試驗(yàn)與研究

水電站泥沙治理研究最新進(jìn)展

基于SWAT模型，模擬了植物過濾帶、植被和石頭岸堤等泥沙治理措施對尼日利亞杰巴水庫上游流域的減沙效果，對治理方案實(shí)施的經(jīng)濟(jì)造價進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，與水庫淤積處置造價相比，所提出的泥沙治理方案是經(jīng)濟(jì)有效和可持續(xù)的。提出了阿爾卑斯地區(qū)水電站取水口泥沙治理中需要研究的主要問題，以改進(jìn)取水口的運(yùn)用和減少對下游生態(tài)的影響。

水電站泥沙；水庫淤積；取水口；泥沙治理；SWAT模型

1 尼日利亞水電站上游產(chǎn)沙研究

尼日利亞3座水電站的泥沙淤積已達(dá)到非常嚴(yán)重的程度，根據(jù)尼日利亞盧瑞恩(Ilorin)大學(xué)A.G.阿德奧貢、B.F.蘇萊和A.W.薩拉米的最新研究，水庫淤積已對這些水電站的發(fā)電能力造成影響。以杰巴(Jebba)水庫為例，研究表明：亟需采取經(jīng)濟(jì)有效的修復(fù)措施，以提升該水電站(578 MW)的運(yùn)行壽命；與此同時，還需要對該水庫的上游流域采取適當(dāng)?shù)哪嗌持卫砼c控制措施，以減少泥沙侵蝕和其他產(chǎn)沙活動。

模擬泥沙治理方案可更好地解釋土壤侵蝕過程，其重要性是不言而喻的。而且，通過模擬還有助于辨識易侵蝕地區(qū)，找到最佳治理方案(BMP)，以減少研究地區(qū)的產(chǎn)沙量。最廣泛使用且能模擬流域多種水文與泥沙參數(shù)的模型是SWAT模型(水土評估模型)，該模型最初由美國農(nóng)業(yè)部研制，能進(jìn)行流域尺度和連續(xù)時間的模擬，模型運(yùn)行時間步長為天，輸出時間頻次可達(dá)月和年。

本文檢驗(yàn)了SWAT模型的實(shí)用性和可行性，研究了旨在減少尼日利亞杰巴水庫淤積的泥沙治理選擇方案，并對實(shí)施每個治理方案所需的經(jīng)濟(jì)造價進(jìn)行了分析。

1.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)槟崛绽麃喼胁拷馨退畮斓纳嫌瘟饔?，面積約為12 992 km2，尼日爾河橫跨全區(qū)域，部分支流包括阿滃(Awun)河、莫希(Moshi)河、厄庫(Eku)河、科坦哥拉(Kotangora)河和烏拉瑪(Wuruma)河。研究區(qū)域土壤主要為沙壤土，植被包括高桿草和散生樹。

1.2 模擬結(jié)果

將SWAT模型與Mapwindow-GIS界面結(jié)合，以進(jìn)行流域單元辨識、水文模擬和產(chǎn)沙預(yù)測?；诜侵揞愃屏饔虻难芯课墨I(xiàn)成果，選取泥沙治理BMP措施——植物過濾帶、植被和石頭岸堤。

植物過濾帶是指寬度1 m的草或其他永久植物狹窄緩沖帶，以截留徑流、泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)，減少等高程區(qū)域的坡蝕、面蝕與溝蝕泥沙。采用過濾帶可大幅度減少流域產(chǎn)沙，總減沙量1 202.33 t/hm2，相當(dāng)于減少了總產(chǎn)沙量的49%。

植被措施減少的流域總產(chǎn)沙量為1 093.92 t/hm2，約為總產(chǎn)沙量的46.4%。

石頭岸堤是指在流域坡面的橫截面上構(gòu)建等高程突出水平岸堤(圍堤或敞堤)，以攔截岸堤的坡面徑流，涵養(yǎng)水分，減沙侵蝕。然而研究表明，與其他泥沙治理措施相比較，該措施的減沙量最少；模擬結(jié)果是，石頭岸堤的總減沙量為258.18 t/hm2，減沙比僅為11.33%。

1.3 造價分析

研究表明，杰巴水庫淤積所造成的水電損失估算量為3 177.48 MW。不同泥沙治理方案的經(jīng)濟(jì)造價分析表明，植被和植物過濾帶對減少流域產(chǎn)沙量的影響顯著，杰巴水庫上游流域?qū)嵤┲脖?、植物過濾帶和石頭岸堤減少泥沙的造價分別為每噸3.51，6.21美元和6.87美元；而按水庫累積淤積總泥沙量計(jì)，清淤、機(jī)組損失和發(fā)電損失等經(jīng)濟(jì)造價估算為每噸23.28美元。由此可以得出結(jié)論，與水庫淤積處置造價相比較，本文提出的泥沙治理方案是經(jīng)濟(jì)有效和可持續(xù)的。

2 阿爾卑斯地區(qū)水電站取水口泥沙治理研究

瑞士洛桑(Lausanne)大學(xué)地表動力學(xué)院C.高巴德和S.N.蘭姆研究了阿爾卑斯地區(qū)水電站取水口的泥沙治理問題。

阿爾卑斯地區(qū)河流的自然水文特征(如流量的量值、頻率、歷時、時間和變幅等)主要取決于融雪與融冰，且已有多年的研究成果資料。該地區(qū)的冰川和融雪是水力發(fā)電的主要水源，但其自然水情也受到水力發(fā)電的影響，表現(xiàn)在河流流量、泥沙輸移以及下游動植物等諸多方面。

目前，建壩蓄水造成的水流與泥沙阻斷對下游河道形態(tài)與生態(tài)的影響已得到了深入研究，但針對取水及其對側(cè)向水流或下游泄流的影響所開展的研究相對較少。取水口攔截泥沙，水流存在側(cè)向流動，或流至另一流域儲蓄，或流至同一水域并最終下泄。

以閘壩取水口為例，一方面取水?dāng)r截了泥沙，另一方面由于庫容較小、反復(fù)蓄水而需要定期沖沙；而下游隨著水流情勢的顯著改變，引起泥沙(特別是粗沙)輸移。高巴德和蘭姆認(rèn)為，目前有關(guān)這一水沙情勢變化的生態(tài)影響研究不夠。

通過對阿爾卑斯生態(tài)系統(tǒng)狀況的綜合分析，提出了需要解決的主要研究問題，以改進(jìn)取水口的運(yùn)用和減少對下游生態(tài)的影響。顯然，只是簡單地重新設(shè)計(jì)河道泥沙治理流量是無效的，因?yàn)槟菢硬⒉荒軌蚧謴?fù)泥沙的天然情勢；若要改善這樣一個河流生態(tài)系統(tǒng)，可能還需要采取其他方法。

董耀華 譯

(編輯：朱曉紅 )

2016-12-28

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董耀華，男，長江水利委員會長江科學(xué)院，教授級高級工程師。)