冰冻圈变化对长江上游大型水利工程的影响|冰冻圈|大坝|径流|水利工程|水文|海河流域|长江

各拉丹冬峰（藏语：高高尖尖的山峰）仿佛一个身材高挑、身披白纱的美少女矗立在长江源头。“君住长江头，我住长江尾，日日思君不见君，共饮长江水”。源自各拉丹冬冰川的融水以涓涓细流汇成滚滚长江东流水。长江上游以韧性十足的水源涵养能力，滋育着世界屋脊上独一无二的生态系统。“亚洲水塔”和“生态屏障”成了长江上游高寒区域的两大重要功能。

▲ 长江源典型季节冻土区（曲麻莱站）冻结持续时间年变化趋势图

在全球变化和人类活动的综合影响下，冰雪消融加快，冰川不稳定性增加；多年冻土呈现出下界抬升、上限下降、冻土温度升高等变化趋势，其中，以活动层增厚的变化最为明显；活动层增厚直接影响土壤含水量及碳循环过程，影响生态环境及水源涵养功能，威胁长江上游的生态安全，并对其周边环境产生影响。长江上游南水北调西线工程，穿越多年冻土区，涉及水文、生态、冰冻圈、环境等问题，这些问题影响青藏高原区域水安全与生态安全屏障功能的稳定与否。长江上游经济带生态环境保护工作已经摆上优先地位，冰冻圈要素之冰川、冻土、积雪、河湖冰等是长江源乃至长江上游重要的生态要素，冰冻圈变化产生的一系列影响是各方关注重点。

《长江上游冰冻圈变化及其影响》（丁永建等著. 北京：科学出版社，2024.3）立足长江上游，以冰冻圈要素为核心内容，以冰冻圈变化及其影响为主线，在总结已有研究成果的基础上，更新并融合最新研究成果，全面和系统地介绍了长江上游的冰川、冻土、积雪、湖冰等冰冻圈要素的分布及变化，冰冻圈与气候相互作用，冰冻圈变化对水文、生态、地表环境与灾害及工程的影响，以及长江上游冰冻圈旅游资源评价与开发利用等最新进展，以期为长江上游乃至三江源生态环境现状、生态保护和冰冻圈变化、影响及服务研究提供参考。

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▲ 长江上游冰冻圈研究框架

本文节选“冰冻圈变化对长江上游大型水利工程的影响”以飨读者。

长江上游的大型水利工程

长江上游干流已建成的水利工程有葛洲坝和三峡水利枢纽，以及金沙江的乌东德、白鹤滩、溪洛渡和向家坝水电站。金沙江作为长江上游最主要的干流河段，其上游和下游也即将建设诸多大型水利水电工程。

金沙江上游指青海玉树（巴塘河口）至云南石鼓区间段，河段长974km，流域面积7.65 万km²，落差约1722m，河道平均比降1.76%。上游流域规划范围上起巴塘河口下至奔子栏全长约772km 的干流河段，天然落差1516m，河道平均坡降1.96%。主要支流左岸有赠曲、欧曲、巴楚河、松麦河，右岸有藏曲、热曲、丹达曲等。金沙江上游川藏段是指卓克沟口的果通至莫曲河口的昌波河段，是四川和西藏界河，全长546km，落差约1030m，多年平均流量为520～1000m³/s，金沙江上游川藏段共布置8 个梯级电站，分别为：岗托水电站（110 万kW）、岩比水电站（30 万kW）、波罗水电站（96 万kW）、叶巴滩水电站（198 万kW）、拉哇水电站（168 万kW）、巴塘水电站（74 万kW）、苏哇龙水电站（116 万kW）和昌波水电站（106 万kW），初步规划装机容量898 万kW。

金沙江中游西起云南丽江石鼓镇，东至攀枝花市的雅砻江口，长564km，落差838m。1999 年昆明勘测设计研究院和中南勘测设计研究院编写了《金沙江中游河段水电规划报告》。该报告推荐上虎跳峡、两家人、梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉和观音岩水电站共八座巨型梯级水电站，相当于1.1 个三峡水电站。

除上述金沙江干流的水利工程以外，其余全部分布在支流上，主要有雅砻江的两河口、二滩、锦屏一级水电站，岷江紫坪铺、大渡河瀑布沟水电站，嘉陵江的亭子口、白龙江的碧口、宝珠寺水电站，乌江的东风、乌江渡、构皮滩、彭水水电站。总调节库容为655 亿m³，总防洪库容为478 亿m³。

另外，在金沙江中游国家规划了滇中引水工程，即从金沙江干流引水至滇中地区，以缓解当地用水矛盾，改善区域内水环境状况，促进受水区经济社会协调、可持续发展。

对水利工程设计和施工的影响

在长江上游冰冻圈变化的背景下，降水模式变化、地表温度上升、大气持水能力增加，因此降水概率、强度增加，破坏了水文资料序列代表性，增加了设计洪水大小计算的不确定性，使得采用现有的工程水文计算方法制定的流域开发利用工程、防洪和抗旱工程的运行调度将面临由冰冻圈变化带来的风险。

青海省温泉水库2010 年汛期超高水位运行险情与上游冰冻圈变化有密切关系。2010 年6 月至7 月上旬水库所在格尔木河流域支流雪水河上的温泉水库水量猛增，致使下游出现险情。2010 年5～7 月昆仑山地区自动气象站气温降水资料显示，上游出现连阴雨天气，降水日数多，持续时间长，达到了夏季连阴雨天气灾害标准。其间格尔木河流域降水强度大，其中6 月降水量创历史最多极值，6 月7 日降水量高达27.1mm，为百年一遇。短期冰川融雪水量补充是导致该事件发生的另一个主要原因。2010 年5 月中旬以来流域气温回升明显，加速了上游积雪融化，冰雪融水迅速增加。6 月2～9 日水库周边地区覆盖有大范围积雪，占集雨区面积9344km² 的66%；6 月10 日至7 月6 日积雪大部分已经融化，融化面积3177.7km²，占前期积雪面积的52%。2010 年6 月上旬以来，水库水体范围不断增大。经测算，至2010 年7 月11 日水库水体范围较2009 年6 月29 日增大17km²。综上分析可知，上游冰冻圈的快速变化是导致温泉水库出现洪水险情的主要原因之一（张建云和向衍，2018）。

水利工程的设计需要考虑以下因素的变化：①水利工程上游区域降水的时空变化、相态变化以及由此而导致的径流变化，这个径流变化将影响水利工程的防洪设计标准，以及水库的最大库容、防洪库容。②冰冻圈变化后，上游汛期的时空分布也在变化，再加上暴雨和暴雪的影响，需要考虑可能发生的地质灾害及泥沙淤积对水利工程安全和设计寿命的影响。③极端低温、极端干旱和极端降水事件对坝体建筑材料强度、抗冻融性能及耐久性的影响。实验与野外测试表明，低温对施工期和运行期混凝土坝安全影响较大，包括低温引起的冻融破坏等，使大坝安全系数最大可能降低30%（贺瑞敏等，2008；张建云和向衍，2018）。

在施工阶段，冰冻圈环境的变化对工程的影响也不容忽视。两河口水电站位于四川省甘孜州雅江县境内，属于雅砻江干流规划开发22 级电站中的中游控制性龙头电站。两河口大坝为砾石土心墙堆石坝，最大坝高295m，坝址海拔约3000m（海拔位居世界第三），是目前中国第一高土石坝。大坝心墙砾石土设计填筑量441.14 万m³，黏性土17.96 万m³，冬季时段土料填筑压实工程量为121.98 万m³。受当地高海拔气候的影响，两河口地区夏季为雨季，连续不断的降雨导致夏季无法施工，建设、设计及施工方选择在冬季填筑大坝心墙土石料。

两河口库区冬季大部分天数夜间均出现负温，存在季节或短时冻土发育条件。在冬季大坝心墙填筑过程中接触黏土和砾石土会发生冻结，土料内部会形成大量冰晶。冻融作用下高压实砾石土和接触黏土的压缩性、渗透性等会发生变化，从而影响土料的压实度。掌握复杂环境条件下大坝心墙填筑土料砾石土和接触黏土的冻融变化规律及其主要影响因素，可有效保障大坝冬季施工过程的有序进行。为此，科研人员研发了“两布一膜”（两层涤纶纺织布夹一层保温膜）的施工方案，有力保障了冬季土建施工的质量。

大坝建成投入使用后，运行正常，但是库岸边坡，尤其是冻结期最低水位以上的邻近区域将受到冻融过程的剧烈影响，岸坡表面厚度1m 混凝土盖板的长期强度及稳定性势必受到严峻挑战。

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对水利工程运营维护和效益的影响

水利工程的运营维护和效益，与其自身的工程稳定性、发电航运、防洪抗旱等要素均有密切关系。对长江上游区域而言，上述要素与冰冻圈变化所导致的径流变化、泥沙淤积等均有密切关系。

水工混凝土作为水利工程建设最主要的建筑材料之一，其对低温、干旱、寒潮等气候条件较为敏锐与脆弱。长江上游水利工程多处高寒区，一般10 月中下旬即开始出现极端低温，直到次年4 月才逐渐结束，整个冰冻期长达5～6 个月之久，在冰冻期因水位的升降和温度的正负变化，大坝混凝土遭受表层冻融破坏和内部冻胀破坏。20 世纪30年代修建的丰满和水丰大坝的冻融破坏和冻胀破坏均较严重，危及大坝安全运行，后进行了多次补强加固；50 年代修建的云峰和桓仁等大坝以及70 年代修建的葠窝水库同样也由于冻融破坏而出现不同程度的裂缝。随着长江上游，尤其是高海拔寒冷地区水渠、大坝工程的不断建设，此类问题需要给予足够重视。

受长江上游冰冻圈变化和人类活动的影响，长江源区及上游的径流、泥沙含量发生了较大变化（孙永寿和段水强，2015）。在同等径流条件下，2005～2012 年直门达站枯季径流占全年径流的百分比增大比较明显，枯季径流均呈上升趋势。这说明长江源区2005～2012 年生态系统径流调节功能较1956～2004 年均有所提高。以年代为单元，将1956～2012 年划分为5 个时间段，比较不同年代径流量与1956～2012 年平均径流量的相对增减幅度。与1956～2012 年相比，长江源区20 世纪70 年代、90 年代径流量偏少，20 世纪80 年代、2000～2012 年径流量偏多，20 世纪60 年代径流基本与多年平均流量持平。2005～2012 年径流较多年平均偏多31.6%，偏多幅度较大。在显著性水平α = 0.05下，长江源区1956～2012 年径流序列存在明显上升趋势。从输沙量的年内分配来看，长江源区2005～2012 年输沙量集中期偏晚的点居多，说明集中期有所推后，最大输沙出现时间有所滞后。输沙量年际变化通常与径流年际变化一致，径流年际变化大的河流，输沙量年际变化也大；反之，径流年际变化小的河流，年输沙量变化也小。

▲ 长江源直门达站年径流量与含沙量、输沙量关系

对直门达站1956～2012 年径流量与含沙量、输沙量关系的分析发现，2005～2012 年含沙量、输沙量关系点均位于1956～2004 年点的下方，说明在同等径流条件下，2005～2012 年含沙量、输沙量均有所减小，而且减小趋势较明显。河流泥沙大小与径流大小、降水强度、流域下垫面条件存在密切关系。降水、径流分析结果显示，长江源区降水量、降水日数增加，降水强度增强，降水年内的集中度、不均匀系数有所降低；径流量呈明显增加状态，径流集中度、不均匀系数减小，集中期有所推后，枯季径流占全年径流的比例有所增加，而相应的河流含沙量、输沙量反而减小。因此，长江源区河流含沙量的减少主要与来水量增加，降水、径流的年内分配集中度降低，下垫面生态植被覆盖条件好转有关。

长江上游径流量的增加有助于增加总的发电量，而径流集中度、不均匀系数的减小则表明径流在全年的分布更为平均，有利于降低水库调节库容用于发电、防洪和抗旱的压力，有助于减少汛期泄洪的浪费、增加旱季的发电量。河流含沙量的减少可以减缓库区泥沙的淤积速率，增加大坝的有效库容，同时也因为泥沙含量的减少而削弱了发电设备的磨损速率，延长了设备的使用寿命和维护周期。在上游径流和泥沙含量变化的作用下，金沙江屏山站1989 年前的多年平均输沙量为2.49 亿t，多年平均径流量为1400 亿m³；1990～2000 年，该站的多年平均输沙量为2.95 亿t，多年平均径流量为1570 亿m³。2000 年以后，随着生态环境的改善，该站多年平均输沙量下降到2.00 亿t 左右，但是多年平均径流量维持在1600 亿m³ 左右（郭生练等，2003；彭涛等，2018）。

在长江上游暖湿化气候的作用下，降水量增加，径流量增加，提高了各水利工程的防洪发电效应。同时，随着泥沙量的减少，长江上游各水库的泥沙淤积量减小，增加了有效的库容，也进一步提升了各水库的调洪、防洪能力。以三峡大坝为例，2003 年6 月，坝前水位汛期135m、枯水期139m；2006 年9 月，坝前水位汛期144m、枯水期156m；2008 年以后，坝前水位汛期145m、枯水期达到175m。三峡大坝蓄水后，入库输沙量急剧减少，1990 年前达到48040 万t，1990～2003 年减少至35060 万t，2003～2014 年，急剧减小至17554 万t。同期，三个时间段的含沙量分别为1.24kg/m³、0.939kg/m³、0.316kg/m³。随着上游来水的增加，三峡电站2012 年发电量981 亿kW·h；2014 年达到988 亿kW·h，位居世界第一；2015 年，首次超过1000 亿kW·h；2020 年，发电量达到1118 亿kW·h，创造了新的世界纪录。

本文摘编自《长江上游冰冻圈变化及其影响》（丁永建等著. 北京：科学出版社，2024.3）一书“第7 章冰冻圈变化对工程的影响”。

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（长江上游生态与环境系列）

审图号：川S【2024】00036 号

ISBN 978-7-03-078150-5

责任编辑：郑述方李小锐

长江上游冰冻圈富集。区域变暖背景下，冰冻圈发生剧烈变化，且对水文、生态、环境和工程等影响日益显著。本书立足长江上游，以冰冻圈要素为核心内容，以冰冻圈变化及其影响为主线，在总结已有研究成果的基础上，更新并融合最新研究成果，全面和系统地介绍了长江上游的冰川、冻土、积雪、湖冰等冰冻圈要素的分布及变化，冰冻圈与气候相互作用，冰冻圈变化对水文、生态、地表环境与灾害及工程的影响，以及长江上游冰冻圈旅游资源评价与开发利用等最新进展。

本书可供长江上游乃至三江源生态环境保护、水文水资源利用、交通管线规划、区域经济可持续发展等管理决策者以及滑雪场建设、科研院所、大专院校师生等相关领域科研和技术人员使用。

（本文编辑：刘四旦）