Characteristics of sediment transport and erosion-deposition changes in the middle and lower reaches of the Changjiang River in 2022
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摘要:
2022年长江流域遭遇了汛期反枯的极端水文气象条件,导致长江中下游的水位降至有实测资料记录以来的同期最低,该极端水文情势使长江中下游河道冲淤变化出现了新特征。基于详细实测水沙监测及固定断面资料,对2022年极端水文气象条件下长江中下游干流河道输沙的冲淤变化特点进行深入分析。结果表明:1—6月份长江中下游各测站输沙量有增有减,总体上输沙量保持相对稳定;7—12月份各测站输沙量均出现了大幅下降,宜昌至九江河段通过输沙量法计算得知冲刷的泥沙总量为2 391 万t,通过断面法计算得知湖口至江阴河段泥沙淤积量为4 657 万m3(湖口至大通冲刷量为1 211 万m3,大通至江阴淤积量为5 868 万m3),江阴以下河段冲刷量为6 335 万m3。上游来流减少和长江口潮位的影响是造成湖口至江阴河段淤积的主要原因。研究结果可为进一步探索长江中下游河道冲淤变化规律、预测未来的冲淤趋势提供重要参考。
Abstract:In 2022, the Changjiang River Basin experienced an extreme hydrometeorological event characterized by drought conditions during the flood season, causing water levels in the middle and lower reaches of the Changjiang River to drop to the lowest on record for the same period. This extreme hydrological situation led to new patterns of erosion and deposition changes in these river reaches. Based on detailed monitoring data of water and sediment, as well as fixed cross-sectional data, this study conducted an in-depth analysis of the sediment transport and erosion-deposition characteristics in the main channel of the middle and lower Changjiang River under these extreme conditions in 2022. The results showed that sediment transport varied between stations from January to June, with overall stability. However, from July to December, there was a significant decline in sediment transport at all stations. Calculations based on sediment transport methods revealed that 23.91 million tonnes of sediment were eroded from the Yichang to Jiujiang section, while cross-sectional methods indicated that the Hukou to Jiangyin section experienced a deposition of 46.57 million cubic meters of sediment (with 12.11 million cubic meters of erosion from Hukou to Datong, and 58.68 million cubic meters of deposition from Datong to Jiangyin). Additionally, 63.35 million cubic meters of sediment were eroded downstream of Jiangyin. Reduced upstream inflows and tidal effects in the Changjiang River estuary were the primary causes of deposition in the Hukou to Jiangyin section. These findings provide crucial insights for further understanding the patterns of erosion and deposition in the middle and lower Changjiang River, and offer valuable references for predicting future trends.
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自三峡水库蓄水运用后,长江上游的水沙条件发生了明显变化。三峡水库入库和出库泥沙均显著减少[1-3]。受这种清水下泄的影响,长江中下游长约1 893 km的干流河道发生全线冲刷,冲刷范围已发展至长江口河段,且冲刷强度显著增强[4-6]。2022年,长江流域水雨情出现了显著的丰枯急转现象,导致长江流域陷入严重枯水状态,特别在8月份各主要控制站月最低水位均打破历年同期的最低记录[7-10]。这一特殊水文情势使长江中下游的河道冲刷规律发生变化,呈现出一些新的特性。螺山至汉口河段、大通至江阴河段出现淤积现象,北支河段的冲淤情况也发生显著改变。
本文旨在对2022年特殊水文情势下长江中下游干流河道的冲淤变化特性进行深入分析,并初步探讨其变化的原因。这一研究不仅有助于更好地理解长江中下游河道的冲淤变化规律,还可为进一步预测其变化趋势提供参考。
1. 2022年长江中下游各站水沙情况
1.1 水文情势变化
2022年1—6月长江中下游主要控制站来水量偏多,然而6月底至7月初这一情况急剧转变,开始汛枯急转,进入枯水期(图1)。2022年,汉口站的年最大流量值为43 300 m3/s,出现在6月9日;大通站的年最大流量值为61 300 m3/s,出现在6月24日。这两个值均为2013—2021年同期中的最大值。然而,从7月初开始,流量迅速下降,9月底,汉口站和大通站的流量分别降至8 940 和9 980 m3/s,此后,这两个站的流量保持稳定。值得注意的是,从7月到12月,这两个站的流量都是2013—2021年同期中的最小值(图1)。
2022年,2—6月各站同期水位均高于2013—2021年同一时期的平均水平,而7—12月各站同期水位则普遍远低于2013—2021年的均值,如图2和图3所示。各站水位与同期相比差异最大的月份基本发生在9月,各站水位比2013—2021年均值下降0.64~7.45 m,其中汉口站的水位差值最大,江阴站的水位差值最小。
2022年长江中下游干流的水位与2013—2021年的月均水位差值,在2—6月表现出沿程先增后减的趋势,到7月差值则呈现出沿程持续减少的趋势;8—9月差值的变化趋势又变为沿程先增后减(图3)。长江干流各站的水位涨跌幅并不一致,特别是在大通站及其下游的站点,差值呈现逐渐减小的趋势。这一变化显然是受到了长江口潮位的影响。因此,长江下游的水位变化不仅受上游来水及气象的影响,还与长江口的潮汐作用密切相关。
1.2 输沙情势变化
2022年各站输沙过程,与2013—2021年(即金沙江下游梯级水库开始蓄水运用后)的同期数据相比,1—6月各站的输沙量呈现增减不一的态势,但总体看,这一时期的输沙量基本保持一致。具体而言,宜昌站的输沙量比2013—2021年的均值增加54%,这可能与长江上游来水来沙的增多有关;沙市站和监利站的输沙量分别减少30%和10%;螺山站的输沙量则略增7%;汉口站的输沙量减少11%;九江站和大通站的输沙量则分别高出2013—2021年的均值14%和5%;7—12月份各站输沙量均大幅度下降,降幅为65%~93%,如图4和图5所示。
2. 2022年长江中下游干流河道冲淤变化特点
2.1 冲淤量及冲淤分布
由于2022年宜昌至大通河段未进行断面测量,故采用输沙量法对该段冲淤量进行分析。输沙量法是使用河段进出口、区间来沙、分沙的测站输沙率资料,利用物质守恒定律,计算进出口沙量的差值,即作为该河段的冲淤量[11-12]。2022年,通过输沙量法计算得到宜昌至九江河段冲刷量2 391 万t,通过对比自三峡水库蓄水以来的历年输沙量法计算结果(见表1),发现2022年与2009年(冲刷量2 117 万t)和2013年(冲刷量2 547 万t)的结果非常接近,偏差分别仅为13%和6%。另外,2022年的来水总量与这两年也表现出相似性:与2009年的径流量相比,2022年汉口站和大通站的径流量分别减少4%和1%;与2013年相比,汉口站和大通站的径流量分别减少5%和2%。此外,自2003年以来,径流量和输沙量减少趋势较为明显[13]。
年份 输沙法计算的冲淤量/万t 年径流量/亿m3 宜昌-九江 宜昌-大通 沙市 汉口 九江 大通 2003 −5 850 −6 890 3 924 7 380 7 897 9 248 2004 −5 123 −5 553 3 901 6 773 7 078 7 884 2005 −3 213 −6 063 4 210 7 443 7 656 9 015 2006 −1 591 −3 831 2 795 5 341 5 381 6 886 2007 −3 630 −6 430 3 770 6 450 6 640 7 708 2008 −3 746 −7 275 3 902 6 728 6 973 8 291 2009 −2 117 −5 065 3 686 6 278 6 474 7 819 2010 −1 598 −9 978 3 819 7 472 7 686 10 220 2011 −1 545 −2 940 3 345 5 495 5 517 6 671 2012 −2 298 −8 128 4 224 7 576 7 664 10 020 2013 −2 547 −4 847 3 538 6 358 6 298 7 878 2014 −3 775 −7 825 4 123 7 200 7 271 8 919 2015 −2 507 −7 287 3 645 6 752 6 997 9 139 2016 −4 737 −10 937 3 988 7 487 7 933 10 450 2017 −5 092 −7 247 4 096 7 373 7 585 9 378 2018 −4 749 −4 208 4 326 6 695 6 774 8 028 2019 −4 312 −7 997 4 059 7 132 7 239 9 334 2020 −5 910 −11 369 4 978 8 794 9 276 11 180 2021 −3 808 −6 016 4 352 7 829 8 079 9 646 2022 −2 391 −4 258 3 411 6 009 6 185 7 712 注:已考虑洞庭湖、汉江和鄱阳湖汇入泥沙。 对长江中下游各区段的冲淤量采用输沙计算(图6)。由图6可见,2022年除螺山至汉口河段出现了淤积现象,其他河段都表现为冲刷,具体而言:宜昌至枝城河段和枝城至沙市河段的冲刷量相对较小,分别为137 万t和248 万t。然而,沙市至监利河段的冲刷量较大,达到了1 382 万t。相比之下,监利至螺山河段的冲刷现象比以往更为明显,冲刷量高达1 000 万t。值得注意的是,螺山至汉口河段却出现了淤积,泥沙的淤积量达到了1 026 万t。另外,汉口至九江河段和九江至大通河段的冲刷量则分别为650 万t和1 867 万t。
断面法是采用同一高程下两个测次槽蓄量的差值进行计算[11-12]。根据2021年11月至2022年11月的实测断面数据统计分析,湖口至江阴河段这一年内泥沙淤积量总计4 657 万m3。其中,湖口至大通河段则冲刷了1 211 万m3泥沙,而大通至江阴河段则淤积了5 868 万m3泥沙。同时,江阴以下河段则发生了冲刷作用,总计冲刷6 335 万m3的泥沙。其中,江阴至徐六泾河段冲刷3 484 万m3,而南支和北支河段分别冲刷280 万m3和2 571 万m3的泥沙,如图7所示。
2022年,湖口至大通河段继续呈现出冲刷态势,但冲刷量小于三峡水库蓄水运用以来的年均值2 600 万m3。与往年相比,大通至江阴河段的冲淤规律发生了变化。与过去年均冲刷5 900 万m3的趋势不同,该河段在2022年表现出较大的淤积,且淤积主要发生在较宽河段。与此同时,江阴至徐六泾河段的冲刷情况与往年大致相当[14]。然而,北支河段的情况发生了显著变化,由以往年均淤积1 600 万m3转变为冲刷2 571 万m3。南支河段也发生了变化,由以往年均冲刷2 000 万m3转变为冲刷280 万m3[15-16]。
2022年的极端水文情势“汛期反枯”,上游来流减小;但受长江口潮位影响,咸潮上溯等是造成湖口以下河段冲淤变化的主要原因。特别是以往大通的主要输沙期为7月,在2022年期间该河段的水面比降明显偏小(图3)。
2.2 不同泥沙粒径河床冲淤情况
长江中下游各河段不同泥沙粒径冲淤情况如表2所示,自三峡水库蓄水运用以来,宜昌至监利河段展现出了“粗细皆冲”的特性[17],粒径d>0.125 mm的粗沙冲刷量占全沙的57%。这表明在这一河段,无论是粗沙还是细沙都经历了冲刷作用。监利至螺山河段则呈现出“冲细淤粗”的特点,粗沙淤积量基本等于细沙冲刷量。螺山至汉口河段和汉口至大通河段,总体上表现为“冲细淤粗”,且细沙冲刷量远大于粗沙淤积量。近年来由于上游河段(监利-螺山)来沙中细沙占比大幅增加,螺山至汉口河段表现出了“淤细冲粗”的趋势。
时段 宜昌-枝城河段冲淤/万t 枝城-沙市河段冲淤/万t 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 2003—2006年 −1 828 −203 −5 470 −7 501 −3 160 −1 791 −5 618 −10 570 2007—2012年 −1 385 −133 −1 214 −2 732 −3 133 −544 −4 085 −7 762 2013—2021年 −2 690 −467 −463 −3 620 −5 834 −808 −6 546 −13 189 2003—2021年 −5 903 −804 −7 147 −13 853 −12 127 −3 144 −16 250 −31 521 2022年 −47 −50 −40 −137 −108 −11 −129 −248 时段 沙市-监利河段冲淤/万t 监利-螺山河段冲淤/万t 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 2003—2006年 −302 −2 918 −3 729 −6 949 −249 −550 2 259 1 460 2007—2012年 −2 835 −1 754 −6 524 −11 113 −616 279 3 457 3 120 2013—2021年 −4 489 −1 883 −14 072 −20 444 −13 642 −465 12 352 −1 755 2003—2021年 −7 626 −6 554 −24 325 −38 505 −14 507 −736 18 068 2 825 2022年 −389 −127 −866 −1 382 −1 840 −23 863 −1 000 时段 螺山-汉口河段冲淤/万t 汉口-大通河段冲淤/万t 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 2003—2006年 −2 778 1 171 3 599 1 992 −22 558 156 13 012 −9 390 2007—2012年 −950 −1 947 −580 −3 477 −15 240 −805 4 623 −11 422 2013—2021年 3 272 −2 191 −2 708 −1 627 −26 234 −6 744 −2 248 −35 226 2003—2021年 −457 −2 966 311 −3 112 −64 032 −7 393 15 387 −56 038 2022年 910 44 72 1 026 −658 −731 −1 128 −2 517 注:表中粒径组1、2、3对应的泥沙粒径分别为d≤0.062 mm、0.062 mm<d≤0.125 mm、d>0.125 mm,下同。 进入2022年,宜昌至监利河段的“粗细皆冲”特性保持不变,这说明该河段的泥沙冲刷作用依然强劲。监利至螺山河段虽然仍维持“冲细淤粗”的状态,但细沙冲刷量远大于粗沙淤积量,这表明细沙的冲刷作用在这一河段变得更加显著。螺山至汉口河段则由近年来的“淤细冲粗”转变为“粗细均淤”,意味着该河段的泥沙运动趋于平衡,粗沙和细沙均发生了淤积。汉口至大通河段则表现为“粗细皆冲”,且冲粗现象明显。
对比洞庭湖、汉江和鄱阳湖等入汇控制站及长江干流控制站不同泥沙粒径的输沙量(表3),结果显示,城陵矶(洞庭湖出口控制站)、仙桃(汉江出口控制站)、湖口(鄱阳湖出口控制站)三个测站中,泥沙粒径d≤0.062 mm的泥沙占比分别为94%、73%和92%。这表明洞庭湖出流的泥沙特征为“细沙多而粗沙少”,这成为监利至螺山河段维持“冲细淤粗”现象的重要原因之一。相比之下,由于汉江的径流量相对较小,其对长江干流的输沙量影响十分有限。至于鄱阳湖,由于其各粒径的含沙量均较低,汇入长江后导致九江-大通河段的泥沙呈现出“粗细皆冲”的特点。
站名 不同泥沙粒径下的输沙量/万t 年径流量/亿m3 粒径组1 粒径组2 粒径组3 监利 735 200 1 045 3 368 城陵矶 1 222 51 27 2 289 螺山 3 796 274 210 5 627 仙桃 275 49 52 273 汉口 3 161 280 189 6 009 九江 2 654 449 1 177 6 186 湖口 463 21 20 1 430 大通 4 283 1 031 1 337 7 712 3. 2022年长江中下游河道冲淤变化原因分析
2013—2021年,长江中下游的宜昌至九江河段与九江至大通河段在年内的冲刷分布呈现出较为一致的模式,2022年的情况却有所不同,由于长江中下游地区遭遇了6—7月汛枯急转的特殊水情,导致九江至大通河段的冲刷出现了滞后现象,这与宜昌至九江河段的冲刷模式并不完全同步。
2022年,宜昌至九江河段的冲刷主要集中在5月中下旬及6月上旬,这一时期恰好与长江中下游河段流量的快速增长阶段相吻合。随着流量的增加,河道的冲刷作用也显著增强。然而,进入6月中下旬,河段流量进入相对平稳的高洪期,此时的冲刷现象变得不明显。7月,长江中下游开始经历从洪水期到枯水期的急剧转变,这一过程中,各旬的冲刷量相较于高洪期有所回升;8月冲刷逐渐减弱(见图8(a))。相比之下,九江至大通河段在6月中下旬和7月上旬的河道冲刷依然强劲。直至7月中旬,该河段的河道冲刷作用依然显著,直到7月下旬,随着水文条件的进一步变化,河道的冲刷才逐渐减弱(见图8(b))。
对比汉口站和大通站年内的流量变化过程(图1),以及沿程月均(图3)和旬均水位变化(图9),可以看出: 2022年5月,长江中下游河道来水丰沛,增大了水面比降,使得宜昌至九江河段发生显著冲刷。6月,长江中下游进入高洪期,宜昌至九江河段的水面比降与2013—2021年同期相比有所减小,而九江以下河段的水面比降则偏大,这种水位涨幅的不均匀分布影响了河道的冲刷作用,导致宜昌至九江河段的冲刷减弱,而九江至湖口河段的冲刷则逐渐增强。7月,汛期迅速转为枯水期,退水开始,宜昌至九江河段的冲刷程度略高于高洪期,而在九江至大通河段,7月上旬由于水面比降仍较大而维持较大冲刷,但随着流量的逐渐减小,冲刷作用也逐渐减弱。
4. 结 语
2022年,由于“汛期反枯”这一特殊水文情势的影响,长江中下游河段的冲淤规律呈现出了新的特征:宜昌至九江河段的冲刷程度明显低于2013—2021年均值,且冲刷主要集中在5月中下旬及6月上旬。其中,螺山至汉口河段出现了明显的泥沙淤积现象,淤积量达1 026 万t;监利至螺山河段的冲刷现象则更为显著,冲刷量达1 000 万t。湖口至大通河段也呈现出冲刷态势,但其冲刷量低于2013—2021年均值。其中,大通至江阴河段在2022年出现较大的淤积现象,且淤积主要集中在较宽的河段。北支河段的冲淤情况也发生显著变化,由以往的淤积转变为冲刷,而南支河段的冲刷程度则较以往明显减弱。
值得注意的是,与近年来的“淤细冲粗”趋势不同,监利至螺山河段在2022年呈现出“粗细均淤”的特点。同样,螺山至汉口河段也由近年来的“淤细冲粗”转变为“粗细均淤”,这表明该河段的泥沙运动趋于平衡,粗沙和细沙均发生了淤积。而汉口至大通河段则表现为“粗细皆冲”,且冲粗现象尤为明显。
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表 1 长江中下游河道冲淤量输沙法对比
Table 1 Comparison of sediment transport methods for erosion and deposition in the middle and lower reaches of the Changjiang River
年份 输沙法计算的冲淤量/万t 年径流量/亿m3 宜昌-九江 宜昌-大通 沙市 汉口 九江 大通 2003 −5 850 −6 890 3 924 7 380 7 897 9 248 2004 −5 123 −5 553 3 901 6 773 7 078 7 884 2005 −3 213 −6 063 4 210 7 443 7 656 9 015 2006 −1 591 −3 831 2 795 5 341 5 381 6 886 2007 −3 630 −6 430 3 770 6 450 6 640 7 708 2008 −3 746 −7 275 3 902 6 728 6 973 8 291 2009 −2 117 −5 065 3 686 6 278 6 474 7 819 2010 −1 598 −9 978 3 819 7 472 7 686 10 220 2011 −1 545 −2 940 3 345 5 495 5 517 6 671 2012 −2 298 −8 128 4 224 7 576 7 664 10 020 2013 −2 547 −4 847 3 538 6 358 6 298 7 878 2014 −3 775 −7 825 4 123 7 200 7 271 8 919 2015 −2 507 −7 287 3 645 6 752 6 997 9 139 2016 −4 737 −10 937 3 988 7 487 7 933 10 450 2017 −5 092 −7 247 4 096 7 373 7 585 9 378 2018 −4 749 −4 208 4 326 6 695 6 774 8 028 2019 −4 312 −7 997 4 059 7 132 7 239 9 334 2020 −5 910 −11 369 4 978 8 794 9 276 11 180 2021 −3 808 −6 016 4 352 7 829 8 079 9 646 2022 −2 391 −4 258 3 411 6 009 6 185 7 712 注:已考虑洞庭湖、汉江和鄱阳湖汇入泥沙。 表 2 长江中下游各区段输沙法不同泥沙粒径组冲淤对比
Table 2 Comparison of erosion and deposition by sediment transport method for different sediment particle size groups in various sections of the middle and lower reaches of the Changjiang River
时段 宜昌-枝城河段冲淤/万t 枝城-沙市河段冲淤/万t 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 2003—2006年 −1 828 −203 −5 470 −7 501 −3 160 −1 791 −5 618 −10 570 2007—2012年 −1 385 −133 −1 214 −2 732 −3 133 −544 −4 085 −7 762 2013—2021年 −2 690 −467 −463 −3 620 −5 834 −808 −6 546 −13 189 2003—2021年 −5 903 −804 −7 147 −13 853 −12 127 −3 144 −16 250 −31 521 2022年 −47 −50 −40 −137 −108 −11 −129 −248 时段 沙市-监利河段冲淤/万t 监利-螺山河段冲淤/万t 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 2003—2006年 −302 −2 918 −3 729 −6 949 −249 −550 2 259 1 460 2007—2012年 −2 835 −1 754 −6 524 −11 113 −616 279 3 457 3 120 2013—2021年 −4 489 −1 883 −14 072 −20 444 −13 642 −465 12 352 −1 755 2003—2021年 −7 626 −6 554 −24 325 −38 505 −14 507 −736 18 068 2 825 2022年 −389 −127 −866 −1 382 −1 840 −23 863 −1 000 时段 螺山-汉口河段冲淤/万t 汉口-大通河段冲淤/万t 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 粒径组1 粒径组2 粒径组3 全沙 2003—2006年 −2 778 1 171 3 599 1 992 −22 558 156 13 012 −9 390 2007—2012年 −950 −1 947 −580 −3 477 −15 240 −805 4 623 −11 422 2013—2021年 3 272 −2 191 −2 708 −1 627 −26 234 −6 744 −2 248 −35 226 2003—2021年 −457 −2 966 311 −3 112 −64 032 −7 393 15 387 −56 038 2022年 910 44 72 1 026 −658 −731 −1 128 −2 517 注:表中粒径组1、2、3对应的泥沙粒径分别为d≤0.062 mm、0.062 mm<d≤0.125 mm、d>0.125 mm,下同。 表 3 2022年长江中下游典型控制站不同泥沙粒径下的输沙量
Table 3 Sediment transport at typical control stations in the middle and lower reaches of the Changjiang River in 2022 for different sediment particle sizes
站名 不同泥沙粒径下的输沙量/万t 年径流量/亿m3 粒径组1 粒径组2 粒径组3 监利 735 200 1 045 3 368 城陵矶 1 222 51 27 2 289 螺山 3 796 274 210 5 627 仙桃 275 49 52 273 汉口 3 161 280 189 6 009 九江 2 654 449 1 177 6 186 湖口 463 21 20 1 430 大通 4 283 1 031 1 337 7 712 -
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