金沙江梯級(jí)水電站在“11.03”白格堰塞湖應(yīng)急處置中的減災(zāi)分析

陳祖煜，胡貴良，張 強(qiáng)，3，吳帥峰

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610015；3.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048)

0 引 言

2018年10月和11月，我國(guó)金沙江上游白格村同一位置連續(xù)發(fā)生兩次大規(guī)模的山體滑坡，堵塞金沙江干流形成堰塞湖[1-2]。金沙江“11.03”白格堰塞湖潛在庫(kù)容達(dá)7.9億m3，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救災(zāi)指揮部啟動(dòng)了人工干預(yù)開(kāi)挖泄流槽、蘇洼龍水電站圍堰破拆、中游梯級(jí)水電站應(yīng)急騰庫(kù)等處置措施。11月13日堰塞湖潰決，形成超萬(wàn)年一遇洪水，在各部門(mén)統(tǒng)一協(xié)調(diào)應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)過(guò)程中，及時(shí)轉(zhuǎn)移受威脅地區(qū)群眾，實(shí)現(xiàn)無(wú)一人傷亡，但由于此次潰決洪水超萬(wàn)年一遇，對(duì)下游在建水電站和金沙江沿岸多個(gè)重要鄉(xiāng)鎮(zhèn)仍產(chǎn)生了巨大影響，直接經(jīng)濟(jì)損失約達(dá)135億元。

梯級(jí)開(kāi)發(fā)是河流開(kāi)發(fā)的主要形式[3]。梯級(jí)水庫(kù)群不僅具有增強(qiáng)河川徑流調(diào)節(jié)能力、提高河流水資源利用率，而且可在防洪抗旱、水力發(fā)電和生態(tài)保護(hù)等方面發(fā)揮更大的作用[4-6]。目前，我國(guó)已形成金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、怒江、長(zhǎng)江上游、南盤(pán)江、紅水河、瀾滄江等大江大河流域梯級(jí)水庫(kù)群。2014年云南省魯?shù)榭h“8.03”地震形成牛欄江紅石巖堰塞湖，堰塞湖發(fā)生后，上下游梯級(jí)水庫(kù)采取了上游德慶水庫(kù)蓄水?dāng)r截、下游天花板和黃角樹(shù)電站預(yù)泄騰庫(kù)等應(yīng)急處置措施，為堰塞湖搶險(xiǎn)贏得了寶貴時(shí)間[7]。

金沙江中游梯級(jí)水電站是金沙江梯級(jí)水電基地的重要組成部分，“11.03”白格堰塞湖發(fā)生后，梨園、阿海、金安橋等水電站統(tǒng)一調(diào)度防洪庫(kù)容13.53億m3，阻斷了破壞性潰決洪水向大理、楚雄方向的延伸。相關(guān)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，白格堰塞體高邊坡仍處于緩慢變形狀態(tài)，存在再次發(fā)生滑坡堵江的可能[8]。本文圍繞“11.03”白格堰塞湖實(shí)際潰決過(guò)程，運(yùn)用一維洪水非恒定流演進(jìn)模型，對(duì)金沙江中游河段洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行反演分析，與梯級(jí)水庫(kù)應(yīng)急處置后實(shí)測(cè)洪水過(guò)程進(jìn)行了對(duì)比分析，研究了梯級(jí)水庫(kù)在堰塞湖處置過(guò)程中的作用，為以后此類(lèi)堰塞湖應(yīng)急搶險(xiǎn)中梯級(jí)水庫(kù)應(yīng)急處置提供借鑒。

1 金沙江梯級(jí)水電站概況

金沙江上游是指青海玉樹(shù)(巴塘河口)至云南石鼓區(qū)間段，河段長(zhǎng)974 km，流域面積7.65萬(wàn)km2，落差約1 715 m，河道平均坡降1.76%。金沙江上游是金沙江水電基地的重要組成部分，規(guī)劃實(shí)施“一庫(kù)八級(jí)”梯級(jí)水電站建設(shè)，分別為崗?fù)小⒉_、葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍、昌波、旭龍、奔子欄。白格堰塞湖位于葉巴灘壩址上游54 km處，葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍水電站已核準(zhǔn)在建。

金沙江中游西起云南麗江石鼓鎮(zhèn)，東至攀枝花市的雅礱江口，長(zhǎng)564 km，落差838 m，河道平均坡降1.48%。河段規(guī)劃為“一庫(kù)八級(jí)”開(kāi)發(fā)，目前投入運(yùn)行并能夠發(fā)揮調(diào)洪作用的水電站有6座，分別為梨園水電站、阿海水電站、金安橋水電站、龍開(kāi)口水電站、魯?shù)乩娬竞陀^音巖水電站。金沙江梯級(jí)水電站如圖1所示。

圖1 金沙江梯級(jí)水電站

兩次白格堰塞湖發(fā)生后，由于上游梯級(jí)多數(shù)在建，不能發(fā)揮調(diào)洪削峰作用，在長(zhǎng)江委的統(tǒng)一調(diào)度下，中游已建梯級(jí)水電站分別采取降低庫(kù)水位，騰出庫(kù)容以容納堰塞湖潰決超大洪水。本文主要研究中游梯級(jí)調(diào)洪削峰作用，中游梯級(jí)水庫(kù)特性如表1所示。

表1 中游梯級(jí)水庫(kù)特性

2 金沙江中游水電站應(yīng)急處置過(guò)程

2.1 “11.03”洪水過(guò)程

2018年11月3日，西藏自治區(qū)昌都市江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)和四川省甘孜藏族自治州白玉縣絨蓋鄉(xiāng)交界處，“10.10”白格滑坡體殘留體再次下滑，堵塞由第一次堰塞體潰決形成的泄流槽后，再次堵塞金沙江干流，形成“11.03”白格堰塞湖。堰頂埡口寬約195 m，長(zhǎng)約273 m，堰頂高程約2 966 m，較“10.10”堰塞體頂高程高30余m，堰塞體高出水面58.24 m，潛在庫(kù)容將達(dá)7.9億m3，一旦潰決，將會(huì)對(duì)下游在建水電站和沿岸人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大影響[9-10]。

2018年11月5日經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘和分析，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急救災(zāi)指揮部啟動(dòng)了人工干預(yù)開(kāi)挖泄流槽，現(xiàn)場(chǎng)先后調(diào)用工程機(jī)械18臺(tái)，其中，挖掘機(jī)13臺(tái)，裝載機(jī)5臺(tái)。至11月11日下午泄流槽開(kāi)挖完成，泄流槽長(zhǎng)220 m，泄流槽底坎高程2 952.52 m，頂寬42 m，底寬3 m，最大深度15 m[1，10-11]。與此同時(shí)，為防止堰塞湖潰決洪水造成蘇洼龍圍堰潰決，產(chǎn)生潰決洪水疊加效應(yīng)，采取破拆蘇洼龍上游圍堰措施，極大限度地保護(hù)下游沿岸人民群眾的安全。

11月12日凌晨04∶45，泄流槽開(kāi)始進(jìn)水，泄流槽河道在10∶50被淹沒(méi)；13日8∶00，泄流槽過(guò)流流量明顯增大，13日12∶00沖刷明顯加快；13日13∶40過(guò)流流量超過(guò)堰塞湖入湖流量，堰塞湖壩前最高水位2 956.40 m，相應(yīng)庫(kù)容5.78億m3；13日18∶00潰決流量達(dá)到最大流量31 000 m3/s。15日8∶00，泄流槽泄流量下降至天然來(lái)流量，水位穩(wěn)定，險(xiǎn)情解除。下游各電站洪水過(guò)程如圖2所示。

圖2 “11.03”白格堰塞湖潰決下游各流量測(cè)點(diǎn)洪水過(guò)程

2.2 水電站應(yīng)急調(diào)度過(guò)程

金沙江“11.03”白格堰塞湖發(fā)生后，長(zhǎng)江委根據(jù)金沙江白格堰塞湖人工干預(yù)情況，對(duì)金沙江中游梯級(jí)水電站實(shí)施聯(lián)合洪水調(diào)度，控制水位以應(yīng)對(duì)洪水。截至2018年11月13日16∶00，調(diào)度令梨園水電站以不高于1 592 m水位運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)騰庫(kù)最低水位1 590.08 m，梨園水庫(kù)防洪高水位1 618.00 m，正常蓄水位1 618.00 m，死水位1 605.00 m，實(shí)現(xiàn)3.8億m3的防洪庫(kù)容；阿海水電站以不高于1 493.3 m水位運(yùn)行；金安橋水電站以不高于1 406 m水位運(yùn)行；龍開(kāi)口水電站、魯?shù)乩娬竞陀^音巖水電站分別以不高于1 294.00、1 220.00、1 130.00 m水位運(yùn)行，實(shí)際調(diào)度防洪庫(kù)容13.53億m3。金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度情況如表2所示[12]。

表2 金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度情況[12]

2018年11月15日12∶30，白格堰塞湖潰決洪水以7 200 m3/s的洪峰流量入庫(kù)梨園水電站。梨園水電站最大泄流量為4 500 m3/s，經(jīng)過(guò)梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖等大型水電站進(jìn)行攔蓄調(diào)節(jié)，阿海電站水庫(kù)的出庫(kù)流量?jī)H為854 m3/s，遠(yuǎn)低于11月3日堰塞湖發(fā)生斷流前的下游天然河道中的流量2 040 m3/s。

3 金沙江中游梯級(jí)水電站減災(zāi)效果評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算原理

洪水演進(jìn)計(jì)算的本質(zhì)是求解淺水運(yùn)動(dòng)方程，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家學(xué)者進(jìn)行了一維、二維、三維的求解方法研究，由于梨園至攀枝花市金沙江河道長(zhǎng)350 km，本文洪水演進(jìn)采用MIKE11模型計(jì)算，MIKE11模型由丹麥水力研究所(DHI)開(kāi)發(fā)[13]，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[14-16]。

模型的基本方程組為圣維南方程

(1)

式中，x、t分別為計(jì)算點(diǎn)空間和時(shí)間的坐標(biāo)；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；Q為過(guò)流流量；h為水位；q為旁側(cè)入流流量；C為謝才系數(shù)；R為水力半徑；α為動(dòng)量校正系數(shù)；g為重力加速度。

MIKE11模型采用Abbott六點(diǎn)中心隱式差分方法圣維南方程進(jìn)行數(shù)值離散后應(yīng)用“追趕法”求解差分方程[13]。計(jì)算過(guò)程中在每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)不同時(shí)計(jì)算水位、流量值，而是按照順序交替進(jìn)行計(jì)算。

3.2 模型率定

“11.03”白格堰塞湖洪水發(fā)生后，在長(zhǎng)江委的調(diào)度下，梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩?、觀音巖等大型水電站進(jìn)行攔蓄調(diào)節(jié)，梨園下游無(wú)實(shí)測(cè)洪水資料，無(wú)法進(jìn)行洪水演進(jìn)模型的率定。巴塘至石鼓金沙江河段長(zhǎng)974 km，落差約1 715 m，河道平均坡降1.76%，石鼓至攀枝花河段長(zhǎng)564 km，落差838 m，河道平均坡降1.48%，采用蘇洼龍至梨園的實(shí)測(cè)流量過(guò)程資料進(jìn)行模型的率定，地形資料采用美國(guó)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星Terra提供的30 m分辨率DEM地形資料。

蘇洼龍水電站至梨園水電站全長(zhǎng)447 km，入流流量采用蘇洼龍?zhí)帉?shí)測(cè)“11.03”白格潰決洪水流量過(guò)程，如圖3所示。曼寧系數(shù)選取為0.06。圖4所示為蘇洼龍水電站至梨園水電站洪水演進(jìn)模擬結(jié)果。

圖3 蘇洼龍計(jì)算入流流量過(guò)程

模擬結(jié)果表明，曼寧參數(shù)取值為0.06時(shí)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果擬合效果較好。奔子欄水電站實(shí)測(cè)洪峰流量15 700 m3/s，模擬洪峰流量14 090 m3/s，誤差10.25%；梨園水電站實(shí)測(cè)洪峰流量7 410 m3/s，模擬流量7 870 m3/s，誤差為6.21%。模擬洪峰到達(dá)時(shí)間與實(shí)測(cè)過(guò)程基本一致，滿足計(jì)算要求。

圖4 蘇洼龍水電站至梨園水電站模擬結(jié)果

3.3 洪水演進(jìn)模擬

“11.03”白格堰塞湖由于梨園水電站提前泄水調(diào)洪的作用，潰決洪水未對(duì)下游造成較大的影響，現(xiàn)假定梨園水電站未采取任何措施，計(jì)算白格堰塞湖潰決洪水自梨園水電站演進(jìn)至攀枝花的洪水過(guò)程，梨園水電站至攀枝花市全長(zhǎng)350 km，計(jì)算地形資料采用30 m DEM資料。曼寧系數(shù)選用蘇洼龍水電站至梨園水電站率定的0.06。入庫(kù)流量采用“11.03”實(shí)測(cè)洪水梨園水電站入庫(kù)流量，入流流量過(guò)程如圖5所示。

圖5 計(jì)算入流流量過(guò)程

以梨園水電站至攀枝花市沿江9個(gè)典型城鎮(zhèn)為計(jì)算斷面，分別選取這些斷面計(jì)算洪水流量過(guò)程和水位變化過(guò)程，洪水演進(jìn)流量過(guò)程如圖6所示。

圖6 梨園-攀枝花市模擬結(jié)果

將斷面位置的流量與實(shí)際地形相結(jié)合，依據(jù)河道特征斷面水位—流量關(guān)系曲線計(jì)算水位抬升高度，水位抬升高度及各位置的淹沒(méi)面積如表3所示。

表3 淹沒(méi)信息統(tǒng)計(jì)

由圖6和表3可見(jiàn)，若無(wú)中游梯級(jí)水庫(kù)調(diào)蓄洪水作用，麗江市、楚雄市和攀枝花市將增加淹沒(méi)面積總計(jì)約160 km2，必將對(duì)沿江造成更大的損失。通過(guò)梯級(jí)水電站洪水調(diào)度及科學(xué)應(yīng)對(duì)，雖然梨園上游受洪水災(zāi)情較重，但梨園、阿海等大型電站水庫(kù)發(fā)揮了攔洪削峰調(diào)蓄的良好作用，將洪水災(zāi)害截?cái)嘤谥杏翁菁?jí)電站水庫(kù)當(dāng)中。

4 結(jié) 論

本文對(duì)金沙江“11.03”白格堰塞湖的洪水過(guò)程進(jìn)行了回顧，采用一維洪水演進(jìn)分析水力學(xué)模型，對(duì)金沙江中游梯級(jí)水電站在防洪減災(zāi)中的作用進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

(1) “11.03”白格堰塞湖潰決在金沙江形成超萬(wàn)年一遇洪水，通過(guò)開(kāi)挖泄流槽、在建電站圍堰拆除和中游梯級(jí)水庫(kù)的調(diào)節(jié)作用，成功處置了此次超大洪水，中游梯級(jí)水庫(kù)在正確的調(diào)度作用下，減小了下游河道沿岸防洪壓力。

(2) 梨園、阿海、金安橋、龍開(kāi)口、魯?shù)乩⒂^音巖等水電站經(jīng)聯(lián)合洪水調(diào)度，共調(diào)度防洪庫(kù)容13.53億m3，截?cái)嗔似茐男缘臐魏樗虼罄怼⒊鄯较蜓由?，減輕了云南省的災(zāi)情。若無(wú)梯級(jí)水庫(kù)的作用，將造成額外的淹沒(méi)面積約160 km2。

(3) 金沙江上游梯級(jí)水庫(kù)正在建設(shè)期，在此次應(yīng)急處置過(guò)程中未發(fā)揮調(diào)洪作用，雖然中游梯級(jí)水電站成功攔截洪水，但梨園上游仍然受此次洪水災(zāi)情較重。應(yīng)加快金沙江上游梯級(jí)電站的建設(shè)，形成梯級(jí)規(guī)模，如全河段可進(jìn)行梯級(jí)調(diào)度，必將更多地減少金沙江沿岸損失。