陳 鵬,金中武,周銀軍,湯柔馨,馮志勇

(1.長江科學(xué)院 水利部長江中下游河湖治理與防洪重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010; 2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430072;3.長江設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,武漢 430010)

0 引 言

長江源區(qū)地處青藏高原腹地,是三江源區(qū)的重要組成部分,平均海拔高度4 000 m,位于32°30′N—35°40′N, 90°30′E—94°00′E,面積約14萬km2,占長江流域總面積的8%。

長江源區(qū)受氣候變化影響極為敏感,近期氣候變暖導(dǎo)致長江源區(qū)凍土的顯著消融和山地冰川的迅速退縮,短期內(nèi)會(huì)造成江河水量和沙量增加,河流也發(fā)生了相應(yīng)演變(Immerzeel等[1],2010;王根緒等[2],2007)。隨著濕地面積縮小、草地退化、土地沙漠化和生物多樣性破壞等綜合作用的加劇,江源區(qū)的水源涵養(yǎng)能力大大削弱(孫廣友等[3],1995;陳婷[4],2009;閆霞等[5],2019)。河流產(chǎn)沙輸沙隨之產(chǎn)生了系列變化(韓麗等[6],2017;蔣沖等[7],2017)。劉希勝[8](2014)對(duì)三江源主要河流泥沙特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)21世紀(jì)以來,通天河含沙量比多年平均偏小,輸沙量比多年平均偏大。對(duì)沱沱河沿水文站數(shù)據(jù)分析也顯示,沱沱河徑流量和輸沙量均有所增大(徐平等[9],2018)。長江源區(qū)的輸沙量增大與長江整體河段輸沙量的明顯減少形成鮮明對(duì)比(曹建廷等[10],2007)。而近年來,在氣溫升高、降雨增加,來水來沙加大的情況下,河岸凍結(jié)土體(沖積河段多為細(xì)沙組成)熱融加速、坡腳沖刷增強(qiáng),極易引起岸坡垮塌、河寬增加。一方面給河流保護(hù)、水資源適應(yīng)性利用帶來基礎(chǔ)數(shù)據(jù)變化問題;另一方面,也可能帶來洪水災(zāi)害、加劇高原涉河建筑物的沖刷水毀。因此,聚焦氣候變化下長江源區(qū)水沙變化,對(duì)揭示長江源區(qū)“氣候變化-水沙輸移-河流演變”之間的演化過程有著重要的科學(xué)意義。

本文基于水文站實(shí)測資料和14個(gè)野外觀測點(diǎn)2012—2021年數(shù)據(jù),對(duì)長江源區(qū)多條河流水沙時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析。

1 研究區(qū)域

本次實(shí)地考察包括通天河的囊極巴隴、聶恰曲匯口、直門達(dá)3個(gè)考察點(diǎn),楚瑪爾河的五道梁、曲麻河鄉(xiāng)2個(gè)考察點(diǎn),布曲的匯口、雁石坪2個(gè)考察點(diǎn),當(dāng)曲的且曲和多朝能交匯處、當(dāng)曲干流(上游大橋)、當(dāng)曲干流(下游大橋)3個(gè)考察點(diǎn),以及沱沱河、尕爾曲、聶恰曲、科欠曲的4個(gè)考察點(diǎn),共計(jì)14個(gè)考察點(diǎn)?？疾禳c(diǎn)涉及的河流均處于當(dāng)曲-通天河水系,河型包括單一順直、單一彎曲、彎曲分汊等多個(gè)河型,海拔在3 500～4 815 m之間,有城市河段、鄉(xiāng)村河段及無人區(qū)河流(表1)。

表1 河流泥沙采樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic information of river sediment sampling sites

表2 考察內(nèi)容Table 2 Contents of the investigation

2 考察內(nèi)容與方法

2.1 考察內(nèi)容

本次考察時(shí)間為7—8月份(枯水期),內(nèi)容包括采集考察點(diǎn)的河道、水流、泥沙3個(gè)方面的特征參數(shù),采用的手段包括水文測量、樣品采集以及測量、以及影像資料收集等。具體考察內(nèi)容如下。

2.2 考察方法

2.2.1 水文測量

(1)流速測量。采用浮標(biāo)法測量,盡量測量河道主流流速,根據(jù)河道水流形態(tài)乘以相應(yīng)系數(shù)估算平均流速。

(2)河寬測量。河道寬度采用激光測距儀直接測量。

(3)水位測量。通過GPS高程定位。

(4)水深測量。通過標(biāo)尺或現(xiàn)場參照物進(jìn)行估算。

(5)泥沙測量。通過泥沙顆粒分析,獲取泥沙樣本參數(shù)。

2.2.2 樣品采集

(1)水樣采集。利用容量瓶直接采集近岸河流水面下約10 cm深處水樣,每個(gè)考察點(diǎn)采集水樣約300 mL。

(2)沙樣采集。利用軍工鏟直接采集河道新淤積床沙,采集后用封口袋封裝,并現(xiàn)場稱重記錄。

(3)土樣采集。利用軍工鏟直接采集河岸帶表層土壤,采集后用封口袋封裝,并現(xiàn)場稱重記錄。

3 研究結(jié)果

3.1 水沙基本參數(shù)調(diào)查分析

根據(jù)本次考察河段的河型、河寬、流速以及含沙水樣的測量結(jié)果,如表3所示?？傮w來看,聶恰曲、布曲雁石坪、科欠曲等3個(gè)考察點(diǎn)流量都相對(duì)較小,含沙量也相對(duì)較低。從河型上看,除了通天河直門達(dá)河段、聶恰曲治多縣幸福大橋河段為順直型外,其他基本都是彎曲分汊型。值得一提的是,編號(hào)1-1和1-2分別代表的是當(dāng)曲源頭的且曲和多朝能,對(duì)于當(dāng)曲正源是且曲還是多朝能一直存在著爭議,而從這次考察觀測的數(shù)據(jù)來看,多朝能的流量要稍大于且曲。

表3 各采樣點(diǎn)水沙基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of water and sediment at sampling sites

3.2 徑流泥沙特征及變化

根據(jù)長江源區(qū)水文站實(shí)測資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表4),直門達(dá)水文站多年平均徑流量134.8億m3,多年平均徑流模數(shù)9.57萬m3/(km2·a);沱沱河水文站1956—2020年多年平均徑流量9.93億m3,占直門達(dá)徑流量7.37%,多年平均徑流模數(shù)6.41萬m3/(km2·a),較直門達(dá)偏小36.53%;楚瑪爾河曲麻河鄉(xiāng)水文站年平均徑流模數(shù)8.37萬m3/(km2·a),比直門達(dá)偏小17.13%,布曲雁石坪站多年平均徑流模數(shù)6.15萬m3/(km2·a),比直門達(dá)偏小39.1%。由此可知,徑流分布呈現(xiàn)出東多西少的格局。

表4 長江源區(qū)徑流輸沙特征值Table 4 Characteristic values of runoff and sediment transport in the source region of Yangtze River

直門達(dá)水文站多年平均含沙量0.69 kg/m3,多年平均輸沙量993.71萬t,多年平均輸沙模數(shù)75.19t/(km2·a);沱沱河水文站多年平均含沙量0.79 kg/m3,多年平均輸沙量112.72萬t,多年平均輸沙模數(shù)73.07 t/(km2·a)。

以直門達(dá)為例,計(jì)算了輸沙量、徑流量與降水、溫度等因素的相關(guān)關(guān)系,見表5。徑流量與降水量、溫度、實(shí)際蒸發(fā)量在0.01水平上顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.671、0.364、0.699;輸沙量與分別與徑流量、降水量、蒸發(fā)量高度相關(guān)、顯著相關(guān)、顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0.842、0.610、0.482。

表5 水沙與氣象因素Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)系數(shù)Table 5 Pearson correlation test coefficients between wate-sediment and meteorological factors

3.3 泥沙特性及變化

3.3.1 泥沙特征

根據(jù)歷次野外觀測數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)了長江源區(qū)典型河段水沙情況,不同日期考察點(diǎn)情況見表6。

表6 長江源區(qū)典型河段不同日期考察點(diǎn)情況Table 6 Investigation points in typical river sections on different dates

各考察點(diǎn)流量、含沙量觀測值見圖1。由圖1可知,長江源區(qū)各支流流量分布有明顯的時(shí)空差異,年際間來看,通天河干流、楚瑪爾河、沱沱河考察斷面均表現(xiàn)為2017年6月流量均最小,2019年8月次之,2018年8月、2020年8月、2021年7月相對(duì)較大,而尕爾曲、布曲、聶恰曲2018、2019年、2021年流量較大、2017、2020年流量相對(duì)較小,沱沱河年際間流量變幅最大?？臻g分布來看,通天河干流流量最大,各支流中聶恰曲、楚瑪爾河、沱沱河相對(duì)較大,布曲、尕爾曲較小。

圖1 各考察點(diǎn)流量、含沙量觀測值Fig.1 Observed values of flow rate and sediment concentration at investigation points

長江源區(qū)各支流含沙量時(shí)空分布差異比較明顯,且沒有明顯的規(guī)律?？偟膩砜?楚瑪爾河五道梁段、沱沱河唐古拉山鎮(zhèn)段、通天河囊極巴隴及曲麻萊縣城段含沙量較大,其余考察點(diǎn)含沙量相對(duì)較小。

長江源區(qū)各考察點(diǎn)懸移質(zhì)中值粒徑變幅相對(duì)較大(圖2),2017年6月,沱沱河唐古拉山鎮(zhèn)段、楚瑪爾河兩個(gè)河段及通天河囊極巴隴段懸移質(zhì)中值粒徑相對(duì)較大,其他時(shí)段及河段則相對(duì)較小。

圖2 各考察點(diǎn)懸移質(zhì)和床沙中值粒徑觀測值Fig.2 Observed median particle size of suspended and bed sediments at investigation sites

長江源區(qū)各考察點(diǎn)床沙中值粒徑普遍較大,各河段年際間變化規(guī)律不一致。通天河干流、布曲、尕爾曲床沙中值粒徑最大,說明河床組成最粗,抗沖性較好,河道相對(duì)比較穩(wěn)定。

3.3.2 泥沙特性變化

自2012年啟動(dòng)江源科學(xué)考察以來,通過歷年河流泥沙專業(yè)的考察和取樣,收集了多個(gè)考察點(diǎn)的水流泥沙資料。將多年觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得到江源地區(qū)水沙特性的變化情況。

3.3.2.1 沱沱河

2016—2021年均對(duì)沱沱河沿河段進(jìn)行觀測和取樣,其中2016年在汛前和汛末各觀測一次,各時(shí)段河段水流特性見表7。

表7 沱沱河沿不同時(shí)段水文泥沙特性Table 7 Characteristics of water and sediment in TuotuoRiver in different periods

沱沱河沿6個(gè)時(shí)段懸沙級(jí)配曲線可以反映出懸沙年內(nèi)變化趨勢(shì),汛期7、8月份懸移質(zhì)含沙量及中值粒徑均相對(duì)較大,汛前6月份含沙量及懸沙中值粒徑相對(duì)較小,汛末懸移質(zhì)含沙量和中值粒徑最小。說明該河段河流輸沙多在汛期、汛前進(jìn)行,汛后盡管水流動(dòng)力仍然較強(qiáng),但輸沙量較小。圖3為沱沱河沿床沙粒徑級(jí)配曲線,同樣表現(xiàn)為汛期床沙中值粒徑最粗,汛期和汛末中值粒徑相差不大。

圖3 沱沱河沿懸沙和床沙級(jí)配曲線Fig.3 Gradation curves of suspended and bed sediments of Tuotuo River bank

3.3.2.2 楚瑪爾河

收集了楚瑪爾河五道梁段2016—2021年實(shí)測水沙資料。

楚瑪爾河五道梁處7個(gè)觀測時(shí)段對(duì)比(表8和圖4)可知,汛期7、8月份懸移質(zhì)含沙量及中值粒徑較大,汛前6月份其次,汛末最小。床沙中值粒徑表現(xiàn)出同樣的規(guī)律。

圖4 楚瑪爾河五道梁懸沙和床沙級(jí)配曲線Fig.4 Gradation curves of suspended and bed sediments in Wudaoliang segment of Chumaer River

表8 楚瑪爾河五道梁段不同時(shí)段水文泥沙特性Table 8 Characteristics of water and sediment in Wudao-liang segment of Chumaer River in different periods

3.3.2.3 通天河

收集了通天河囊極巴隴、曲麻萊、直門達(dá)3個(gè)考察斷面歷年實(shí)測水沙資料。

通天河沿程3個(gè)河段懸移質(zhì)含沙量和懸沙中值粒徑同樣表現(xiàn)為汛期最大、汛前其次、汛末最小的規(guī)律(表9和圖5),其中直門達(dá)河段汛期和汛前相差較大。

圖5 通天河囊極巴隴、曲麻萊和直門達(dá)河段懸沙級(jí)配曲線Fig.5 Gradation curves of suspended sediments in Nangjibalong, Qumalai, and Zhimenda segments of Tongtian River

4 結(jié) 論

本文通過采用水文測量、樣品采集以及測量、影像資料收集等手段對(duì)長江源區(qū)河流典型河段河道、水流、泥沙3個(gè)方面的特征參數(shù)進(jìn)行了收集和分析,得出以下結(jié)論:

(1)長江源徑流量與降水量、溫度顯著相關(guān);輸沙量與徑流量相關(guān)度最高,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.842;輸沙量與降水量相關(guān)度次之,相關(guān)系數(shù)為0.610。

(2)受氣溫、降水等因素影響,長江源區(qū)河流徑流輸沙呈現(xiàn)明顯的空間分布差異,年際間來看,2018年、2020年、2021年同期流量較大,2019年流量較小;含沙量則在2019年6月份最大。

(3)長江源區(qū)各考察點(diǎn)懸沙中值粒徑總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì),床沙中值粒徑普遍較大,其中通天河干流、布曲、尕爾曲床沙中值粒徑最大,各河段年際間泥沙中值粒徑變化規(guī)律不一致。