梯级水库建设背景下金沙江上游水沙变化特性

2023-02-28王远龙李圣伟朱玲玲

长江科学院院报 2023年1期

王远龙，李圣伟，朱玲玲

(1.华电金沙江上游水电开发有限公司，成都 610041； 2.长江水利委员会水文局，武汉 430010)

1 研究背景

金沙江上游自巴塘河口以下进入横断山纵谷区，南流至石鼓，河长约965 km，区间流域面积7.65万km2，为典型的深谷河段。特别是横断山纵谷段，河流穿行于高山峡谷之间，河道下切深，平均比降1.76‰，水流湍急，两岸山势陡峭，河谷至两岸山顶相对高差可达2 500 m以上。金沙江上游水电规划河段为青海玉树巴塘河口—云南迪庆奔子栏河段，全长约772 km，天然落差1 516 m，河道平均坡降1.96‰，采用13级开发。其中，巴塘河段(从上游到下游)的叶巴滩、拉哇和巴塘(各坝址间距离分别为88、18.5 km)3个梯级电站因不涉及环境敏感对象，且建设条件较好、工程规模较大、经济指标较优被推荐为近期开发工程。3级电站的开发任务均以发电为主，同时兼顾保护生态环境、促进地区社会经济发展等综合效益[1-2]。2021年1月31日，苏洼龙水电站成功下闸蓄水，叶巴滩、巴塘电站已分别于2019年、2020年大江截流，拉哇水电站于2021年11月29日实现大江截流。梯级电站开发阻隔河流，对河道径流、泥沙输移规律造成影响[3-4]，进而影响梯级水库调度运行。本文以金沙江上游段岗拖、巴塘、石鼓水文站的长系列观测数据为对象，详细分析了金沙江上游水文泥沙年际、年内变化特征及其主要影响因素，以期为梯级水电站规划建设及调度运行提供依据。

2 研究方法及数据源

2012年7月，金沙江上游规划“一库十三级”的水电开发方案获得批复，2021年1月31日，苏洼龙水电站成功下闸蓄水，叶巴滩、巴塘、拉哇电站已分别于2019年、2020年和2021年实现大江截流，预计都可在2025年前建成。金沙江中游水电开发规划方案为“一库八级”，目前已建成的第一个电站为梨园，其下游依次是阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩电站，中游6级电站从2010年开始陆续蓄水运行，2015年均建成完工，总调节库容约16.38亿m3。金沙江上游水沙的变化同时关系上游和中游梯级水库的建设与调度运行。

本文以金沙江上游岗拖至石鼓段为主要研究对象，基于河道内1971—2020年岗拖、巴塘、石鼓等水文站长系列的流量、含沙量观测数据，采用统计分析、M-K趋势检验等方法，分析金沙江上游段近50 a的径流泥沙变化规律，观测数据均来源于长江水利委员会水文局(观测数据具体情况如表1)，其中岗拖和巴塘站水文序列不够完整，M-K趋势检验主要针对石鼓站的径流和泥沙。

表1 金沙江上游控制站观测数据情况Table 1 Observation data in the upper Jinsha River

岗拖水文站位于分析河段进口，集水面积约14.9万km2，其上游为少沙区域，因此该站不开展泥沙观测，巴塘水文站位于岗拖站下游约280 km处，集水面积约为18.0万km2，上、下游分别为在建的巴塘和苏洼龙水电站，石鼓站为金沙江上游出口控制性水文站，集水面积约为21.4万km2，位于巴塘水文站下游约400 km。岗拖至巴塘区间的支流相对发育，其中，叶巴滩水电站坝址至苏洼龙水电站库尾河段长约119 km，流域面积16 149 km2，区间河段多年平均流量为114 m3/s；其间汇入的支流主要有罗麦曲、斜曲、西曲和玛曲，支流流域面积总计10 454 km2，约占该河段流域面积的64.7%，支流多年平均流量总计81.0 m3/s，约占该河段多年平均流量的71.1%[1]。巴塘和石鼓站均有泥沙观测项目。

3 径流泥沙变化特征分析

3.1 年际变化

在分时段统计金沙江上游控制性水文站年径流量和输沙量变化特征时，岗拖站和巴塘站有部分年份观测资料缺失，但上下游控制站年径流量和年输沙量存在较好的相关关系(如图1所示)，因此，对于缺失的年份，采用上下游站相关关系进行插补，统计插补完整后的序列各时段年径流量和年输沙量均值如表2所示。自1971年以来，金沙江上游控制站年径流量和年输沙量均呈递增的变化趋势，2011—2020年岗拖、巴塘和石鼓站年均径流量分别为215亿、329亿、433亿m3，相较于此前的各时段，大多有所增大，其中较1971—1980年均值分别偏大36.9%、27.5%和11.6%，增幅沿程递减；2011—2020年巴塘和石鼓站年均输沙量分别为2 431万t和3 453万t，两个控制站年均输沙量自1971年以来持续增加，相较于1971—1980年均值增幅分别高达92.9%和99.1%，年均含沙量分别由0.488、0.447 kg/m3增大至0.739、0.797 kg/m3，石鼓站含沙量增幅较巴塘站更为明显。

图1 金沙江上游不同控制站年径流量和年输沙量相关关系Fig.1 Correlation between annual runoff and annual sediment discharge among different control stations in the upper Jinsha River

表2 金沙江上游不同时段多年平均径流量和输沙量变化Table 2 Changes of multi-year average runoff and sediment discharge in different periods in the upper Jinsha River

一般地，流域水沙关系发生明显变化，其主要控制站年径流量和年输沙量双累积曲线斜率将明显改变。用双累积关系分析产沙量的变化能反映一定径流量水平条件下的相对产沙比例，不仅能反映产沙量绝对量的变化，且可在一定程度上扣除径流量变化的影响，反映流域植被及人类活动等因素的变化对产沙的影响。金沙江上游巴塘和石鼓站的水沙双累积曲线见图2，巴塘站大概在2009年前后、石鼓站自1998年开始出现输沙量增幅超过径流量的现象，双累积曲线的斜率发生改变，且石鼓站变化更为明显。相应地，巴塘站2011—2020年的年均输沙量相较于2001—2010年增大了26.7%，而年径流量仅增加9.7%，石鼓站2011—2020年的年均输沙量相较于1991—2000年增大了14.8%，但径流量基本无变化。径流量和输沙量非一致性变化也可以通过两者的相关关系来体现(如图3)，巴塘站在2009年之后，径流相对偏丰的年份，同径流条件下年输沙量偏大，石鼓站不同，几乎在各类年份，1998年之后与之前相比，同径流条件下年输沙量都呈增加的趋势。

图2 金沙江上游巴塘站和石鼓站年径流量和年输沙量双累积曲线Fig.2 Double cumulative curves of runoff and sediment discharge at Batang station and Shigu station in the upper Jinsha River

图3 金沙江上游巴塘站和石鼓站年径流量-年输沙量相关关系Fig.3 Correlation between annual runoff and sediment discharge at Batang station and Shigu station in the upper Jinsha River

2018年10月10日和11月3日，大量强降雨及持续降雨作用下，西藏昌都市江达县波罗乡白格村日安组先后发生2次大型库岸岩质滑坡，总方量约3 380万m3，滑坡体迅速形成长约270 m、可见高近60 m的堰塞坝，阻断金沙江干流，形成堰塞湖。两次堰塞湖险情先后经自然和人工泄流后解除，最大下泄流量分别达到10 000、31 000 m3/s[5](万年一遇洪水)，大洪水同时挟带滑坡体泥沙和河道河床上的泥沙往下游输移，下游巴塘站先后出现21.6、42.0 kg/m3的沙峰过程，两次滑坡堆积至金沙江河道内的土体体积约5 300万t[6]，从而导致2018年及此后，堰塞湖下游的巴塘和石鼓站年输沙量再次增加。

进一步采用M-K趋势检验方法，针对1971—2020年石鼓站的年径流量、年输沙量变化的趋势性和突变性进行分析，通过分析统计序列UF值和UB值的具体变化，可以研究其趋势性，且可以明确突变的时间和区域。若UF值>0，则表明序列呈上升趋势，UF值<0则表明呈下降趋势，当它们超过临界(±1.96)直线时，表明上升或下降趋势显著。如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界直线之间，那么交点对应的时刻就是突变开始的时刻。从石鼓站年径流量和年输沙量检验结果来看(如图4)，石鼓站年径流量呈上升趋势，但并不十分显著，突变不明显；年输沙量在1971—1980年间有增有减，1980年之后至1995年期间呈不显著的上升趋势，1995年之后上升趋势逐渐变得显著，与上文分析的输沙量明显增加的时段1998年时间较为接近，尤其是从2000年开始，UF值基本都>2，表明上升趋势显著。

图4 金沙江上游石鼓站径流量、输沙量M-K检验参数变化Fig.4 Variation of M-K test parameters of runoff and sediment discharge at Shigu station in the upper Jinsha River

综上分析可以看出，近50 a来，金沙江上游的径流和输沙都呈现一定的增长趋势，相比较而言，输沙量增幅明显偏大，且越往下游，输沙和径流增幅的差异也越大，至石鼓站，相较于1971—1980年，近10 a输沙量增加近1倍，输沙量显著增加主要发生在2000年之后。这对于金沙江上游水电站规划建设，尤其是工程的泥沙淤积和排沙设计可能会造成一定影响。

3.2 年内变化

金沙江上游的水沙年内集中在汛期(5—10月份)输移，自1971年以来，巴塘站年内汛期径流量的占比基本稳定在82%左右，汛期输沙量的占比在2011年之前基本为99%左右，2011—2020年下降至95.4%，石鼓站年内汛期径流量占比约80%，不同时期变化较小，汛期输沙量的占比在2011年之前约99%，2011—2020年下降至96.4%。可见，近10 a，金沙江上游汛期径流量占比变化较小，但输沙量的占比整体有所下降，巴塘站和石鼓站分别下降4.1、2.4个百分点(如表3)。

表3 金沙江上游控制站径流量、输沙量年内分配比例变化统计Table 3 Change of distribution proportion of runoff and sediment discharge at control stations in the upper Jinsha River

逐月对比不同时期的月径流量和月输沙量均值来看(如图5)：巴塘站近10 a，相对于此前各时段，年内除8月份径流量相较于2001—2010年均值偏枯以外，其他月份径流量均偏丰；至石鼓站，年内除7、9、10和11月份径流量偏丰以外，其他月份均偏枯；月均输沙量的变化规律与径流量有差异，2011—2020年巴塘站年内7、9、10、11月份输沙量较其他时段均偏大，石鼓站呈类似的变化规律，其中，这一时段内10、11月份输沙量偏大的主要原因仍然与白格滑坡事件有关。2018年10月，受白格堰塞湖泄流影响，巴塘站和石鼓站的月输沙量分别高达688万t和710万t，分别接近多年均值的10倍和6.5倍，2018年11月巴塘站和石鼓站的输沙量分别为842万t和892万t，分别接近多年均值的10倍和5倍，从而加大了2011—2020年这一时段内非汛期输沙量的占比。

图5 金沙江上游巴塘站、石鼓站不同时段月径流量和输沙量均值对比Fig.5 Comparison of mean monthly runoff and sediment discharge in different periods between Batang station and Shigu station in the upper Jinsha River

4 水沙变化影响因素分析

4.1 降雨变化的影响

从金沙江流域年降雨量及其10 a滑动均值来看(如图6)，1974年至2000年之前，金沙江流域的降雨量呈不显著的增加趋势，1971—1980年、1981—1990年和1991—2000年平均年降雨量分别为696、712、732 mm，2001—2010年和2011—2020年平均年降雨量均为709 mm。石鼓站年径流量与金沙江流域年降雨量存在一定的正相关关系，因而石鼓的年均径流量增大主要发生在1981—1990年和1991—2000年这两个时段内，此后年径流量基本稳定。因此，金沙江上游径流量的增大主要与降雨量增大有关。同时，降雨增加会加大流域的产沙强度，诱发滑坡、泥石流等高强度产输沙事件。据邓建辉等[7]对滑坡时间产生的原因及机制的研究，白格滑坡地处金沙江缝合带，岩性为元古界熊松群片麻岩组，具有多期、多次变形与变质特点，糜棱岩化和蚀变均很严重。2018年及此前2年里，滑坡所在的江达县降雨量急剧增加，常有大量强降雨及持续降雨过程，在长期重力、降雨和地下水的综合影响下，山体产生累积时效变形。

图6 1971年以来金沙江降雨量年际变化及其与石鼓站年径流量的相关关系Fig.6 Interannual variation of rainfall in Jinsha River since 1971 and its correlation with runoff at Shigu station

4.2 大型滑坡事件的影响

金沙江流域特殊的自然环境，是造成其水土大量流失的先决条件。起伏变化巨大的流域地形以及其破碎丰富的岩石、碎屑，孕育了可大量流失的松散物质，在较大重力分力及暴雨促发动力的作用下，以滑坡、泥石流、崩塌等方式，汇入流域干、支流。因此，地质构造和地层岩性因素是影响流域产沙的最重要的原因之一。相较于金沙江下游，其上游为轻度产沙区，但该区域的新构造运动活跃，内、外动力地质作用强烈，古、今大型滑坡及滑坡堰塞湖较为发育，古有巴塘河段内发生的特米大型滑坡，今有叶巴滩上游2018年的白格滑坡。滑坡发生的机制较为复杂，但已有研究认为，金沙江上游活动断裂发育，分布有金沙江断裂带和巴塘断裂带，历史上断裂带发生过多次地震，其中金沙江断裂带1989年发生过4次6级以上的地震，地震的发生容易触动山体滑坡[8]，松散体在一定的雨强作用下，发生崩塌或滑坡等，滑落的土体进入河道后随水流向下游输移，导致下游河道在一定时期内输沙量增大。因此，地震对于产输沙的影响在于深层次地改变了流域的下垫面条件，尤其是山体、土体松动后，产生了大量的松散堆积物，一旦遭遇一定的外力作用，如风力、降雨等，达到足够的持续时间或者强度时，就会发生滑坡或坍塌变形，还可能引发泥石流，使得局部江段、局部时段内输沙量大增。

以新近发生的白格滑坡和堰塞湖事件为例，一方面滑坡区岩性较差，岩体破碎、裂隙发育；另一方面周边区域范围内发生过多次地震，特别是“8·12”昌都市的6.1级地震，致使白格滑坡所在山体斜坡变得更为松动。再者，滑坡发生前连续3年的强降雨过程是主要诱发因素[9]。滑坡给金沙江上游输送了大量的土体。2018年10月第一次滑坡体的体积约有2 200万m3，岩土体失稳堵塞金沙江后形成堰塞坝；11月第二次滑坡总体积达930万m3[10]。综合邓建辉等[7]、许强等[10]的研究成果，估算出两次滑坡堆积至金沙江河道内的土体体积约3 200万m3，若按土体干密度1.65 t/m3计算，进入河道内的土体总计约5 300万t。堰塞湖溃决后，滑坡体产生的较细的泥沙颗粒随水流迅速输移至下游，巴塘至石鼓河段河床未出现泥沙堆积的现象，26%的泥沙向下游输移并沉积在金沙江中游梯级水电站内。余下74%的泥沙仍滞留在堰塞湖区域和巴塘以上河道内，并将在此后5 a的汛期输移至下游河道[6]。受此影响，2018年、2020年巴塘站年输沙量分别为4 420万t和4 310万t，相较于1971—2020年均值分别偏大148%和142%，石鼓站年输沙量分别为5 290万t和6 280万t，相较于1971—2020年均值分别偏大91.7%和128%。

4.3 人类活动的影响

伴随着梯级水库的规划实施，金沙江上游人类活动如工程建设，包括道路建设、水利建设等逐渐增强，对河道有一定的增沙效应，如道路建设往往将施工过程中产生的沙土直接倾倒至河道内，其中20世纪90年代为金沙江公路建设的高潮期，再加上其他工程修建，流域每年工程建设总弃土量≥1.5亿t，以弃流比0.3计，每年河流沙量增加约0.45亿t[11]。再者，金沙江上游地区人均耕地少，曾经一度出现滥垦、滥伐和滥牧等[12]，破坏了下垫面条件，导致产沙强度增加。

近10余年，叶巴滩、巴塘和拉哇水电站陆续开工建设，配套有大量的道路及堆场等其他临时设施，这些设施和工程的施工，一方面会产生弃渣，直接进入河道或库区，如叶巴滩论证阶段，选用沟道型/库底型弃渣方式[13]，施工期，弃渣堆放于降曲河，运行时，弃渣为库底型；另一方面，工程施工会对附近岩体产生扰动，导致局部发生失稳滑坡或坍塌，如道路旁山体滑坡也会直接清理倒入河道内，两种弃渣及处理发生都可能加大河道输沙量。