淺談白龍江含沙量對寶珠寺及碧口水電站的影響

權(quán)國洪

(四川省廣元水文水資源勘測中心,四川 廣元 628000)

1 電站概況

1.1 寶珠寺水電站概況

寶珠寺水電站位于四川省廣元市嘉陵江支流白龍江下游,距昭化區(qū)18 km,電站大壩為混凝土重力壩,最大壩高132 m。校核水位時水庫總庫容25.5億m3,水電站裝機(jī)容量70萬kW,保證出力16萬kW,多年平均發(fā)電量22.78億kW·h。工程以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉效益,灌溉面積可達(dá)15.5萬hm2。1984年復(fù)工,1996年第一臺機(jī)組發(fā)電,1998年竣工。當(dāng)正常蓄水位588 m時,水庫面積61.2 km2,干流回水長度67 km。水庫淹沒涉及四川廣元的利州區(qū)、青川縣、陜西的寧強(qiáng)縣、甘肅的文縣等4個縣區(qū),主要淹沒損失在四川省,約占90%[1]。

電站壩址以上流域面積28 428 km2。壩址多年平均流量307 m3/s,多年平均年徑流量96.9億m3。壩址下游三磊壩水文站實(shí)測最大流量8 960 m3/s,實(shí)測最小流量0.225 m3/s,調(diào)查歷史最大流量18 600 m3/s。多年平均輸沙量150.4億kg,多年平均含沙量1.39 kg/m3。千年一遇設(shè)計洪水流量18 600 m3/s,相應(yīng)庫水位588.3 m;萬年一遇校核洪水流量24 300 m3/s,相應(yīng)庫水位594.7 m?？値烊?5.5億m3,正常蓄水位588 m,相應(yīng)庫容21.0億m3;調(diào)洪庫容4.5億m3,興利庫容13.4億m3,死庫容7.6億m3,具有不完全年調(diào)節(jié)性能。

1.2 碧口水電站概況

碧口水電站位于甘肅文縣、嘉陵江支流白龍江上,距河口約105 km。電站大壩為壤土心墻土石混合壩,最大壩高101.8 m,校核洪水位時水庫總庫容5.21億m3,裝機(jī)容量30萬kW,保證出力7.8萬kW,多年平均發(fā)電量14.63億kW·h。以發(fā)電為主,兼有防洪、灌溉、過木等效益。1969年5月開工,1976年3月第1臺機(jī)組發(fā)電,1997年6月竣工[2]。

電站壩址以上流域面積26 000 km2,多年平均流量225 m3/s,多年平均徑流量71.1億m3,實(shí)測最大洪水流量3 260 m3/s,調(diào)查歷史最大洪水流量5 810 m3/s,多年平均懸移質(zhì)輸沙量246.0億kg,多年平均含沙量2.64 kg/m3,實(shí)測最大含沙量227 kg/m3。工程按500年一遇洪水流量7 630 m3/s設(shè)計,相應(yīng)庫水位703.3 m;按5 000年一遇洪水流量9 950 m3/s校核,相應(yīng)庫水位708.8 m,相應(yīng)庫容5.21億m3。水庫正常蓄水位704 m,相應(yīng)庫容4.5億m3;死水位685 m,相應(yīng)庫容2.29億m3;調(diào)節(jié)庫容2.21億m3;水庫汛期限制水位695 m,防洪庫容1.91億m3。水庫淹沒耕地312 km2,遷移人口2 366人。

2 三磊壩水文站基本情況及水文資料收集

三磊壩(二)水文站于2005年8月由原三磊壩水文站下遷4.5 km設(shè)立,屬國家重要水文站,是嘉陵江支流白龍江出口控制站,位于廣元市利州區(qū)寶輪鎮(zhèn)紫蘭村,東經(jīng)105°39′,北緯32°25′,集水面積29 273 km2,距河口距離 11 km,高程系統(tǒng)采用85基準(zhǔn)高程。監(jiān)測項目有：水位、流量、泥沙、蒸發(fā)、降水、水質(zhì)。

2.1 白龍江流域概況

白龍江是長江的二級支流,嘉陵江的一級支流,發(fā)源于甘肅省甘南藏族自治州碌曲縣與四川若爾蓋縣交界的郎木寺,河流全長576 km,流域總面積3.18萬km2,河道穿行于山區(qū)峽谷,平均比降4.83%,天然落差2 783 m,多年平均流量307 m3/s,多年平均徑流量96.9億m3,水能蘊(yùn)藏量432萬kW,流域水資源比較豐富。按流域特征劃分,河源至舟曲為上游段,舟曲至碧口為中游段,碧口至河口為下游段。白龍江在四川省廣元市昭化古城匯入嘉陵江。

2.2 水文資料收集與計算分析

基本數(shù)據(jù)采用三磊壩站1958-2021年水文資料整編成果(1959年、1962年、1979年數(shù)據(jù)未找到),包括年平均含沙量、年平均流量、年平均輸沙率、歷年輸沙量,其資料數(shù)據(jù)具有可靠性,一致性,代表性[3-4]。其未統(tǒng)計的3年數(shù)據(jù)占比很小,且已久遠(yuǎn),對分析精度及輸沙量大趨勢影響很小。從表1到表2可以看出,1997年前后白龍江出口控制站三磊壩站監(jiān)測多年平均含沙量和多年平均輸沙量變化很大,1958-1996年多年平均輸沙量150.4億kg,而1997-2021年多年平均輸沙量14.1億kg,但多年平均流量變化較小,1958-1997年多年平均流量325 m3/s,1997-2021年多年平均流量281 m3/s,說明白龍江輸沙量的大幅減少并不是平均流量減少引起的,而是被碧口電站和寶珠寺電站庫區(qū)攔截所致。其中,2020年是有記錄以來年平均流量最大的一年,年平均流量達(dá)508 m3/s,但年平均輸沙率只有421 kg/s,不及1984年輸沙率1 280 kg/s的三分之一,雖然從圖1可以看出2020年輸沙率比較突出,但是年平均含沙量0.829 kg/m3,不及1984年最大平均含沙量2.99 kg/m3的三分之一,所以2020年電站的攔沙效果還是很明顯的。

圖1 三磊壩水文站逐年平均流量及輸沙率變化

表1 三磊壩站1958-1996年歷年輸沙量

表2 三磊壩站1997-2021年歷年輸沙量

3 寶珠寺電站與碧口電站庫區(qū)泥沙淤積量估算

1997-2021年共25年白龍江出口控制三磊壩水文站相比1958-1996年平均減少的輸沙量大約等于兩個電站庫區(qū)淤積的泥沙量,所以有下面的計算過程[5]：

V=WS/ρ=1.739×108(m3)

按流域相似性分配碧口電站泥沙淤積體積為：

V碧口=S碧口/S寶珠寺×V= 26 000/28 428×1.739 ×108=1.590×108(m3)

按流域相似性分配寶珠寺電站泥沙淤積體積為：

V寶珠寺= (S寶珠寺-S碧口)/S寶珠寺×V=(28 428-26 000)/28 428×1.739=0.149×108(m3)

式中,S碧口為碧口電站壩址集水面積,km2;S寶珠寺為寶珠寺電站壩址集水面積,km2;V為泥沙總體積,m3。

寶珠寺電站與碧口電站從1997年建成投入使用后下游三磊壩水文站監(jiān)測多年平均含沙量顯著減小,由于洪水進(jìn)入電站庫區(qū),水流速度驟降,水體夾沙能力明顯減弱,泥沙在重力作用下有利于在庫區(qū)淤積,從三磊壩歷年監(jiān)測斷面平均含沙量來看,1958年至1996年三磊壩斷面平均含沙量比較大,而1997年至2021年三磊壩斷面平均含沙量只占1958年至1996年三磊壩斷面平均含沙量的一成左右,這個時間點(diǎn)剛好與碧口電站和寶珠寺電站建成運(yùn)行時間重合,說明1997年以來白龍江減少的輸沙量幾乎都淤積在碧口電站和寶珠寺電站的死庫容里,而紫蘭壩電站較小,2006年建成運(yùn)行后,對白龍江含沙量幾乎沒影響。從表3可以看出,如果把整個白龍江流域產(chǎn)沙、沖刷、匯沙都按相似特性來計算,碧口電站和寶珠寺電站庫區(qū)淤積泥沙量可以用集水面積比來分配,可以進(jìn)一步推算大概多少年能把電站死庫容淤滿泥沙,下面做進(jìn)一步的推演。

表3 碧口電站與寶珠寺電站淤積沙量分配情況

碧口電站庫區(qū)25年淤積泥沙量約1.590億m3,碧口電站死庫容2.29億m3,如果按此淤積速度每年淤積為1.59×10 000/25=636萬m3泥沙,碧口電站死庫容淤滿需N年,N=(2.29-1.59)×10 000/636=11 a。

寶珠寺電站庫區(qū)25年淤積泥沙量約0.149億m3,寶珠寺電站死庫容7.6億m3,按此淤積速度前11 a每年淤積5.96萬m3泥沙,11 a前由于上游碧口電站死庫容淤滿泥沙,所以11 a后寶珠寺電站每年淤積泥沙為1.739×10 000/25=695.6萬m3,泥沙淤滿寶珠寺死庫容需要N年,N=11+(7.6-11/25×0.149) ×10 000 /695.6= 119 a,所以119 a后可把寶珠寺電站死庫容淤滿,由于119 a時間序列太長,白龍江水文特性和規(guī)律可能發(fā)生變化,以致按原泥沙淤積進(jìn)程計算時間可能帶來偏差,119 a僅供參考。

4 結(jié)論與建議

通過計算碧口電站泥沙淤積量小于碧口電站死庫容,未影響興利庫容,在不考慮年徑流量變化的前提下,對碧口電站發(fā)電、灌溉效益未產(chǎn)生影響。寶珠寺電站泥沙淤積量小于寶珠寺電站死庫容,未影響興利庫容,在不考慮年徑流量變化的前提下,對寶珠寺電站發(fā)電、灌溉效益未產(chǎn)生影響。通過三磊站水文站對白龍江歷年含沙量的監(jiān)測及變化規(guī)律的分析與總結(jié),碧口與寶珠寺電站攔截白龍江大部分含沙量,使得白龍江出口河水清澈,反過來白龍江中、上游的含沙量使得碧口與寶珠寺電站庫區(qū)淤積,從長遠(yuǎn)大局出發(fā),碧口電站及寶珠寺電站的修建不止是起發(fā)電、灌溉、調(diào)節(jié)洪峰等作用,而且為下游亭子口電站及三峽電站起到攔沙作用,為這兩座電站更好地發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益起到積極作用,也主要減輕亭子口電站防洪壓力。

由于三磊壩站未監(jiān)測推移質(zhì),所以,在計算電站庫容淤積時未考慮推移質(zhì)的淤積,只計算懸移質(zhì)的淤積,再加上流域面積的植被、環(huán)境、水土保持越來越好,對白龍江含沙量有一定減少,所以,對電站預(yù)后淤積年限計算可能帶來偏差。要想進(jìn)一步提高精度,建議施測最新的庫容曲線,計算最新的庫容,在水庫校核洪水位相同的條件下,用原庫容曲線計算的總庫容減去最新庫容曲線計算的總庫容就等于庫容淤積體積。想要減少電站庫容泥沙淤積,電站應(yīng)定期沖沙、排沙,同時,應(yīng)加強(qiáng)流域面積上環(huán)境保護(hù),植樹造林,修建攔沙設(shè)施,減少水土流失等。