2000

河流系统是地球上重要且非常活跃的自然系统，而水沙变化则是河流系统对气候变化与人类活动的直接响应[1]。随着人类活动影响的不断加剧，很多河流的径流量和输沙量均发生明显变化，直接影响流域内水资源的合理配置、开发与利用，以及河流生态系统的物理、化学和生物过程[2]。河流水沙关系可以反应径流量与输沙量的匹配关系，研究河流水沙关系，对于揭露河流和泥沙的来源与时空变化规律，分析河流与泥沙沉积特征与河道整治措施均有重要作用[3]。

近年来，由于人口数量增加，人类活动对长江流域的环境产生影响，致使长江流域内的水沙关系发生改变。张信宝等[4]的研究表明自20世纪80年代以来，长江上游嘉陵江的泥沙呈减少趋势，金沙江呈略有增加趋势，究其原因是由于人类活动方式、程度、植被破坏与恢复、水土流失治理、水利工程拦沙和工程建设增沙等的明显差异引起的。许炯心等[5]研究长江上游干支流2000—2007年输沙量变化，发现各站点双累积曲线上最近1次转折点的出现均与水库的修建有关。府仁寿等[6]研究发现1950—2000年长江干支流输沙量均有明显减少。王一斌等[7]研究发现1950—2010年长江上中下游河段的径流量未出现明显的趋势性增减变化，输沙量从20世纪80年代开始下降。以往的研究对2000年前长江上、中、下某一流域或支流变化规律、影响因素等方面都有较全面的阐述，但对2000年后长江干流水沙所表现出来的新的变化特征研究较少。笔者利用长江流域干流屏山、朱沱、寸滩、宜昌、沙市、汉口、大通7个水文站2000—2015年16年的数据，对长江流域干流的水沙变化进行分析，并探讨其原因，其研究成果可为长江治理和长江流域生态环境建设提供科学依据。

1 研究区概况

长江流域位于E 90°33′~122°25′，N 24°30′~35°45′之间，面积约180万km2，约占我国总面积的18.75%。长江全长约6 300 km，干流宜昌以上为上游，宜昌到湖口为中游，湖口至长江出海口为下游。长江上游，为高原山地气候，海拔高，气温低；中下游地区位于秦岭—淮河以南地区，属于亚热带季风气候，受海陆位置和季风等因素的影响，气候温和，降雨丰沛，四季分明，热量充足，光照充足。年平均气温16~18 ℃，年平均降水量1 067 mm，多年平均蒸发量541 mm，降水多集中在5—10月。

2 研究方法2.1 数据来源

笔者选取长江干流屏山、朱沱、寸滩、宜昌、沙市、汉口、大通7个水文站点，其中，屏山、朱沱、寸滩、宜昌站位于上游，沙市、汉口站位于中游，大通站位于下游。选择屏山、朱沱、寸滩、宜昌、沙市和汉口站是为分析在三峡水库、丹江水库等人类活动干预下长江干流水沙变化，选择大通站是为反映长江流域总的水沙变化。各站点2000—2015年的径流量和输沙量数据来源于《长江泥沙公报》[8]，降水量数据来源于《长江水资源公报》[9]，其中，朱沱、寸滩和沙市站缺失2000—2002年的水沙资料。

2.2 数据处理与分析

笔者采用双累积曲线方法，绘制7个水文站的年径流量和年输沙量双累积曲线。双累积曲线是在直角坐标系中绘制的同一期内1个变量的连续累积值与另1个变量连续累积值的关系线，可用于水文气象要素的一致性检验、缺值补差和校正，以及水文各要素的趋势性变化及其强度的分析[10]。因其操作简单、直观、实用，受到许多科研人员的应用，尤其是分析水沙变化。采用SPSS 16.0软件统计分析各水文站径流量、输沙量的变化及其与降水量的关系。

3 结果与分析3.1 长江流域上、中、下游水沙变化基本特征3.1.1 水沙组成

长江上游屏山、朱沱、寸滩、宜昌水文站集水面积分别占大通站的28.65%、40.74%、50.81%和58.95%，径流量分别占大通站的15.93%、29.75%、37.72%和48.16%，输沙量分别占大通站的60.28%、72.66%、98.68%和108.81%；中游沙市站径流量和输沙量占长江的43.40%、52.30%；汉口站集水面积占大通站的87.25%，径流量和输沙量占长江的78.81%、9.48%(表 1)。上游各站点的径流量占大通站比重较小，但其输沙量所占比重较大，说明长江干流泥沙主要来自上游地区。

表 1(Tab. 1)表 1 长江干流水沙地区组成变化Tab. 1 Changes of runoff and sediment transport regional composition characteristic in the region of Yangtze River站名The hydrologic station集水面积Catchment area年份Year平均径流量Average runoff平均输沙量Average sediment load104 km2占大通The percent of Datong/%108 m3占大通The percent of Datong/%减少率(T2与T1平均径流量相比)Average runoff reduction rate (T2 compared with T1)/%108 t占大通The percent of Datong/%减少率(T2与T1平均输沙量相比)Average sediment load reduction rate (T2 compared with T1)/% 屏山Pingshan48.8628.651956—1999(T1)1 42915.780.692.5658.8547.842000—2015(T2)1 416.1016.521.3379.17朱沱Zhutuo69.4740.741954—2000(T1)2 70029.817.253.0570.1154.432003—2015(T2)2 504.2329.221.3982.74寸滩Cuntan86.6650.811950—2000(T1)3 39737.513.974.1896.0961.962003—2015(T2)3 26238.071.5994.64宜昌Yichang100.5558.951950—1999(T1)4 38347.297.495.03115.6382.042000—2015(T2)4 053.8147.310.9053.57沙市Shashi//1991—2000(T1)4 03044.506.703.7085.0684.322003—2015(T2)3 76043.880.5834.52汉口Hankou148.887.251954—1999(T1)7 12578.684.434.0793.5666.342000—2015(T2)6 806.679.441.3680.95大通Datong170.541001950—2000(T1)9 0561005.334.3510061.202000—2015(T2)8 568.561001.68100注：T1、T2分别为2000年前的时间段、2000—2015年的时间段。Notes：T1 is the period before 2000 year, and T2 is the period of 2000—2015.表 1 长江干流水沙地区组成变化Tab. 1 Changes of runoff and sediment transport regional composition characteristic in the region of Yangtze River

2000—2015年各站点多年平均径流量略微小于2000年之前的多年平均径流量，减少率均＜8%，而2000—2015年各站点多年平均输沙量则明显小于2000年之前的多年平均输沙量，减少率均＞47%，特别是宜昌站和沙市站，多年平均输沙量占大通站的比例由2000年前的115.63%和85.06%的分别减少到2000—2015年的53.57%和34.52%，减少率分别为82.04%和84.32%(表 1)。表明2000年后，长流流域干流输沙量显著减小，径流量变化不明显。此外，屏山、朱沱的输沙量减少，但其输沙量占大通站的比例增加，分别增加20.32%和12.63%(表 1)，说明屏山站和朱沱站输沙量减小幅度小于其余各站。

3.1.2 水沙年际间变化

2000—2015年间，7大水文站年平均径流量极值比最大值是屏山站1.75，最小值是沙市站1.44，相差0.31，变化幅度不大。年平均输沙量极值比最大是屏山站136，最小值是大通站4.72，相差131.28，变化幅度大(表 2)。7大水文站年输沙量极值明显大于年径流量极值，表明长江流域干流年输沙量变化幅度大于年径流量变化幅度。

表 2(Tab. 2)表 2 长江干流7大水文站年径流量和年输沙量极值统计Tab. 2 The maximum and minimum values of runoff and sediment transport at 7 hydrologic stations in the Yangtze River 站名The hydrologic station年份Year径流量Runoff/108m3输沙量Sedimentload/108t极值比Maximum/Minimum最大值Maximum最小值Minimum最大值Maximum最小值Minimum径流量Runoff输沙量Sedimentload屏山Pingshan2000—20151 7721 0102.720.021.75136.00朱沱Zhutuo2003—20152 9941 9342.310.2121.5510.90寸滩Cuntan2003—20153 8872 4792.700.3281.578.23宜昌Yichang2000—20154 7122 8483.90.0371.65105.41汉口Hankou2000—20154 2242 7951.380.1421.519.72沙市Shashi2003—20157 6875 3413.360.5471.446.14大通Datong2000—201510 2206 6713.390.7181.534.72表 2 长江干流7大水文站年径流量和年输沙量极值统计Tab. 2 The maximum and minimum values of runoff and sediment transport at 7 hydrologic stations in the Yangtze River3.1.3 水沙年内变化

长江流域降水主要集中在5—10月，占年降水量80%左右。汛期和雨季基本一致，一般为6—10月份，径流在年内汛期和非汛期的变化十分突出，汛期径流占全年径流的60%~80%，其中干流甚至占70%[9]。长江主要水文站宜昌、汉口、大通站5—10月径流量占年径流量分别为77%、74.5%、73.6%，输沙量分别占99.7%、85%和85.38%，由此可知，长江干流径流量和输沙量年内分配不均，变化大。

3.2 长江干流年径流量与年输沙量变化关系分析3.2.1 水沙相关分析

根据7大水文站2000—2015年水沙相关关系图(图 1(a)~(g))可知：屏山、寸滩、大通大部分相关点均密集的分布在相关线附近，未出现系统性偏离；宜昌、沙市、汉口相关点大部分相关点分布在相关线下侧，说明各站径流量较大，输沙量相对有所减少；朱沱站大部分相关点分布在相关线上侧，说明水量下沙量显著增加。在2000—2015年间，各站点年径流量与输沙量呈显著正相关关系(P＜0.05)，但仅屏山站径流—输沙关系量相关系数较高(R2=0.67)，其余站点相关系数均较低(图 1(a)~(g))，这与王一斌等[7]、李九发等[11]、武旭同等[12]的研究结论一致。一方面是水库拦沙、水土保持控蚀减沙等人类活动造成径流量与输沙量相关性弱，另一方面是因为长江流域来沙中粒径＞0.1 mm左右的泥沙参与河床沙交换，而大量＜0.1 mm细颗粒冲泻质不参与河床沙交换，直接随水流下泄河口水域，成为河口区主要泥沙来源，这也基本符合Einstein和钱宁[13]的床沙质输沙力理论。

图 1(Fig. 1)图 1 7站径流量-输沙量相关图Fig. 1 Relationship between runoff and sediment at the 7 hydrologic stations3.2.2 累计水沙关系

一般情况下，流域内的泥沙特性若发生改变，径流量和输沙量双累积关系曲线上会表现出明显的转折，即累积曲线的斜率会发生明显变化[10]。屏山、朱沱、寸滩站在2010年和2012年出现转折点，2010年转折点后累积曲线斜率均略有减小，表明长江上游的年输沙量逐渐减小，但变幅不大，2012年转折点后累积曲线斜率均明显减小，表明长江上游2012年后输沙量减少幅度大(图 2(a)、图 2(b)和图 2(c))；沙市站在2002和2007年出现转折，且斜率减小，说明输沙量有减少趋势(图 2(e)；宜昌、汉口和大通站在2002年和2005年出现转折点，累积曲线斜率减少，说明2005年后长江中下游输沙量已经得到了一定的控制(图 2(d)、图 2(f)和图 2(g))。产生上述现象的原因主要是三峡大坝于2003年开始蓄水，上游大量来沙在库中淤积，中下游年输沙量均有大幅度的减小，故长江中下游水文站的双累积曲线图在2002年出现转折，且斜率减小；2006年，三峡水库实施了156 m蓄水方案，泥沙淤积达0.932亿t，且2006年为枯水少沙年，长江中下游年输沙量明显降低，导致2005年宜昌、汉口和大通站出现第2个明显的转折点[14]。

图 2(Fig. 2)图 2 7站年径流量-年输沙量双累积曲线Fig. 2 Relationship between accumulated runoff and accumulated sediment at the 7 hydrologic stations3.3 水沙变化成因分析

自然和人为因素是造成河流径流量和输沙量发生改变的原因。自然原因包括降水、植被覆盖面积、土壤等因素，人类活动主要包括水利工程建设、水土保持和采沙用水等因素。

3.3.1 降水因素

笔者将大通站2000—2015年径流量和输沙量作为长江流域干流的径流和输沙量，绘制了年降水总量和径流量变化过程图(图 3)、年降水总量和输沙量变化过程图(图 4)。近15年来，长江流域干流年径流量在时间序列变化趋势不显著，径流量和年降雨量变化趋势一致性较好(图 3)，而年降水量和年输沙量变化趋势在2003—2009年一致性较差，且输沙量在时间序列上呈下降趋势(图 4)，说明2000—2015年间降水量对长江流域干流的泥沙含量影响比较小，流域内输沙量减少主要是受到水库拦沙和水土保持措施控蚀减沙以及河道取沙等人为因素影响[14]。

图 3(Fig. 3)图 3 2000—2015年长江流域降雨量与径流量变化图Fig. 3 Total annual precipitation and runoff of Yangtze River during 2000 to 2015图 4(Fig. 4)图 4 2000—2015年长江流域降雨量与输沙量变化Fig. 4 Total annual precipitation and sediment load of Yangtze River during 2000 to 20153.3.2 水利工程拦沙

水库具有拦洪蓄水和调节水流的作用。长江流域共建水库4万余座，泥沙在库内落淤，影响水库下游来沙。丹江水库自1968年建成到2015年，淤积泥沙14.103亿t，2015年泥沙淤积量为113万t[8]；三峡水库自2003年6月进行蓄水，到2015年水库淤积泥沙量由1.24亿t淤积到16.0亿t[8]，这是三峡水库下游年输沙量显著减小和宜昌、汉口、大通站年输沙量于2002年发生突变的主要原因。长江上游嘉陵江、岷江、乌江、汉江和赣江流域分别修建3、7、13、7和14座大型水库，总库容分别为32.36亿m3、70.85亿m3、150.55亿m3、267.3亿m3和51.01亿m3，受上游水库蓄水拦沙影响，下游来水来沙发生改变[15]。

3.3.3 水土保持

在长江流域内，国家实施长江上中游水土保持重点防治工程(简称“长治”工程)和六大国家水土保持重点工程(水土流失重点治理工程、坡耕地水土流失综合治理工程、丹江口水库及上游水土保持工程、岩溶地区石漠化治理工程、国家农业综合开发水土保持项目、国家水土保持重点建设工程)。2001—2004年，长江流域仅实施“长治”工程，2004年完成水土流失治理面积1.31万km2，年拦蓄径流量5.6亿m3，年减少土壤侵蚀量0.6亿t[8]。2005年实施“长治”工程和丹江口水库及上游水土保持工程，分别完成水土流失治理面积3 619和8 919 km2[8]。2006年，“长治”工程完成水土流失治理面积3 130.15 km2。2007年，流域内实施4项工程，完成水土流失治理面积3 857.42 km2[8]。2009—2012年，实施5项工程，每年完成水土流失治理面积分别为6 869、5 760、2 538和4 584 km2[8]。2013—2015年，实施了7项工程，每年完成水土流失治理面积分别为8 466、6 039.18和6 159.42 km2[8]。截至2015年，累积水土流失治理面积达37.8万km2[8]。水土保持项目的实施改善了流域内的生态环境，植被覆盖率增加，控蚀减沙能力增强，这也是近年来长江流域泥沙量减少的主要原因。

3.3.4 采沙用水

近年来，随着人口的快速增长和经济的迅速发展，对长江的开发力度不断加大，长江流域用水量不断增加，河道采沙规模也不断增大。2000—2015年，总用水量从1 727.0亿m3增加到2 054.6亿m3，增加了327.6亿m3，其中，工业和生活用水不断增长，农业用水相对有所下降；根据统计，2015年长江干流河道总采沙量达到4 150万t，其中建筑采砂达到846万t，吹填造地采砂3 304万t，开采量较前几年有所下降。同时跨流域调水即南水北调工程也对流域内的水沙变化产生一定的影响。

4 结论

1) 2000—2015年长江干流7大水文站多年平均输沙量比之前下降显著，减少率均>47%，特别是宜昌站和沙市站，减少率分别为82.04%和84.32%；多年平均径流量略有下降，减少率均 < 8%。

2) 除屏山站外，其余6站径流量与输沙量相关性较弱。径流量-输沙量双累积曲线表明表明长江上游2012年后输沙量减少幅度大；长江中下游输沙量2005年后已经得到了一定的控制。

3) 长江干流各水文站输沙量减少的主要原因是水库拦沙和水土保持措施控蚀减沙。