苏ICP备112451047180号-6
三峡大坝的泥沙淤积和流入大海的长江泥沙的发展趋势
摘要：位于中国长江上游的三峡大坝破坏着长江下游和沿海地区的泥沙输移的连续性。这项研究是基于54年长江每年主流和主要支流的水和泥沙数据，在2003年到2008年由长江三峡大坝引起的泥沙淤积被量化。此外，我们确定了三峡大坝上游梯级水库的传输效率理论。在未来的几十年里对长江泥沙通量的影响正被研究人员所讨论。结果显示，在2003年到2008年，每年大约有172万吨的泥沙由于三峡大坝而淤积，平均淤积效率是75％。全部泥沙淤积物的大部分，88％是由于三峡大坝产生的，主要是在三峡大坝和寸滩之间的区域内淤积。此外，长江输沙量在2001年就进入到了第三步，早于三峡大坝运行之前。这主要是由于在二十世纪九十年代后期金沙江支流的泥沙减少。随着梯级水库全面投入运行，它可以潜在的阻拦来自金沙江91％的泥沙，因此，金沙江输出的泥沙在未来几十年将最有可能进一步下降到14万吨每年。因此，长江输入大海的泥沙量在不远的未来将预期不断下降到90万吨每年，在二十世纪五十年代只能观察到全部数量的18％。低输沙的存在，科研人员预测其对河口形态，三角洲和沿海水域产生深远的影响。
1介绍
河流是陆域物质输送到大海的传送带（沃林和方，2003年；方，2006年），并且他们每年输送15到20亿吨的泥沙到全球海洋（明德和米德，1983年；明德，1991年）。这些大量的泥沙在全球地质循环，全球地理化学循环，沿海生态系统和三角洲的演变中扮演了重要的角色。然而大坝修建中断了河流系统输送泥沙至下游及沿海地区的连续性（孔多夫，1997年）。在二十世纪后半期，大约有超过15米高的45000个大型大坝和估计有800000个小型水坝被建造在世界各地，相比1950年，相当于接近一个数量级的增加（2000年）。据估计，超过30％的全球泥沙被淤积在水库（欧斯马等人，2003年），由于泥沙淤积的结果，每年大约要损失掉全球全部水库量的0.5％至1％。随后，从河流流入海洋的全球泥沙通量显著减少（明德，1997年；斯威特等人，2005年）。
中国的长江是世界级的河流，就它的排水量而言（920立方米每年）排名世界第五，就泥沙荷载而言在历史上排名第四（480万吨每年）（明德和米德，1983年；明德和斯威特，1992年）。在过去的五十年里，长江的排水量几乎保持不变，但是长江输入海洋的泥沙通量却经历了一个显著的减少。根据杨等人，自从二十世纪五十年代以来，长江显示了泥沙减少的三个阶段，包括在1968年在汉江上的丹江口水库，修建的很多水库和在1985年在嘉陵江流域的水土保护工程。当三峡大坝于2003年开始运营，长江泥沙向第三阶梯输移。长江水量和输沙量之间的相位关系，表明在这个大的河流系统中人类活动是影响产沙量，运输和储存泥沙的主要因素（杨等人，2002年，2006年b;陈等人，2005年，张等，2009）。在人类活动中，大坝建设是主导因素（88％），它有助于减少长江通向海洋的泥沙通量（戴等，2008）。在这里，我们主要集中在三峡大坝（图1），这是在世界上最大的水坝。它位于长江上游的尾部。 三峡大坝的蓄水量到2009年将达到39立方公里，约是在大同（903立方公里1950-2005）每年长期排放量的4.3％。
图1
从2003年6月三峡大坝开始蓄水和拦沙后，长江的主流分为两部分，三峡大坝的上游和下游（戴等人，2006年，杨等人，2007年a）。三峡大坝的上游主要是淤积。在水库的泥沙淤积造成存储容量逐步减少，并触发对环境的一系列的物理，化学和生态影响。评估其环境影响的关键之一是水库泥沙淤积的定量研究。以往的研究是通过沉积物预算法估计每年在三峡大坝的淤积量;然而，彼此价值已经不可同日而语（2003-2008年长江泥沙公报; 戴等，2006;杨等人，2006年b，2007B;楚，翟，2008年，徐和明德，2009年）。这些差异，主要是由于：（1）被用作限制三峡大坝上游的不同的水文站（例如，清溪与寸滩，请参阅图1），（2）是否考虑无资料地区沉积物的影响;（3）是否考虑在三峡大坝站和宜昌之间通道内的泥沙冲淤。因此，为了更好地了解这个巨型水库的科学性和管理的问题，重新计算三峡大坝的沉降率并进行彻底的量化研究是必要的。
虽然三峡大坝在2003年蓄水前，长江泥沙通量减少了约30％，但是三峡大坝下游输沙的影响更为直接和显著（杨等人，2006年b，2007A;胡锦涛等。2009年，徐和明德，2009）。三峡大坝下陷的后果是下游侵蚀，三角洲后退和湿地缺失（例如，杨等人，2003年，2005,2006 A，2007A，2007B，陈等人，2008年徐和明德，2009年）。这也对下游和沿海生态系统构成了极大的威胁（谢等人，2003年，沉，谢，2004）。因此，2003年以后三峡大坝的蓄水造成长江泥沙通量的变化已经获得了越来越多的注意和关心。
三峡大坝实施后，根据三峡大坝（宜昌）泥沙估计量和大坝前宜昌和大同之间的泥沙数据相关性，已研究估计出长江泥沙通量（记录在大同）（杨等，2002年，2003年，2005年，2006年b）。然而，陈等人（2008）认为，上述这些估计量似乎高估了在三峡大坝建造后期进入三峡大坝的输沙量。徐等人（2007）也表示三峡大坝建造后宜昌和大同之间的输沙量相关性已经从根本上改变。最近，考虑梯级水库是位于三峡大坝上游侧（图1），杨等人建议长江泥沙通量在未来六十年里将减少到约100到150万吨每年。陈等人（2008年）表明，长江泥沙通量在三峡工程后期阶段将可能会从112万吨每年到132万吨每年变动，或者少于正常年份。然而，这些结果（杨等人，2006年，2007年；陈等人，2008年）仍然在辩论，由于梯级水库的影响，只有部分或者定性的被讨论。
在这篇论文里，我们将讨论三峡对长江水文状态的影响，通过对三峡大坝将其分为两个独立的部分。上部是主流从坪山到宜昌，下部是从宜昌到大同（表一所示）。根据在2003年运行的三峡大坝将水文数据暂时的分为两个时期，包括三峡大坝的前期和三峡大坝的后期。本文的主要目标是：（1）通过对三峡上游和下游泥沙数据的分析来估计泥沙在三峡水库的淤积速度；（2）通过估计理论上的淤积效率来对梯级水库的效果做一个定量的评估，及（3）讨论在未来几十年里，长江入海泥沙通量的发展趋势。
表1
2物理环境
长江发源于海拔5400米德青藏高原，向东延伸6300公里到中国东海。长江流域覆盖的流域面积达1.82×106平方公里，占中国总面积的19％（陈等人，2001年），这一大流域是超过400万人口的家，世界人口的6.6％。长江流域的气候是典型的亚热带气候，夏季温暖，潮湿，冬季凉爽。年平均气温从低于4℃增长到大约山区的5-15℃和大约中下游河岸的16-18℃（陈等人，2002年）。长江流域的平均降水量和蒸发量分别是1000-1400毫米每年和700-800毫米每年。
长江上游流域面积约1.00×106平方公里，从源头延伸4500公里到宜昌站。它的特点是多山区和丘陵，平均坡度是1.1％（杨等人，2007年）。四大支流（金沙江，嘉陵江，岷江，和乌江）参加长江上游的主流（图1和表1）。长江中下游从宜昌到大同，长度约1880公里，流域面积为0.8×106平方公里。其流经广阔的冲积平原，主流与几个湖泊相连（例如，洞庭湖，鄱阳湖，请参阅图一）。这两个大型湖泊将他们自己流域的大部分泥沙淤积，大大调节了长江入海的泥沙通量（戴等人，2005年；杨等人，2007年；陈等人，2008年）。汉江是长江中下游最大的支流。大同下游，河水受潮汐影响。因此，大同水和泥沙记录通常用于代表长江大量的泥沙，它会流入到海洋中，尽管它是来自河口上游600多公里。长江流域的水和泥沙分布格局是相当不平衡的。流入海洋的大部分长江泥沙主要来源于上游河岸，然而与大同相比较，从上游流出的水只占了50％（陈等人，2001年；王等人，2008年）。
三峡大坝高181米，长度是2335米，拥有39.3立方公里的存储容量（赵等人，2000年），是世界上最大的大坝（尼森等人，2005年）。三峡大坝是一个多功能的水电设施，用于防洪，发电和导航。大坝在2003年六月开始蓄水和阻断泥沙。此外，四个大型水电站水坝（乌东德，白鹤滩，溪洛渡和向家坝）已在计划中，此外，4个大型水电站水坝（乌东德，白鹤滩，溪洛渡和向家坝）已在计划中，充分利用在金沙江下游（图1和表2）跌落超过770公里的730米河流。溪洛渡，向家坝大坝正在建设，并且将在2013年和2012年分别投产。其他两座大坝，乌东德，白鹤滩，将于2010年开工建设，并于2020年建成投产（2007年刘，杨等人，2007年b）。金沙江下游梯级水库总库容在41.4立方公里左右，目前约是从金沙江支流每年145立方公里的排水量的三分之一。
3、数据收集和方法
3.1、数据收集
在这项研究中所使用的水和泥沙数据主要由长江水利委员会（长江委）和部分从长江泥沙公报（2000-2008）获得，并由长江委发布（可在http://www.cjh.comCN/）。长江中床沙量不包括在本研究中，因为其总量小于2％（杨等人，2002，2003）。站的位置和详尽的水文信息记录列于图 1和表1中。
3.2、由三峡大坝造成的泥沙淤积估计
宜昌站位于三峡大坝站下游的44公里处，因此，它可以作为的三峡大坝的输出站。宜昌市的水和泥沙主要来源于金沙江，嘉陵江，岷江，乌江（图1）。这四大支流排水量占80％和宜昌站输沙量占93％（表1）。傅等人（2006年）确定宜昌的输沙量和在三峡大坝建设前（1950-2002）四大支流输沙量之间的相关性。陈等人也用这种相关性（2008年）去计算三峡大坝在大坝后期进入的总泥沙量。然而，20世纪80年代中期以来，由于在长江上游流域人类活动加剧（例如，水坝和水土保护）（图2a）（徐等2006年，杨等人，2006年b，熊等，2009），宜昌的输沙量已显示出明显的下降趋势。因此，在三峡大坝前1986-2002年期间的的泥沙数据可能比整个时期（20世纪50年代到2002年）更具有代表性。
在这项研究中，泥沙数据的时间序列被分为两个时期：三峡大坝建设前期（1986-2002）和三峡大坝建设后期（2003-2008年）。相应的，有两种用来估计在大坝的淤积速率的方法。
（1）首先，我们建立宜昌的输沙量与在三峡大坝前期（1986-2002）（图2b）四个主要支流输沙量之间的相关性。这种相关性被用来修复宜昌在大坝后期的泥沙淤积方案。2003-2008年在宜昌存储的和实测的输沙量之间的差异被认为与水库泥沙淤积相等。
（2）另一种方法是根据对沉积物预算，以往的研究中已经使用过。（例如，戴等人，2006年杨等人。，2007年b，楚，翟，2008）。
3.3水库理论淤积效率（TE）计算
大型水库（>0.5立方公里）的理论淤积效率（TE）可以近似用最初由布伦（1953）确定的经验公式：
其中ΔτR是局部停留时间变化计算式为（2）：
其中Vi是第i个水库（立方千米）的容积和Q是坝每年的污水排放量（km3/yr）。
梯级水库中单个水坝的泥沙淤积效率分别利用单个大坝每年的排水量和大坝存储体积分别计算。关于总梯级水库，对每个大坝的容量进行了总结，每年被用来排水的量是船尾站长期排水量的平均水平（坪山站）。
布伦用于计算TE理论的方法，最初是由开发美国水库而发展而来的，它也被广泛使用于世界上的其他水库。这种方法可以提供长期的合理估计，大型水库的TE方法（例如，奥马特等人，1997年，2003年；莫里斯，凡等人，1998年；库姆和瓦利斯，2007年）。
摘要：位于中国长江上游的三峡大坝破坏着长江下游和沿海地区的泥沙输移的连续性。这项研究是基于54年长江每年主流和主要支流的水和泥沙数据，在2003年到2008年由长江三峡大坝引起的泥沙淤积被量化。此外，我们确定了三峡大坝上游梯级水库的传输效率理论。在未来的几十年里对长江泥沙通量的影响正被研究人员所讨论。结果显示，在2003年到2008年，每年大约有172万吨的泥沙由于三峡大坝而淤积，平均淤积效率是75％。全部泥沙淤积物的大部分，88％是由于三峡大坝产生的，主要是在三峡大坝和寸滩之间的区域内淤积。此外，长江输沙量在2001年就进入到了第三步，早于三峡大坝运行之前。这主要是由于在二十世纪九十年代后期金沙江支流的泥沙减少。随着梯级水库全面投入运行，它可以潜在的阻拦来自金沙江91％的泥沙，因此，金沙江输出的泥沙在未来几十年将最有可能进一步下降到14万吨每年。因此，长江输入大海的泥沙量在不远的未来将预期不断下降到90万吨每年，在二十世纪五十年代只能观察到全部数量的18％。低输沙的存在，科研人员预测其对河口形态，三角洲和沿海水域产生深远的影响。
1介绍
河流是陆域物质输送到大海的传送带（沃林和方，2003年；方，2006年），并且他们每年输送15到20亿吨的泥沙到全球海洋（明德和米德，1983年；明德，1991年）。这些大量的泥沙在全球地质循环，全球地理化学循环，沿海生态系统和三角洲的演变中扮演了重要的角色。然而大坝修建中断了河流系统输送泥沙至下游及沿海地区的连续性（孔多夫，1997年）。在二十世纪后半期，大约有超过15米高的45000个大型大坝和估计有800000个小型水坝被建造在世界各地，相比1950年，相当于接近一个数量级的增加（2000年）。据估计，超过30％的全球泥沙被淤积在水库（欧斯马等人，2003年），由于泥沙淤积的结果，每年大约要损失掉全球全部水库量的0.5％至1％。随后，从河流流入海洋的全球泥沙通量显著减少（明德，1997年；斯威特等人，2005年）。
中国的长江是世界级的河流，就它的排水量而言（920立方米每年）排名世界第五，就泥沙荷载而言在历史上排名第四（480万吨每年）（明德和米德，1983年；明德和斯威特，1992年）。在过去的五十年里，长江的排水量几乎保持不变，但是长江输入海洋的泥沙通量却经历了一个显著的减少。根据杨等人，自从二十世纪五十年代以来，长江显示了泥沙减少的三个阶段，包括在1968年在汉江上的丹江口水库，修建的很多水库和在1985年在嘉陵江流域的水土保护工程。当三峡大坝于2003年开始运营，长江泥沙向第三阶梯输移。长江水量和输沙量之间的相位关系，表明在这个大的河流系统中人类活动是影响产沙量，运输和储存泥沙的主要因素（杨等人，2002年，2006年b;陈等人，2005年，张等，2009）。在人类活动中，大坝建设是主导因素（88％），它有助于减少长江通向海洋的泥沙通量（戴等，2008）。在这里，我们主要集中在三峡大坝（图1），这是在世界上最大的水坝。它位于长江上游的尾部。 三峡大坝的蓄水量到2009年将达到39立方公里，约是在大同（903立方公里1950-2005）每年长期排放量的4.3％。
图1
从2003年6月三峡大坝开始蓄水和拦沙后，长江的主流分为两部分，三峡大坝的上游和下游（戴等人，2006年，杨等人，2007年a）。三峡大坝的上游主要是淤积。在水库的泥沙淤积造成存储容量逐步减少，并触发对环境的一系列的物理，化学和生态影响。评估其环境影响的关键之一是水库泥沙淤积的定量研究。以往的研究是通过沉积物预算法估计每年在三峡大坝的淤积量;然而，彼此价值已经不可同日而语（2003-2008年长江泥沙公报; 戴等，2006;杨等人，2006年b，2007B;楚，翟，2008年，徐和明德，2009年）。这些差异，主要是由于：（1）被用作限制三峡大坝上游的不同的水文站（例如，清溪与寸滩，请参阅图1），（2）是否考虑无资料地区沉积物的影响;（3）是否考虑在三峡大坝站和宜昌之间通道内的泥沙冲淤。因此，为了更好地了解这个巨型水库的科学性和管理的问题，重新计算三峡大坝的沉降率并进行彻底的量化研究是必要的。
虽然三峡大坝在2003年蓄水前，长江泥沙通量减少了约30％，但是三峡大坝下游输沙的影响更为直接和显著（杨等人，2006年b，2007A;胡锦涛等。2009年，徐和明德，2009）。三峡大坝下陷的后果是下游侵蚀，三角洲后退和湿地缺失（例如，杨等人，2003年，2005,2006 A，2007A，2007B，陈等人，2008年徐和明德，2009年）。这也对下游和沿海生态系统构成了极大的威胁（谢等人，2003年，沉，谢，2004）。因此，2003年以后三峡大坝的蓄水造成长江泥沙通量的变化已经获得了越来越多的注意和关心。
三峡大坝实施后，根据三峡大坝（宜昌）泥沙估计量和大坝前宜昌和大同之间的泥沙数据相关性，已研究估计出长江泥沙通量（记录在大同）（杨等，2002年，2003年，2005年，2006年b）。然而，陈等人（2008）认为，上述这些估计量似乎高估了在三峡大坝建造后期进入三峡大坝的输沙量。徐等人（2007）也表示三峡大坝建造后宜昌和大同之间的输沙量相关性已经从根本上改变。最近，考虑梯级水库是位于三峡大坝上游侧（图1），杨等人建议长江泥沙通量在未来六十年里将减少到约100到150万吨每年。陈等人（2008年）表明，长江泥沙通量在三峡工程后期阶段将可能会从112万吨每年到132万吨每年变动，或者少于正常年份。然而，这些结果（杨等人，2006年，2007年；陈等人，2008年）仍然在辩论，由于梯级水库的影响，只有部分或者定性的被讨论。
在这篇论文里，我们将讨论三峡对长江水文状态的影响，通过对三峡大坝将其分为两个独立的部分。上部是主流从坪山到宜昌，下部是从宜昌到大同（表一所示）。根据在2003年运行的三峡大坝将水文数据暂时的分为两个时期，包括三峡大坝的前期和三峡大坝的后期。本文的主要目标是：（1）通过对三峡上游和下游泥沙数据的分析来估计泥沙在三峡水库的淤积速度；（2）通过估计理论上的淤积效率来对梯级水库的效果做一个定量的评估，及（3）讨论在未来几十年里，长江入海泥沙通量的发展趋势。
表1
2物理环境
长江发源于海拔5400米德青藏高原，向东延伸6300公里到中国东海。长江流域覆盖的流域面积达1.82×106平方公里，占中国总面积的19％（陈等人，2001年），这一大流域是超过400万人口的家，世界人口的6.6％。长江流域的气候是典型的亚热带气候，夏季温暖，潮湿，冬季凉爽。年平均气温从低于4℃增长到大约山区的5-15℃和大约中下游河岸的16-18℃（陈等人，2002年）。长江流域的平均降水量和蒸发量分别是1000-1400毫米每年和700-800毫米每年。
长江上游流域面积约1.00×106平方公里，从源头延伸4500公里到宜昌站。它的特点是多山区和丘陵，平均坡度是1.1％（杨等人，2007年）。四大支流（金沙江，嘉陵江，岷江，和乌江）参加长江上游的主流（图1和表1）。长江中下游从宜昌到大同，长度约1880公里，流域面积为0.8×106平方公里。其流经广阔的冲积平原，主流与几个湖泊相连（例如，洞庭湖，鄱阳湖，请参阅图一）。这两个大型湖泊将他们自己流域的大部分泥沙淤积，大大调节了长江入海的泥沙通量（戴等人，2005年；杨等人，2007年；陈等人，2008年）。汉江是长江中下游最大的支流。大同下游，河水受潮汐影响。因此，大同水和泥沙记录通常用于代表长江大量的泥沙，它会流入到海洋中，尽管它是来自河口上游600多公里。长江流域的水和泥沙分布格局是相当不平衡的。流入海洋的大部分长江泥沙主要来源于上游河岸，然而与大同相比较，从上游流出的水只占了50％（陈等人，2001年；王等人，2008年）。
三峡大坝高181米，长度是2335米，拥有39.3立方公里的存储容量（赵等人，2000年），是世界上最大的大坝（尼森等人，2005年）。三峡大坝是一个多功能的水电设施，用于防洪，发电和导航。大坝在2003年六月开始蓄水和阻断泥沙。此外，四个大型水电站水坝（乌东德，白鹤滩，溪洛渡和向家坝）已在计划中，此外，4个大型水电站水坝（乌东德，白鹤滩，溪洛渡和向家坝）已在计划中，充分利用在金沙江下游（图1和表2）跌落超过770公里的730米河流。溪洛渡，向家坝大坝正在建设，并且将在2013年和2012年分别投产。其他两座大坝，乌东德，白鹤滩，将于2010年开工建设，并于2020年建成投产（2007年刘，杨等人，2007年b）。金沙江下游梯级水库总库容在41.4立方公里左右，目前约是从金沙江支流每年145立方公里的排水量的三分之一。
3、数据收集和方法
3.1、数据收集
在这项研究中所使用的水和泥沙数据主要由长江水利委员会（长江委）和部分从长江泥沙公报（2000-2008）获得，并由长江委发布（可在http://www.cjh.comCN/）。长江中床沙量不包括在本研究中，因为其总量小于2％（杨等人，2002，2003）。站的位置和详尽的水文信息记录列于图 1和表1中。
3.2、由三峡大坝造成的泥沙淤积估计
宜昌站位于三峡大坝站下游的44公里处，因此，它可以作为的三峡大坝的输出站。宜昌市的水和泥沙主要来源于金沙江，嘉陵江，岷江，乌江（图1）。这四大支流排水量占80％和宜昌站输沙量占93％（表1）。傅等人（2006年）确定宜昌的输沙量和在三峡大坝建设前（1950-2002）四大支流输沙量之间的相关性。陈等人也用这种相关性（2008年）去计算三峡大坝在大坝后期进入的总泥沙量。然而，20世纪80年代中期以来，由于在长江上游流域人类活动加剧（例如，水坝和水土保护）（图2a）（徐等2006年，杨等人，2006年b，熊等，2009），宜昌的输沙量已显示出明显的下降趋势。因此，在三峡大坝前1986-2002年期间的的泥沙数据可能比整个时期（20世纪50年代到2002年）更具有代表性。
在这项研究中，泥沙数据的时间序列被分为两个时期：三峡大坝建设前期（1986-2002）和三峡大坝建设后期（2003-2008年）。相应的，有两种用来估计在大坝的淤积速率的方法。
（1）首先，我们建立宜昌的输沙量与在三峡大坝前期（1986-2002）（图2b）四个主要支流输沙量之间的相关性。这种相关性被用来修复宜昌在大坝后期的泥沙淤积方案。2003-2008年在宜昌存储的和实测的输沙量之间的差异被认为与水库泥沙淤积相等。
（2）另一种方法是根据对沉积物预算，以往的研究中已经使用过。（例如，戴等人，2006年杨等人。，2007年b，楚，翟，2008）。
3.3水库理论淤积效率（TE）计算
大型水库（>0.5立方公里）的理论淤积效率（TE）可以近似用最初由布伦（1953）确定的经验公式：
其中ΔτR是局部停留时间变化计算式为（2）：
其中Vi是第i个水库（立方千米）的容积和Q是坝每年的污水排放量（km3/yr）。
梯级水库中单个水坝的泥沙淤积效率分别利用单个大坝每年的排水量和大坝存储体积分别计算。关于总梯级水库，对每个大坝的容量进行了总结，每年被用来排水的量是船尾站长期排水量的平均水平（坪山站）。
布伦用于计算TE理论的方法，最初是由开发美国水库而发展而来的，它也被广泛使用于世界上的其他水库。这种方法可以提供长期的合理估计，大型水库的TE方法（例如，奥马特等人，1997年，2003年；莫里斯，凡等人，1998年；库姆和瓦利斯，2007年）。