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关于长江三峡砾卵石输移量的讨论

作者: 来源:水利学报 本网发布日期:2010/7/9 0:06:00

                 总论

本文用演绎法逐步分析长江宜昌以上河床演变的问题,以论证三峡高坝如卵

砾量未弄清则断不可修。这里拦河修坝可行性的首要问题:工程环境。其他四个

问题是经济、技术、社会和军事,容另文讨论。若文中所列任何一条论据不成立,

则全文结论不成立。

1.长江宜昌以上各支流及重庆以上干流是属于减坡的河段(degradcd reach),

其所属流域长期间是处于被侵蚀的过程中。

2.长江上游这段干支流的造床质全是砾卵石夹粗沙。江中时有泥沙悬浮,但

并不参与造床。把可跃可悬的泥沙作为河中底沙,而假定河床卵石固定不动,这

样做动床模型试验,是根本不合原体的,试验结果是无意义的。

3.这段干支流既处于被侵蚀过程中,则沿程长距离间的多年平均卵石或泥沙

的年输移量是向下游递增的。但据水文站资料都江堰岷江多年平均卵石输移量为

200 万吨/年,而重庆的则据长办说只有27.7 万吨/年,宜昌只有75.8 万吨/年。前

者汛期水流只有3 至4m 深,尚可在目睹下测到卵石输移量;而长江汛期水深40m

以上无法测到,后者所举之数皆不可靠。

4.宜昌长江河床卵石输移既无法实测,但可以从上游小流域的实测资料按流

域面积比例综合起来,或移用小流域出口实测的悬沙和河床卵石年输移量的比例

关系于宜昌实测到的悬沙年输移量,以间接推算出宜昌的卵石年输移量:

若采用同比,则宜昌长江卵石输移量= 6.41/5.3 = 1.21 亿吨/年

若采用同单位面积输移量,则卵石输移量= 0.87 亿吨/年,两者近假,因汛期

卵石测得的常少于实际的,故宜昌长江年卵石输移量多年平均值可以估定为1 亿

吨/年。

5.这个通过宜昌的多年平均长江卵石输移量1 亿吨并非年年均匀地滚动着

的,比它大的出现机遇是50%。若论十年一遇、百年一遇的输移量将成倍增加,

且可以在某年汛期一两次暴洪下出现,沉积在库尾,堵塞重庆港。所以纵使这年

亿吨改少为1/10 或1 千万吨/年,也是难于及时清除的。

6.卵石沉积不仅堵塞港口,还将逐年向上游延伸,洪水时淹没江津合川等城

市。其量太大,无法及时捞起,石碴和历年积沉卵石只能用船运出抛弃在空旷地

上,其费不赀,使整个工程经济更不成立。据此,可以断言,在这个问题未搞清

之前,长江三峡高坝断不可修。

                  详述

一、长江宜昌重庆间的河槽经实测长期内是微淤的,而重庆以上干流及所有

支流则坡陡流急,长期内全是冲刷性的减坡河流段(degraded reach)。某一段落

可以此时冲刷、彼时淤积;当某一时段不同段落可以此淤彼刷,或此刷彼淤;但

就整体来说,论宜昌以上全流域、按多年为期总计,则必然是受冲刷的过程中,

就是说,在宜昌以上在流域分水岭不变的情形下,没有固体出入分水岭,则长期

内江中只会有固体流出宜昌,整个流域是在被侵蚀的过程中。

二、组成所有干支流河床的固体物质或造床质是砾卵石夹杂些粗沙。另外有

从页岩、沙岩风化成的泥沙,经大雨溅击,地面流冲刷,混入河流为悬沙,不落

河底,直汇长江。雨过河清,不参与造床过程。而一二级支流在水清绝无悬沙的

情形下,在山区可以看得见终年长期有河床卵石随急流多层地移动着。这些说明,

悬沙和床沙卵石的运动具有不同的机理。不象黄河下游那样,悬沙、底沙和床沙

在横断面垂线流速线上速流和含沙浓度各有一条连续的曲线。

长江上游山区卵石床沙这样地运动,正如1879 年法国杜布瓦(Dubois,P.F.D)

所描述的那样,表层最快,其下逐层减慢。这是因为河坡太陡,高速清流足以带

动床沙下移。由此可见,万立卡诺夫(Velikanov, M.A.)和耶林(Yalin, M.S.)的

见解,认为底沙只有逐层掀起而跃移,各层床沙卵石不会同时移动,并非普遍性

的规律。它可能适用于黄河下游底沙运移的现象。附图示长江上游主要支流横断

面上河谷冲深和两岸冲积平原形成的过程。

    三、长江各条一级支流在中游以上沿程每一二十公里有一跌落的浅滩急流,

跌落0.2 至0.5m 不等。说明河道坡降较陡,足以带动卵石而落差还有余。这些浅

滩是在洪水退落时卵石堆成的。少数是石龙过江,即两岸岸石横穿过江,质硬未

被水流和沙石冲蚀深而成浅滩。另一种浅滩是二级支流冲出的卵石堆积在河口而

成。在洪水涨高之时,除石龙外,大部卵石被冲走,退水时又遗留些卵石夹沙,

形成浅滩跌水。当枯水天晴时河中没有悬沙,可以清晰地见到卵石河底,一些小

卵石和粗沙在浅滩急流中冲下的现象。所有滚动过的卵石,在支流中游时停时行,

最终必将逐出夔门,到长江中游流缓处沉落在大陆架上的深层,替换原沉泥沙的

位置;而泥沙则被浮起逐流而下,部分淤积河底,抬高河床。这是造床的卵石和

悬浮的泥沙在河道纵断面上不同的运移现象。

四、上述长江重庆以上和各支流既处于被侵蚀的过程中,则沿程长时期内长

距离间的多年平均泥沙或卵石的年输移量必然是向下游递增的,例如宜昌或重庆

的必大于都江堰的。当然,这是指多年平均年输移量,而不是指当同一时刻的输

移率。但是根据水文站实测资料统计,都江堰岷江几家推测的多年平均卵石输移

量为70 万吨/年,并申称最大年平均值是200 万吨。而根据主管长江泥沙的唐日

长发表的“三峡水库末端卵石推移质堆积问题”《人民长江》1989 年2 月一文中

写道:“长江卵石来量约16—18 万m3,(按指多年平均值)大部分淤积在水库的

回水变动区河段,数量不大,可以结合航运、港区疏浚以及提供建筑砂石骨料,

有计划的开挖,……这位先生可能没有查考自己机关里实测的只占宜昌1/500 流

域面积的黄柏河却有10.5 万吨,又根据国务院三峡工程审查委员会1992 年7 月

日三审办字[1992]17 号以第42 号委员提案的答复:“长江宜昌、寸滩等水文测

站从1950 年开始有悬沙测验资料,从1973 年起又展开了推移质测验工作。根据

实测资料,寸滩站多年平均卵石推移量为27.7 万吨,宜昌站为75.8 万吨。据南

科院模型试验,寸滩站入库卵石下移缓慢,但数量有限,可以采取对策。……”

按都江堰以上岷江的流域面积只有23,037km2,其多年平均年底沙输移量(按

长江上游山区只有悬沙,所说底沙就是指移动的卵石床沙夹着少许粗沙)竟达70

至200 万吨/年之多。因为那里水浅,汛期只有3 至4m 深,尚能在目睹下测到,

但是所测卵石的汛期输移率总是少于实际的,故取200 万吨/年,虽有较大误差,

尚不至达到数量级的错误。而长江在重庆和宜昌水深达30 至40m 以上,汛期卵

石移动实际上无法测到,所谓16—18 万m3 或27.7 及75.8 万吨都是中小水时所

测的江底表层的卵石所推演出来的,完全不可靠。宜昌长江流域综合金沙江和四

大支流,集水面积达1,000,000km2 之钜,比岷江在都江堰的约大50 倍,今其综

合的卵石输移量却反而小,似乎很难理解。

五、既然无法实测到长江通过重庆或宜昌的河床卵石输移率,在没有原始实

测资料下就不可能做动床模型试验,不可能从摹似的、缩小的床形、以泥沙替代

卵石作为造床质(bed forming material),在不知卵石块径大小分布的组成下,只

依靠起动流速的摹拟,岂能从模型资料的扩大臆度出的河床卵石的原型输移率。

况且当今动床模型试验模拟律根本没有成立。所谓“据南科院模型试验,寸滩站

入库的卵石下移缓慢,且数量有限”,是没有根据的。

当今还没有二相流(固液合体流)的力学分析规律,也没有可以应用的从物

理模式(Physical model)试验得出的水沙流(特别是对卵石输移率的)公式。小

爱因斯坦经耶林改正过的依据原始概率论为理论公式对均匀河床卵石的试验结

果,特别是对于块径差异极大的河床卵石,无法应用于长江宜昌这么大的汛水卵

石流。

总之,当前在室内或场地对河卵石输移率用力学公式为骨干的物理试验所得

出的经验公式以及动床模型试验,在理论基础上皆未成立。这正是亟待研究的二

个主要课题。另外,当前在江河汛期实测床沙石运输率,也还没有合理可靠的测

验方法,这也是一个亟待研究的课题。对于汛期巨大的流率Q(俗称流量)测验

人们束手无策,况且它是正在剧烈地变动着,亦即存在着很大的流变率,后者对于输沙率或河床卵石输移率G 和起着决定性的作用,使问题更为复杂。

在恒定均匀流下场地测量的许可误差对流率Q 是10%,大致是世界公认之数。对

于悬沙输移率G 许可误差似可估计为25%。对于底沙、床沙则更大,甚至成几十

倍了。这些是当前这个问题的困难所在。

在这种困难情形下,吾们岂能说“为量很少,可以处理”,以自我安慰,我们

要对艰难迎头进攻。好在我们并不要求准确的资料,可以允许误差达到200%,

甚至500%。这是因为滚过重庆的卵石将颗颗沉积在三峡高坝的壅水(俗误称回

水)库尾。只要知道它是确有至少年平均几百万吨就够了,它肯定不是均匀地、

渐渐地滚下来的,可能是某次峰率,高达十年一遇的,一下子就沉积的。据此我

们便知其量难以及时掏挖,无法维持航运;从而立刻得出结论,此坝决不可修,

根本毋需作可行性考查。

六、既如上述,在宜昌重庆无法实测或试验出长江卵石的输移率,则惟有利

用其上游小流域实测到的资料间接推算。好在各大支流和重庆以上的长江干流全

是侵蚀减坡性的河段,在长距离河段里,长时期间决不会有淤积的结果。所以,

在长期间重庆的长江卵石或泥沙多年平均年输移量等于组成其流域面积的所有各

小流域内分别产生的相应的多年平均年输移量的总和。而宜昌以上重庆以下河道

多年平均微有淤积,但其间各支流则全是冲刷性的,故宜昌的长江多年平均年输

移量也略等于组成它的各小流域的相应年输移量之总和。这是普遍性的原理,可

加性物理量的统计可加性。兹详释如次。

设某物理量A 由许多物理量a′s组成,其确定性(deterministic)关系如下:这里A 表示宜昌的长江卵石或泥沙从1,000,000km2 流域出来的多年平均年输

移量,各个1 a , 2 a ……等表示内含诸组合小流域的个应年输移量。它们同处于宜昌以上四川盆地气候和地貌都近似的地域内,输移量具有相似的随机性。今取a 表

示从都江堰以上岷江这一23,000km2 流域里出来的具有代表性的实测平均卵石年

输移量。各小流域a′s和都江堰的a之气候、地貌和水文随机性既是近似的,就具

有近似共同的单位流域面积的年输移量。所以m1,m2,……分别代表各小流域对

都江堰岷江流域的面积比,而总数m 则为宜昌总流域1,000,000 和都江堰岷江流

域23,000 的比例m=43.5,若取都江堰的年输移量a = 200万吨/年,则宜昌的

A =0.87 亿吨/年。这是用总体组合统计推算的合理结果。

七、通常出现的误解是:人们往往把某次洪流下各小流域例如都江堰岷江所

产出的那次卵石输移量(同样可对泥沙的输移量)与其组合的例如宜昌的同一次

长江输移量之间的关系和上述按面积比例推演的统计分析混淆起来,而误认为上

述由随机性总体事件统计法所转成的确定性结果也是不合理的。按一次洪流形成

的卵石推移量,如同一次暴雨形成的雨量,都是集中在某一小流域内成为中心,

其单位面积雨量最大,而这场暴雨全部面积很大,总量当然也更多,但是单位面

积的平均雨量就小了。所以不得按小流域的某场单位面积雨量推演到大流域这场

雨的全面总量,这种分析是确定性个体分析(Infrastructure analysis)。如果再进

一步分析细到某一点一定时刻的雨率*(俗称降雨强度),则降雨中心的会比其四

周各处的和全面平均的大很多。这种分析所用的是力学分析法。应用到洪流下从

许多小流域出口的卵石输移量和其组成的全流域相应的总量关系,对于其次洪水

甚至对于某一年的输移量,全流域的例如宜昌的,当然必大于所属某小流域的,

例如都江堰岷江的,但是论单位面积的输移量则可大可小,未必相同。再进一步

论小流域内某出口的输移率,则更不得用来推演到全流域同时的输移率了。这就

是说,凡是确定性个体分析法和力学分析法都不得用来以小推大、以偏概全的;

而总体统计法(俗称宏观长期分析)考虑进抽样误差后则是可以援用的,因为各

组成面积同处一相同或近似的气候和地貌的条件,其单位和面积统计值是一样的。

还有一种错误是,鉴于都江堰的实测岷江卵石多年平均年输移量200 万吨反

而大于唐日长申称的宜昌18 万吨,又不敢否定后者的谬误,竟认为这些多年的卵

石量可能埋藏在流域内某地隐蔽之处。这也是混淆了大小流域某年的确定性输移

量和长期内统计输移量之间关系的区别。正如对于全流域某年的循环水文因素间

的关系这是这年的年雨量 = 年蒸发量 + 年流量 + 年储存量

如众所知,该流域的各循环水文因素间多年平均的统计关系就没有末项了:

年雨量 = 年蒸发量 + 年流量

还有一些人怀疑通过宜昌的长江卵石输移量不可能大到1 亿吨每年,它们排

到哪里去了?按在本届地质年代以数万年为期内,在人类, 尚未在长江中下游修堤

以前,卵石流早先就沿着岩基河底的大陆架平原沉积下来,而泥沙则淤在海底上

面和前面。随后的卵石流在前进中替换了先前在上面淤积的泥沙而继续沉积在卵

石的海底上。如此左右轮流沉积,造成了广大的长江中下游平原。在人类占领了

这冲积平原之后,为了阻止主流的左右改道,修建两堤束住江流,以便定居两岸,

于是卵石流和泥沙流被限制在堤内淤积。江底逐渐淤高,堤岸随着修高。中游淤

积的反作用是加陡坡降,于是宜昌堆积了40 米厚的复盖层。这卵石层正继续上延,

在重庆出现了长年微淤的现象。而大部分卵石流则仍然向中下游输送。在葛洲坝

修后,坝内设有27 个河底泥沙闸,1981 年断流那年适逢大汛,坝后沉积了卵石

1.09 亿吨,过坝后宜昌实测泥沙8.37 亿吨,其中还未包括卵石。而1983 年那年

坝后沉积达0.248 亿吨,过坝达6.46 亿吨,另有大量卵石流无法测到。宜渝间

600km,只要沉积0.1m 就有1 亿吨卵石。可见卵石流出宜昌每年1 亿吨对比泥沙

实测6.41 亿吨,并不称多。况且我们并不计较其准确性,即使只有1/10 或1 千

万吨/年,因为颗颗卵石将停留在高坝壅水末端,再加上泥沙,足以堵塞港口,截

断航道。

八、另外三个卵石输移量资料,一个是涪江平武江油间黄万里于1938 年任涪

江航道测量队队长时估算的,其时当11 月枯水,水深不及没膝,清晰见底,绝无

悬沙,而河底卵石多层滚着,两人测量断面时,无法在水中站住,被冲倒淹毙。

在枯水时卵石竟也能如此滚动,说明长江一级支流上游山区内卵石流是终年进行

着的,汛期其流率将更大。此处涪江河长150km,集水面积5510km2,年卵石输

移量50 万吨,单位面积卵石输移量为90.7 吨/年·km2。

另一实测卵石结果载于“长江葛洲坝泥沙研究成果汇编”,第631 页的是,宜

昌黄柏河口,河长140km,集水面积1,911km2,年卵石输移量54.9 吨/km2。这条

河上已修有两个拦河坝,上述输移量虽已算入沉积在水库内的卵石总量,但因水

库减平了坡降,其上游自然输移量必然也是减少了的,所以这个54.9 吨/km2 年是

少于实际的。又计算卵石沉积的容重,因大小卵石和泥沙参杂,空隙很小,故应

取较大之值。

另外可从一些已建水库淤积的资料考查。例如大渡河龚嘴水库容量3.5 亿m3,

集水面积76,000km2,16 年已淤满。按库内淤积的大部份应是卵石,空隙挤满粗

沙,其余细沙应大部分冲出坝下。现在估计至少有0.7 亿m3 为卵石夹沙量,按

2.5 吨/m3 计其容重,16 年内沉积,由流域面积76,000km2 内产生。得出年沉积量

=0.7×2.5/16=0.1094 亿吨/年=1094 万吨/年,合1094/76,000=0.0144 万吨/km2=144

吨/km2。

综合上述四卵石年输移量资料如下:

九、卵石造床质的运移和泥沙悬浮的运移虽属两类不同的机理,但是它们每

次总是同一暴雨迳流的产物,两者的多年平均年输移量理应存在某一平均比例。

附表示长江三峡以上20 个小流域属二级或三级支流的测站产沙的主要参数。若假

定卵石年输移量为泥沙实测的M 之1/5,则二十站的卵石年输移量或1/5 M 侵蚀

模数平均138 吨/km2,此数大于上述100 吨/km2 很多。若按100 吨/km2 为准,则

此比例1/5 M 应改为1/7 M 左右。这可说明,各小流域的产卵石量对泥沙的比例

比较大流域的为少,宜昌以上卵石年输移量平均值采用100 吨/km2 或许过多。按

都江堰实测的岷江卵石输移量200 万吨对比泥沙悬移质1,068 万吨,两者比例约

为1/5.3。

宜昌在葛洲坝修建后1980—85 年这6 年的平均年输沙量实测6.41 亿吨,若

按上述较小的比例1/7,则卵石年输移量达0.92 亿吨之多。而按都江堰的石沙比

5.3,则达1.21 亿吨之多。

所以单论卵石年输移量平均取1 亿吨不为多,况且还有修坝后库尾悬移泥沙

的淤积。再考虑到十年一遇、百年一遇的来石来沙,则其量将成倍加大,无法及

时淘挖。

十、在高坝建成、水库蓄水后,库内水深流缓,带动不了卵石泥沙流。当汛

期全部卵石和部分泥沙将沉积在库尾壅水末端的重庆港,阻碍航道。逐年的沙石

沉积将向上游漫延,抬高江津、合川等的洪水位,使那里泛滥频繁;且将继续漫

延。以至达到新的淤积平衡比降而止。

只要堵塞重庆港,正如故总理周恩来在讨论葛洲坝时所讲那样,惟有炸去大

坝,恢复江航。但是三斗坪直壁高达千米,大坝石碴和已沉积的卵石只能船运出

峡,扔到空旷的地方。这又需费不赀,停航逾年。

所以,考虑到大坝的造价和损失的严重,卵石问题如未弄清这坝是断不可修

的。堵港可能发生在完工后十年之内,纵使发生在几十年后,因其祸害之严重,

此坝也是不可修建的。

附表 长江三峡以上流域 20 个站产沙模型主要参数[1]



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