《多因素影响下长江泥沙来源、分布和输移规律》依据多期实地调查，收集长江流域长历时的降雨、径流、泥沙、河道地形资料及遥感影像等多源海量的数据，基于数据挖掘、聚类分析等技术，阐明多因素影响下长江流域水沙通量来源、分布及输移等时空分异规律，揭示产输沙全过程的驱动机制及其对人类活动的响应机理。《多因素影响下长江泥沙来源、分布和输移规律》通过全面筛查长江泥沙变异的影响因子，提出泥沙输移多因子驱动贡献率评估体系，构建典型区域产流产沙综合模型和泥沙输移多因子模型，量化降雨、水库拦沙和水土保持等主要因子对长江泥沙变异的贡献权重，详细刻画水库下游河床对上游泥沙变异的宏观响应，算清长江流域的“沙账”，对强人类活动作用下长江泥沙的总体变化趋势进行预测，为流域综合治理、规划与保护及水资源利用系统工程的效益发挥等提供重要的技术支撑。

第1章 绪论
　　1.1 长江流域泥沙研究的重要性
　　长江流域总人口、地区生产总值和粮食总产量均约占全国三分之一。流域内已形成长江三角洲城市圈、皖江城市带、武汉城市圈、环长株潭城市群、成渝地区双城经济圈5大城市经济圈，聚集地级以上城市50多个。2016年，《长江经济带发展规划纲要》正式印发，强调“以长江黄金水道为依托，发挥上海、武汉、重庆的核心作用，以沿江主要城镇为节点，构建沿江绿色发展轴”。流域工农业发展迅速，交通发达，在我国经济社会发展中占有极其重要的地位。经过几十年的治理开发与保护，长江流域的防洪能力得到了显著提高，水资源利用和保护取得了较好成绩，水能开发、水运交通等得到了长足发展。
　　在流域经济社会发展的同时，人类活动也深刻地影响着长江，输沙变异是*直观的体现之一。长江上游（湖北省宜昌市以上地区）流域面积约为100万km2，位于青藏高原的东缘，地质构造复杂，新构造运动和地壳隆升强烈，地形高差大，受东亚季风和南亚季风的交替影响，降雨丰沛且多强降雨过程，土壤侵蚀强烈，滑坡、泥石流分布集中。据不完全统计，长江上游仅泥石流沟就有4200多条，新老滑坡有1.5万余处，加之坡陡土薄，雨量也较集中，每年冲刷大量的地表土壤。到20世纪90年代初，长江上游的水土流失面积约为35万km2，占上游总流域面积的35%，年均地面侵蚀物总量近16亿t，为我国水土流失*为严重的地区之一，是流域泥沙的主要来源。长江中下游河道比降变小、水流平缓，枝城镇以下沿江两岸均筑有堤防，并与众多大小湖泊相连，总体河势稳定，河道冲淤主要受上游水沙条件变化的影响。长江上游地区是中下游地区经济发展的能源（水电）供应地和防洪减灾的生态屏障，以水电开发和水土保持为代表的人类活动的强度逐渐加大后，泥沙输移发生了时空变异，对中下游流域河流泥沙控制和防洪减灾产生了重大影响。
　　长江水沙异源现象十分突出，泥沙变异在时空尺度上兼具不确定性与复杂性。半个多世纪以来，受自然变化和人类活动的双重影响，长江泥沙输移与河床边界变化十分剧烈。1950～1990年长江上游控制站宜昌站、入海控制站大通站年均输沙量分别为5.21亿t、4.58亿t，1991～2002年两站年均输沙量减少至3.91亿t、3.25亿t，2003～2022年进一步锐减至0.321亿t、1.29亿t。泥沙输移规律与变化趋势是长江流域规划、治理和保护及水利工程设计的重要基础，输沙变化带来了许多连锁反应：一方面，对于长江上游以三峡水库为核心的水库群而言，输沙量锐减使库区的泥沙淤积比预计的要轻，有利于延长水库的运行年限，为水库的进一步优化调度提供了便利条件，有利于水库群综合效益的发挥；对于长江中游淤积型通江湖泊而言，泥沙减少可以缓解湖泊萎缩。另一方面，输沙量锐减使河道冲淤再造、江河湖库系统泥沙重分配，水库下游河道冲刷的深度和沿程冲刷的速度、河道变形幅度与河势稳定性破坏程度，以及河口海岸侵蚀速度都比预估的情况更为严重，给长江中下游河道稳定、防洪、供水、航运及水生态环境安全造成了威胁，长江大保护面临着严峻的挑战。
　　长江流域泥沙输移的重要性决定了它是一项长期受到关注的内容，以往相关成果较多。但长江水沙异源现象十分突出，泥沙输移时空变化规律兼具不确定性与复杂性，影响因素繁多且不断发生着变化，人们对其驱动机制及影响权重尚未形成量化认识，以至于对其变化趋势的认识仍不十分清晰。针对长江泥沙来源变异、河道输沙量骤降及其带来的江河湖库泥沙格局调整等问题，通过集成实地调查得到的长历时的水文泥沙监测资料及空间遥感等海量数据，研究建立流域泥沙通量变化数据库，基于大数据挖掘技术，系统掌握长江流域典型区域产流产沙综合机制，全面揭示长江流域多尺度泥沙来源及时空分异性，重点筛查长江泥沙变异的驱动因子，量化降雨、水库拦沙和水土保持等主要因素对长江泥沙变异的贡献权重，刻画中下游泥沙时空格局及其对上游泥沙变异的响应。旨在算清长江流域的“沙账”，预测出流域未来30年的输沙变化趋势，为长江泥沙调控及干流河道演变与治理奠定基础，为长江大保护提供技术支撑。研究成果对长江防洪、航运、生态等河流功能的可持续发挥具有重大意义。
　　1.2 国内外研究现状
　　1.2.1 长江源及金沙江上游地区径流泥沙变化
　　联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC ）的第四次调查报告中曾指出：由于气候明显变暖，很多寒区的冰川出现大面积的后退（Intergovernmental Panel on Climate Change，2007）。其中，受冰川融化影响*为严重的区域之一是喜马拉雅山和青藏高原地区，该地区拥有世界第三大的冰储量，而该地区是很多较大河流（包括长江、黄河）的河源区（Knight and Harrison，2009）。在冰川逐年萎缩、湿地面积缩小、草地退化、土地沙漠化和生物多样性破坏等综合作用下，江源区的水源涵养能力大大削弱（Guo et al.，2016；Jiang et al.，2015；Xiang et al.，2013）。河流产沙输沙随之发生变化（王莺等，2015；刘光生等，2012）。21世纪以来，通天河含沙量比多年平均值偏小，输沙量比多年平均值偏大（刘希胜，2014）。沱沱河径流量和输沙量均有所增大（关颖慧等，2021）。长江源的输沙量增大与流域其他区域输沙量的明显减少形成了鲜明对比（Lu and Chen，2008）。然而，目前关于长江源径流、泥沙过程的研究，仍较多地依赖于水文站的实测资料，并局限于中下段，源头区河段泥沙变化，尤其是长时间序列的泥沙变化研究尚未见公开文献报道。目前，长江三源仅有沱沱河设有监测径流、泥沙的水文站，当*河无水文站，楚玛尔河下游设立了简易水文站（监测项目不含泥沙），难以掌握其水沙输移特征与规律，尤其是对其近期水量略增而沙量大幅增加的内在机制缺乏解释。
　　除此之外，伴随着流域梯级水库建设的不断推进，长江流域重点产沙区金沙江继中游6座梯级水库建成运行和下游乌东德水库、白鹤滩水库、溪洛渡水库、向家坝水库4座大型梯级水库投产后，水电开发的步伐继续向上游延伸，达到金沙江上游地区，而金沙江上游直接承接来自长江源的水沙，近期长江源区径流和输沙增大也对金沙江上游水沙输移造成了重大的影响。同时，2018年还发生了白格堰塞湖封堵金沙江干流的特殊事件，也对干流河道的水沙输移乃至众多梯级水库的建设与运行造成了一定的影响（朱玲玲等，2020）。目前，对于金沙江上游水沙输移规律，限于观测站点较少、内容不全和系列较短等，一直未能有相对系统的分析和研究，以至于对近期出现的增沙现象的产生机理和发展趋势尚不明晰。
　　1.2.2 流域泥沙来源及时空分异性和影响因素
　　水沙条件对于河流变迁和发育的作用是*一无二、不可取代的，因而关于长江水沙条件变化规律的研究成果多而广。这些研究从全流域（从上游一直到河口）和部分区域等不同角度对水沙进行分析研究，不仅研究了水沙的变化幅度和变化特征，还揭示了水沙变化的主要影响因素。其中，长江上游干流河道的水沙主要有金沙江和嘉陵江两大来源。金沙江下游在21世纪初之前，尤其是在其下游的向家坝水库、溪洛渡水库蓄水运用前，输沙量呈现轻微递增的变化趋势，嘉陵江输沙减少则较为明显；金沙江下游梯级水库运行后，长江上游输沙量整体大幅度下降（朱玲玲等，2016）。影响长江上游水沙变化的因素主要有降雨量、水土保持措施、水库拦沙及其他人类活动等（张莉莉和陈进，2007；许全喜等，2004；张信宝和文安邦，2002）。
　　长江中游干流河道的水沙大部分来自宜昌市以上的干支流，区间还有较大支流、湖泊入汇的水沙，因此，其变化特征有一定的区域性，并且径流和泥沙的变化规律近几十年存在着明显的差异，径流总量年际以周期性波动为主，水库调蓄改变了年内过程，泥沙总量及过程均显著变化（王延贵等，2014；许全喜和童辉，2012；胡向阳等，2010；府仁寿等，2003；Chen et al.， 2001）。尤其是2003年三峡水库的运行拦截了其下游长江干流河道和通江湖泊泥沙来源的88%（Yang et al.， 2007），宜昌站、汉口站和大通站年输沙量具有显著的减少趋势（王延贵等，2014），水流明显变清，三峡水库出库悬移质泥沙的粒径明显变细，坝下游河床冲刷导致悬移质泥沙的粗颗粒含量沿程增多，粒径变粗，监利站粗沙量已基本恢复到蓄水前的水平，长江上游与中下游泥沙输移的格局发生了变化，大通站泥沙来源和地区组成产生新变化（许全喜和童辉，2012）。近50 年来，长江入海输沙量也呈减少趋势（刘成等，2007）。水沙变化的影响因素主要有流域水库拦沙、流域水土保持、河道采砂等人类活动（王延贵等，2014；许全喜等，2004），三峡水库的拦沙作用进一步加大了泥沙的减幅。
　　纵观已有关于长江流域水沙条件的论述，大部分结论、认识存在相似性。一方面，径流变化的程度较小，如三峡水库等控制性水库群蓄水更多地改变了径流的年内过程，对径流总量的影响较小；另一方面，在自然条件变化的大背景下，以水利工程和水土保持工程为代表的人类活动长期作用于输沙量的变化，使得进入长江流域及河道输送的泥沙量均呈减少趋势，尤其是流域重点产输沙区，以三峡水库为核心的水库群的蓄水运用更使进入河道的泥沙被大量截留，流域性的输沙呈减少趋势。长江流域近60 年的水沙变化过程更确切地说是径流量波动性变化和输沙量阶段性减少的过程。以往关于长江流域泥沙来源的认识较为清晰，但关于半个多世纪以来，众多复杂因素影响下的不同时空尺度的泥沙来源及分布、输移变化规律的研究较少，尤其是在泥沙不同粒径尺度的微观层面进行的流域性变化规律研究尚不多见。
　　1.2.3 流域输沙驱动因子作用机制和变化趋势
　　长江流域建有完善的雨量站和水文站，有系统的降雨、水文、泥沙监测资料。三峡水库上游来水来沙条件变化对三峡库区泥沙冲淤和调度运用及长江中下游防洪、生态环境影响巨大，一直受到社会各界和专家学者的高度关注。在充分认识流域产输沙变化总体规律的基础上，在长江流域输沙驱动因子作用机制方面也积累了丰富的成果。
　　关于长江流域输沙驱动因子影响的研究成果较多。刘毅（1997）认为，长江泥沙地表侵蚀以水力侵蚀和重力侵蚀为主，但输沙量远小于侵蚀量。水土保持和兴建中小型水库的拦沙作用明显减少了进入河道的泥沙，与人类活动加剧水土流失所带来的负效应部分相互抵消。李长安等（2000）分析认为，近40年来长江上游水土流失、山地灾害等带给流域系统的泥沙大部分堆积在各支流的中下游河道。朱鉴远（2000）认为，长江上游水库淤积，在客观上对长江中下游河道减沙已起到很大作用。若无水库淤积拦沙，长江上游输沙量、含沙量的年增长率将达约1%。张信宝和文安邦（2002）、张信宝（1999）认为，人类活动的方式、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，是20世纪80年代以来嘉陵江和金沙江水沙变化不同的主要原因。许炯心（2000）认为，长江上游的森林可以显著增大枯水流量，显著削减中小洪水的洪峰流量，但对全流域性长历时暴雨所造成的特大洪水的削减作用是有限的。长江上游支流岷江和嘉陵江的输沙变化表现出一定的趋势性：森林破坏和坡地开垦使河流泥沙增多；水库修建后，因水库的拦沙作用，河流输沙量减少。许炯心（2006）用经验统计方法研究了人类活动和降雨变化对嘉陵江流域侵蚀产沙的影响。水利工程水保措施和20世纪80年代以来的降雨减少，共同导致了嘉陵江流域产沙量的减少，降雨减少所导致的年减沙量占年平均总减沙量的28.6%，水利工程水保措施导致的年减沙量占年平均总减沙量的71.4%。许全喜等（2004）对长江上游近期的水沙变化特点及其趋势进行了分析，*终给出了影响长江上游水沙变化的主要因素，包括降雨、水土保持措施、水库拦沙及其他人类活动等。
　　还有一些研究对于典型流域，给出了泥沙变异驱动因子的贡献

目录
第1章 绪论1
1.1 长江流域泥沙研究的重要性1
1.2 国内外研究现状2
1.2.1 长江源及金沙江上游地区径流泥沙变化2
1.2.2 流域泥沙来源及时空分异性和影响因素3
1.2.3 流域输沙驱动因子作用机制和变化趋势4
1.2.4 泥沙在水库群及河道的单向沉积与冲刷效应5
1.3 本书的主要内容及成果6
1.3.1 主要内容6
1.3.2 主要成果7
第2章 长江流域多尺度泥沙来源及时空分异性9
2.1 概述9
2.2 长江源区泥沙输移变化13
2.2.1 径流泥沙基本特征13
2.2.2 径流泥沙年际变化14
2.3 长江上游泥沙来源及输移变化17
2.3.1 金沙江泥沙来源及输移变化17
2.3.2 三峡水库入库泥沙来源及输移变化31
2.3.3 典型支流泥沙来源及输移变化41
2.4 长江中游干流及两湖泥沙输移变化55
2.4.1 干支流水沙输移变化55
2.4.2 水沙相关关系变化67
2.4.3 干流泥沙分组输移特征68
2.4.4 洞庭湖、鄱阳湖水沙变化71
2.4.5 河湖泥沙分布格局变化74
2.5 长江下游泥沙输移变化76
2.5.1 泥沙输移量和过程变化76
2.5.2 泥沙来源地区组成变化77
2.5.3 潮流输沙特征分析79
2.6 本章小结81
第3章 典型区域产流产沙综合机制83
3.1 土壤与水评估工具模型模拟及成果分析83
3.1.1 模拟区域及其水文气象要素变化83
3.1.2 建立分布式模型输入数据库90
3.1.3 典型流域产流产沙模拟92
3.2 土壤侵蚀概念性模型及成果分析94
3.2.1 土壤侵蚀概念性模型建立94
3.2.2 金沙江下游支流产沙过程模拟97
3.2.3 三峡库区小流域产沙过程模拟101
3.3 不同尺度区域产流产沙机制研究105
3.3.1 产流产沙对降雨变化的响应105
3.3.2 产流产沙对土地利用/覆被变化的响应108
3.4 本章小结116
第4章 新环境下输沙变化驱动因子及机制研究118
4.1 滑坡、泥石流的侵蚀产沙118
4.1.1 流域侵蚀产沙环境118
4.1.2 滑坡产沙调查119
4.1.3 泥石流产沙调查123
4.1.4 白格堰塞湖的影响126
4.2 降雨变化及其影响130
4.2.1 流域降雨分布及变化特征130
4.2.2 降雨与输沙的特征关系131
4.2.3 典型暴雨对产输沙的影响分析134
4.2.4 降雨对输沙量变化的影响评估140
4.3 水土保持的减沙效应研究143
4.3.1 水土保持减沙工程形式143
4.3.2 长江上游水土保持拦沙146
4.3.3 洞庭湖水系水土保持减沙152
4.3.4 鄱阳湖水系水土保持减沙153
4.4 水库群拦沙作用分析与定量评估155
4.4.1 水库群拦沙效应研究方法155
4.4.2 典型流域梯级水库拦沙计算156
4.4.3 长江上游水库群拦沙综合计算162
4.5 河道采砂等其他因素的影响166
4.5.1 长江上游采砂影响分析166
4.5.2 长江中下游采砂影响分析176
4.5.3 工程建设弃土影响分析179
4.6 输沙量变异驱动因子贡献率定量评估180
4.6.1 金沙江180
4.6.2 长江上游180
4.6.3 长江中游181
4.6.4 长江下游182
4.7 本章小结183
第5章 大型水库泥沙淤积与坝下游河道冲刷特征185
5.1 金沙江下游梯级水库泥沙淤积特征185
5.1.1 乌东德水库185
5.1.2 白鹤滩水库187
5.1.3 溪洛渡水库191
5.1.4 向家坝水库198
5.2 三峡水库拦沙淤积特征203
5.2.1 泥沙淤积量与排沙比203
5.2.2 泥沙淤积分布特征203
5.2.3 库区淤积物组成特征208
5.2.4 水库淤积形态特征209
5.3 水库下游河道冲刷特征212
5.3.1 向家坝水库下游河道212
5.3.2 长江中下游河道217
5.4 本章小结238
第6章 未来30年流域泥沙变化趋势预测240
6.1 上游泥沙变化趋势分析预测240
6.1.1 水沙变化影响因子变化趋势240
6.1.2 干流控制站水沙变化预测244
6.1.3 三峡水库未控区间产输沙预估248
6.1.4 预测成果的合理性分析252
6.2 中下游河道冲刷趋势预测255
6.2.1 中下游河道河床冲刷现状255
6.2.2 中下游河道采砂、疏浚情况257
6.2.3 中下游河床冲刷发展趋势257
6.3 中下游泥沙变化趋势预测258
6.3.1 三峡水库排沙比预测258
6.3.2 宜昌站输沙变化趋势259
6.3.3 大通站泥沙变化趋势259
6.4 本章小结262
参考文献263
后记266