station o fH an R iver主要测站的来沙量.在流域的开发程度不断提高的情况下,应该注意到一系列水库的修建及大量引水对河流的水沙过程带来的深刻影响,特别是对下游河道可能带来的长期减沙作用.需要指出的是,由于资料限制,本文分析没有考虑水土保持对河道的减沙作用.事实上,关于小流域地区水土保持的作用一般较为清楚,但对于有多种活动同时发生的大流域来说,目前人们对水土保持的长期减沙效果看法尚不一致,有待今后深入研究.参考文献[1] 吴保生,王光谦,王兆印,等.来水来沙对潼关高程的影响及变化规律[J].科学通报,2004,49(14):1461-1465 W u Baosheng ,W ang Guangqian ,W ang Zh aoy i n ,et a.l E ffect of changes i n fl ow runoff on t he el evation of Tongguan i nSan m enx i a R eservoir[J].Ch i n ese Science Bu ll eti n ,2004,49(14):1461-1465[2] 府仁寿,虞志英,金,等.长江水沙变化发展趋势[J].水利学报,2003,(11):21-29Fu Ren s hou,Yu Zh i yi ng ,Ji n L i u ,et a.l Vari ati on trend of runoff and sed i m ent l oad i n Yangtze R i ver[J ].Jou rnal ofH yd rau lic Engineeri ng ,2003,(11):21-29[3] 汪岗,范昭.黄河水沙变化研究(第一卷、第二卷)[M ].郑州:黄河水利出版社,2002W ang G ang ,Fan Zhao .S tudy of variati on s i n water run off and sed i m en t yield i n t h e Y ell o w R i ver(Vo l s .Ⅰand Ⅱ)[M ].Y ell o w R i ver Con s ervancy Press ,Zhengz hou,Ch i na ,2002[4] 许炯心.长江上游干支流的水沙变化及其与森林破坏的关系[J].水利学报,2000,(1):72-80Xu J i 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nghua Un i vers i ty,B eiji ng100084,Ch i na)Abst ractThe vari a ti o n of w ater runoff and sed i m ent load of Colorado R iver w as analyzed in this paper.The data used in the ana l y sisw ere taken fro m3stations on the river fro m1926to1984 The analysis focused on t h e e ffect o f eng ineeri n g m easures on the changes i n w ater runo ff and sed i m ent load.Resu lts sho w that da m constructions have greatly a ffected the trend of w ater runo ff and sed i m ent load o f Co l o rado.The operation o f a reservoir usually causes a sudden reducti o n i n sedi m ent load do w nstrea m o f the pro jec.t The effect of a series o f da m sm ay result i n a long-ter m tendency of reducti o n in sed i m ent load.K eywords:Co l o rado R i v er;eng i n eering m easures;changes in sedi m ent load;w ater and sedi m ent reducti o n。