
第14卷3期
2006年9月
应用基础与工程科学学报
JOURNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEERING
Vo1.14,No.3
.September 2006
文章编号:1005-0930(2006)03-0427-08 中图分类号:TVI47 文献标识码:A
美国科罗拉多河水沙变化分析
吴保生, 褚明华, 府仁寿
(清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京100084)
摘要:分析了开发较早的美国科罗拉多河的水沙变化趋势,依据资料为1926—
1984年干支流3个代表测站的年水沙量资料,主要讨论了水利工程建设对水沙
变化的作用.结果显示水库修建给科罗拉多河的水沙变化带来了十分显著的影
响,水库修建往往导致下游测站沙量的急剧减小,并通过干支流一系列水库的共
同作用,可以造成河流来沙量趋势性减少的效果.
关键词:科罗拉多河;水利工程;水沙变化;减水减沙
我国一些大河流如黄河和长江,近年来随着流域水资源开发利用程度的不断提高,特
别是一系列大型水库的修建,使得河流主要测站的来水来沙条件发生了显著变化.例如位
于黄河中游的潼关站…,1961一l985年平均年来水量为406.310 1TI’,1986--1995年减
少为287.110 m ,1996--2001年进一步减少为195.210 m ;1961--1985年平均年来
沙量为12.410 t,1986--1995年减少为8.010 t,1996--2001年进一步减少
为5.910 t.
长江的水沙变化虽然没有黄河剧烈,但沙量的减少趋势也是明显的.例如长江干流的
宜昌站 ,1950--1987年平均年来水量为4358 x 10 m ,年来沙量为5.2610 t;1988—
2000年平均年来水量为437110 m ,来水量变化不大,而平均年来沙量为4.2810 t.
较1950--1987年减少18.5%.汉江是长江中下游的最大支流,位于汉江中游的皇庄站,
虽然来水量没有趋势性的变化,但来沙量却急剧减少,1951—1965年平均年输沙量为
1.3310 t,1966--1984年减少为0.3310 t,1985--2000年进一步减少为0.09610 t,
较1951—1965年减少93%.
对于黄河和长江的水沙变化趋势已有很多研究 ,总的来讲对黄河的水沙减少趋
势较为一致,但对于长江的来沙减少趋势却看法不同,一方面大面积水土保持的效果难以
确定,另一方面对于支流水库的减沙作用能否持续也存在疑虑.考虑到随着工农业生产的
发展和人民生活水平的提高,用水量会不断提高;长江上游自1989年起被列为国家水土
保持重点防治区,实施了水土流失重点防治工程;在三峡工程投入运用后,还将在其上游
干支流相继修建一系列大型和特大型水库.这些必将对三峡库区的来水来沙条件及下游
河道产生长远的影响,需要进行深入研究.
收稿日期:2005-07-20;修订日期:2006-08 ̄2
基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(2003CB415206)
作者简介:吴保生(1959一)男,教授.
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428 应用基础与工程科学学报
为了借鉴国际上一些开发治理较早流域的经验,进行横向的类比分析,本文选择了美
国的科罗拉多河,对该河流上一些来水来沙变化明显的测站的水沙变化趋势进行分析,探
讨干支流水库修建对下游河道的减沙作用,为进一步研究和预测长江干流河道的长期水
沙变化趋势提供参考依据.
1 流域概况
科罗拉多河是北美洲西部的主要河流 J,发源于美国科罗拉多州中北部,落基山脉
中的弗兰特岭西坡.流向西南,干流流经科罗拉多、犹他、亚利桑那、内华达和加利福尼亚
等5个州和墨西哥西北端,最后注入加利福尼亚湾,干流全长23lOkm,流域面积63.7 x
10 km ,流域简图见图1.
科罗拉多河流域边界三面环山,整个流域地势为北高南低.从发源地到利兹渡口
(Lees Ferry,海拔高940m)为上游段,河道蜿蜒,长约1030km.由于地势较高,终年积雪,
水量较多,河道下切明显.中游从利兹渡口至比尔威廉斯河河口,流经科罗拉多高原,由于
该地区多处干旱地区,增加的径流不多,河谷不易展宽,形成许多峡谷地形,其中最为著名
的是科罗拉多大峡谷.科罗拉多河下游地势低洼,有山脉、盆地、沙漠等.
科罗拉多河上游年均降水量为200--500mm.秋冬春各季降水量多为降雪,春末夏初
当气温升高时,积雪迅速融化,河道流量大增,年径流约70%集中在4_7月.据利兹渡口
站在格伦峡大坝建成以前的统计,多年平均实测径流量为129 x 10 m ,年平均输沙量
0.62 x 10 t,年平均含沙量4.8kg/m .
科罗拉多河中、下游雨量稀少,年均降水量不足lOOmm,灌溉耗水及蒸发都很大,加
之沿程用水调水,因此,愈往下游流量愈少,而中、下游泥沙很多,含沙量高,河水混浊.在
科罗拉多大峡谷中汉0得年均输沙量为1.81 x 10 t,平均含沙量11.6kg/m .有些支流的含
沙量更大,如小科罗拉多河,年均侵蚀模数达688t/km ,平均含沙量高达120kg/m .河口
年均径流量只有49 x 10 m ,年均输沙量1.35 x 10 t,年均含沙量27.5kg/m .
科罗拉多河第一次大规模的开发活动始于1928年,当时通过了兴建鲍尔德峡(即胡
佛坝)工程的法令,该工程于1931年开工,1936年建成.此后,在科罗拉多河流域兴建了
一系列水利工程,干流上兴建水库1 1座,支流上修建水库95座,干支流水库总库容约为
872 x 10 m .由于美国西半部干旱缺水,因此在科罗拉多河干、支流上兴建了许多大型引
水工程,绝大部分水量用于农业灌溉,约为95 x 10 m ,城市给水和工业用水约
28 x 10 m .这些工程措施不仅促进了流域的开发,更好地利用了流域的水资源,而且对流
域的减水减沙产生了明显的效果.
2典型测站的水沙变化趋势
鉴于水电开发和灌溉引水是科罗拉多河流域开发的重点,其对河流水沙变化的影响
巨大,又考虑到水土保持措施在科罗拉多河流域开展较少且缺乏测验资料,所以,本研究
着重考虑典型工程对水沙变化的影响.一般来讲,大坝建成之后,在调节水量的同时也将
大量泥沙拦截在库内,可以达到迅速减水减梦见自己被蛇咬了 沙的效果,而且相对于减水,减沙效果更明显
一些,所以流域干支流上坝系的建设对于减沙有着很显著的影响.并通过干支流一系列大
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吴保生等:美国科罗拉多河水沙变化分析429
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图1 科罗拉多河流域简图
Fig.1 Sketch map of the Colorado River basin
编号溯站名称
l格林河
2大峡谷
3尤马
坝的共同作用,可以长期影响河流的水沙变化趋势.
从科罗拉多和的干支流上选取了3个比较有代表性的测站,包括支流格林河(Green
River)的格林河站,干流的大峡谷站(Grand Canyon)和尤马站(Yuma),各测站具体位置
见图1.将收集整理得到的各测站年水量和沙量资料 。 ,点绘年水量与年沙量关系曲线、
年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量与水文年的关系曲线,根据这些曲线的变化来分
析各站的水沙变化趋势.
支流格林河的格林河站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线如图2所示.
在水沙双累计曲线和沙量累计曲线上可以看到,1939和1966年分别出现了较为明显的
转折现象,相应3个时段的趋势线具有不同的斜率,对应1930--1939年的年平均来沙量
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430 应用基础与工程科学学报
为0.24810 t,1940--1966年为0.16810 t,1967—1984年为0.095310 t,1967—
1984年与1930--1939年相比,年来沙量减少61.5%.弗莱明峡水库(Flaming Gorge)位于
格林河站上游,于1967年全部投入运用,具有库容15310 m ,显然1966年的沙量急剧
减少是由弗莱明峡水库的修建引起的.至于1939年的转折,推测也是水库修建的结果,因
为1912年在格林河站的上游就有水库修建,如斯特罗伯里水库(Strawberry),只不过由于
缺少格林河的完整工程资料,目前还难以和具体的水库联系起来.值得注意的是,格林河
站主要表现在沙量的减少上,累计年水量长期以来并没有减少的趋势.
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图2格林河的格林站年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线
Fig.2 Accumulated water runoff and sediment load at Green Station of Green River
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科罗拉多河干流中游大峡谷站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线见图
3.可以看到,大峡谷站长期以来水量的变化不大,虽然位于上游的科罗拉多河一大汤普森
引水工程(Colorado—Big Thompson Project,年平均引水量2.8亿m )白1959年全部投入运
用以来对水量有所影响,但对干流中游的总水量影响不大.由水沙量双累计曲线可知,
1942和1962年分别出现了较为明显的转折,相应不同时段的年平均来沙量1927—1942
年为1.9710 t,1943—1962年为0.7810 t,1963—1972年为0.1910 t,1963—1972
年与1927—1942年相比,年来沙量减少90.4%.可以肯定地税,大峡谷测站在1962年的
突然转折,是格伦峡大坝(Glen Canyon Dam)拦沙的结果.格伦峡大坝是科罗拉多河中游
库容最大的水库,总库容33310 m .1957年开工,1964年第一批机组投入运行,1966年
8台机组全部投入运行.至于1942年的沙量突然减少,则既与大汤普森河引水工程有关,
又与其上支流水库的修建有关.
尤马站(Yuma)位于科罗拉多河干流下游,其年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙
量曲线如图4所示.由水沙量双累计曲线可知,尤马测站在1937年发生了突然变化,1937
年之前的年平均来沙量为1.1310 t,1937年之后的沙量急剧减小,斜率接近为零,相应
的年平均来沙量减为0.044610 t,较前一时段减少96.1%.1937年沙量的明显减少是
帕克坝(Parker Dam,1938年建成,库容为6.9710 m )、英皮利尔坝(Imperial Dam,1938
建成,库容为1.0810 m )以及胡佛坝(Hoover Dam,1936年建成,总库容348.5
10 m )共同作用的结果,这三座水库位于尤马站的上游,拦截了几乎所有的河流泥沙.水
量的减少则是由于引水工程影响的结果,包括科罗拉多河引水工程(Colorado Aqueduct)、
全美灌渠(All American Cana1)、中央亚利桑那工程(Central Arizona Project)、希拉河工程
(Gila Project),这几个引水工程从英皮利尔水库(Imperia1)或帕克水库(Parker)大量引
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No.3 吴保生等:美国科罗拉多河水沙变化分析431
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图3科罗拉多河大峡谷站年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线
Fig.3 Accumulated ̄ater nm0珏and sediment at Grand Canyon Station of Colorado River
水,直接导致尤马站水量的大幅度减少.长期来讲,当然还有中上游干流和支流引水增加
的影响。
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图4科罗拉多河尤马站的年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线
Fig.4 Accumulated water runoff and sediment at Yuma Station of Colorado River
3 与长江水沙变化趋势的比较
宜昌站是长江干流的代表性测站,图5点绘了宜昌站的年水沙量双累计曲线以及累
计水量、沙量曲线.可以看到,虽然每年流域内的降雨不均匀,年际的水量变化很大,但是
宜昌站五十多年来的累计水量随年份基本呈线性变化,表明径流量没有趋势性增加或减
小的变化.但在双累计曲线图中出现了两个折点,分别相应1987年和2002年,之后趋势
线的斜率变小,也就是说,来沙量分别在1987年和2002年之后出现了趋势性的减少.对
应1950--1987年的年平均来沙量为5.29 X 10 t,1988--2002年为4.06 X 10 t,20o3—
2005年为0.87 X 周末的英文 10。t.如果把2003--2005年作为自然情况下的来沙量,则1950--1987年
与自然情况相比,年来沙量减少83.6%.
据统计 ,截至20世纪80年代末,长江上游地区已建成各类水库11931座,总库容
205 X 10。m
.其中,50年代建成库容30.4010。m ,60年代33.2610。m ,70年代库容
74。5810。m
,
80年代库容66。8010。m 。20世纪80年代末各类水库的年淤积总量为
l。810。t
,其中大型水库占45.3%(年淤积率平均为0.65%),中型水库占11。1%(年淤
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积率平均为0.39%),小型水库占43.6%(年淤积率平均为0.9%).干流宜昌站沙量的减
少综合反映了长江上游干支流水库拦沙创业策划书模板 和水土保持的作用,但主要原因是新建水库拦沙
作用的结果,水土保持处于次要地位.事实上,宜昌站1988--2002年的年平均来沙量较
1950--1987年减少1.2310 t,与上游各类水库的年总拦沙量1.810 t基本对应,考虑
到上游水库拦沙后,通过河床的冲刷补多余的近义词 给会抵消一部分水库的减沙量,水库拦沙量大于宜
昌站的实测减沙量是可以理解的.
显而易见,宜昌站来沙量2002年以后的急剧减少是三峡水库2003年6月蓄水运用
的结果.三峡水库总库容39310 m ,按原设计,水库运用初期的排沙比为30%,运用8O
年后水库淤积达到初步平衡,排沙比达85%.事实上,随着三峡上游干支流水库的陆续修
建,特别是一些大中型水库的修建,将使得进入三峡水库的泥沙量较原设计大为减少,相
应的水库排沙比也将大为减少.相应三峡水库达到淤积平衡的年限将较原设计增加,进入
下游河道即宜昌站的沙量也将在较长时期内大幅度减少,需要进行深入的研究.
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图5 长江宜昌站的年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线
Fig.5 Accumulated water runoff and sediment at Yichang Station of Yangtze River
图6是长江支流汉江皇庄站的年水沙量双累计曲线以及累计水量、沙量曲线.可以看
到,由于丹江口水库1967年的蓄水运用,导致进入下游河道的年来沙量显著减少,由建库
前的2.4410 t减少到1968--2001年的年平均0.5810 t,减少了76.2%,显示了水库
拦沙对下游河道来沙量的长期作用.至于皇庄站的年来水量在2002年之后又进一步减少
为0.23 x 10 t的原因还有待深入研究.
长江干流宜昌站和支流皇庄站的水沙变化趋势,与科罗拉多河干支流上的三个测站
的水沙变化趋势颇为相似,河道累计来沙量的减少均与水库的修建密切相关.所不同的是
长江干支流的减沙趋势较科罗拉多干支流的减沙趋势发生的要晚一些,此外,科罗拉多干
流的减水量也十分明显,而长江干流的水量没有明显减少的趋势.
4 结语
本文分析了科罗拉多河干支流3个代表测站的水沙变化,并且与长江干支流代表测
站的情况进行了比较,探讨了水利工程对下游河道的减沙作用.分析结果表明,水库的修
建将大量的泥沙拦截在库内,迅速减少了进入下游河道的沙量,具有立竿见影的减沙作
用,而且干支流水库的不断修建使得减沙作用得以长期延续,可以在较长时期内减少河流
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No.3 吴保生等:美国科罗拉多河水沙变化分析 433
累计水量/10。m’
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图6汉江皇庄站的年水沙量双累计曲线和累计水量、沙量变化曲线
Fig.6 Accumulated water runoff and sediment at Huangzhuang Station of Han River
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主要测站的来沙量.在流域的开发程度不断提高的情况下,应该注意到一系列水库的修建
及大量引水对河流的水沙过程带来的深刻影响,特别是对下游河道可能带来的长期减沙
作用.
需要指出的是,由于资料限制,本文分析没有考虑水土保持对河道的减沙作用.事实
上,关于小流域地区水土保持的作用一般较为清楚,但对于有多种活动同时发生的大流域
来说,目前人们对水土保持的长期减沙效果看法尚不一致,有待今后深入研究.
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Variation of Water Runoff and Sediment
Load of Colorado River,USA
WU Baosheng, CHU Minghua, FU Renshou
(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Abstract
The variation of water runoff and sediment load of Colorado River Was analyzed in this
paper.The data used in the analysis were taken from 3 stations on the river from 1 926 t0 1 984
.
The analysis focused on the effect of engineering measures on the changes in water runoff and
sediment load.Results sho英文说唱 w that dam constructions have greatly affected the trend 0f water
runoff and sediment load of Colorado.The operation of a reservoir usua11v causes a sudden
reduction in sediment load downstream of the project.The effect of a series of dams may resuh
in a long—term tendency of reduction in sediment load
.
Keywords:Colorado River;engineering measures;changes in sediment load:water and sediment
redUCtinn
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