大坝对长江中下游多粒级沉积物回收率的影响

《Geomorphology》：Dam-induced changes in multi-fraction sediment recovery in the middle-lower Yangtze River

本研究分析三峡大坝对长江中下游多组分泥沙输运及河床恢复的影响，揭示细、中、粗颗粒泥沙动态变化规律，发现下游350公里河段细颗粒泥沙近乎耗尽，而750公里以下河段粗颗粒泥沙成为主导，支流与湖泊在季节性泥沙补给中起关键作用，为河流系统可持续管理提供依据。

　　

陈家敏|朱春燕|德克·塞巴斯蒂安·范·马伦|郭乐成|谢伟明|徐帆|徐源|王正兵|何青

中国华东师范大学河口与海岸研究院，上海，200241

摘要

水力发电大坝会导致下游沉积物匮乏，从而影响河流形态。虽然人们通常关注的是形态变化，但沉积物粒径分布（GSD）变化对这些形态变化的影响却鲜有关注。在这项研究中，我们探讨了三峡大坝（TGD）对长江中下游多粒径沉积物输运和河床恢复的影响。基于1987年至2021年的长期野外数据，我们评估了细粒（d < 0.031 mm）、中粒（0.031–0.125 mm）和粗粒（d > 0.125 mm）沉积物在不同大坝调控下的响应差异。研究结果表明，悬浮沉积物逐渐变粗，并识别出三种由大坝引起的沉积物变化机制：静态护床砾石层、活跃的河床护层和强烈侵蚀。在三峡大坝下游约350公里范围内，尤其是细粒和中粒沉积物几乎被完全消耗。相比之下，随后的750公里河段成为主要的沉积物来源，其中中粒和粗粒沉积物占比逐渐增加。此外，支流在雨季提供细粒沉积物，而湖泊作为长期沉积物储存区，在旱季释放先前沉积的物质。这两种沉积物来源在调节长江中下游的GSD方面发挥着越来越重要的作用。这些发现为受上游大坝影响的河流系统的可持续管理提供了宝贵的指导。

引言

全球许多河流系统中都修建了大坝，用于水力发电、防洪和蓄水（Best, 2019; Lucas-Borja et al., 2021; He et al., 2024）。目前，超过58,000座高15米以上的大坝捕获了全球约25–30%的沉积物通量（Poff and Schmidt, 2016; V?r?smarty et al., 2003），显著改变了下游的水力条件和沉积物输运过程。这种破坏导致河床侵蚀（Graf, 2006; Zheng et al., 2018）、河道不稳定（Graf, 2006; Morais et al., 2016）以及海岸退化（Anthony et al., 2015; Bussi et al., 2021; Syvitski and Saito, 2007）。因此，了解大坝对下游沉积物动态的影响对于大坝调控和可持续河流管理至关重要。

大坝在水库中截留沉积物，减少了下游的沉积物负荷并改变了河道形态（Dethier et al., 2022; Syvitski et al., 2005; V?r?smarty et al., 2003），这是大多数研究大坝影响的主要焦点。然而，大坝对沉积物粒径分布（GSD）的影响却很少受到关注。例如，在湄公河和黄河中，粗粒沉积物优先被截留在水库中，而细粒沉积物则被释放到下游（Anthony et al., 2015; van Maren et al., 2013; Wang et al., 2017）。科罗拉多河也观察到了类似现象，大坝导致的沙源减少引起了河床护层形成和生态系统变化。同样，在密西西比河，大坝后河床沉积物的粗化加剧了河岸侵蚀（Grams et al., 2007; Meade and Moody, 2010）。尽管人们认识到GSD在沉积物动态中的作用（Antoine et al., 2020; Fu et al., 2023; Kondolf et al., 2014），但很少有研究将多粒径沉积物输运与形态变化直接联系起来，导致预测河流对沉积物变化长期响应的不确定性很大。

作为亚洲最大的河流系统，长江自2003年三峡大坝运行以来，沉积物负荷减少了70%，导致下游广泛侵蚀（Tian et al., 2021; Yang et al., 2023）。细粒沉积物占悬浮沉积物的主导地位，而粗粒沉积物越来越多地来自河道侵蚀（Dai et al., 2018; Deng et al., 2022; Zhou et al., 2023a）。因此，在三峡大坝下游，尤其是长江中游上游，河床逐渐变粗，侵蚀强度和空间模式也发生了变化（Lai et al., 2017; Luo et al., 2012）。因此，了解GSD和多粒径沉积物输运的变化对于预测下游长期形态演化至关重要。早期的沉积物减少研究主要依赖于在主河道测量的年平均沉积物负荷（Yang et al., 2002; Yang et al., 2006; Zhang et al., 2006; Chen et al., 2008; Dai and Liu, 2013; Dai et al., 2018）。这些研究仅关注三峡大坝的影响，且未考虑粒径变化。此后，多项研究深化了我们对这一现象的理解。Luo et al.（2012）可能是首次探讨三峡大坝对粒径分布影响的研究，他们记录了河道侵蚀和河床粗化现象，但对通过河道侵蚀恢复悬浮负荷的机制了解有限。Deng et al.（2022; Zhou et al., 2023b）评估了多个河段的沉积物输运和恢复过程，包括长江沿岸大型湖泊的缓冲作用（Guo et al., 2018; Yang et al., 2022; Zhu et al., 2022; Zhu et al., 2023）。过去十年中，三峡大坝上游水库的建设进一步复杂化了沉积物响应（Yang et al., 2018a; Wu et al., 2018; Li et al., 2023）。我们发现了两个迄今尚未得到充分关注的沉积物响应方面：首先，长江及其支流的沉积物粒径具有季节性变化，因此需要评估悬浮负荷输送的季节性变化；其次，也是最重要的，目前还缺乏一个综合框架来整合非均匀沉积物输运、河道侵蚀、支流和湖泊的贡献以及下游恢复过程。

在这项研究中，我们旨在探讨大坝对长江中下游多粒径沉积物输运和形态变化的影响，重点关注相关的沉积物恢复机制转变。具体研究内容包括：（1）GSD变化在多粒径沉积物输运中的作用及其对河床侵蚀的影响；（2）三峡大坝、支流和湖泊对沉积物恢复的综合影响。通过整合悬浮沉积物和河床沉积物的GSD数据、水文记录以及两次野外调查的结果，我们量化了沉积物负荷减少、河床侵蚀以及支流和湖泊输入如何共同调节大坝后的沉积物动态。本文结构如下：第2节描述研究区域、数据集和方法；第3节介绍沉积物GSD的变化和恢复情况，包括年际和近期季节性变化；第4节讨论与GSD变化相关的沉积物机制、支流和湖泊的独特贡献以及更广泛的全球影响；第5节总结主要结论。

长江流域

长江在全球长度（约6300公里）、沉积物负荷（1950–2020年为351百万吨/年）和河流流量（1950–2020年为9×10^11立方米/年）方面分别排名第三、第四和第五（Milliman and Farnsworth, 2013; 长江水利委员会，2002–2022）。这条河流从青藏高原（>3000米）经过山区（约1000米），最终流入东海（Wang et al., 2013）。

悬浮沉积物负荷和粒径变化

本节介绍了悬浮沉积物特征的十年变化，包括悬浮沉积物负荷、中值直径（D50）和三种沉积物粒径的贡献。研究时期（1987年至2021年）根据三峡大坝的运行时间分为四个阶段：（1）三峡大坝建成之前（1987–2002年）；（2）三峡大坝蓄水，水位为139–156米（2003–2007年）；（3）三峡大坝水位进一步提高至172米或

大坝对河床侵蚀的沉积物机制

水库下游河床的适应性变化导致河道侵蚀和河床沉积物粒径分布的变化。通过对长江中下游多粒径沉积物输运和恢复的分析，我们识别出三峡大坝下游三种不同的河床侵蚀机制（图11）。此外，这些机制可以通过河床沉积物D50的变化率（dD50/dt）和河床高度的变化率（dZ/dt）来区分（

结论

大坝对沉积物的截留显著改变了下游的沉积物负荷和粒径，影响了河流沉积物动态、河流动力学和三角洲形成。基于1987年至2021年的悬浮沉积物负荷和沉积物粒径的长期时间序列数据以及2021年和2022年的新野外调查，我们评估了大坝建设（特别是三峡大坝）对长江下游多粒径沉积物恢复的影响。我们识别出三种不同的

CRediT作者贡献声明

陈家敏：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。朱春燕：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、调查、资金获取、概念化。德克·塞巴斯蒂安·范·马伦：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、概念化。郭乐成：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源协调

未引用参考文献

Boguchwal and Southard, 1989

Chen et al., 2012

Chen et al., 2022

Chen et al., 2023

Deng et al., 2019

Han et al., 2017

Hu et al., 2022

Lai, 2017

Liu et al., 2020

Van den Berg and van Gelder, 1993

Van Rijn, 1993

Yan et al., 2022

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号：U24A20181、42576162、42206169、42476162、42376168、42276217、42576168、52509095、U2040216）、上海市科学技术委员会（25DZ3003700）以及水利部的长江调控与保护重点实验室（CX2023K05）的财政支持。