补远江流域泥沙特性及其变化探讨

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   摘    要:补远江流域地理位置介于东经100°51′~101°40′,北纬21°40′~23°05′之间,分属普洱市的宁洱县、江城县和西双版纳州的景洪市、勐腊县。发源于普洱市宁洱县磨黑镇山神庙丫口,河流大致自北向南流经宁洱县境内,过勐先乡先胜村、和平乡,至大松村附近沿宁洱与江城县交界续向东南,至江城县康平附近又沿普洱市与版纳州界向南蜿蜒,并于景洪市江邊寨附近进入西双版纳州;其后河流频繁在景洪市、勐腊县境内交叉游荡,至勐腊县速底后进入勐腊境内,过勐仑植物园,于该县境勐仑镇火光村附近汇入澜沧江。全长285km,是澜沧江的一级支流,其年平均流量约为160m/s,水能资源的理论蕴藏量约为58万kW,拟建5座1万kW以上水电站。
   补远江流域内森林繁茂,植被覆盖率高,植被类型十分丰富,主要森林植被有亚热带常绿阔叶林及针叶林,其中流域坡面以亚热带常绿阔叶林、针叶林为主,河谷以灌木林为主。流域内山高谷深,除上游支流在建一座箐门口中型水库及数件小(一)型水利工程和1990年已建植物园水电站(该电站属枯季发电,汛期因上下水位差小而无法发电)外,现状干流及主要支流河段都无大规模的涉水工程建设。本文简单阐述了补远江流域概况、河流泥沙的基本概念与泥沙的具体特性,再以曼安水文站为例对泥沙的变化加以分析,最后针对泥沙变化展开相应的探讨。
   关键词:补远江流域;泥沙特性;泥沙关系;泥沙变化
   中图分类号:TV14            文献标识码:A               文章编号:1004-7344(2019)03-0120-02
   众所周知,泥沙变化是流域系统在对人类活动及气候变化作出响应的过程中较为活跃的一部分。近年来对补远江流域的水文特性及泥沙变化等所进行的研究,大都集中于澜沧江的干流之上,而对相关支流的生态环境、水文状况方面的研究尚未开启。补远江的径流量是澜沧江支流体系中最大的,约占入海总径流量的1.19%,再加上该河流内部鱼类种类丰富,因而针对其水文特性与泥沙变化情况所开展的研究,将会对该流域的保护及合理开发产生巨大意义。
  1  补远江的区域概况及其研究背景
  1.1  补远江区域的概况
   补远江位于云南省南部,属澜沧江下游最大支流,古时常称其为罗梭河,亦称清水河与南班河,起源自普洱县东部地区无量山脉的西南麓,其地势南低北高,年均降水量约近1500mm,年均温度21.5℃,属亚热带季风气候区,降水是补给该径流的主要来源[1]。该流域的面积约7750m2,其中干流总长约320m;地势的总落差约1350m,可供用于开发的水能资源约15.5万kW。澜沧江干流自补远江河口至下游10km左右处便是缅甸-中国的界河,至下游40km处即中国-老挝-缅甸三国的交界点[1]。
   补远江流域的曼安水文站比较出名,该水文站位于补远江下游西双版纳的热带植物园区内,距澜沧江的干流汇入口只有20km,其蓄水面积约为6600km2。除此以外,位于曼安水文站上游不到两千米处的葫芦岛水电站,早在20世纪80年代初期便投入运行,其装机容量约1500kW,电力多供应于植物园区,自其修建并开始运行至今,尚未对相应流域内的水文情况造成不利影响。
  1.2  研究补远江流域泥沙特性的背景
   补远江作为我国西南区域极为重要的国际性河流,有关其流域内泥沙沉积与水土流失、多样化物种逐渐退化与水质污染及生态环境变化等问题受到了相关国家的广泛关注,甚至激起过各方的热烈探讨。约7年前,云南大学的亚洲国际河流中心部分科研人员已对补远江流域进行了一定区域的野外考察,他们对该流域内部的渔业资源展开了详细的调查,并对鱼类的种类进行了详细的分析,相关数据表明,补远江流域是湄公河与澜沧江跨境洄游鱼群栖息的关键地[2]。然而截至目前,鲜少有调研人员对流域内泥沙特性及具体变化等水文状况进行进一步的研究。
  2  河流泥沙的基本概念及其具体特性
  2.1  河流泥沙的概念及成因
   泥沙运移是尤为重要的河流水文现象,其能对河流的逐年变迁产生巨大影响。这里所说的泥沙主要指随水流或沉积在河床与海滩上的岩石和土壤颗粒,其中风化岩是河流沉积物的主要来源。一旦暴雨降落至相应流域,在汇流、径流的过程中,侵蚀沟壑与坡面的岩土通过水流转移至河流之中,进而形成了河流泥沙[3]。由于河流在携带泥沙时也冲刷着河岸与河床,因而很容易进一步增加原有的泥沙量。在河流流至下游的平原地区时,相关比值会下降,流速也将减慢。由于入海口附近的河流流量急剧减少,可想而知,入海口附近海域将不断沉积泥沙。
   河流的泥沙关系是匹配河流径流量与沉积泥沙含量的核心指标。对于流域内某河流截断面而言,当泥沙流入量在水流正常挟沙能力之内时,泥沙关系是上游沉积物变化的最为显著的证据[4]。泥沙含量随时间变化而出现的变化,大都取决于水流的大小及其侵蚀岩土的强度。一般来说,含沙量往往会伴随水流量的增加而不断增加。
  2.2  泥沙的基本特性
  2.2.1  泥沙颗粒的特性
   泥沙颗粒的特性包括粒径、重度、沉速及其表面所呈现出的物理与化学性质。
   (1)粒径是衡量泥沙颗粒具体大小的量度,有着多种表现形式。通常使用的包括沉降粒径(依据沉降的速度与粒径间的关系来计算)、等容粒径(与泥沙颗粒有着相同体积的球体直径)、筛径(利用多种孔径标准筛来对泥沙颗粒进行分筛以获取粒径)[4]。
   (2)重度主要用来衡量单位体积内泥沙的重量,其具体数值通常因泥沙颗粒的岩石属性差异而迥然不同。其中岩石矿物的主要成分为长石与石英,而泥沙颗粒的重度大多在2600kg/m3左右。    (3)沉速指的是泥沙在无边界的静水区内逐渐沉降的速度,因其也可用来衡量泥沙颗粒的大小,故又被称作泥沙颗粒的水力粗度。沉速是记录泥沙运输过程的重要参数,其能综合反映出水与泥沙颗粒的特性。
   (4)泥沙表面的物理与化学性质主要取决于泥沙颗粒外表的吸附水膜与双电层的相关特性,而较细的泥沙颗粒的所产生的分散及絮凝现象一般都和吸附水膜与双电层的具体结构相关[5]。
  2.2.2  泥沙群体的特性
   泥沙通常由多種矿质成分、形状、大小均不同的微小颗粒混合形成,以群体的形式存在。这种泥沙群体的特性可归结为以下几点:
   (1)算术平均粒径指对泥沙颗粒的粒径取算术平均值。
   (2)泥沙群体的孔隙率与干容量。其中孔隙率指的是泥沙群体单位体积内空隙所占用的体积,而干容量指的是泥沙群体单位体积内所含干燥泥沙的具体重量。
   (3)泥沙群体的粒径分布一般用级配曲线表示,这皆源于泥沙群体颗粒的形状、大小之间的差异很大,分布较离散。
   (4)均匀泥沙的群体沉速指在同规格泥沙群体含沙量多于2%时,颗粒间互相牵连、混为一体,均以相同速度沉降[6]。
   (5)所谓的中值粒径主要指在泥沙颗粒的级配曲线上与纵向坐标的50%处相对应的粒径,而对整体沙粒群体而言,凡不等于该粒径的泥沙,它们都有相等的重量[5]。值得注意的是,使用中值粒径来对泥沙群体的粒径进行概括,能从很大程度上减少极端值(即最小或最大粒径)所造成的影响。
  3  以某水文站为例对泥沙变化加以分析
   以补远江的曼安水文站的河床断面及泥沙现状,来对该水文站断面的输沙量、径流量的河床形态与年内、年际变化加以分析。
  3.1  悬移质的输沙特征及其变化
   悬移质输沙年内分配特征。据统计,曼安站的月均输沙量自每年6月份开始明显增加,7~8月份达到最高,分别为162.20×104t、166.81×104t,至11月份开始逐渐下降。由此可见补远江流域的来沙量多集中在6~11月份,大约占全年总输沙量的98.56%,仅7、8两月份便占据全年总输沙量的72.34%,年内分配不均匀系数为1.65,由此表明输沙量年内分配极为集中,并且相对径流的年内分配要集中很多[6]。
   悬移质输沙量的年际变化。研究表明,1993~2002年补远江流域年均输沙量为480.97×104t,曼安站的年际月均输沙量总体呈下降的趋势;2002年具有显著的升高,为13.14×106t;2002年以后,年均输沙量迅速减少,2002~2008年期间年均输沙量为2.64×106t。与年内月均输沙量一致的是,每年均在7~8月份左右达到最高量,分别为5.45×106t、6.97×106t。
  3.2  径流量的变化特征
   径流量的年内分配特征。补远江流域的月均来水量多集中于6~11月份,自6月份开始增加,至8月份达到最高。
   径流量的年际变化。相关数据显示,截至目前,补远江曼安站的月均水流量整体变化幅度较小,呈微降趋势[6]。
  4  对泥沙变化展开探讨
   在来沙量没有超过水流挟沙能力的情况,水沙关系可以良好的反映断面上游来沙变化。随着时间的变化,含沙量主要有水流侵蚀强度、流量大小决定。一般情况下,在流量增加的情况下,含沙量也会增加。1993~2008年,曼安站年均泥沙含量与流量点汇在一个坐标中,结果显示该阶段水沙关系系数为0.780,具有显著的正相关关系,回归决定系数为0.608,具有较高的拟合度。而1993~2008年曼安站来沙系数表明,来沙系数和之前的水沙变化均呈现出下降的趋势,由此可见部远江单位流量的含沙量不大[7]。
   流域内泥沙的变化是多种不同因素共同作用的综合性结果,各个流域的主导性因素不尽相同,但大致包括人类活动、流域内的下垫面条件及气候等方面。反而言之,河道泥沙变化与径流同样可以灵敏地对人类活动、流域内下垫面的变化及气候条件进行记录[7]。近几年来,补远江流域的来水量和来沙量均呈下降趋势,另外,在部分因素的干扰下,年际径流量的变化有着明显的波动趋势。由于输沙量的变化与流量的变化有着显著的相关性,可知导致该流域来沙量变化的根本原因正是来水量的不断变化。
   2002年,该流域输沙量能显著增加,其主要原因是受来水量变化的影响,此外还可能受人类活动、气候变化等因素的影响。2002年之后,该流域输沙量大量减少,主要是因为水量大量减少,此外还卡能和地表植被覆盖率增加、退耕还林有着很大的关系。此外,土壤侵蚀减弱也是导致该流域泥沙量减少的重要原因之一,2002年该流域输沙量增加可能和该区域气温变化、降水量等具密切的挂席。
   河流系统对人类活动、气候变化的响应中,水沙变化是最活跃的部分。河流泥沙对河道中污染物、营养物的转运,水电设备使用、水库、通航、鱼类栖息地、河流生态系统等均具有重要的影响。对河道输沙情况进行估算,是评估环境影响、河流管理、污染物运转、河道通航以及水利工程规划设计等面临的重要问题。补远江鱼类多样性极为丰富,该江位于澜沧江下游,其挟带的泥沙是澜沧江干流泥沙补给的主要源区之一。因此,对补远江泥沙进行预测预报对鱼类保护区建设非常重要。相关研究显示,近年来该流域的底栖生物种类有所降低,这与该流域泥沙变化情况具有密切的关系。
   倘若在未来的研究中能获得更多的资料与数据,用来延长泥沙变化的时间序列,进而对补远江流域内的泥沙变化加以综合分析,这将对补远江流域水文变化进行更好地梳理分析及反演。
  5  结 语
   河流径流与泥沙对创建河流的形态、维持流域内生态环境及供给水资源等方面有着极为重要的作用。作为澜沧江重要支流之一的补远江,经相关数据表明,该流域内泥沙的年均量分配不均,年际变化的幅度较大,来水量与来沙量大都来自于6~11月份的汛期,运沙量集中于7~8月份,而年输沙量及年径流量总体呈下降趋势。伴随该流域内生态、水文效应的凸显,对其过去的泥沙变化进行分析及未来的演变趋势加以预测,有着实际性的科学意义。
  参考文献
  [1]钟荣华.补远江水沙变化及预测研究[C].云南大学“高原山地环境变化与跨境生态安全”第四届研究生学术研讨会论文集,2012:39~40.
  [2]钟荣华.补远江流域水沙变化及预测研究[D].云南大学,2012.
  [3]钟荣华,杨春明,傅开道,等.补远江流域水沙特性及其变化分析[J].人民长江,2011(24):29~33.
  [4]何大明.澜沧江-湄公河水文特征分析[J].云南地理环境研究,1995,7(1):58~74.
  [5]邹 宁,王致祥,吕孙云.澜沧江流城水资源量特性分析[J].人民长江,2008,39(17):67~70.
  [6]尤联元.澜沧江流城河流泥沙发展趋势初步研究[J].地理学报,1999,54(B06):93~100.
  [7]傅开道,何大明,李少娟.澜沧江干流水电开发的下游泥沙响应[J].科学通报,2006,51(增):100~105.
  收稿日期:2018-12-9
  作者简介:杨春明(1976-),男,哈尼族,云南勐腊人,工程师,大专,主要从事水文水资源工作。
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