浅谈白龙江含沙量对宝珠寺及碧口水电站的影响

权国洪

(四川省广元水文水资源勘测中心,四川 广元 628000)

1 电站概况

1.1 宝珠寺水电站概况

宝珠寺水电站位于四川省广元市嘉陵江支流白龙江下游,距昭化区18 km,电站大坝为混凝土重力坝,最大坝高132 m。校核水位时水库总库容25.5亿m3,水电站装机容量70万kW,保证出力16万kW,多年平均发电量22.78亿kW·h。工程以发电为主,兼有防洪、灌溉效益,灌溉面积可达15.5万hm2。1984年复工,1996年第一台机组发电,1998年竣工。当正常蓄水位588 m时,水库面积61.2 km2,干流回水长度67 km。水库淹没涉及四川广元的利州区、青川县、陕西的宁强县、甘肃的文县等4个县区,主要淹没损失在四川省,约占90%[1]。

电站坝址以上流域面积28 428 km2。坝址多年平均流量307 m3/s,多年平均年径流量96.9亿m3。坝址下游三磊坝水文站实测最大流量8 960 m3/s,实测最小流量0.225 m3/s,调查历史最大流量18 600 m3/s。多年平均输沙量150.4亿kg,多年平均含沙量1.39 kg/m3。千年一遇设计洪水流量18 600 m3/s,相应库水位588.3 m;万年一遇校核洪水流量24 300 m3/s,相应库水位594.7 m。总库容25.5亿m3,正常蓄水位588 m,相应库容21.0亿m3;调洪库容4.5亿m3,兴利库容13.4亿m3,死库容7.6亿m3,具有不完全年调节性能。

1.2 碧口水电站概况

碧口水电站位于甘肃文县、嘉陵江支流白龙江上,距河口约105 km。电站大坝为壤土心墙土石混合坝,最大坝高101.8 m,校核洪水位时水库总库容5.21亿m3,装机容量30万kW,保证出力7.8万kW,多年平均发电量14.63亿kW·h。以发电为主,兼有防洪、灌溉、过木等效益。1969年5月开工,1976年3月第1台机组发电,1997年6月竣工[2]。

电站坝址以上流域面积26 000 km2,多年平均流量225 m3/s,多年平均径流量71.1亿m3,实测最大洪水流量3 260 m3/s,调查历史最大洪水流量5 810 m3/s,多年平均悬移质输沙量246.0亿kg,多年平均含沙量2.64 kg/m3,实测最大含沙量227 kg/m3。工程按500年一遇洪水流量7 630 m3/s设计,相应库水位703.3 m;按5 000年一遇洪水流量9 950 m3/s校核,相应库水位708.8 m,相应库容5.21亿m3。水库正常蓄水位704 m,相应库容4.5亿m3;死水位685 m,相应库容2.29亿m3;调节库容2.21亿m3;水库汛期限制水位695 m,防洪库容1.91亿m3。水库淹没耕地312 km2,迁移人口2 366人。

2 三磊坝水文站基本情况及水文资料收集

三磊坝(二)水文站于2005年8月由原三磊坝水文站下迁4.5 km设立,属国家重要水文站,是嘉陵江支流白龙江出口控制站,位于广元市利州区宝轮镇紫兰村,东经105°39′,北纬32°25′,集水面积29 273 km2,距河口距离 11 km,高程系统采用85基准高程。监测项目有：水位、流量、泥沙、蒸发、降水、水质。

2.1 白龙江流域概况

白龙江是长江的二级支流,嘉陵江的一级支流,发源于甘肃省甘南藏族自治州碌曲县与四川若尔盖县交界的郎木寺,河流全长576 km,流域总面积3.18万km2,河道穿行于山区峡谷,平均比降4.83%,天然落差2 783 m,多年平均流量307 m3/s,多年平均径流量96.9亿m3,水能蕴藏量432万kW,流域水资源比较丰富。按流域特征划分,河源至舟曲为上游段,舟曲至碧口为中游段,碧口至河口为下游段。白龙江在四川省广元市昭化古城汇入嘉陵江。

2.2 水文资料收集与计算分析

基本数据采用三磊坝站1958-2021年水文资料整编成果(1959年、1962年、1979年数据未找到),包括年平均含沙量、年平均流量、年平均输沙率、历年输沙量,其资料数据具有可靠性,一致性,代表性[3-4]。其未统计的3年数据占比很小,且已久远,对分析精度及输沙量大趋势影响很小。从表1到表2可以看出,1997年前后白龙江出口控制站三磊坝站监测多年平均含沙量和多年平均输沙量变化很大,1958-1996年多年平均输沙量150.4亿kg,而1997-2021年多年平均输沙量14.1亿kg,但多年平均流量变化较小,1958-1997年多年平均流量325 m3/s,1997-2021年多年平均流量281 m3/s,说明白龙江输沙量的大幅减少并不是平均流量减少引起的,而是被碧口电站和宝珠寺电站库区拦截所致。其中,2020年是有记录以来年平均流量最大的一年,年平均流量达508 m3/s,但年平均输沙率只有421 kg/s,不及1984年输沙率1 280 kg/s的三分之一,虽然从图1可以看出2020年输沙率比较突出,但是年平均含沙量0.829 kg/m3,不及1984年最大平均含沙量2.99 kg/m3的三分之一,所以2020年电站的拦沙效果还是很明显的。

图1 三磊坝水文站逐年平均流量及输沙率变化

表1 三磊坝站1958-1996年历年输沙量

表2 三磊坝站1997-2021年历年输沙量

3 宝珠寺电站与碧口电站库区泥沙淤积量估算

1997-2021年共25年白龙江出口控制三磊坝水文站相比1958-1996年平均减少的输沙量大约等于两个电站库区淤积的泥沙量,所以有下面的计算过程[5]：

V=WS/ρ=1.739×108(m3)

按流域相似性分配碧口电站泥沙淤积体积为：

V碧口=S碧口/S宝珠寺×V= 26 000/28 428×1.739 ×108=1.590×108(m3)

按流域相似性分配宝珠寺电站泥沙淤积体积为：

V宝珠寺= (S宝珠寺-S碧口)/S宝珠寺×V=(28 428-26 000)/28 428×1.739=0.149×108(m3)

式中,S碧口为碧口电站坝址集水面积,km2;S宝珠寺为宝珠寺电站坝址集水面积,km2;V为泥沙总体积,m3。

宝珠寺电站与碧口电站从1997年建成投入使用后下游三磊坝水文站监测多年平均含沙量显著减小,由于洪水进入电站库区,水流速度骤降,水体夹沙能力明显减弱,泥沙在重力作用下有利于在库区淤积,从三磊坝历年监测断面平均含沙量来看,1958年至1996年三磊坝断面平均含沙量比较大,而1997年至2021年三磊坝断面平均含沙量只占1958年至1996年三磊坝断面平均含沙量的一成左右,这个时间点刚好与碧口电站和宝珠寺电站建成运行时间重合,说明1997年以来白龙江减少的输沙量几乎都淤积在碧口电站和宝珠寺电站的死库容里,而紫兰坝电站较小,2006年建成运行后,对白龙江含沙量几乎没影响。从表3可以看出,如果把整个白龙江流域产沙、冲刷、汇沙都按相似特性来计算,碧口电站和宝珠寺电站库区淤积泥沙量可以用集水面积比来分配,可以进一步推算大概多少年能把电站死库容淤满泥沙,下面做进一步的推演。

表3 碧口电站与宝珠寺电站淤积沙量分配情况

碧口电站库区25年淤积泥沙量约1.590亿m3,碧口电站死库容2.29亿m3,如果按此淤积速度每年淤积为1.59×10 000/25=636万m3泥沙,碧口电站死库容淤满需N年,N=(2.29-1.59)×10 000/636=11 a。

宝珠寺电站库区25年淤积泥沙量约0.149亿m3,宝珠寺电站死库容7.6亿m3,按此淤积速度前11 a每年淤积5.96万m3泥沙,11 a前由于上游碧口电站死库容淤满泥沙,所以11 a后宝珠寺电站每年淤积泥沙为1.739×10 000/25=695.6万m3,泥沙淤满宝珠寺死库容需要N年,N=11+(7.6-11/25×0.149) ×10 000 /695.6= 119 a,所以119 a后可把宝珠寺电站死库容淤满,由于119 a时间序列太长,白龙江水文特性和规律可能发生变化,以致按原泥沙淤积进程计算时间可能带来偏差,119 a仅供参考。

4 结论与建议

通过计算碧口电站泥沙淤积量小于碧口电站死库容,未影响兴利库容,在不考虑年径流量变化的前提下,对碧口电站发电、灌溉效益未产生影响。宝珠寺电站泥沙淤积量小于宝珠寺电站死库容,未影响兴利库容,在不考虑年径流量变化的前提下,对宝珠寺电站发电、灌溉效益未产生影响。通过三磊站水文站对白龙江历年含沙量的监测及变化规律的分析与总结,碧口与宝珠寺电站拦截白龙江大部分含沙量,使得白龙江出口河水清澈,反过来白龙江中、上游的含沙量使得碧口与宝珠寺电站库区淤积,从长远大局出发,碧口电站及宝珠寺电站的修建不止是起发电、灌溉、调节洪峰等作用,而且为下游亭子口电站及三峡电站起到拦沙作用,为这两座电站更好地发挥经济效益起到积极作用,也主要减轻亭子口电站防洪压力。

由于三磊坝站未监测推移质,所以,在计算电站库容淤积时未考虑推移质的淤积,只计算悬移质的淤积,再加上流域面积的植被、环境、水土保持越来越好,对白龙江含沙量有一定减少,所以,对电站预后淤积年限计算可能带来偏差。要想进一步提高精度,建议施测最新的库容曲线,计算最新的库容,在水库校核洪水位相同的条件下,用原库容曲线计算的总库容减去最新库容曲线计算的总库容就等于库容淤积体积。想要减少电站库容泥沙淤积,电站应定期冲沙、排沙,同时,应加强流域面积上环境保护,植树造林,修建拦沙设施,减少水土流失等。