澜沧江糯扎渡电站库区泥沙淤积分析

2020-04-01王丽媛傅开道段必辉

云南地理环境研究 2020年6期

王丽媛，傅开道，段必辉

(1.云南大学国际河流与生态安全研究院，云南昆明 650500； 2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南昆明 650214)

0 引言

中国的多沙河流众多，水库大坝数量也处在世界前列，因而水库泥沙淤积问题突出，影响较大[1]。水库淤积是一个长期累积的过程[2]，泥沙淤积会减少水库的有效库容，降低水库的兴利效益，并增加进入水轮机组过流部件的泥沙，从而磨损水轮机叶片和闸门；会抬高河床、堵塞航道，破坏航运条件，甚至会进一步缩短水库的使用寿命；泥沙的比表面积较大，且含有大量的活性官能团，能够携带水体中的有机和无机污染物，会造成水体中的污染物发生迁移、转化和生物效应[3-7]。

目前研究水库泥沙淤积成果众多，据中国20座重点水库的观测资料表明，多数水库运行不足20年，总淤积量即达到设计库容的18.6%[8]。国内对于河流水沙变化研究主要集中在长江和黄河流域，澜沧江流域水沙变化及发展趋势研究的较少。21世纪初，澜沧江中下游水电站大量兴建，研究主要集中在中下游，Zuo等[9]深入研究澜沧江流量和沙量因水库修建发生的变化，由于梯级电站的修建，下游的输沙量和径流都有一定程度的减少，且流域内的季风气候对输沙量和径流也有影响。傅开道等[10，11]基于允景洪和清盛水文站的17年数据分析，发现两个水文站的输沙量均受到了大坝的影响；澜沧江漫湾水电站从1993年蓄水至2003年，漫湾水电站大坝年平均拦沙量约为2 690×104～2 850×104t，运行11年共拦截泥沙2 959×104～3 135×106t，至2003年，拦截泥沙造成的损失库容占漫湾总库容的21.5%～22.8%[12]。近几年，澜沧江上游逐渐开发，上游泥沙研究开始出现，刘娜等[13]研究澜沧江上游乌弄龙电站水库泥沙淤积及排沙运行方式，发现上游乌弄龙上游电站未如期开发，电站入库沙量较设计时明显增加，且水库排沙比、淤积量及淤积床面与排沙运行控制水位密切相关。但是，综合考虑该流域梯级拦截情形下，结合历史输沙与近年实测泥沙数据开展水库淤积量的研究成果尚未有报道。

随着流域梯级电站的开发建设，水库泥沙淤积问题变得复杂多变，亟需对整个流域的泥沙进行系统性地规划研究，这样才能合理做好梯级电站水库大坝的运行管理。糯扎渡电站是澜沧江中下游梯级规划“两库八级”的第五级，电站大坝建成以后每年可以拦截上游大量的泥沙，造成库区有一定量的泥沙淤积，同时，作为澜沧江流域内水库库容、调节库容、装机容量、发电量最大的电站，研究糯扎渡电站库区的泥沙淤积对整个流域具有较大的意义。

1 研究区域概况

糯扎渡电站位于云南省普洱市思茅区(左岸)与澜沧县(右岸)交界处的澜沧江干流上，是云南省境内最大的水电站，兼有防洪、灌溉、养殖和旅游等综合效益，是国家“西电东送”、“云电外送”的重要骨干项目。电站于2004年开始筹建，2011年11月下闸蓄水，2012年9月首台机组发电，2014年6月9台机组全部完成发电。

电站总装机容量为585×104kW。水库具有多年调节性，正常蓄水位高程为812 m，回水线长达215 km，坝址以上流域面积14.47×104km2，总库容273.03×108m3，调节库容113.35×108m3，可将下游景洪市城市防洪标准从50年一遇提高到100年一遇。库区内主要支流有左岸小黑江(回水长100 km)、右岸小黑江(回水长37 km)、黑河(回水长32 km)。水库回水与上游大朝山电站衔接，电站下游与景洪电站水库相连。

澜沧江流域流向自北而南，在高程1 200 m以下为“V”型峡谷。糯扎渡电站库区地貌上属滇西纵谷山原区之永平—思茅中山峡谷亚区范畴，地貌明显受地质构造控制。总体地势北高南低，两岸山体一般高程1 500 m～2 000 m，峰谷相对高差多大于1 000 m，最高点为临沧大雪山的主峰，高程为3 429.6 m，最低点为澜沧江河谷，高程约为530 m，最大相对高差达2 899 m。其间发育五级夷平面(870 m～2 400 m)和三级阶地。河谷除局部河段较开阔外，两岸山坡坡度一般30°～40°，局部大于45°[14]。库区沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类均有分布。沉积岩主要为沉积碎屑岩夹少量碳酸盐岩；岩浆岩主要为华西晚期至印支期花岗岩和印支期喷出的玄武岩；变质岩以深变质的绢云微晶片岩，石榴绿泥云英片岩为主。在河床、河漫滩、阶地、冲沟及水库两岸坡地带，分布有第四系(Q)冲积、洪积、坡积、残积层等。坝址上游约20 km范围为近坝库段，岸坡稳定性相对较好，水库蓄水后，库岸发生小规模的坍塌和再造是存在的，但对电站安全运行不构成威胁。远坝库段以基本稳定库岸为主，基本稳定库岸占主干河道库岸总长的75%，稳定性较差库岸约占16.4%，稳定库岸约占8.6%，没有稳定性差的库岸(1)冯竣，张宗亮.云南澜沧江糯扎渡水电站枢纽工程竣工安全鉴定设计自检报告之工程地质.昆明勘测设计研究院有限公司，2014：9-55.。

糯扎渡电站库区间流域(糯扎渡电站坝址—大朝山电站坝址)属亚热带气候区，降水充沛。区间水平地带性植被是以栲属、栎属为优势的季风常绿阔叶林；河岸两侧多发育有河谷季雨林(落叶)，局部沟口可见季节雨林片段，而两岸更高的山地则有沿箐沟发育的山地雨林。同时，流域经济以农业生产为主，库区内分布有果园、耕地等人工植被。其中，森林面积占比50.36%，人工影响面积占比47.67%(2)冯俊林，张平.云南澜沧江糯扎渡水电站环境影响报告.国家电力公司昆明勘测设计研究院，2005：86-180.。

距离糯扎渡电站大坝上游较近的具有历史泥沙观测数据的水文站为戛旧水文站(漫湾水电站下游14 km)，下游为允景洪水文站(景洪水电站下游1 km)，两个站点分别作为研究糯扎渡电站库区泥沙观测的出入站。在两个水文站之间主要支流有位于漫湾电站大坝下游的澜沧江一级支流罗闸河(河段长70.5 km)、糯扎渡电站库区的左右岸小黑江河和黑河(图1)。在入库时，干流上的大朝山电站大坝会对泥沙进行部分拦截，在出库时，糯扎渡电站大坝会对泥沙进行拦截。

2 数据与方法

2.1 数据

天然入库泥沙量，最直观的获取方式就是通过上下游水文站定期观测或者是人工定期进行泥沙采样观测[15]。由于糯扎渡电站大坝建成后未在坝前坝后设立单独的泥沙观测站点对泥沙含量进行观测，而建坝前戛旧水文站和允景洪水文站具有较长时间的泥沙输沙量观测历史记录。因此，本研究主要采用历史数据进行研究。

(1)戛旧水文站和允景洪水文站两个断面1965～2003年共计39年的历史输沙量(数据来源于云南省水文水资源局)。

图1 澜沧江流域云南境内电站分布图

Fig.1 Hydropower Stations distribution of Lancang River basin in Yunnan Province，China

(2)戛旧、允景洪水文站所处位置云县、景洪两个地区1965～2003年共计39年的历史降雨(数据来源于国家气象科学数据中心)。

(3)实际观测出2016～2019年云县、景洪气象站的年降雨量数据(表1)。

表1 云县、景洪气象站2016～2019年降雨数据

2.2 方法

2.2.1 天然入库泥沙量

研究主要采用水文比拟法，结合降水经验频率公式，利用戛旧水文站、允景洪水文站所处云县和景洪两个地区的历史降雨量分别与2016～2019年的降雨量进行比对，找出降雨频率相似的年份，将相似年份的输沙量分别作为2016～2019年糯扎渡库区的天然入库泥沙量。

降水经验频率公式为：

式中：P为统计系列中第m项(以递减次序排列)随机变量的经验频率(%)；n为统计系列的容量；m为计算随机变量的序号(递减次序)。

2.2.2 水库拦沙率计算

水库拦沙率指的是水库大坝截留的泥沙量与同期进库的泥沙量之比。通常采用出入库实测的泥沙数据进行准确计算，或者采用模型模拟预测[16]。由于大朝山和糯扎渡电站泥沙实测数据资料较少，不足以计算反映出拦沙率，因此采用模型预测较为合适。采用模型对水库拦沙率进行模拟计算，一种可以利用数学模型对水库的演变过程进行模拟，从而算出拦沙率；另外一种可以采用拦沙率曲线或排沙比曲线等半经验半理论公式描述出水库排沙与拦沙的相互关系[17]，目前常适用于长时间段水库拦沙情形的拦沙率曲线有1953年提出的Brune模型[18]、根据混合蓄水拦沙效应提出的Siyam(3)Siyam A M，Yeoh J S，Loveless J H.Sustainable reservoir sediment controe.XXIX IAHR congress，Beijing.Accessed through internet on July 2005：http：//www.iahr.org/e-Library/beijing-proleedings/Theme-E，spp.模型，适用于估算短时间水库淤积过程的有张启舜和张振秋在塑水状态下提出的排沙比曲线等[19]。针对历史较长的泥沙淤积过程，国际上较为通用的为Brune模型，傅开道等[12]计算证明了修正后的 Brune 拦沙率估算模型适用于澜沧江流域规模相当的水库拦沙情形。本研究亦采用广为应用的Brune模型来计算拦沙率。

水库大坝拦沙率广为应用的推算模型为Brune模型，其计算方程式为：

式中：TE为拦沙率；α为待定系数；ΔτR为水库滞水时间；Vi为水利兴利库容；Q为坝下游控制断面多年平均径流量；Δτ近似于水库调节径流系数。

2.2.3 库区泥沙淤积量分析

一般而言，水库泥沙淤积量计算的通用公式为：

水库泥沙淤积量=入库泥沙量-出库泥沙量

针对糯扎渡电站的实际情况，库区库岸的稳定性较好，两岸分布有森林植被和人工植被，库岸的泥沙携入量不会有太大的变化，不考虑库岸进入库区的泥沙量。

戛旧水文站断面至大朝山坝址之间有澜沧江一级支流罗闸河，其余支流来沙量相对其较少，因此考虑罗闸河来沙量，根据多年平均径流量可以计算出罗闸河的输沙量，罗闸河输沙量的占比为区间输沙量的0.222 2(4)傅开道，路金霞，王超.糯扎渡电厂泥沙观测项目执行报告.云南大学科技咨询发展中心，2016：14-15.。大朝山坝址至糯扎渡坝址之间推移质泥沙量，按照山区河流推移质泥沙是悬移质输沙量20%进行估算[20]。由于上游电站冲沙量难以估测，研究暂不考虑上游冲沙情况，只考虑库区上游大朝山电站大坝和糯扎渡电站大坝拦沙的影响。最后，得出计算公式为：

WS=QSI-QSO

(1)

QSI=QSIZ+QSIN+QSIT

(2)

QSIN=(QSIG+QSIL)×(1-TED)

(3)

QSIZ=QSJ-QSIG-QSIL

(4)

QSO=QSI×(1-TEN)

(5)

式中：WS为糯扎渡库区淤积量；QSO为库区出库泥沙量；QSI为库区入库来沙量；QSIZ为库区支流来沙量；QSIN为库区干流来沙量；QSIT为推移质；QSIG为戛旧水文站天然输沙量；QSIL为罗闸河来沙量；TED为大朝山拦沙率；QSIJ为允景洪水文站天然输沙量；TEN为糯扎渡拦沙率。

3 库区淤积量计算结果

3.1 天然入库泥沙量计算

分别将云县、景洪两个地区的降雨量从大到小依次排列，带入降水经验频率公式，利用分别处理法，计算得出2016～2019年的降水频率(表2)。

表2 云县、景洪气象站2016～2019年降水频率

根据相似降水频率查找，P云县1999=30.00%，P景洪1999=70.00%；P云县1985=47.50%，P景洪1985=22.50%；P云县1995=35.00%，P景洪1995=40.00%；P云县1980=75.00%，P景洪1980=52.50%。因此，2016年、2017年、2018年、2019年的水文频率分别与1999年、1985年、1995年、1980年4个年份比较接近，且选用的4个年份跨越年份较大，有利于减轻流域开发利用和土地植被变化等人类活动因素对输沙量的影响。

查询1999年、1985年、1995年、1980年的历史输沙量作为入库泥沙量，从而计算得出天然河道入库输沙量(表3)。

表3 1999年、1985年、1995年、1980年天然河道入库输沙量

3.2 大坝拦沙率的计算

根据傅开道等采用漫湾水库实测泥沙资料，实现了对Brune模型参数的率定，从而得到适用于澜沧江流域水库拦沙率的修正Brune模型，系数α=0.075 8[16]。根据修正Brune模型，带入相关的系数，可得到大朝山、糯扎渡电站大坝的拦沙率(表4)。

表4 澜沧江梯级电站大坝拦沙率

3.3 糯扎渡库区2016～2019年泥沙淤积结果

根据糯扎渡库区天然入库泥沙量和大坝拦沙率，带入公式(1)～(5)计算，得出糯扎渡库区淤积量(表5)。

表5 糯扎渡库区泥沙淤积量

4 讨论与结论

4.1 讨论

根据2016～2019年的计算结果，泥沙淤积情况每年都有一定差异。从两个水文站的降雨情况来看，泥沙淤积和降雨量之间存在相互影响因素。但是，20世纪80年代末、90年代初，上游漫湾电站、大朝山电站的施工建设，以及大坝的阻隔，扰乱了天然河流上下游泥沙的相关关系，进而影响糯扎渡电站库区淤积量的计算。在有条件的情况下，水电站还是应该进行输沙率的监测，这样对泥沙运动规律、淤积规律的研究会更加准确。

在不考虑上游电站排沙和突发的库岸滑坡、坍塌进入库区的泥沙的情况下，糯扎渡电站库区泥沙平均淤积量为7 623×104t。假设泥沙平均容重为1.3 t/m3，那么糯扎渡电站每年淤积的泥沙未设置冲砂底孔，如果上游电站排沙或者库岸出现滑坡的情况下仍需高度重视。另外，泥沙长时间淤积在库区，泥沙中携带的污染物有可能会对水质造成影响。