水電站泥沙治理研究最新進展

試驗與研究

水電站泥沙治理研究最新進展

基于SWAT模型，模擬了植物過濾帶、植被和石頭岸堤等泥沙治理措施對尼日利亞杰巴水庫上游流域的減沙效果，對治理方案實施的經濟造價進行了分析。結果表明，與水庫淤積處置造價相比，所提出的泥沙治理方案是經濟有效和可持續的。提出了阿爾卑斯地區水電站取水口泥沙治理中需要研究的主要問題，以改進取水口的運用和減少對下游生態的影響。

水電站泥沙；水庫淤積；取水口；泥沙治理；SWAT模型

1 尼日利亞水電站上游產沙研究

尼日利亞3座水電站的泥沙淤積已達到非常嚴重的程度，根據尼日利亞盧瑞恩(Ilorin)大學A.G.阿德奧貢、B.F.蘇萊和A.W.薩拉米的最新研究，水庫淤積已對這些水電站的發電能力造成影響。以杰巴(Jebba)水庫為例，研究表明：亟需采取經濟有效的修復措施，以提升該水電站(578 MW)的運行壽命；與此同時，還需要對該水庫的上游流域采取適當的泥沙治理與控制措施，以減少泥沙侵蝕和其他產沙活動。

模擬泥沙治理方案可更好地解釋土壤侵蝕過程，其重要性是不言而喻的。而且，通過模擬還有助于辨識易侵蝕地區，找到最佳治理方案(BMP)，以減少研究地區的產沙量。最廣泛使用且能模擬流域多種水文與泥沙參數的模型是SWAT模型(水土評估模型)，該模型最初由美國農業部研制，能進行流域尺度和連續時間的模擬，模型運行時間步長為天，輸出時間頻次可達月和年。

本文檢驗了SWAT模型的實用性和可行性，研究了旨在減少尼日利亞杰巴水庫淤積的泥沙治理選擇方案，并對實施每個治理方案所需的經濟造價進行了分析。

1.1 研究區域

研究區域為尼日利亞中部杰巴水庫的上游流域，面積約為12 992 km2，尼日爾河橫跨全區域，部分支流包括阿滃(Awun)河、莫希(Moshi)河、厄庫(Eku)河、科坦哥拉(Kotangora)河和烏拉瑪(Wuruma)河。研究區域土壤主要為沙壤土，植被包括高桿草和散生樹。

1.2 模擬結果

將SWAT模型與Mapwindow-GIS界面結合，以進行流域單元辨識、水文模擬和產沙預測。基于非洲類似流域的研究文獻成果，選取泥沙治理BMP措施——植物過濾帶、植被和石頭岸堤。

植物過濾帶是指寬度1 m的草或其他永久植物狹窄緩沖帶，以截留徑流、泥沙和營養物質，減少等高程區域的坡蝕、面蝕與溝蝕泥沙。采用過濾帶可大幅度減少流域產沙，總減沙量1 202.33 t/hm2，相當于減少了總產沙量的49%。

植被措施減少的流域總產沙量為1 093.92 t/hm2，約為總產沙量的46.4%。

石頭岸堤是指在流域坡面的橫截面上構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 造價分析

研究表明，杰巴水庫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濟造價分析表明，植被和植物過濾帶對減少流域產沙量的影響顯著，杰巴水庫上游流域實施植被、植物過濾帶和石頭岸堤減少泥沙的造價分別為每噸3.51，6.21美元和6.87美元；而按水庫累積淤積總泥沙量計，清淤、機組損失和發電損失等經濟造價估算為每噸23.28美元。由此可以得出結論，與水庫淤積處置造價相比較，本文提出的泥沙治理方案是經濟有效和可持續的。

2 阿爾卑斯地區水電站取水口泥沙治理研究

瑞士洛桑(Lausanne)大學地表動力學院C.高巴德和S.N.蘭姆研究了阿爾卑斯地區水電站取水口的泥沙治理問題。

阿爾卑斯地區河流的自然水文特征(如流量的量值、頻率、歷時、時間和變幅等)主要取決于融雪與融冰，且已有多年的研究成果資料。該地區的冰川和融雪是水力發電的主要水源，但其自然水情也受到水力發電的影響，表現在河流流量、泥沙輸移以及下游動植物等諸多方面。

目前，建壩蓄水造成的水流與泥沙阻斷對下游河道形態與生態的影響已得到了深入研究，但針對取水及其對側向水流或下游泄流的影響所開展的研究相對較少。取水口攔截泥沙，水流存在側向流動，或流至另一流域儲蓄，或流至同一水域并最終下泄。

以閘壩取水口為例，一方面取水攔截了泥沙，另一方面由于庫容較小、反復蓄水而需要定期沖沙；而下游隨著水流情勢的顯著改變，引起泥沙(特別是粗沙)輸移。高巴德和蘭姆認為，目前有關這一水沙情勢變化的生態影響研究不夠。

通過對阿爾卑斯生態系統狀況的綜合分析，提出了需要解決的主要研究問題，以改進取水口的運用和減少對下游生態的影響。顯然，只是簡單地重新設計河道泥沙治理流量是無效的，因為那樣并不能夠恢復泥沙的天然情勢；若要改善這樣一個河流生態系統，可能還需要采取其他方法。

董耀華 譯

(編輯：朱曉紅 )

2016-12-28

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董耀華，男，長江水利委員會長江科學院，教授級高級工程師。)