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关于长江三峡砾卵石输移量的讨论(续)

作者:黄万里 来源:水力发电学报 本网发布日期:2010/7/9 0:32:00

               摘要

长江上游属于浸蚀而减坡的河段,其河床组成质料为砾卵石和粗沙。这河段

及其流域在史前是东高于西,亿万年前的侏罗纪时代,流水挟带了卵石泥沙是向

西移动的。由火山喷出的岩浆所组成的卵石笼盖着整个流域,它曾多次上升下降,

因之卵石大小的组成分布得很不均匀。每当汛期,河床上的卵石在三峡上下覆盖

层厚达35m 中可以有几层同时运移。因此,即使用近代精良的仪器也不可能量出

其输移率。估计三峡长江年输移量唯一方法是适用统计学方法求出它和其支流较

小集水面积上在流域末端实测到的年输移量之间的相关关系,由此得出的结果估

计有几千万t 沉积在重庆河里水库上游末端,这显然将严重影响航行并将提高上

游的洪水位。

关键词 长江三峡 卵石流

                  一、缘由

作者在本学报1993 年第3 期(总第42 期)上发表一文《关于长江三峡砾卵

石输移量的讨论》。其后在1994 年第2 期(总第45 期)长江水利委员会水文局发

表了《对黄万里估算长江三峡卵石输移量一文的讨论》;又长江科学院陈济生先生

同期发表了《对长江上游水利水电工程推移量的几点认识》。

在长委水文局中有下列四项批评:(1)原文中“长江三峡无卵石推移质资料

不符实际”。查原文中并无此语,只是说(107 页):“都江堰岷江多年平均卵石输

移量为200 万t/年,(当然包括粗沙或称沙推)而重庆的则据长委说只有27.7 万

t/年,宜昌只有75.8 万t/年 。(按宜昌长江流域面积约1,000,000km2,而都江堰

岷江集水面积只有23,000km2,只占前者的1/43.5)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;”( 2)“按流域面积比例关系推算卵石推移量的方法是错误的”;

( 3)“应用悬移质输沙量与卵石推移量比例推出宜昌推移量的方法根本不能成

立”;(4)“卵石估算量1 亿t 完全脱离实际”。也就是坚持重庆实测的27.7 万t/

年,宜昌75.8 万t/年是准确的,是合理的。

陈济生先生的文中也不同意卵石推移量按流域面积比例及和悬移输沙量比

例推算的方法,并列举了和河段比降的相关关系来推算葛洲坝的卵石输移量。

         二、关于长江上游砾卵石输移问题中共同认识的诸方面

在作者原文推理中前两点似乎读者都同意,即:(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,其所属流域长期间是处于受侵蚀的过程中,当

然这是指一长段期内的平均情况,在较短的段落中则可能时冲时淤;(2)长江上

游干支流的造床质全是砾卵石夹粗沙,不论山区源头或支流的末段一律是砾卵石

造床质,虽然各段卵石粗细大小未必相同,它们都是火成岩石或变质岩的石块。

另外有从两岸页岩、沙岩,很少也有从灰岩风化成的泥沙,经大雨溅击,地面流

冲刷泻入河流为悬沙,它们不沉河底,直汇长江,雨过则河清。除非筑坝后沉积

在水库内,它们并不参与造床过程。从坡面滑下来的泥沙或沟里冲下的泥石流中

大部成为悬沙,少数夹有卵石则沉落河底参与造床。这些卵石先沉在冲沟之口,

堆成支流口的浅滩急流(rapid),跌落0.2 至0.5m 不等,待下次支流涨水时部分

被冲去,洪水下可大部冲去。遗留的卵石和下次冲沟发水则又再沉积为急流。长

江各一级支流中游以上沿程每隔约10km 有一个这种浅滩急流,木船拉牵过滩最

为费力,只有岷江中下游河窄谷深,没有这种浅滩。

1938 年至1942 年抗战期间所有一级支流均经实测,由全国各水利机关分任。

作者曾任岷江下游及涪江航道勘测队队长,绘有纵横断面及平面图,重要浅滩绘

有草图,沿程埋设有水准标点,未知是否仍存在。但各支流是冲刷性的,非淤积

性的,河床质全是卵石,夹有少量粗沙,则可以肯定。浅滩急流的存在,这一河

貌本身就说明了河段在这里长距离、长时期内是不淤积的。

           三、对于沙石运移现象不同认识的诸方面

在前面列举长委文中四点批评及陈济生先生文中的议论和作者原文对于长

江沙石流存在着截然不同的见解,可以归纳为下列诸方面:

1.关于江中输石量的测验成果,长委在学报总45 期文中95 页列述了量测

所用的多种高级采样器和量测的方法;又通过中美科学技术合作曾对各种仪器进

行过比测试验。“通过详细测验,各测站的多年平均卵石推移量为,……,寸滩

28.2 万t,……,宜昌(建库前)为75.8 万t。观测结果经专家鉴定认为:长江三

峡的推移质观测取得了大量丰富的第一性资料,……,在资料和研究成果的……

各方面,均达到国际先进的水平。以上情况表明,黄先生所说的……高水测不到

和资料完全不可靠等问题,全不属实”。

原文作者在学报总42 期108 页上则写道:“前者(指都江堰200 万t/年)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”。

两文这方面的基本不同认识在于长委水文局及长科院认为三峡多年平均卵

石输移量实测结果重庆27.7 万t/年,宜昌75.8 万t/年完全可靠。而原文作者黄万

里则认为不可靠。

作者认为不可靠的理由是:卵石的大量输移主要发生在汛期,卵石在三峡岩

基上堆积成厚35m 左右的覆盖层,它们是从上游下来的输石率和同时同断面向下

游滚出的输石率差异所长期累积成的,而决非当地土生土长的。输移时未必总是

一层一层分别掀起来推动的,而是多层同时以各层不同速度运移的,甚至不排除

发生过连底层全体运移,以括刷基岩,加深早年冰川先已括刷成的U 形河谷使之

成为V 形。在卵石单层输移时,可能做到用精致的网蓝式采样器施测,“放置于

床面,使仪器口门较好地伏贴河床,……,可靠地采集到卵石推移质样品”。但在

汛期几米厚的卵石多层同时输移时,尽管先在河床上挖出一坑,也难使采样器伏

贴河床,采集到各层卵石同时以不同速度运移的样品,盖其时采样器底下还有移

动着的卵石。

川江各大支流卵石河床质确是多层同时运移的,作者1938 年曾亲历并复查

过,不仅在寸滩汛期,而且在平武涪江枯水期。关于河沙底层运移的理论分析详

见本文后面的讨论。

作者认为,河床质卵石的输移量测,只可能在岩基过江(船工称“石龙过江”)

的横断面上施测,例如涪江三台柳林滩、遂宁、太和镇都有岩基露面,在这上面

置采样器施测,则比较可靠。又如岷江都江堰,电视里放映有人工用铁丝网兜取

卵石的镜头,这样测得的结果大致是有意义的,虽其误差可能仍很大。在大江里

深层取样,则很难令人信服可能得出有意义的结果。

就是因为大江卵石输移率难以测好,所以不得不改用从小块流域测得的年输

移量间接推算。

2.关于卵石在长江上游的分布问题

长委水文局认为:“长江三峡卵石来源区大都分布在宜昌以上1000km 之

外,……,输移后对于直径为100mm 的最难磨损的石英岩,其直径将减小为9mm,

重量仅为原重的1‰,……,成为可以浮游前进的悬沙,不再属于卵石推移质”。

(97 页)这点很容易实地辩明是非:在合川嘉陵江、涪江和渠江交汇处低水时的

河滩上可以看到铺着几十厘米的大卵石,1981 年洪水时有人描述这些大卵石怎样

飞起来打到岸上,并冲向下游,这里距重庆只有100km,似难经此就会变成悬沙。

而且实地观察,便知卵石上游的反而较小。

水文局文(97 页)又说:“卵石推移质主要来源于溪、河沿岸的局部重力侵

蚀(如崩塌、滑坡、滑溜等)。后者所产生的巨大颗粒必须受到强度相当大的水流

搬运,才能成为推移质。由于卵石不是来自广阔的流域地表,因此,采用计算悬

移质产沙量的方法来计算其推移量是错误的”。这些说明水文局负责人员完全误解

了长江上游流域上的砾卵石的来源和形成,以为它们是滑坡、泥石流等的产物。

而且这样说又自己否定了来源区在宜昌以上一千公里。实际上这是人类史前的流

域内地质断裂、岩层破碎处喷出的溶浆冷却后所凝成的火成岩经长期滚成的。其

间还经过地层隆起和沉陷,亿万年间地形多次改变,岩石多次产生并来回滚动,

因此流域上峰峦和丘陵高地都铺有卵石,例如长江下游南京雨花台铺满着各式各

样著名的美丽卵石。它们被雨水径流冲到小溪沟,再转入大溪沟,而滚到各级支

流内,在河口堆成三角洲,正如水文局文99 页图8 金沙江平面图那样。这些卵石

在支流里小水冲不走,留下成为浅滩急流。在支流纵断面上形成三类水力控制断

面的一类,这些跌流的表现便是江河上游受着冲刷侵蚀的象征。当洪水经过时,

这些三角洲卵石大都被冲入大江,洪水退落时又将带不动的卵石沉落下来,仍恢

复为浅滩急流,人们可以从水面观察到其形成、冲动下移,和沉积的过程。在浅

滩水面上可以观察到卵石的大小组成和夹杂的粗沙。所有这些是由本断面以上集

水面积上的卵石集合起来的,并不限于“宜昌以上1000km 以外”起源的,也不

限于干支流本身的河床里才有卵石。这些很容易从流域丘陵和溪沟里观察到。

3.关于长江上游流域内卵石粒径大小的分布问题

为了解释卵石运移在重庆只有28.2 万t/年,宜昌只有75.8 万t/年(集水面积

1,000,000km2)的量测是通过“从严从难的精细”工作得出的可靠结果,当作者

列举岷江上游都江堰所提供的实测资料,卵石运移竟达200 万t/年(那里集水面

积只有23,037km2,占宜昌集水面积只有1/43.5,而陈济生先生的文里109 页表1

映秀湾,卵石运移也达116 万t/年,数量也不小),为了解释这个对比的矛盾数据,

长委水文局就拟出上节所述理由,认为卵石来源于宜昌1000km 以外,都江堰恰

合此距离,所以才可能产生200 万t/年之多,而距宜昌1000km 以内人们目睹的

所有卵石则设定为全是不动的。但是水文局自己测验的、建有两个水库的宜昌黄

柏河只有1,911km2 集水面积,却输出卵石也达每年10.5 万t 之多,竟达重庆以上

集水面积近百万方公里的一半之钜。这难免令人怀疑实测28.2 万t/年究竟是否可

靠。

于是除了申言宜昌1000km 以内少有卵石运移外, 水文局还设法解释这

1000km 外包括都江堰的200 万t/年在内以及金少江等从山头下来的卵石其总数应

不下于2000 万t 是怎样会大多转变为悬沙的。这才可能讲得通卵石到重庆只剩下

28.2 万t/年:“卵石在长距离输移中不断磨损,使其粒径剧减,推移量大幅度减少”

(97 页)。但是经实际观察沿江的卵石粒径,(作者曾从平武到合川沿涪江步行有

些河段来回达四次)竟是上游的小,反而下游的大,这怎样用水文局磨损原则解

释呢?原来在人类史前按地质年代亿万年以前长江是倒流由东向西入地中海的,

这样流向颠倒以前,干支流下游的卵石在史前早经磨损为20 至30mm 的小圆卵

石。又由于亿万年来流域内地层裂缝并非均匀分布,喷出的岩浆沿程多少不同,

可以有小有大,卵石粒径原非均匀分布,更非沿程递减。我们无法据以说明山头

的卵石由小变大,到重庆会变成悬移的泥沙。这些参考后面概述的长江地质历史

就自然明白。

4.关于卵石输移过程中沿途临时沉积的不同认识

为了解释实测卵石年输移量重庆的反而少于上游山区河流的,水文局认为:

山区河流上游坡度大,水流搬运能力强,粗颗粒卵石能被夹运前进。但当河流

进入到山前缓坡宽谷段后,水流减弱,粗大的颗粒便会沉积下来,使推移量沿程

减少,粒径细化。”又说:“长江上游干流及嘉陵、岷、沱等大支流,由于流经坡

度较缓的四川盆地,造成卵石推移质大量累积性沉积。……岷江的推移质流出高

山峡谷进入四川盆地后,由于大量沉积,形成了广阔的成都平原。以上情况表明,

长江上游干支流的卵石推移质,普遍存在的沿程分选沉积,只有一部分能连续输

移,进入三峡区”。(98 页)

这种说法, 混淆了个体分析(infrastracture analysis)和整体运营( system engineering,俗误译为系统工程)、(有的译成微观分析和宏观调控)的区别。照

此推论,则长江上游流域和河床应成为淤积性的,而不是前面大家所公认其为侵

蚀性的和冲刷性的。按照力学分析,山区坡陡流急,石子会被冲下来;及到下游

坡缓谷宽河段,石子就沉积了。这是对于一批石子、在一次降雨流水下,在一定

不长的河段、一定不长的时间内按力学分析的结果。这叫做个体分析,大家认识

得很清楚,运用的是力学分析方法。假使对于一大批石子,在整个流域很长的河

段里、很长的时间,譬如一年里,经过多次的降雨集流,人们都普获得这样的经

验公式:输沙率G 是随着流率Q 的平方Q2 一起增减的。而且还随着Q 的时变率

t

Q

一起增加或一起减少。虽然理论上应该可先援用力学按微分dx、dt 分析,再

综合积分起来,但因不定流理论复杂,也没有完全的观测资料可以采用,这和汛

期降雨集流一样,力学分析是做不出来的。这里只能用统计法对实测资料分析;

实测资料不足或不可靠,就进一步用相关法(即二元统计法)对有关资料全面分

析。这就是整体运营的方法。我们先已知道长江上游大面积内在长期间(多年平

均卵石输移率)是不淤积的,是属于侵蚀性的或长期在冲刷的过程中。我们设计

要求的正是综合到重庆或宜昌的大面积里所综合起来的多年平均卵石年输沙量,

只须各其大概的数据,究竟是每年平均几万t、几十万t、或几千万t?只要这均

值如果达到五百万t,而且这沉积量是发生在一个汛期、甚至一个月或一次洪水

沉积下来的,把它急忙间掏挖掉很难做到。况且还须考虑到它的年限差异程度:

离差系数Cv 和更高级的系数,则年输沙量还将成倍地加大均值。总之,这个问题

只能用统计法和相关法为根据的整体运营原理来解释并运算,而不可能用力学分

析法为根据的个体分析来计算。

至于说到岷江卵石输出峡谷进入四川盆地后大量沉积,形成了广阔的成都平

原,这确是事实。但这事是发生在人类史前亿万年,那时那里地形是湖相,远处

有山,仍属峡谷,称为“湖峡”。经岷江山区的湔水冲破玉垒,挟带卵石淤积为成

都平原。作者《都江堰颂》诗曰:“君不见西蜀岷山发湔水,飞沙走石摧玉垒,(在

灌口上游)一訇灌口圹原开,湖峡成都斯积起,”即记其事。今成都平原土壤只有

一米厚,下面全是卵石。作者在原文(109 页附图)中描述的冲积平原形成的过

程中“I。开端”图中支流横断面图就是指在史前成都平原早已形成后河貌演变的

开端。以后卵石在河床内运移,把U 形河谷冲成V 形,这些却不是水文局文中所

称当今的“由于大量沉积,形成了广阔的成都平原”。

凡此作者愿在后面和同志们共同学习一番长江河貌的地质演变史以及个体

分析与整体运营的内在含义。

            四、长江的地质史概述

拦河坝的修建,改变了水和沙经常自然流的情况,沙在这里是指水流中泥、

沙和砾卵石等各种固体的统称。自然界经常的风化和降水所引起的地貌和河床的

演变,在工程修建后会额外地影响到人类生活的环境以及各种生物的动态,总称

为工程修建对“生态和环境的影响”(Ecological and environmental impact)。如果

这些影响对于人类生活无害,则这工程的修建是可行的,这是凡拦河坝修建前必

须考查的五类可行性之首。

暴雨、径流(即地面流,run-off)、潜流和川流在自然条件下招致水土流失及

上游沙石河床质的被冲刷下移,及到下游便泛滥为洪积平原。在人类占领平原后,

筑堤约束了水沙流,使淤积限于两堤间的河道内。拦河筑坝建立水库,使库内河

道落差集中到坝址,改变了自然的水沙流速,引起新的河床演变,这就是拦河筑

坝所引起的改变环境的影响。理解这些影响首先要了解所在流域和河床原来的地

质、地貌状况,以及它们在历史中演变的过程。下面摘录长江流域规划办公室编

写的《长江水利史略》(2 页)中有关长江地质演变的简要过程。

(1)距今二亿年前的三迭纪 那时我国南方和华北的地形是东高西低,长

江流域西部被古地中海所占据,海水淹没着西藏、青海南部、川西、滇西、滇中、

黔西和桂西大片地区,并向四川盆地和鄂西延伸,形成了一个广阔的海湾,直到

巫峡和西陵峡之间。

(2)距今一亿年以前的侏罗纪 一次强烈的造山运动形成了横断山脉,秦

岭升高,古地中海大规模后退,云贵高原开始形成,并在横断山脉、秦岭、云贵

高原之间的低地遗留下云梦泽、巴蜀湖、西昌湖、滇池等几个大水域,它们由一

条水系从东向西串连起来,由南涧海峡流入古地中海,这就是古老的长江雏形。

(3)随后的白垩纪燕山运动 四川盆地上升,洞庭盆地下降,湖北西部的

古长江发育,向四川盆地溯源伸长,和盆地各水系联系起来。

(4)距今三、四千万年前的喜马拉雅造山运动 全流域地面普遍上升,上

游上升最烈,形成高山、高原和峡谷;中下游上升较少,出现丘陵和山地;低凹

地带下沉为西湖平原、南襄平原、鄱阳平原,苏皖平原等。地形于是西高东低,

汇成今日的长江。

我国地形这些总的演变情形,先则东高西低,继而改为西高东低,又全面各

地不均匀地抬升或沉落,不排除其中出现一些不规则的局部升降;水成岩中断层

裂缝喷出岩浆凝成火成岩,在时空上不均匀地形成,时行时停。这些现象可以解

释为什么全流域高地和河谷都铺满着大小卵石,了无规则。东端南京雨花台、西

部高地平武都有细小卵石,中部合川反而有较大卵石,长江上游地区溪沟都有久

经运动的大小卵石,其粒径与分布漫无规则。

1938 年夏一位刚从美国回来的李凤澜硕士先生被派在川江工作,汛期正立在

寸滩上督工修堤时,忽然堤塌陷,不及逃避而淹死。作者事后前去当地吊唁查察,

了解到堤是河中挖起的卵石夹粗沙堆成的,没有用土壤掺入夯紧,江水涨高时,

可能是堤底河床移动使堤塌陷,并非因江水冲刷堤面而堤塌,因为那样还能及时

奔避免灾。

1938 年11 月作者率队测量涪江时,一组横断面队员在平武城下游25km 处

船破将沉,全体人员下船涉水扶船靠岸,惟测量员卢伯辉等两人自恃水性高强,

离船而行,竟倾倒在河中被水流冲起一两公里,撞破头骨而淹毙。作者赶到勘查,

发现水深不及没膝,水清见底,河床质卵石仅30mm 左右,竟能在这枯水下随急

流运移。试伸一足入河底,乃知是多层卵石在同时输移着,整个河床坡陡达1/100,

是移动着的。两人既无法立足,又因水浅流急,无法泅划乃头被冲石上而毙。同

时期,看到在涪江下游卵石片大到100×200×300mm 铺在滩面上。若来阵雨,雨

水贱击岸上表土,径流冲土入河,河水上涨,立刻变浑,则卵石流随着加快。继

而雨停,则河水回落,一清到底,不留丝毫悬泥底沙痕迹,这是山区水沙流情况,

涪江彰明以上所见皆如此。

降至绵阳以下,沿程几公里就有一浅滩跌流。凡急滩上皆有潭,储沙储石,

枯水时无床沙流,山区终日输移下来的卵石到此沉积,但一遇涨水,卵石堆沙受

击起飞,直摧两岸。大者暂堆成岸边滩地或江心洲,小者随流直下。待下次更大

洪水,则再起飞下移;中小卵石在退水时又重新沉积为浅滩急流。沿途

经左右岸来汇的许多溪沟,也象上述山区支流一样,坡陡且甚于1/100,凡经大

雨,沙石事先就聚于溪口成为小三角洲,此时被支流较大的水流一起带走。如此

大小卵石走走停停: 停则因坡减流缓, 走则因聚流增多且加速增力,

。若一一推算,就较复杂困难,论理亦非不可能,但

从长期统计其多年平均值,则明知长江各支流是受侵蚀的、是冲刷性的,本来毋

须逐点逐步推算,固知其必然长期间受侵蚀。

从上述长江地质历史和河床演变过程,便可明确下列事实:

(1)卵石是漫铺在长江上游广阔的流域内的,当然在干支流和溪沟里较为

集中,岸坡及丘陵上容易落到溪沟里,故较少。

(2)卵石是从水成岩断层裂缝中喷出的溶浆凝结成后经长期滚动而成形的。

它们可从流域各处喷出,经地质历史上地形的升降与来回滚动,趋向于较均匀地

分布在流域里。

(3)这些卵石在河槽岩基上组成覆盖层。下层的粗大些,上层的细小些。

两边滩地上洪水过后留有较大的卵石,河中深水处可流动着较小的卵石。这些卵

石便是组成河床的河床质。卵石间夹有些从沟两岸塌下的粗沙。

(4)由于地质史上地层的升降和地形的演变,卵石曾多次东西来往运移。

运移过程虽使卵石磨损减小,但因其起源地点和运移方向多经变化,不一定是上

游山区的较大,下游平坦地区的较小。

(5)岩基水成岩经风化后,再被径流冲入河里,成为悬沙,其量很大。大

多为细粒,可以一泻千里,不沉河底。这就是水土流失,是下游洪积平原的原料。

它们不参与造床,在筑坝后库内流缓处沉积。部分随流出库。

              五、长江支流中卵石输移的个体分析和整体运营

前面说过,凡卵石输移的个体分析所运用的是固液两体流的力学分析。其复

杂性在于:首先,所分析的对象不是仅一粒卵石或一股水,卵石群体是间隔的连

续介体,它们随着流水和降雨沿程(x)和随时(t)按边界条件不断改变着,而

这些边界条件,如横断面(A)、坡降(s)和糙率(n)等,还受着下游各断面的

这类条件以及最后的控制条件(Q~H 关系)的控制而变化,分析是极其复杂的。

其次,在水石流运移过程中,逐个断面的进水、进石随着x 和t 或增或减,变化

无穷,只能大概地定性,如水文局文中所描述的那样:(98 页)“山区河流上游坡

度大,水流搬运能力强,粗颗粒卵石能被夹运前进。当河流进入到山前缓坡宽谷

河段后,水流减弱,粗大颗粒便会沉积下来,……”这些仅是现象的定性描述,

人们既不可能通过量测取得各运动有关因素定量定率的确定资料,更无完善的力

学理论对此作出时空变化的具体分析。所以说,水沙流或卵石的输移要比暴雨集

流更为复杂,不可能用力学分析得出具体的结果。另外,在长江重庆和宜昌断面

也没法直接量出卵石多层同时的输运率,虽然我们只要求概略地掌握其年输沙量

就够了。

所以,我们只能舍弃个体分析法,而改用整体运营法(或称宏观调控法)中

的统计法。它是利用许多可能取得的直观实测资料加以统计或求其相关关系,得

出一些概略的经验总结。它不像个体分析法那样沿着现象的过程按运动理论逐步

推论,以得出确定性的结果。这样虽也不免存在各种误差,但其数值的性质是确

定性的。统计法和相关法得出的结果则是概略的,乃只是可能性的或随机性的,

它是作为全部资料中得出的长期平均期望值,故又称为随机分析法。所得结果所

对应的变量简化为只有概率或相关系数一项,均值和相关值(俗称回归值)是期

望值或最可能出现之值,难得出现的如百年一遇的则须另按概率统计推算,若统

计资料不足,则取出现过的最大资料用于设计。

唯物证法认为任何现象都有其必然性和偶然性,两者是对立的统一。个体分

析是针对现象的必然性,人们都理解而熟悉。而整体运营的统计法和相关法往往

为人们所不理解,甚至拒绝采用,特别是早期美国的工程师们,因其分析过程是

笼统的,不按现象演变的时空过程,初期人们不肯接受,现在则已是公认的了。

这里作者建议一种整体运营的相关法来推算我们应该考虑的通过三峡的长

期平均卵石年运移量。如前所述,我们只要得出其概略数据,是几百万、千万、

还是亿t/年。我们暂且忽略掉悬浮的泥沙数量,假设它完全不参与水库内的淤积。

为了说明大小块不同的流域某年的确定性年流量或年输移量和许多这些年

的各自平均值其概念是不同的,前已以年流量为例解释(112 页),兹改用年输沙

量G 来解释。凡在平均值里会自动去掉那和均值差异的“年储存数ΔG”的道理:

例如把总面积A 分为若干小面积a,

     在原文113 页的表里,作者只捡出当时手头有的四项单位面积年输移量:

Ga1=87.0,Ga2=90.7,Ga3=54.9,Ga4=144t/km2,这四数差异不及一倍;而其相应

流域面积23037,5510,1911,及76000km2 则相差达15 倍之多,这说明各大小

块面积卵石侵蚀系数还较近似,竟远比重庆大面积的为多。按这些小块面积同在

四川盆地之内,其气候、地质、地貌原较近似,用的是可靠的卵石连底运移的实

测法。作者最后采取的1 亿t/年是约略地在四数之间,并非都江堰的均值。假使

按水文局实测的宜昌为75.8 万t/年除以1,000,000km2,则此数该是0.758t/(km2·年)相当于四数的1%,相差太距。前面已解释,卵石和泥沙一样,是遍布于全域的,

暴雨川流带动输移的机会是近似的,坡降在溪沟只有比山区的更陡。愈到下游,

集流面积愈大,并经长期观察,明知没有累积淤积存在,年输移量自然应到下游

增多。所有火成岩和变质岩卵石磨损有限,在地质历史中产地既不同,历时也不

同,运动或东或西,决非到了重庆全变为泥沙了。拿都江堰流域2 万多km2 能产

出200 万t 和宜昌以上100 万km2 反而只产出75.8 万t 对比时,人们就自然会判

断哪个测法的结果比较可靠。

山区水库储存了卵石,当然将减少宜昌的年输移量。但是考虑到库区总面积

占据宜昌1,000,000km2 的成份,便知这是很有限的。若等到环绕山区所有水库都

修起来,不知需要多少年,而三峡水库只要若干年内经过一两次洪水重庆港就会

被堵死了。人们采用河中卵石,当然也会减少宜昌的年输移量,但是究竟这是有

限的。须知我们这里所得结果的问题是75.8 万t 和10,000 万t 的对比,如此大的

差异,孰是熟非问题显然容易辩明。

在无法取得多层卵石输移率实测的情形下,作者就不得不采用各种可能的资

料相关法。卵石和悬沙的输移比(简称推悬比)就是一种合理的粗略估算卵石年

输移量的方法,这方法的根据是:所有输移的泥沙或卵石其量虽非同为泥沙河床

质的推移和悬移的对比,但都是来自同一流域,根本没有利用本域以外的“黄土

层所覆盖”或“西汉水”的资料来对比。宜昌以上的川江流域包括乌江流域,后

者地处灰岩,不易碎裂,其“年卵石推移量9 万t”。这种情况岂止一处,金沙江

山区地质和四川盆地的也不一样。根本不该把区区1/43 流域面积上的推悬比来代

表全域。所以被认为,“用这一方法计算,不仅基本概念错误,其计算结果也不可

能正确”,这是用确定性概念否定随机性(偶然性)概念一个突出的例子(101 页)。此外,偶然性针对影响推悬比的因素有许多,不仅是卵石和泥沙产量的不同岩基一项,还在其他许多因素。

方法的另一根据是:所有推悬比资料都是根据卵石推移和泥沙悬移同时在都

江堰以上流域内经许多同样造雨的气候气象条件所综合形成的。在宜昌以上流域

面积虽扩大了43 倍,但推悬比的卵石和泥沙双方也是依据同年内许多同样雨情的

气象所综合成的。当然它们所用的力学分析是完全不同的:悬沙是通过水成岩风

化、降雨溅击、水土流失、地面流冲动、最后汇入河中而成。卵石床沙运移的过

程是:这同场雨抬高了河水位、增多了流率、加大了推移力和动能,于是增多了

河中现成的卵石输移率。某小块面积上的各场雨和宜昌以上整个流域所综合成的

雨,分别对各自形成的推悬比,从力学的个体分析来看,面积扩大了43 倍,当然

未必是相同的。似乎也应像前面评论因各地岩石性质不同现成的卵石多少也不同

那样,加以批评“不仅基本概念错误,其计算结果也不可能准确”,这是另按降雨

的因素来否定用经验性的随机统计法来概略地估算卵石年输移量的合理性。

把各种有关因素综合起来,作者在这里统计推算的论据是:在同一流域内,

从整体来看,具有相同的地质、地貌、气象、气候,在同一时段的条件下,虽其

内部分块面积上的上述各条件不可能一致,但它们各必分别具备一个泥沙的和卵

石的每方公里的多年平均输移量(即侵蚀模数M ,原文115 页之附表载有泥沙的

输移量)。卵石实测的资料只有都江堰的通过兜底揽网约200 万t/年一数比较值得

参考,而宜昌、重庆实测的漏掉了采样器底下大部分卵石,输移量所得结果75.8,

28.2 万t/年毫无意义,谁敢置信?于是作者参考四个实测的卵石侵蚀模数87.0,

90.7,54.9,114t/(km2·年),再参考唯一的都江堰实测推悬比1:5.3 所得87.0t/

(km2·年),(其实就是根据都江堰实测的200 万t/年还算,并未利用推悬比关系)而酌量取100t/km2 的这中间数,再乘以面积1,000,000km2,乃得宜昌年输移量约估为1 亿t/km2。当然此数说不上准确,但和三峡以上20 个小块流域测站得出的

产沙模数(原文115 页表)的平均值690t/km2 对比,今卵石的推移量采100t/km2,相应推悬比约为1:6.9(小于都江堰的1:5.3 似较近),这里指出卵石平均年推移量的数量级是亿t 级,不是千万t 级,也不是百万t 级,更不是水文局提供的十万t 级。我们应该承认估算误差最多可能十倍、或一个数量级,即至少是1 千万级,决不至于差达三级。

              六、从葛洲坝水库实测冲淤量推算三峡卵石年输移量

在大江里用采样器量测汛期多层卵石同时移动的输移量既不可能,利用葛洲

坝水库每年的冲淤量间接推算三峡通过的卵石年输移量,是另一个估算的方法。

这里的困难仍然在不易实测通过27 个排沙孔的卵石量,下面作者试拟间接推算的

估量方法,用来和前述各法比较。

已故方宗岱先生于1986 年发表《长江航运与泥沙》一文,文中表(一)载

有“宜昌站1980——1985 年共6 年水文泥沙实测值”,兹录于下:

   水文局文101 页(三)中严厉地批评:“取1980~1985 年这一长江丰沙期的

悬沙量6.41 亿t(实际上只6.09 亿t)作为宜昌的悬沙输沙量,而不取该站的多

年平均值5.3 亿t,……,这样选取的根据是什么?……出现如此明显的错误,这

说明黄先生对待科学研究的态度未免太不严肃”。从上表中可以看到方文载的6.41

亿t 是1980~1985 年的平均值,此文发表于1986 年稍后,其资料乃水文局提供并

补充的。而作者之文稿乃根据手头所有方宗岱的文献,而且采用了6.41 而不用

5.3,对于总的结果数量会产生有多少差异?我们应反省的错误是发生在最基本的

简单概念:研究河床演变、水沙运移首先要辨别清楚的是造床质是什么?是卵石

夹粗沙,还是一泻千里的悬沙?有了水库,悬沙虽也发生沉积,但它对比卵石一

颗也出不去这样严重的问题要轻得多了。所以作者在文中根本没有研讨卵石加泥

沙两者淤积的共同影响,这是因为单论卵石若足以短期内淤死重庆港口,就毋须

再考虑加上几倍多的泥沙来助虐了。不研究卵石流而去大做其泥沙试验,就是根

本性错误。

首先我们应该理解,表中在葛洲坝上游历年淤积的数量表示,若这是三峡高

库末端,则其淤积量还要远远大于此。葛洲坝是低坝,是所谓川流电站(俗称径

流站)的坝,这种坝是根本不会淤多少的,27 个排沙孔原设计是要尽量能排出所

有泥沙和卵石的。

令自然川流下卵石多年输移量为G,坝上游淤积量为D,通过27 洞的同年输

移量为F,则

263

G = D + F

这说明总是G≥D。因为运移中的G 和F 测不好,而D 倒是明确的,我们仍

只知逐年的起码数G≥D,尚待估算G 之值。

我们从表中看到葛库淤量一栏里1981 至1985 年的年淤积量是1.09,0.312,

0.248,-0.217,0.529 亿t,其数量仍年年全是几千万t,没有一个像水文局公布

实测的只有年几十万t 这类万t 级的数量零头,这就值得进一步细细地思考其缘

故了。这里相差在一百倍以上,问题太严重了。再和都江堰肉眼看得清清楚楚的

从1/43 流域上出来的实测200 万t/年相比,我想大家会对这同一类数据置疑的。

因为G 和F 都不可能是负值:

G≥0≥D, F≥0。

在1984 年,D = -0.217,这些卵石和粗沙当然全部排出27 个洞了。若这年

一块卵石或泥沙也没有从上游下来,即G = 0,则F84=G-D=0-(-0.217)=0.217

出洞。但是来石量G 决不至于是0,总还有一些起码的年来石量Gmin,所以从关

系式F84 = Gmin + 0.217

我们可以说Fmin=0.217

起码的来石量Gmin 我们没有原始资料,但从G=D+F 式中我们可以认为:

Gmin = Dmin + Fmin

我们可以暂先设定至少Fmin(≥0)= 0,于是因G≥0,其年应

Gmin = Dmin Gmin≥0

请许可作者在手头有限的5 年资料里取出Dmin 即淤积最少的年份1983 年

0.248,(我们不能取Dmin 的负值,如1984 年的-0.217,因为那样Gmin 也成为负值

了)。据此,我们可估计三峡最少的年卵石输移量Gmin 为

Gmin = 0.248 + 0.217 = 0.565 亿t /年

这只是粗略的估量,也没有所对应的概率。

至于最大出现的卵石年输移量应至少为实测的1.09 加上起码的通过27 洞的

0.217,其值为1.31 亿t /年,也不知其对应的概率,只是一个较大的输移率。

所以从实测的葛洲坝年淤积量考虑,应该用于设计的卵石年推移量是1.31 他

t /年;至少要考虑0.565 亿t /年;因只有五年资料我们不能用它们来制定均值和

差异系数Cv 等进行统计。

264

On the Quantity of Transported Gravel Materials at the

Yangtze Three Gorges Dam Site

(Continued)

Huang Wanli

(Tsinghua University Beijin 100084)

Abstract

The Upstream Yangtze River belongs to erosive, degraded reach, with cobble,

gravel and coarse sand as its bed forming materials. The river with its watershed in

geological prehistory was high in the east than the west, such that water carrying the

gravel load flowed westward during the Jurassic Period 0.1 billion years ago. The

gravel formed from igneous intrusion material covered all over the Yangtze

catchment area, which has been raised and lowered several times, such that the

distribution of size of gravel among the area is not even at all. During flood times the

bed forming gravel transports with several layers simultaneously above the rock bed

of 35 meters deep at the Three Gorges, so that it is impossible to measure its rate of

transportation even by the current delicate apparatus. Thus, the only way to estimate

the gravel bed load of the Yangtze at the Three Gorges is to employ statistical

methods correlated to the measured data from the sections below small drainage area

within its tributaries. The result has been evaluated at tens of million tons per year,

that will all deposite in the river bed at Chongching on the upstream end of the stored

reservoir, which will certainly cause serious effect to navigation and will raise

flooding level of the land upstream.

Key Words: Yangtze Three Gorges



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