寧茂岐,趙 佳,李 勇,丁 禹,孟天友,羅忠志,雷龍海,趙瓊飛,舒 梅

(1.貴州省水土保持科技示范推廣中心,貴州 貴陽(yáng) 550002; 2.畢節(jié)市水土保持監(jiān)測(cè)中心,貴州 畢節(jié) 551700)

小水電是國(guó)際公認(rèn)的清潔可再生能源,同時(shí)還可兼顧防洪、灌溉、供水、旅游等綜合利用功能,對(duì)解決廣大農(nóng)村及偏遠(yuǎn)地區(qū)用電需求、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)村生產(chǎn)生活條件、支持當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有重要作用[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,很多重要河流的支流上都建設(shè)了小水電,高密度的水電開(kāi)發(fā)勢(shì)必改變?cè)凶匀簧鷳B(tài)系統(tǒng),嚴(yán)重影響珍稀特有魚類攝食和繁殖活動(dòng),河流減水、斷流等生態(tài)問(wèn)題紛紛出現(xiàn)。近年來(lái),伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平的提升和生態(tài)文明理念的深入,多地紛紛提出小水電退出政策,拆除已廢棄、效益不佳或?qū)ι鷳B(tài)破壞嚴(yán)重的小水電站,如福建省永春縣、長(zhǎng)汀縣在全國(guó)率先開(kāi)展小水電退出試點(diǎn)[2]。與此同時(shí),小水電退出對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響也成為國(guó)內(nèi)專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。如王露等[3]、李仟等[4]采用層次分析法對(duì)綠色小水電進(jìn)行了評(píng)價(jià),傅小城[5]、趙偉華等[6]分別研究了湖北香溪河、云南溪谷河小水電站對(duì)河流底棲動(dòng)物結(jié)構(gòu)的影響,陸波等[7]以美國(guó)拆壩工程為例提出了小水電站拆壩工程的環(huán)境評(píng)估流程和評(píng)估要點(diǎn)等,研究成果較為豐富。

赤水河是貴州境內(nèi)長(zhǎng)江右岸的一級(jí)支流,具有“生態(tài)河”“美酒河”“歷史河”的美譽(yù)。流域內(nèi)有桫欏國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、赤水國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)和竹海國(guó)家森林公園等,留下了中國(guó)工農(nóng)紅軍四渡赤水的足跡,茅臺(tái)酒、習(xí)酒、郎酒等中國(guó)名酒都產(chǎn)于河流兩岸,是長(zhǎng)江上游的重要生態(tài)屏障,也是國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)和關(guān)注的流域水系,具有十分重要的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)及社會(huì)價(jià)值。目前赤水河流域小水電拆除工作正在進(jìn)行,但小水電對(duì)河道上下游的水土流失影響分析研究還較少。本研究以赤水河流域金沙縣關(guān)漁塘水電站為例,分析評(píng)價(jià)小水電建壩后攔蓄泥沙效果,以及拆除后可能對(duì)下游產(chǎn)生的水土流失影響,以期為小水電拆除后的生態(tài)修復(fù)提供參考,達(dá)到修復(fù)河流生態(tài)與促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相統(tǒng)一的目的[8]。

1 研究區(qū)域

關(guān)漁塘水電站位于貴州省畢節(jié)市金沙縣馬路鄉(xiāng)二道河下游,裝機(jī)容量為16.0 MW,地理位置為東經(jīng)105°40′～106°03′、北緯27°20′～27°44′,上游為三岔河水電站,下游為桃子坪水電站。關(guān)漁塘水電站分為兩級(jí),一級(jí)水電站壩址位于沙鍋洛村上游約1.2 km河道較狹窄處,二級(jí)水電站壩址位于二道河熊家寨村下游約255 m峽谷河段,于2020年5月正式投產(chǎn)。本研究只針對(duì)二級(jí)水電站壩址前約160 m內(nèi)的退出河段(泥沙淤積主要集中區(qū)域)以及上游集雨區(qū)域進(jìn)行水土流失分析研究。該河段總體流向近南北向,河谷兩岸對(duì)稱,呈狹窄的V形;兩側(cè)山體寬厚,海拔900～1 000 m,相對(duì)高差460～500 m;山體坡面溪溝發(fā)育有隴溝,溝內(nèi)有少量流水;土地利用現(xiàn)狀以坡耕地和林地為主,坡度10°～25°。

2 研究?jī)?nèi)容及方法

本研究針對(duì)壩址前約160 m范圍內(nèi)的退出河段進(jìn)行水深及泥沙淤積情況測(cè)定,結(jié)合上游集雨區(qū)土地利用現(xiàn)狀及水土流失強(qiáng)度,分析小水電建壩后攔蓄泥沙效果以及拆除后可能對(duì)下游產(chǎn)生的水土流失影響。

2.1 測(cè)量?jī)x器及原理

水深及泥沙淤積主要采用PLS-300淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)、千尋CORS定位設(shè)備及A12智能無(wú)人船進(jìn)行測(cè)量,坐標(biāo)系統(tǒng)采用WGS84,測(cè)量軟件為HYPACK和淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)自帶軟件。

PLS-300淺地層剖面系統(tǒng)采用參量陣聲吶,在高電壓下同時(shí)向水底發(fā)射兩個(gè)頻率接近的高頻聲波信號(hào)(f1,f2)作為主頻,當(dāng)聲波作用于水體時(shí),會(huì)產(chǎn)生一系列二次頻率如(f1+f2)、(f1-f2)、2f1、2f2等。其中f1高頻用于探測(cè)水深,而f1、f2的頻率非常接近,因此二次頻率很低,具有很強(qiáng)的穿透性,可以用來(lái)探測(cè)水底淺地層剖面,而且仍然保持高頻波束角不變。淺地層剖面設(shè)備采集軟件在采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)可以記錄水深數(shù)據(jù)及地層數(shù)據(jù),HYPACK軟件可以讀取各定位點(diǎn)的水深值,據(jù)此確定水底界面,而后地層數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)濾波并去除水底、水面干擾等數(shù)據(jù)后處理得到相對(duì)明顯和準(zhǔn)確的地層信息,可以劃分出每條測(cè)線中的底泥地層,再對(duì)其進(jìn)行一定的運(yùn)算,輸出為平面坐標(biāo),加上底泥厚度的數(shù)據(jù)文件,使用成圖軟件進(jìn)行成圖處理,可以繪制底泥厚度等值線圖。

2.2 測(cè)線布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

為了能夠獲取盡可能多的水下地形及底泥厚度分布數(shù)據(jù),沿河道走向,采用縱橫交錯(cuò)網(wǎng)格化的測(cè)線布置方式布置一系列測(cè)線,測(cè)線間距為5～20 m,高于1∶2 000比例尺20 m線距的規(guī)范要求。關(guān)漁塘二級(jí)水電站處受河道較窄及無(wú)人船操作通視問(wèn)題影響,實(shí)測(cè)長(zhǎng)度約160 m,寬度約20 m,實(shí)際航跡路線見(jiàn)圖1。

圖1 關(guān)漁塘二級(jí)水電站測(cè)量實(shí)際航跡路線

2.3 土地利用及水土流失現(xiàn)狀調(diào)查

采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行正射影像拍攝,生成上游集雨區(qū)DEM,再結(jié)合貴州省水土流失動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),人工解譯水庫(kù)上游集雨區(qū)土地利用現(xiàn)狀、坡度及水土流失強(qiáng)度等數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果分析

3.1 土地利用現(xiàn)狀

表1為上游集雨區(qū)域土地利用現(xiàn)狀。由表1可知,關(guān)漁塘二級(jí)水電站上游集雨區(qū)域土地總面積為3 185.59 hm2,土地利用類型以有林地、坡耕地和灌木林地為主,其中有林地占44.60%,灌木林地占19.25%,坡耕地占25.60%,共計(jì)占土地總面積的89.45%。

表1 上游集雨區(qū)域土地利用現(xiàn)狀

3.2 水土流失現(xiàn)狀

上游集雨區(qū)域中的河湖庫(kù)塘(水域)、建設(shè)用地及農(nóng)村道路(地面已硬化)、旱地(坡度≤5°)等不作為水土流失區(qū)域進(jìn)行分析。因存在高坡梯田(坡度>5°)情況,故水田作為水土流失區(qū)域進(jìn)行分析。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(SL 190—2007)對(duì)不同水土流失強(qiáng)度進(jìn)行侵蝕模數(shù)取值,最終得到關(guān)漁塘流域水土流失現(xiàn)狀,見(jiàn)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,合計(jì)10 756.9 t/a。分析計(jì)算可得,流域內(nèi)水土流失面積600.74 hm2,平均土壤侵蝕模數(shù)為1 790.61 t/(km2·a),屬于輕度侵蝕。其中灌木林地、坡耕地、有林地是流域內(nèi)水土流失的主要源地,共計(jì)產(chǎn)生土壤流失量10 574.4 t/a,占總流失量的98.3%,對(duì)下游產(chǎn)生的水土流失影響較為明顯。

表2 關(guān)漁塘流域水土流失現(xiàn)狀

3.3 淺地層剖面斷面

圖2為研究區(qū)域淺地層剖面反射截面,縱坐標(biāo)為深度,橫坐標(biāo)為地理位置,顏色差異反映了聲波反射強(qiáng)度不同。由圖2可知,研究區(qū)域上覆淤泥質(zhì)土層與下臥硬土層或巖石層的界限劃分較為清楚,整體水深約26 m,底泥厚度約3 m。受河床地形影響,底泥厚度分布呈高低起伏狀。

圖2 淺地層剖面反射截面

3.4 空間分布

通過(guò)軟件對(duì)實(shí)測(cè)各淺地層剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,形成底泥厚度及水深的空間分布數(shù)據(jù),進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.4.1 水深

表3為關(guān)漁塘二級(jí)水電站水深數(shù)值統(tǒng)計(jì)。由表3可知,研究區(qū)域水位深最小值為23.40 m,最大值為27.83 m,平均水深為26.10 m。圖3為水深等值線空間分布情況。由圖3可知,水深分布呈兩邊較深、中間較淺的特點(diǎn),整體以綠色為主;中間區(qū)域局部水位較淺,呈橙色或紅色;壩前南側(cè)局部水位較淺,呈淡黃色。水深空間分布特點(diǎn)與底泥空間分布特點(diǎn)剛好相反,說(shuō)明在小水電建壩后,在大壩的攔蓄作用下,壩前上游河段的泥沙淤積情況較為明顯。

表3 關(guān)漁塘二級(jí)水電站水深數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖3 水深等值線空間分布

3.4.2 底泥厚度

研究區(qū)域共測(cè)得2 272組底泥數(shù)據(jù),表4為關(guān)漁塘二級(jí)水電站底泥厚度數(shù)值統(tǒng)計(jì)。由表4可知,底泥厚度算術(shù)平均值為2.54 m,標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.01 m,中位數(shù)為2.44 m,標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.61 m,其中99%的數(shù)量值都在4.41 m以內(nèi),1%的數(shù)量值在1.41 m以內(nèi),說(shuō)明研究區(qū)域底泥厚度集中在1.41～4.41 m。圖4為底泥厚度數(shù)值統(tǒng)計(jì)直方圖,由圖4可知,反饋頻率較高的區(qū)間集中在1.85～<3.05 m,其中2.05～<2.25 m、2.25～<2.45 m反饋頻率均超過(guò)300次,說(shuō)明底泥厚度在2.05～<2.45 m的區(qū)域較多。

表4 關(guān)漁塘二級(jí)水電站底泥厚度數(shù)值統(tǒng)計(jì)

圖4 關(guān)漁塘二級(jí)水電站底泥厚度數(shù)值統(tǒng)計(jì)直方圖

圖5為底泥厚度分布等值線空間分布。由圖5可知,研究區(qū)底泥厚度空間分布呈現(xiàn)兩邊薄、中間厚的特點(diǎn)。中部局部區(qū)域厚度達(dá)到4 m以上,水電站壩前區(qū)域泥厚在2 m左右,壩前南側(cè)存在泥厚4 m左右的區(qū)域。說(shuō)明研究區(qū)域河床面在中部區(qū)域和壩前南側(cè)區(qū)域存在一定的負(fù)地形,受負(fù)地形影響,底泥堆積厚度較其他區(qū)域存在明顯的差異性,負(fù)地形形成的原因需做進(jìn)一步分析。通過(guò)Sufer 15軟件的體積計(jì)算功能模塊,計(jì)算得到研究區(qū)域底泥總方量約5 771 m3。水深和底泥厚度的空間分布特征顯示兩者之間存在明顯的關(guān)聯(lián)性。

3.5 對(duì)水土流失的影響

根據(jù)土地利用現(xiàn)狀和水土流失測(cè)量調(diào)查結(jié)果,研究區(qū)域產(chǎn)生水土流失的主要區(qū)域分布在坡耕地、灌木林地和有林地。關(guān)漁塘水電站于2020年建成投產(chǎn),至2023年已產(chǎn)生理論水土流失量32 270.7 t,雖然區(qū)域整體屬于輕度流失區(qū),但對(duì)下游生態(tài)環(huán)境的影響還是較為明顯的。

利用淺地層剖面測(cè)量系統(tǒng)對(duì)研究區(qū)水深和底泥厚度進(jìn)行空間分布分析可知,小水電建成后,除滿足生產(chǎn)發(fā)電的需求外,還對(duì)下游的防洪排澇起到了一定的調(diào)節(jié)作用。研究區(qū)域攔蓄泥沙總?cè)萘繛? 771 m3,依據(jù)陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)總值(GEP)核算技術(shù)指南,土壤密度取值1.207 g/cm3,計(jì)算得到研究區(qū)域攔蓄泥沙6 965.6 t,占理論水土流失量的21.58%。

4 結(jié)論

1)赤水河小水電所在區(qū)域溝谷狹窄,水流沖擊侵蝕較為嚴(yán)重,坡耕地、灌木林地、有林地為主要的水土流失來(lái)源。受氣候和地形地貌的影響,在不受小水電影響的前提下,產(chǎn)生的水土流失狀況對(duì)下游影響較為明顯。

2)小水電建成后有一定的蓄水功能,除滿足生產(chǎn)發(fā)電的需求外,還對(duì)下游的防洪排澇起到一定的調(diào)節(jié)作用。大壩攔蓄水后,庫(kù)內(nèi)泥沙形成淤積,發(fā)揮了一定的保土效益。

3)小水電拆除后,預(yù)計(jì)庫(kù)區(qū)淤積泥沙可能會(huì)集中流入下游,造成河道淤積及河水懸移質(zhì)增加,對(duì)下游生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響,嚴(yán)重時(shí)造成水土流失危害。但同時(shí),也會(huì)對(duì)下游沖積平原的形成起到一定的促進(jìn)作用,對(duì)該方面還需進(jìn)行進(jìn)一步研究與分析。