澜沧江干流水库拦沙效应分析与预测

论 文第52卷 增刊Ⅱ 2007年11月澜沧江干流水库拦沙效应分析与预测傅开道 何大明*(云南大学亚洲国际河流中心, 昆明 650091. * 联系人, E-mail: dmhe@)摘要 水库的蓄水拦沙对下游水道产生相应的物理化学及生态影响, 定量研究水库的拦沙效应是揭示水库影响的关键之一. 运用澜沧江漫湾电站的进出库控制水文站39年的实测资料, 估算漫湾水库拦沙率, 并与修正后的Brune 和Siyam 水库拦沙模型估算进行对比研究. 结果表明: (1) 漫湾水库实测资料估算的拦沙率为60.48%, Brune 和Siyam 模型估算的拦沙率为60.03%和60.03%, 三者相近, 结果较为合理, 证明修正后的Brune 和Siyam 拦沙率估算模型适用于澜沧江流域规模相当的水库拦沙情形; (2) 运用此两个修正模型, 估算出的功果桥、大朝山与景洪水库的拦沙率分别为30.23%, 66.05%, 63.50%与38.81%, 63.97%, 62.30%. 本研究所采用理论方法及其结果对澜沧江流域及其毗邻的其他流域的水沙关系研究, 具有一定的参考价值.关键词 水库拦沙率 梯级电站 澜沧江-湄公河 纵向岭谷区2007-01-02收稿, 2007-04-27接受国家重点基础研究发展计划项目(编号: 2003CB415105)和云南大学理(工)科校级科研重点项目(编号: 2005Z003B)资助1) Roberts T. Downstream ecological implications of China's Lancang Hydropower and Mekong Navigation Project. International Rivers Net-work, accessed through internet on July 2005: /programs/lancang/. 20012) ADB. Cumulative Impact Analysis and Nam Theun 2 Contributions, Final report. Prepared by NORPLAN and EcoLao for Asian Development Bank (ADB), 2004, 1433) 何大明, 陈丽晖. 澜沧江漫湾电站的社会经济环境影响研究——综合研究报告. 2002澜沧江干流梯级电站建设的拦沙效应及其跨境影响, 多年来, 一直为下湄公河流域国家及相关国际社会所关注(图1). 目前对该河泥沙的研究更多是对澜沧江-湄公河来沙比例的估算, 以及泥沙的输移特性研究. 例如, Roberts 1)推算出全流域年输沙量为(1.5~1.7)×108t, 认为其中有约50%来源于中国境内澜沧江. 亚洲发展银行2)在其评论报告的湄公河次区域能源章节中也提及下湄公河(1.5~1.7)×108t 的输沙量中有一半是来自中国. 同样, Milliman 等人[1,2]估算年的输沙量为 1.6×108t. 根据尤联元[3]估算, 出境泥沙应该为每年0.85×108t. 尽管评估结果不同, 仍有一些观点认为, 下湄公河流域的泥沙有一半左右是来自上游澜沧江流域. 研究流域泥沙的输移特性, Gupta 等人[4]发现下湄公河的大部分泥沙主要沉积在河床内, 而不是河岸上或者岸壁岩石上. Wolanski 等人[5]通过野外考察越南湄公河三角洲泥沙输移特性, 揭示了1993年11月期间, 该河段平均悬移质泥沙含量为0.250 kg/m 3, 淡水区泥沙中值粒径d 50为2.5~3.9 µm 不等, 而咸水区却明显偏大, 为3.5~5 µm. 流域其他河段的泥沙粒径研究尚无资料报道.关于澜沧江梯级水库拦沙情形及其对下游河道图1 澜沧江-湄公河流域及其研究相关水库与水文站位置示意图影响的研究, 1996年漫湾库区水下地形测量结果估算, 漫湾电站运行3年, 库区底高已达913.8 m, 比设计期估算高出30 m 3), 平均每年泥沙淤积量可能有第52卷增刊Ⅱ 2007年11月论文60×106t, 已达到5年的设计淤积水平. 另一种预测是由国际河流网1)给出的, 认为“小湾水库将淤积35%用于肥沃下游洪泛平原的营养物质”, Blake[6]却认为“澜沧江-湄公河云南以下不得不面对比原来河道泥沙少一半的各种影响”. 而最引人注目的是文献[7], 通过综合预测上游梯级开发对下游拦沙效应及其对下湄公河流域的生态环境的可能影响评价, 认为梯级电站拦截了94%的出境泥沙, 将极大改变了下湄公河的水文情势, 这些变化的影响将波及下游至巴色的河段. 在此之前, Lu等人[8]同样根据湄公河委员会提供的数据, 分析结果显示上游电站目前对下湄公河的影响仅限制在万象以上河段, 下湄公河区间来水来沙是其下游水沙来源的主要原因, 此研究结论与傅开道等人[9]的结果基本一致.纵观上述研究, 关于来沙比例与输沙特性, 所得数据存在较大差异; 而在上述误差较大的数据基础上进行水库拦沙效应的评估, 无疑会产生偏差更大的结果. 本研究采用长序列最新实测泥沙资料, 进行澜沧江来沙情况及相关水库拦沙情形分析, 以期取得新的研究结果.1数据与方法1.1数据水库泥沙淤积常用出入库实测输沙量进行估算, 并要求出入库泥沙控制站资料应能反应出入库泥沙总量. 本文采用漫湾水库上游旧州水文站作为入库泥沙控制站, 漫湾坝下戛旧水文站为出库泥沙记录站(图1). 出库泥沙记录的戛旧站距漫湾坝址仅约2 km, 能准确记录漫湾出库泥沙状况, 但上游旧州水文站却距漫湾库区尚有269 km, 区间支流入沙无从获取, 不能准确反映漫湾入库泥沙情况, 故需将上述估算方法稍加处理以能准确估算漫湾水库拦沙率, 具体做法在后文的研究方法部分再述.在运用水库拦沙率模型估算水库拦沙状况时, 需要水库的有关参数, 如水库的库容量、兴利库容, 还有坝址断面多年平均径流量(表1)[10].1.2研究方法水库拦沙率是指淤积在水库中的泥沙与同期进库的泥沙量之比, 常以λ′或TE表示; 与之相对应的另一个量是水库排沙率, 是指排出水库的泥沙与同期进库的泥沙量之比, 用η′表示. 计算水库的拦沙率常有两个途径, 第一是运用已有出入库泥沙进行准确计算; 第二是运用模型进行模拟预测. 本文同时采用了两种方法进行计算和对比研究.基于数据资料情况, 第一种研究方法采用的是线性回归模拟两站天然河道输沙关系, 获得其回归模型. 结合电站建设后旧州维持天然输沙状态序列, 用回归模型模拟假定无电站影响情况下, 戛旧站断面应达到的输沙量, 模拟得到的逐年输沙量与其实测输沙量的差值可近似于每年漫湾水库淤积量. 通过上下游资料回归模型恢复电站下游河道未受拦沙影响过程, 估算水库淤积的方法, 国内文献尚未有报道. 然而, 在同一流域, 自然环境条件相似的上下游河段, 其水流输沙状况必然具有很好的关联, 故通过上游未受电站影响的观测站资料, 通过回归模型实现下游假设未受电站影响的输沙过程, 此作法应该可行可信.第二种方法是采用模型对水库拦沙与排沙情形进行模拟, 可以采用数学模型模拟水库的演变过程, 亦可运用一些半经验半理论公式来模拟和预估水库的大致淤积情况, 后者常用拦沙率曲线或排沙比曲线来描述水库排沙与拦沙的相互关系[11]. 目前有代表性的拦沙率曲线是Brune[12]1953年提出的, Siyam2)也根据混合蓄水拦沙效应提出了其模型, 而排沙比曲线则以张启舜等人[13]和张遂业等人[14]提出的较为简单明了. 水库拦沙估算分长时段和短时段水库拦表1 澜沧江干流与漫湾相当规模水库参数及建设进程坝址集水面积/km2断面径流/m3(×106) 坝高/m装机容量/MW总库容/m3(×106)兴利库容/m3(×106) 进程功果桥97200 31284 130 750 510 120 规划漫湾114500 38253 132 **** **** 344 已建(1986~1993)大朝山121000 42195 120 1350 940 467 已建(1996~2003)景洪149100 57080 107 1500 1139 577 在建(2004~)1) International Rivers Network (IRN). China’s upper Mekong dams endanger millions downstream. Briefing paper 3, Berkeley, 20022) Siyam A M, Yeoh J S, Loveless J H. Sustainable reservoir sediment controe. ⅩⅩⅨIAHR congress, Beijing. Accessed through internet on July 2005: /e-Library/beijing-proleedings/Theme-E, spp.论 文第52卷 增刊Ⅱ 2007年11月沙情形. 从理论推理和实际应用效果角度均表明, Brune 与Siyam 方法适用于长时段水库拦沙情形, 而在估算短时间水库淤积过程中, 张启舜、涂启华方法表现更为优越.因此在本次研究中, 采用Brune 与Siyam 模型对漫湾水库及后期在建及规划的规模相当的梯级水库的理论拦沙率进行估算, 考虑到水库所处地理位置及自然条件的差异, 本文计算拦沙率的Brune 与Siyam 模型中分别加入修订系数α 和β. Brune 模型可改写为:1TE = (1)其中,R τ∆为水库滞水时间, 可通过下式计算:1nii V Q τ=∆=∑, (2)式中, V i 为水库兴利库容, Q 为坝下游控制断面多年平均径流量, ∆τ近似于水库调节径流系数.Siyam 混合蓄水拦沙效应新的估算公式1):e ,Q V TE β−=(3)β 为待定系数, 水库泥沙淤积参数, 反映水库蓄水滞延时间差异造成的泥沙淤积程度, 该参数反映的是水库各水力状况, 不是一个恒量, 决定于泥沙沉降速率、水库形状、面积以及电站调度等因素, 其值可以通过出入库输沙量变化进行估算.以上估算公式起初是由美国的众多水库总结得到, 但Vorosmarty 等人[15]将其应用到其他国家水库中应用也得到合理的结果.上述各种拦沙系数估算公式结构较为简单, 无需水库的太多参数以及泥沙特征等具体数据, 因此简单明了, 便于应用操作.2 澜沧江梯级水库拦沙率预测2.1 漫湾水库拦沙率旧州、戛旧水文站是澜沧江干流的重要水文控制站. 本文分析所用数据为旧州和戛旧站1965~2003年逐年实测悬移质泥沙输沙量序列, 旧州站位于漫湾电站上游269 km 处, 未受漫湾水库回水影响, 始终保持其河道输沙特性, 多年悬移质泥沙含量为0.445 kg/m 3, 年平均输沙量24.5×106t; 戛旧水文站位于漫湾电站下游, 在漫湾电站建成前, 其多年悬移质含沙量约为1.185 kg/m 3, 年输沙45.8×106t; 受漫湾蓄水拦沙的影响, 1993~2003年戛旧站年平均悬移质含沙量降低至0.435 kg/m 3, 年输沙18.1×106t. 由于漫湾电站1993年第一期工程建成并投入使用, 故在数据分析时, 将两站数据序列分成两段进行考察与对比研究, 即1965~1992年, 两站天然河道输沙关系, 1993~2003年, 漫湾电站的蓄水拦沙状态下, 两站的输沙量关系(图2).图2 澜沧江旧州和戛旧水文站1965~2003年同步年输沙量对比过程曲线研究方法采用的是线性回归模拟两站天然河道输沙关系, 获得其回归模型. 结合电站建设后旧州维持天然输沙状态序列, 用回归模型模拟假定无电站影响情况下, 戛旧站断面应达到的输沙量, 模拟得到的逐年输沙量与其实测输沙量的差值可近似于每年漫湾水库淤积量.两站年输沙量序列在1965~2003年期间, 对应关系明显呈现两个组合过程, 且对应关系明显(图3). 即漫湾电站建设前(1965~1992年)为一组合, 建设后(1993~2003年)为另一组合(图2, 图3). 运用上述相图3 旧州、戛旧水文站1965~2003年输沙量相关关系第52卷 增刊Ⅱ 2007年11月论 文关关系系数计算方法分析, 两站输沙量序列两组合均呈现良好相关关系, 电站建设前两站泥沙相关系数R =0.866, 电站建设后两者相关系数为R =0.870. 上述相关分析结果均通过显著性水平为1%的检验. 相关分析结果与何云玲等人[16]研究结论基本一致, 该研究通过对澜沧江上、中、下游气候降水的时空变化进行分析, 认为旧州水文站所处的澜沧江上游地区1960s 以来, 降水增减变化趋势和中部地区基本一致.运用一元线性回归分析方法模拟两个序列的相关关系, 令戛旧输沙序列为因变量, 旧州序列为自变量, 得到两序列组合的回归模型如下:1.094 1.49,gjgz S S =+ (4) 0.3430.705,gj gz S S ′′=−+ (5)其中, S jz 和S ′jz 分别为漫湾电站建设前后旧州站输沙量序列; S gj 和S ′gj 为漫湾电站建设前后戛旧站输沙量序列.以上两个回归过程的判定系数R 2分别为0.75和0.76, 且通过1%的显著性检验, 体现出该两直线回归模拟方程对两组合的泥沙序列的拟合程度较高.采用(4)式, 结合1993年漫湾电站运行拦沙后旧州站的实测资料, 模拟得到假设漫湾电站不存在时, 戛旧站应出现的输沙量, 再将该模拟值逐年减去相应实测输沙量, 便可获得漫湾电站逐年的拦沙量. 结果如表2所示.从表2看出, 漫湾电站年拦沙量变化在(12.37~ 47.9)×106t 不等, 最小拦沙出现在1994年, 2000年最大, 与旧州、戛旧实测输沙极值相应. 依表2计算得到1993~2003年漫湾年均拦截悬移质泥沙输沙量约为26.1×106t, 如果按推移质泥沙占悬移质泥沙的3%估算1), 1993~2003年间, 漫湾水库年平均拦沙量为27.7×106t, 11年共淤沙287.29×106t. 这还不包括突发的河岸库岸滑坡、坍塌引起的库区淤积量. 2.2 水库拦沙率预测本文拦沙系数计算采用的Brune 和Siyam 法, 计算公式及所需参数前文已述. 首先漫湾电站拦沙作为已知情景, 调整公式中的修正系数. 然后用这两种方法根据各水库已有数据预算其他规模相当水库各自的拦沙情景. 漫湾大坝的年总拦沙量约为27.7×106t, 坝址附近戛旧站1965~1992年间年平均输沙量为45.8×106t, 此值可认为是漫湾坝址断面天然河段输沙量. 那么漫湾水库的实测数据估算拦沙率为60.48%. 将已知量代入(1)与(3)式, 得到修正系数α =0.0758, β =0.00459. 那么用于计算澜沧江其他水库拦沙率的修正Brune 与Siyam 模型分别为:Brune 模型: 1TE = (6)Siyam 模型: 0.00459e.QV TE −= (7)从(6)和(7)式可知, 只要已知各级水库的兴利库容与坝址处多年径流量便可估算其拦沙率. 代入研究水库的相关参数2), 计算结果如表3和图4所示. Q 和V 分别为表2中电站坝址断面天然河道多年平均径流量与水库兴利库容.表2 漫湾电站拦沙量估算年份 旧州实测输沙/t(×106)戛旧实测输沙/t(×106)戛旧模拟输沙/t(×106)漫湾拦沙量/t(×106)1993 44.802 37.33 66.76 29.43 1994 9.454 1.72 14.09 12.37 1995 23.26 18.16 34.66 16.51 1996 22.85 8.61 34.05 25.44. 1997 13.97 5.41 20.80 15.39 1998 44.57 26.45 66.41 39.97 1999 24.86 12.89 37.04 24.15. 2000 48.89 24.97 72.86 47.90 2001 25.91 15.83 38.60 22.78 2002 26.43 21.77 39.39 17.62 200332.8513.2048.9635.751) 电力工业部昆明勘测设计研究院. 漫湾水电站泥沙问题分析. 1996, 5~6, 112) 傅开道，何大明. 梯级电站联合运行的下游河道泥沙变化研究. 2006, 35~41, 52论 文第52卷 增刊Ⅱ 2007年11月表3 澜沧江干流梯级电站拦沙率水库 Q /V ∆τR Brune TE (%)Siyam TE (%)功果桥 260.67 0.00384 38.81 30.23 漫湾 111.19 0.00899 60.03 60.03 大朝山 90.36 0.01107 63.97 66.05 景洪98.930.0101162.3063.50图4 澜沧江梯级水库的拦沙情景示意图从以上结果看出, 在运用两个修正模型估算水库的拦沙率时, Siyam 模型在估算Q /V 值比漫湾大的水库拦沙率结果较Brune 模型偏大, 而在估算Q /V 值比漫湾大的水库拦沙率结果却偏小. 两模型估算得到漫湾水库的拦沙率均为60.03%, 与漫湾实测数据估算拦沙率误差为0.45%. Brune 与Siyam 估算其他水库拦沙率的差值随水库的Q /V 值与漫湾水库Q /V 的差值的绝对值成正比, 即Q /V 差值越大, 两模型结果差值最大, 景洪电站与漫湾电站的Q /V 差值是12.26, Brune 与Siyam 拦沙率差值为1.20%; 而功果桥与漫湾的Q /V 差值绝对值为149.19, Brune 与Siyam 拦沙率差值为8.58%.3 讨论水库拦沙效率的大小取决于水库容积、河流的来水来沙情况、泄水建筑物的部位和其泄流能力以及水库的调度运用方式. 水库调节系数与拦沙效率的关系十分密切, 调节系数小表示汛期弃水较多, 泥沙被排往下游的也多, 即拦沙效率低; 调节系数大则弃水少, 拦沙效率就高. 本次研究选取的几个电站的径流调节系数均小于8%, 属于季调节水库[17]. 从利用实测泥沙数据估算得到漫湾拦沙率结果与修正后模型估算结果对比来看, 两个修正模型在估算该流域的季调节水库的拦沙率具有较好的精度. 当然, 戛旧水文站距坝址尚有2 km, 建库后该河段可能会产生冲刷, 因考虑到澜沧江中、上游大多为基岩性河床, 水库下泄清水冲刷河床, 致使泥沙恢复程度很小. 因此, 上述实测资料估算过程中忽略了河床冲刷起沙, 认为戛旧站泥沙全部来自库上游, 该站的月平均水位-流量关系分布也清楚地体现其附近河段至今尚未发生明显冲刷(图5). 运用半经验公式估算拦沙率结果发现, Brune 模型和Siyam 模型的估算结果有随着水库调节系数的大小不同, 表现出不同程度的偏差, 因此修正模型似乎更适合用于估算与漫湾水库参数相当的水库拦沙率(表3, 图4).图5 戛旧水文站建库前后月平均水位-流量关系散点图水库的拦沙效率不是一成不变的, 一般在水库运用初期, 拦沙效率较高, 随着库容的逐渐损失, 拦沙效率将逐年减小, 直至趋近于零. 此外, 河流来沙的粒径组成、泄水建筑物的过流能力和所处的高程、水库运用方式等, 也对水库拦沙率有重要影响. 来沙粒径粗的要比颗粒细的拦沙效率高; 有底孔泄水的水库与无底孔的相比, 水库拦沙效率要低. 另外, 水库拦沙率与断面来水来沙情况也有关系, 流域面上过度的人类活动以及区域气候变化, 均可能导致水库拦沙率的变化, 加速水库淤积. 已有相关资料报道, 至1996年6月, 漫湾水库蓄水运行仅3年多, 坝前库底点高程已升到913.8 m, 比建库前抬高了30 m. 支流原有侵蚀基准面亦大幅抬高, 下游河段的下切侵蚀停止, 上游来沙迅速淤积, 淤积的范围不断向上游方向扩展, 已达到设计5年的淤积水平1). 通过云南1) 见120页脚注1)第52卷增刊Ⅱ 2007年11月论文省1987和1999年两次自然环境调查结果对比, 发现流域内中度侵蚀面积增加411.63 km2, 上升 4.95%; 强度侵蚀面积增加487.79 km2, 上升80.44%[18]. 因此, 上述现象是由于流域面上不合理的人类活动[19]导致粗颗粒泥沙的进入库区, 增加了水库拦沙率. 一些研究表明[16,20], 澜沧江流域不同河段和时段的水汽变化各异, 故通过一个统一的模型来准确估算分别在不同河段上的水库拦沙率存在一定误差, 但作为一种情景预测, 本次研究也只是把水库放在一个受气候变化和人类活动均等的假设条件下, 经过区内实测数据检验并修正模型后, 应用于估算规划或在建水库的多年平均拦沙率, 结果应较为可靠, 但有待实测数据的验证.4结论本文运用澜沧江漫湾电站的进出库控制水文站39年的实测资料, 估算漫湾水库拦沙率, 并与修正后的Brune和Siyam水库拦沙模型估算进行对比研究. 结果表明:(ⅰ) 漫湾水库实测资料估算其拦沙率为60.48%, Brune和Siyam模型估算拦沙率为60.03%和60.03%, 结果较为合理; 证明了修正后的Brune和Siyam拦沙率估算模型适用于澜沧江流域规模相当的水库拦沙情形.(ⅱ) 运用该两个修正模型估算功果桥、大朝山与景洪电站的拦沙率分别为30.23%, 66.05%和63.50%与38.81%, 63.97%和62.30%, 随着水库调节系数的大小不同, 表现出不同程度的偏差.结合具体流域情况, 应用已有资料改进水库拦沙模型, 预测水库拦沙效应, 不仅验证和深化了相关理论方法, 同时对流域水利工程建设的生态安全维护也具有一定的指导意义.参考文献1 Milliman J D, Meade R H. 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