水電站庫區(qū)泥沙淤積問題的解決

水電站庫區(qū)泥沙淤積問題的解決

江河水庫儲水區(qū)主要來自柳江和古沂河流域的上游沉積物。儲沙主要是河流的懸浮質和向上流動性質。泥沙主要是隨暴雨洪水帶入庫區(qū),因庫區(qū)流速變緩,使較粗的泥沙在重力的作用下停滯或部分沉積。泥沙隨洪水季節(jié)性變化明顯,非汛期10月～次年3月,含沙量很小,汛期4～9月含沙量較大,年輸沙量主要產生在汛期。輸沙量的大小不僅與洪水的大小有關,還與暴雨中心位置、范圍、強度、歷時、洪水來源地及場次數(shù)有關,與流域植被等下墊面因素的好壞密切相關。因此,影響輸沙量大小的因素極其復雜。但麻石電站上下游各江河泥沙變化情況,可以反映出電站庫區(qū)泥沙淤積的大致情況。本文以融江長安水文站和都柳江涌尾水文站和古宜河古宜水文站歷年實測懸移質輸沙量資料為依據,并根據電站庫容復測成果,通過電站建成前后輸沙量變化規(guī)律的分析,論證融江麻石水電站庫區(qū)泥沙淤積的趨勢。1流域總結1.1古宜河河流水系融江是珠江流域西江水系柳江的干流,融江發(fā)源于貴州省獨山縣更頂山。都柳江自源頭流經貴州省獨山、三都、榕江,從江縣進入廣西省三江縣,在老堡口與支流古宜河匯合后稱融江,又流經融安、融水、柳城縣,在鳳山與龍江匯合后稱柳江。支流古宜河發(fā)源于桂林地區(qū)龍勝縣的貓兒山以北,流經廣西省龍勝、三江縣,在老堡口與干流都柳江匯合后入融江麻石水電站庫區(qū),都柳江全長376.9km,流域面積13724km2;古宜河全長227km,流域面積5098km2;融江全長178.8km,流域面積26752km2,流域大部分為山區(qū),干流坡降2‰左右,流域形狀近似扇形,上游寬,下游狹小。1.2融江山洪洪水特征融江流域處亞熱帶季風氣候區(qū),流域內有九萬大山、大苗山、大南山、天平山等主要山脈。暴雨天氣系統(tǒng)有靜止鋒、低渦、切變線等,這些天氣系統(tǒng)在地形的抬升擾動下,易在羅城、融水、融安、三江、龍勝一帶形成暴雨中心,是廣西著名的暴雨中心,“96.7”融江特大洪水期間,融水縣元寶山的再老雨量站實測24h最大降雨量和最大3d雨量均為廣西第一。主要雨季多發(fā)生在5～7月,流域平均年降雨量1300～2400mm。受北方冷空氣南下的影響,流域內的天氣系統(tǒng)往往來回擺動,形成幾次暴雨過程疊加,因而產生較大洪水。流域形狀近似扇形,坡面和河道坡降大,有利于洪水匯集,往往洪水漲勢猛,來得快,洪峰流量大。融江歷史上洪水頻繁,而且是柳江災害性洪水的主要來源,20世紀50年代以來主要有“68.7”、“70.7”、“88.8”、“94.6”和“96.7”等大洪水或特大洪水。1.3融江流域自然植被資源現(xiàn)狀融江流域屬云貴高原南緣地帶,北高南低,貴州省東南部高原向桂北山區(qū)傾斜。流域大部分為山地和丘陵區(qū),地面坡度大,流速大,沖刷力強。流域成土母質多為砂頁巖、石灰?guī)r、花崗巖等。這些母巖經長期風化形成的土壤,土質疏松,保水率差,易蝕易沖,尤以花崗巖發(fā)育風化形成的土壤,結構松散,抗蝕力差,在高溫多雨的作用下,易沙?；?因此土壤侵蝕嚴重,特別是植被下墊面條件差的地區(qū),在水力沖刷下,易產生水土流失,隨暴雨產生的徑流攜帶大量泥沙,進入庫區(qū)。融江流域原來植被茂密,局部還有原始森林存在,大部分為亞熱帶常綠闊葉林、針葉林、混交林等。自20世紀50年代至今,流域自然植被資源因遭受人為活動的破壞而不斷減少,以融江流域內的三江縣為例:三江縣森林覆蓋率1960年為41.6%,1970年減為35.8%,1979年為50.3%,1987年減為41%,1995年為50%。90年代以來各級政府采取有力措施,禁止亂砍亂伐,封山育林,森林植被覆蓋率逐漸有所回升。植被好壞是影響河流泥沙量的關鍵因素之一,也影響庫區(qū)的泥沙淤積。1.4省內地條件及集水情況廣西融江麻石水電站1970年初開始建設,1972年底建成蓄水發(fā)電,設計正常蓄水位134m(黃海高程),相應庫容1.554億m3,裝機10萬kW。該電站為徑流式水電站,無防洪調節(jié)庫容。電站設計沒有考慮沖排沙。電站壩址位于融江上游,古宜河和都柳江匯合口下游26.2km處,集水面積19440km2,電站的上游有干流都柳江涌尾水文站,相距50.3km,支流古宜河古宜水文站,相距57.8km,兩站為入庫控制站。電站下游28.4km有融江長安水文站。正常蓄水位回水至都柳江涌尾站下游8.1km,至古宜河古宜站下游15.8km(見圖1)。涌尾站集水面積13200km2,占麻石電站集水面積的67.9%,于1959年開始測懸沙。古宜站集水面積4439km2,占麻石電站集水面積的22.8%,于1974年開始測懸沙,1955～1973年,施測點設在下游的泗里口站。長安站集水面積21530km2,麻石電站集水面積占該站的90.3%,長安站區(qū)間有浪溪河和泗維河2條支流,浪溪河上設有富樂水文站,無測沙項目。長安站于1954年開始測懸沙,1997年停測。長安、涌尾和古宜站均沒有推沙測驗。入庫二站的水沙量以干流涌尾站為主,約占60%～70%。2麻石水庫儲水區(qū)砂層分析2.1水沙與上下站區(qū)間面積和粒徑分布融江麻石水電站建成前1961～1970年10a間,上游都柳江和支流古宜河至下游融江屬天然河流,涌尾站和古宜站實測懸移質輸沙量輸入融江10a總量,比下游融江長安站少600多萬t,為19.5%,從徑流量看,10a徑流總量,上游二站比下游長安站少近400億m3,為19.0%,水沙與上游二站至長安站區(qū)間面積占18.0%基本一致。從各年年徑流量和輸沙量看,基本上都是下游大于上游,年徑流量越大的年份,相差越大,最大的1968年,上游二站的徑流量比長安站少19.9%,輸沙量比長安站少44.2%。所以,在修建電站前的天然河流狀態(tài)下,長安站水沙量均比上游二站大。上下游站逐年輸沙量變化過程線可反映出建庫(1972年)前下游沙量大于上游,其上下游比值約為0.80(見圖2)。2.2洪水對部分泥沙的影響麻石水電站1972年建成后,上游都柳江和支流古宜河匯合口至電站下游長安站河段受蓄水回水和閘壩泄水影響,已不屬天然河流流態(tài),庫區(qū)流速變緩,即使所有閘門全部打開,流速也比天然情況下小,因此洪水攜帶的泥沙進入回水區(qū)域后,部分較粗顆粒的泥沙將因流速漸緩,在重力的作用下逐漸沉積于庫區(qū)內,洪峰后隨著閘門逐漸關閉洪水流速更小,部分細的泥沙也將沉積于庫區(qū)內。當再次發(fā)生更大洪水時,庫區(qū)流速增大,當達到泥沙運動的起動流速時,部分沉積的泥沙將被洪水攜帶到下游。由于洪水的周期性,泥沙的淤積也隨之周期性沖淤,但是,總的趨勢是淤大于沖,從電站建成后上下游控制站多年實測的懸移質輸沙量資料反映出,1971～2000年入庫站的涌尾站和古宜站實測懸移質輸沙(即輸入庫區(qū))總量比長安站多2000多萬t,為17.4%,與上游二站至長安站區(qū)間面積增18.0%相反;從徑流量看,上游二站比長安站則少近1200億m3,為20.2%,與上游二站至長安站區(qū)間面積增18.0%基本一致。按年代而言,20世紀70年代和80年代,長安站輸沙總量比入庫二站分別少32.1%和36.1%,徑流量則分別多20.9%和25.1%;但90年代,長安站輸沙總量比入庫二站的輸沙總量多1.7%,徑流量多15.5%;70～80年代入庫的沙量多于下游的沙量,90年代則入庫的沙量略少于下游的沙量,各年代水量仍是下游站大。逐年年徑流量均是下游大于上游,輸沙量則是下游小于上游的年份多,30a中,僅有6a因洪水較大而導致下游站年沙量大于上游二站,如“88.8”、“96.7”和“2000.6”大洪水時就出現(xiàn)這種情況,洪水越大下游站輸沙量越大。所以,建電站后入庫泥沙多于出庫泥沙,說明這部分泥沙淤積于庫區(qū)。圖2中的上下游站逐年輸沙量變化過程線直觀地反映出建庫后下游沙量小于入庫的沙量,其上下游比值約為1.34。2.3不同泥石流量運行特征根據通過對1972年麻石水電站建成后至2000年上下游泥沙量的統(tǒng)計分析,懸沙淤積庫區(qū)減少庫容約0.139億m3,平均年淤積0.46%(不包括推沙淤積)。1986年、1995年和2001年3次進行了庫容校測,1986～2001年實測正常蓄水位下庫容減少0.089億m3(包含了推沙淤積),平均年淤積0.59%,依此推算電站建成后至2000年庫區(qū)淤積即減少庫容0.265億m3。從上下游入出庫控制站的懸沙資料分析,庫區(qū)淤積量(不包含推沙淤積)比實測庫區(qū)淤積量小是合理的,庫區(qū)淤積的速度是多年的平均情況,隨著淤積的不斷增加,淤積的速度將會有所減緩,從圖2可看出,上下游逐年輸沙量變化過程線圖也反映庫區(qū)泥沙淤積的總體趨勢。在大洪水的年份,下游沙量比上游大,如1988年和1996年發(fā)生大洪水,涌尾站和古宜站二站入庫懸沙輸沙量比長安站分別小12%和16%,1996年洪水最大,且以都柳江為主,為設站以來第2位。2000年都柳江發(fā)生大洪水,僅次于1996年洪水,入庫二站懸沙輸沙量比長安站小33%,這些泥沙至少有部分是庫區(qū)下泄被洪水帶到下游,洪水越大越明顯。實際上產沙過程很復雜,影響產沙的因素是多方面的,庫區(qū)泥沙淤積過程也是復雜的,從上下游多年沙量資料反映,建庫后上游來沙量比下游大的年份占絕大多數(shù)。3沒有考慮降雨影響產沙量的主要因素本文通過融江麻石水電站建庫前后時段上游入庫站和出庫后下游站多年實測懸沙量資料的對比分析得出,建庫前上游沙量比下游小,建庫后正好相反;而水量在建庫前后都是上游比下游小。再與3次庫容測量成果比較,進一步證明了與庫區(qū)泥沙淤積量基本相符,并得出庫區(qū)泥沙淤積的大概速度,為掌握庫區(qū)淤積的動態(tài),電站的科學調度,加強庫容的監(jiān)測,加強流域水土流失的綜合治理等方面提供了參考依據。流域產輸沙是一個極其復雜的系統(tǒng)過程,影響因素眾多。本文沒有從降雨對產沙的影響進行進一步分析,不同的降雨類型對產沙量的影響是不同的,且差別較大,每次暴雨中心位置、強度、歷時、范圍、移動方向不同,產生的洪水大小也不同,產沙量也會出現(xiàn)差別,產匯流和產輸沙過程極其復雜;本次分析沒有考慮區(qū)間產沙量的還原分析,麻石電站壩址至上游入庫二站區(qū)間面積為1801km2