金沙江梯級水電站在“11.03”白格堰塞湖應急處置中的減災分析

2020-11-10 10:06:10陳祖煜胡貴良吳帥峰

水力發電 2020年8期

陳祖煜，胡貴良，張強，3，吳帥峰

(1.中國水利水電科學研究院，北京 100048；2.華電金沙江上游水電開發有限公司，四川成都 610015；3.西安理工大學，陜西西安 710048)

0 引言

2018年10月和11月，我國金沙江上游白格村同一位置連續發生兩次大規模的山體滑坡，堵塞金沙江干流形成堰塞湖[1-2]。金沙江“11.03”白格堰塞湖潛在庫容達7.9億m3，現場應急救災指揮部啟動了人工干預開挖泄流槽、蘇洼龍水電站圍堰破拆、中游梯級水電站應急騰庫等處置措施。11月13日堰塞湖潰決，形成超萬年一遇洪水，在各部門統一協調應急搶險救災過程中，及時轉移受威脅地區群眾，實現無一人傷亡，但由于此次潰決洪水超萬年一遇，對下游在建水電站和金沙江沿岸多個重要鄉鎮仍產生了巨大影響，直接經濟損失約達135億元。

梯級開發是河流開發的主要形式[3]。梯級水庫群不僅具有增強河川徑流調節能力、提高河流水資源利用率，而且可在防洪抗旱、水力發電和生態保護等方面發揮更大的作用[4-6]。目前，我國已形成金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、怒江、長江上游、南盤江、紅水河、瀾滄江等大江大河流域梯級水庫群。2014年云南省魯甸縣“8.03”地震形成牛欄江紅石巖堰塞湖，堰塞湖發生后，上下游梯級水庫采取了上游德慶水庫蓄水攔截、下游天花板和黃角樹電站預泄騰庫等應急處置措施，為堰塞湖搶險贏得了寶貴時間[7]。

金沙江中游梯級水電站是金沙江梯級水電基地的重要組成部分，“11.03”白格堰塞湖發生后，梨園、阿海、金安橋等水電站統一調度防洪庫容13.53億m3，阻斷了破壞性潰決洪水向大理、楚雄方向的延伸。相關監測結果顯示，白格堰塞體高邊坡仍處于緩慢變形狀態，存在再次發生滑坡堵江的可能[8]。本文圍繞“11.03”白格堰塞湖實際潰決過程，運用一維洪水非恒定流演進模型，對金沙江中游河段洪水演進過程進行反演分析，與梯級水庫應急處置后實測洪水過程進行了對比分析，研究了梯級水庫在堰塞湖處置過程中的作用，為以后此類堰塞湖應急搶險中梯級水庫應急處置提供借鑒。

1 金沙江梯級水電站概況

金沙江上游是指青海玉樹(巴塘河口)至云南石鼓區間段，河段長974 km，流域面積7.65萬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，規劃實施“一庫八級”梯級水電站建設，分別為崗托、波羅、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在建。

金沙江中游西起云南麗江石鼓鎮，東至攀枝花市的雅礱江口，長564 km，落差838 m，河道平均坡降1.48%。河段規劃為“一庫八級”開發，目前投入運行并能夠發揮調洪作用的水電站有6座，分別為梨園水電站、阿海水電站、金安橋水電站、龍開口水電站、魯地拉水電站和觀音巖水電站。金沙江梯級水電站如圖1所示。

圖1 金沙江梯級水電站

兩次白格堰塞湖發生后，由于上游梯級多數在建，不能發揮調洪削峰作用，在長江委的統一調度下，中游已建梯級水電站分別采取降低庫水位，騰出庫容以容納堰塞湖潰決超大洪水。本文主要研究中游梯級調洪削峰作用，中游梯級水庫特性如表1所示。

表1 中游梯級水庫特性

2 金沙江中游水電站應急處置過程

2.1 “11.03”洪水過程

2018年11月3日，西藏自治區昌都市江達縣波羅鄉和四川省甘孜藏族自治州白玉縣絨蓋鄉交界處，“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，潛在庫容將達7.9億m3，一旦潰決，將會對下游在建水電站和沿岸人民群眾生命財產安全產生巨大影響[9-10]。

2018年11月5日經現場查勘和分析，現場應急救災指揮部啟動了人工干預開挖泄流槽，現場先后調用工程機械18臺，其中，挖掘機13臺，裝載機5臺。至11月11日下午泄流槽開挖完成，泄流槽長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，為防止堰塞湖潰決洪水造成蘇洼龍圍堰潰決，產生潰決洪水疊加效應，采取破拆蘇洼龍上游圍堰措施，極大限度地保護下游沿岸人民群眾的安全。

11月12日凌晨04∶45，泄流槽開始進水，泄流槽河道在10∶50被淹沒；13日8∶00，泄流槽過流流量明顯增大，13日12∶00沖刷明顯加快；13日13∶40過流流量超過堰塞湖入湖流量，堰塞湖壩前最高水位2 956.40 m，相應庫容5.78億m3；13日18∶00潰決流量達到最大流量31 000 m3/s。15日8∶00，泄流槽泄流量下降至天然來流量，水位穩定，險情解除。下游各電站洪水過程如圖2所示。

圖2 “11.03”白格堰塞湖潰決下游各流量測點洪水過程

2.2 水電站應急調度過程

金沙江“11.03”白格堰塞湖發生后，長江委根據金沙江白格堰塞湖人工干預情況，對金沙江中游梯級水電站實施聯合洪水調度，控制水位以應對洪水。截至2018年11月13日16∶00，調度令梨園水電站以不高于1 592 m水位運行，最終實現騰庫最低水位1 590.08 m，梨園水庫防洪高水位1 618.00 m，正常蓄水位1 618.00 m，死水位1 605.00 m，實現3.8億m3的防洪庫容；阿海水電站以不高于1 493.3 m水位運行；金安橋水電站以不高于1 406 m水位運行；龍開口水電站、魯地拉水電站和觀音巖水電站分別以不高于1 294.00、1 220.00、1 130.00 m水位運行，實際調度防洪庫容13.53億m3。金沙江中游梯級水庫應急調度情況如表2所示[12]。

表2 金沙江中游梯級水庫應急調度情況[12]

2018年11月15日12∶30，白格堰塞湖潰決洪水以7 200 m3/s的洪峰流量入庫梨園水電站。梨園水電站最大泄流量為4 500 m3/s，經過梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯地拉、觀音巖等大型水電站進行攔蓄調節，阿海電站水庫的出庫流量僅為854 m3/s，遠低于11月3日堰塞湖發生斷流前的下游天然河道中的流量2 040 m3/s。

3 金沙江中游梯級水電站減災效果評價

3.1 計算原理

洪水演進計算的本質是求解淺水運動方程，國內外許多專家學者進行了一維、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350 km，本文洪水演進采用MIKE11模型計算，MIKE11模型由丹麥水力研究所(DHI)開發[13]，在國內外得到了廣泛應用[14-16]。

模型的基本方程組為圣維南方程

(1)

式中，x、t分別為計算點空間和時間的坐標；A為過水斷面面積；Q為過流流量；h為水位；q為旁側入流流量；C為謝才系數；R為水力半徑；α為動量校正系數；g為重力加速度。

MIKE11模型采用Abbott六點中心隱式差分方法圣維南方程進行數值離散后應用“追趕法”求解差分方程[13]。計算過程中在每個網格點不同時計算水位、流量值，而是按照順序交替進行計算。

3.2 模型率定

“11.03”白格堰塞湖洪水發生后，在長江委的調度下，梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯地拉、觀音巖等大型水電站進行攔蓄調節，梨園下游無實測洪水資料，無法進行洪水演進模型的率定。巴塘至石鼓金沙江河段長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564 km，落差838 m，河道平均坡降1.48%，采用蘇洼龍至梨園的實測流量過程資料進行模型的率定，地形資料采用美國對地觀測衛星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447 km，入流流量采用蘇洼龍處實測“11.03”白格潰決洪水流量過程，如圖3所示。曼寧系數選取為0.06。圖4所示為蘇洼龍水電站至梨園水電站洪水演進模擬結果。

圖3 蘇洼龍計算入流流量過程

模擬結果表明，曼寧參數取值為0.06時，模擬結果與實測結果擬合效果較好。奔子欄水電站實測洪峰流量15 700 m3/s，模擬洪峰流量14 090 m3/s，誤差10.25%；梨園水電站實測洪峰流量7 410 m3/s，模擬流量7 870 m3/s，誤差為6.21%。模擬洪峰到達時間與實測過程基本一致，滿足計算要求。

圖4 蘇洼龍水電站至梨園水電站模擬結果

3.3 洪水演進模擬

“11.03”白格堰塞湖由于梨園水電站提前泄水調洪的作用，潰決洪水未對下游造成較大的影響，現假定梨園水電站未采取任何措施，計算白格堰塞湖潰決洪水自梨園水電站演進至攀枝花的洪水過程，梨園水電站至攀枝花市全長350 km，計算地形資料采用30 m DEM資料。曼寧系數選用蘇洼龍水電站至梨園水電站率定的0.06。入庫流量采用“11.03”實測洪水梨園水電站入庫流量，入流流量過程如圖5所示。