水電站泥沙治理研究最新進(jìn)展

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(guò)濾帶、植被和石頭岸堤等泥沙治理措施對(duì)尼日利亞杰巴水庫(kù)上游流域的減沙效果，對(duì)治理方案實(shí)施的經(jīng)濟(jì)造價(jià)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，與水庫(kù)淤積處置造價(jià)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(wèn)題，以改進(jìn)取水口的運(yùn)用和減少對(duì)下游生態(tài)的影響。

水電站泥沙；水庫(kù)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(kù)淤積已對(duì)這些水電站的發(fā)電能力造成影響。以杰巴(Jebba)水庫(kù)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(shí)，還需要對(duì)該水庫(kù)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(dòng)。

模擬泥沙治理方案可更好地解釋土壤侵蝕過(guò)程，其重要性是不言而喻的。而且，通過(guò)模擬還有助于辨識(shí)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(píng)估模型)，該模型最初由美國(guó)農(nóng)業(yè)部研制，能進(jìn)行流域尺度和連續(xù)時(shí)間的模擬，模型運(yùn)行時(shí)間步長(zhǎng)為天，輸出時(shí)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(kù)淤積的泥沙治理選擇方案，并對(duì)實(shí)施每個(gè)治理方案所需的經(jīng)濟(jì)造價(jià)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?kù)的上游流域，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(kù)(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(shù)。

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(shí)、水文模擬和產(chǎn)沙預(yù)測(cè)?；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(guò)濾帶、植被和石頭岸堤。

植物過(guò)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(yíng)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(guò)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(jià)分析

研究表明，杰巴水庫(kù)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(jià)分析表明，植被和植物過(guò)濾帶對(duì)減少流域產(chǎn)沙量的影響顯著，杰巴水庫(kù)上游流域?qū)嵤┲脖?、植物過(guò)濾帶和石頭岸堤減少泥沙的造價(jià)分別為每噸3.51，6.21美元和6.87美元；而按水庫(kù)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(jià)估算為每噸23.28美元。由此可以得出結(jié)論，與水庫(kù)淤積處置造價(jià)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(dòng)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(wèn)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(shí)、時(shí)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(dòng)植物等諸多方面。

目前，建壩蓄水造成的水流與泥沙阻斷對(duì)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(duì)取水及其對(duì)側(cè)向水流或下游泄流的影響所開(kāi)展的研究相對(duì)較少。取水口攔截泥沙，水流存在側(cè)向流動(dòng)，或流至另一流域儲(chǔ)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(kù)容較小、反復(fù)蓄水而需要定期沖沙；而下游隨著水流情勢(shì)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(shì)變化的生態(tài)影響研究不夠。

通過(guò)對(duì)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(wèn)題，以改進(jìn)取水口的運(yùn)用和減少對(duì)下游生態(tài)的影響。顯然，只是簡(jiǎn)單地重新設(shè)計(jì)河道泥沙治理流量是無(wú)效的，因?yàn)槟菢硬⒉荒軌蚧謴?fù)泥沙的天然情勢(shì)；若要改善這樣一個(gè)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

1006-0081(2017)04-0019-02

TV145

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董耀華，男，長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，教授級(jí)高級(jí)工程師。)