赤水河流域小水电建设对水土流失的影响——以金沙县关渔塘水电站为例

宁茂岐,赵 佳,李 勇,丁 禹,孟天友,罗忠志,雷龙海,赵琼飞,舒 梅

(1.贵州省水土保持科技示范推广中心,贵州 贵阳 550002; 2.毕节市水土保持监测中心,贵州 毕节 551700)

小水电是国际公认的清洁可再生能源,同时还可兼顾防洪、灌溉、供水、旅游等综合利用功能,对解决广大农村及偏远地区用电需求、优化能源结构、改善农村生产生活条件、支持当地经济社会发展有重要作用[1]。随着经济的发展,很多重要河流的支流上都建设了小水电,高密度的水电开发势必改变原有自然生态系统,严重影响珍稀特有鱼类摄食和繁殖活动,河流减水、断流等生态问题纷纷出现。近年来,伴随国家经济技术发展水平的提升和生态文明理念的深入,多地纷纷提出小水电退出政策,拆除已废弃、效益不佳或对生态破坏严重的小水电站,如福建省永春县、长汀县在全国率先开展小水电退出试点[2]。与此同时,小水电退出对生态环境的影响也成为国内专家学者研究的重点。如王露等[3]、李仟等[4]采用层次分析法对绿色小水电进行了评价,傅小城[5]、赵伟华等[6]分别研究了湖北香溪河、云南溪谷河小水电站对河流底栖动物结构的影响,陆波等[7]以美国拆坝工程为例提出了小水电站拆坝工程的环境评估流程和评估要点等,研究成果较为丰富。

赤水河是贵州境内长江右岸的一级支流,具有“生态河”“美酒河”“历史河”的美誉。流域内有桫椤国家级自然保护区、赤水国家级风景名胜区和竹海国家森林公园等,留下了中国工农红军四渡赤水的足迹,茅台酒、习酒、郎酒等中国名酒都产于河流两岸,是长江上游的重要生态屏障,也是国家重点保护和关注的流域水系,具有十分重要的生态、经济及社会价值。目前赤水河流域小水电拆除工作正在进行,但小水电对河道上下游的水土流失影响分析研究还较少。本研究以赤水河流域金沙县关渔塘水电站为例,分析评价小水电建坝后拦蓄泥沙效果,以及拆除后可能对下游产生的水土流失影响,以期为小水电拆除后的生态修复提供参考,达到修复河流生态与促进经济发展相统一的目的[8]。

1 研究区域

关渔塘水电站位于贵州省毕节市金沙县马路乡二道河下游,装机容量为16.0 MW,地理位置为东经105°40′～106°03′、北纬27°20′～27°44′,上游为三岔河水电站,下游为桃子坪水电站。关渔塘水电站分为两级,一级水电站坝址位于沙锅洛村上游约1.2 km河道较狭窄处,二级水电站坝址位于二道河熊家寨村下游约255 m峡谷河段,于2020年5月正式投产。本研究只针对二级水电站坝址前约160 m内的退出河段(泥沙淤积主要集中区域)以及上游集雨区域进行水土流失分析研究。该河段总体流向近南北向,河谷两岸对称,呈狭窄的V形;两侧山体宽厚,海拔900～1 000 m,相对高差460～500 m;山体坡面溪沟发育有陇沟,沟内有少量流水;土地利用现状以坡耕地和林地为主,坡度10°～25°。

2 研究内容及方法

本研究针对坝址前约160 m范围内的退出河段进行水深及泥沙淤积情况测定,结合上游集雨区土地利用现状及水土流失强度,分析小水电建坝后拦蓄泥沙效果以及拆除后可能对下游产生的水土流失影响。

2.1 测量仪器及原理

水深及泥沙淤积主要采用PLS-300浅地层剖面测量系统、千寻CORS定位设备及A12智能无人船进行测量,坐标系统采用WGS84,测量软件为HYPACK和浅地层剖面测量系统自带软件。

PLS-300浅地层剖面系统采用参量阵声呐,在高电压下同时向水底发射两个频率接近的高频声波信号(f1,f2)作为主频,当声波作用于水体时,会产生一系列二次频率如(f1+f2)、(f1-f2)、2f1、2f2等。其中f1高频用于探测水深,而f1、f2的频率非常接近,因此二次频率很低,具有很强的穿透性,可以用来探测水底浅地层剖面,而且仍然保持高频波束角不变。浅地层剖面设备采集软件在采集实时数据时可以记录水深数据及地层数据,HYPACK软件可以读取各定位点的水深值,据此确定水底界面,而后地层数据经过滤波并去除水底、水面干扰等数据后处理得到相对明显和准确的地层信息,可以划分出每条测线中的底泥地层,再对其进行一定的运算,输出为平面坐标,加上底泥厚度的数据文件,使用成图软件进行成图处理,可以绘制底泥厚度等值线图。

2.2 测线布设及数据采集

为了能够获取尽可能多的水下地形及底泥厚度分布数据,沿河道走向,采用纵横交错网格化的测线布置方式布置一系列测线,测线间距为5～20 m,高于1∶2 000比例尺20 m线距的规范要求。关渔塘二级水电站处受河道较窄及无人船操作通视问题影响,实测长度约160 m,宽度约20 m,实际航迹路线见图1。

图1 关渔塘二级水电站测量实际航迹路线

2.3 土地利用及水土流失现状调查

采用无人机进行正射影像拍摄,生成上游集雨区DEM,再结合贵州省水土流失动态监测数据,人工解译水库上游集雨区土地利用现状、坡度及水土流失强度等数据。

3 结果分析

3.1 土地利用现状

表1为上游集雨区域土地利用现状。由表1可知,关渔塘二级水电站上游集雨区域土地总面积为3 185.59 hm2,土地利用类型以有林地、坡耕地和灌木林地为主,其中有林地占44.60%,灌木林地占19.25%,坡耕地占25.60%,共计占土地总面积的89.45%。

表1 上游集雨区域土地利用现状

3.2 水土流失现状

上游集雨区域中的河湖库塘(水域)、建设用地及农村道路(地面已硬化)、旱地(坡度≤5°)等不作为水土流失区域进行分析。因存在高坡梯田(坡度>5°)情况,故水田作为水土流失区域进行分析。根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL 190—2007)对不同水土流失强度进行侵蚀模数取值,最终得到关渔塘流域水土流失现状,见表2。由表2可知,土壤流失量草地179.7 t/a、灌木林地1 797.3 t/a、坡耕地8 311.6 t/a、水田2.8 t/a、有林地465.5 t/a,合计10 756.9 t/a。分析计算可得,流域内水土流失面积600.74 hm2,平均土壤侵蚀模数为1 790.61 t/(km2·a),属于轻度侵蚀。其中灌木林地、坡耕地、有林地是流域内水土流失的主要源地,共计产生土壤流失量10 574.4 t/a,占总流失量的98.3%,对下游产生的水土流失影响较为明显。

表2 关渔塘流域水土流失现状

3.3 浅地层剖面断面

图2为研究区域浅地层剖面反射截面,纵坐标为深度,横坐标为地理位置,颜色差异反映了声波反射强度不同。由图2可知,研究区域上覆淤泥质土层与下卧硬土层或岩石层的界限划分较为清楚,整体水深约26 m,底泥厚度约3 m。受河床地形影响,底泥厚度分布呈高低起伏状。

图2 浅地层剖面反射截面

3.4 空间分布

通过软件对实测各浅地层剖面的数据进行处理,形成底泥厚度及水深的空间分布数据,进行进一步分析。

3.4.1 水深

表3为关渔塘二级水电站水深数值统计。由表3可知,研究区域水位深最小值为23.40 m,最大值为27.83 m,平均水深为26.10 m。图3为水深等值线空间分布情况。由图3可知,水深分布呈两边较深、中间较浅的特点,整体以绿色为主;中间区域局部水位较浅,呈橙色或红色;坝前南侧局部水位较浅,呈淡黄色。水深空间分布特点与底泥空间分布特点刚好相反,说明在小水电建坝后,在大坝的拦蓄作用下,坝前上游河段的泥沙淤积情况较为明显。

表3 关渔塘二级水电站水深数值统计

图3 水深等值线空间分布

3.4.2 底泥厚度

研究区域共测得2 272组底泥数据,表4为关渔塘二级水电站底泥厚度数值统计。由表4可知,底泥厚度算术平均值为2.54 m,标准误差为0.01 m,中位数为2.44 m,标准偏差为0.61 m,其中99%的数量值都在4.41 m以内,1%的数量值在1.41 m以内,说明研究区域底泥厚度集中在1.41～4.41 m。图4为底泥厚度数值统计直方图,由图4可知,反馈频率较高的区间集中在1.85～<3.05 m,其中2.05～<2.25 m、2.25～<2.45 m反馈频率均超过300次,说明底泥厚度在2.05～<2.45 m的区域较多。

表4 关渔塘二级水电站底泥厚度数值统计

图4 关渔塘二级水电站底泥厚度数值统计直方图

图5为底泥厚度分布等值线空间分布。由图5可知,研究区底泥厚度空间分布呈现两边薄、中间厚的特点。中部局部区域厚度达到4 m以上,水电站坝前区域泥厚在2 m左右,坝前南侧存在泥厚4 m左右的区域。说明研究区域河床面在中部区域和坝前南侧区域存在一定的负地形,受负地形影响,底泥堆积厚度较其他区域存在明显的差异性,负地形形成的原因需做进一步分析。通过Sufer 15软件的体积计算功能模块,计算得到研究区域底泥总方量约5 771 m3。水深和底泥厚度的空间分布特征显示两者之间存在明显的关联性。

3.5 对水土流失的影响

根据土地利用现状和水土流失测量调查结果,研究区域产生水土流失的主要区域分布在坡耕地、灌木林地和有林地。关渔塘水电站于2020年建成投产,至2023年已产生理论水土流失量32 270.7 t,虽然区域整体属于轻度流失区,但对下游生态环境的影响还是较为明显的。

利用浅地层剖面测量系统对研究区水深和底泥厚度进行空间分布分析可知,小水电建成后,除满足生产发电的需求外,还对下游的防洪排涝起到了一定的调节作用。研究区域拦蓄泥沙总容量为5 771 m3,依据陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南,土壤密度取值1.207 g/cm3,计算得到研究区域拦蓄泥沙6 965.6 t,占理论水土流失量的21.58%。

4 结论

1)赤水河小水电所在区域沟谷狭窄,水流冲击侵蚀较为严重,坡耕地、灌木林地、有林地为主要的水土流失来源。受气候和地形地貌的影响,在不受小水电影响的前提下,产生的水土流失状况对下游影响较为明显。

2)小水电建成后有一定的蓄水功能,除满足生产发电的需求外,还对下游的防洪排涝起到一定的调节作用。大坝拦蓄水后,库内泥沙形成淤积,发挥了一定的保土效益。

3)小水电拆除后,预计库区淤积泥沙可能会集中流入下游,造成河道淤积及河水悬移质增加,对下游生态环境产生一定影响,严重时造成水土流失危害。但同时,也会对下游冲积平原的形成起到一定的促进作用,对该方面还需进行进一步研究与分析。