赤水河流域小水電建設對水土流失的影響
——以金沙縣關漁塘水電站為例

寧茂岐,趙 佳,李 勇,丁 禹,孟天友,羅忠志,雷龍海,趙瓊飛,舒 梅

(1.貴州省水土保持科技示范推廣中心,貴州 貴陽 550002; 2.畢節市水土保持監測中心,貴州 畢節 551700)

小水電是國際公認的清潔可再生能源,同時還可兼顧防洪、灌溉、供水、旅游等綜合利用功能,對解決廣大農村及偏遠地區用電需求、優化能源結構、改善農村生產生活條件、支持當地經濟社會發展有重要作用[1]。隨著經濟的發展,很多重要河流的支流上都建設了小水電,高密度的水電開發勢必改變原有自然生態系統,嚴重影響珍稀特有魚類攝食和繁殖活動,河流減水、斷流等生態問題紛紛出現。近年來,伴隨國家經濟技術發展水平的提升和生態文明理念的深入,多地紛紛提出小水電退出政策,拆除已廢棄、效益不佳或對生態破壞嚴重的小水電站,如福建省永春縣、長汀縣在全國率先開展小水電退出試點[2]。與此同時,小水電退出對生態環境的影響也成為國內專家學者研究的重點。如王露等[3]、李仟等[4]采用層次分析法對綠色小水電進行了評價,傅小城[5]、趙偉華等[6]分別研究了湖北香溪河、云南溪谷河小水電站對河流底棲動物結構的影響,陸波等[7]以美國拆壩工程為例提出了小水電站拆壩工程的環境評估流程和評估要點等,研究成果較為豐富。

赤水河是貴州境內長江右岸的一級支流,具有“生態河”“美酒河”“歷史河”的美譽。流域內有桫欏國家級自然保護區、赤水國家級風景名勝區和竹海國家森林公園等,留下了中國工農紅軍四渡赤水的足跡,茅臺酒、習酒、郎酒等中國名酒都產于河流兩岸,是長江上游的重要生態屏障,也是國家重點保護和關注的流域水系,具有十分重要的生態、經濟及社會價值。目前赤水河流域小水電拆除工作正在進行,但小水電對河道上下游的水土流失影響分析研究還較少。本研究以赤水河流域金沙縣關漁塘水電站為例,分析評價小水電建壩后攔蓄泥沙效果,以及拆除后可能對下游產生的水土流失影響,以期為小水電拆除后的生態修復提供參考,達到修復河流生態與促進經濟發展相統一的目的[8]。

1 研究區域

關漁塘水電站位于貴州省畢節市金沙縣馬路鄉二道河下游,裝機容量為16.0 MW,地理位置為東經105°40′～106°03′、北緯27°20′～27°44′,上游為三岔河水電站,下游為桃子坪水電站。關漁塘水電站分為兩級,一級水電站壩址位于沙鍋洛村上游約1.2 km河道較狹窄處,二級水電站壩址位于二道河熊家寨村下游約255 m峽谷河段,于2020年5月正式投產。本研究只針對二級水電站壩址前約160 m內的退出河段(泥沙淤積主要集中區域)以及上游集雨區域進行水土流失分析研究。該河段總體流向近南北向,河谷兩岸對稱,呈狹窄的V形;兩側山體寬厚,海拔900～1 000 m,相對高差460～500 m;山體坡面溪溝發育有隴溝,溝內有少量流水;土地利用現狀以坡耕地和林地為主,坡度10°～25°。

2 研究內容及方法

本研究針對壩址前約160 m范圍內的退出河段進行水深及泥沙淤積情況測定,結合上游集雨區土地利用現狀及水土流失強度,分析小水電建壩后攔蓄泥沙效果以及拆除后可能對下游產生的水土流失影響。

2.1 測量儀器及原理

水深及泥沙淤積主要采用PLS-300淺地層剖面測量系統、千尋CORS定位設備及A12智能無人船進行測量,坐標系統采用WGS84,測量軟件為HYPACK和淺地層剖面測量系統自帶軟件。

PLS-300淺地層剖面系統采用參量陣聲吶,在高電壓下同時向水底發射兩個頻率接近的高頻聲波信號(f1,f2)作為主頻,當聲波作用于水體時,會產生一系列二次頻率如(f1+f2)、(f1-f2)、2f1、2f2等。其中f1高頻用于探測水深,而f1、f2的頻率非常接近,因此二次頻率很低,具有很強的穿透性,可以用來探測水底淺地層剖面,而且仍然保持高頻波束角不變。淺地層剖面設備采集軟件在采集實時數據時可以記錄水深數據及地層數據,HYPACK軟件可以讀取各定位點的水深值,據此確定水底界面,而后地層數據經過濾波并去除水底、水面干擾等數據后處理得到相對明顯和準確的地層信息,可以劃分出每條測線中的底泥地層,再對其進行一定的運算,輸出為平面坐標,加上底泥厚度的數據文件,使用成圖軟件進行成圖處理,可以繪制底泥厚度等值線圖。

2.2 測線布設及數據采集

為了能夠獲取盡可能多的水下地形及底泥厚度分布數據,沿河道走向,采用縱橫交錯網格化的測線布置方式布置一系列測線,測線間距為5～20 m,高于1∶2 000比例尺20 m線距的規范要求。關漁塘二級水電站處受河道較窄及無人船操作通視問題影響,實測長度約160 m,寬度約20 m,實際航跡路線見圖1。

圖1 關漁塘二級水電站測量實際航跡路線

2.3 土地利用及水土流失現狀調查

采用無人機進行正射影像拍攝,生成上游集雨區DEM,再結合貴州省水土流失動態監測數據,人工解譯水庫上游集雨區土地利用現狀、坡度及水土流失強度等數據。

3 結果分析

3.1 土地利用現狀

表1為上游集雨區域土地利用現狀。由表1可知,關漁塘二級水電站上游集雨區域土地總面積為3 185.59 hm2,土地利用類型以有林地、坡耕地和灌木林地為主,其中有林地占44.60%,灌木林地占19.25%,坡耕地占25.60%,共計占土地總面積的89.45%。

表1 上游集雨區域土地利用現狀

3.2 水土流失現狀

上游集雨區域中的河湖庫塘(水域)、建設用地及農村道路(地面已硬化)、旱地(坡度≤5°)等不作為水土流失區域進行分析。因存在高坡梯田(坡度>5°)情況,故水田作為水土流失區域進行分析。根據《土壤侵蝕分類分級標準》(SL 190—2007)對不同水土流失強度進行侵蝕模數取值,最終得到關漁塘流域水土流失現狀,見表2。由表2可知,土壤流失量草地179.7 t/a、灌木林地1 797.3 t/a、坡耕地8 311.6 t/a、水田2.8 t/a、有林地465.5 t/a,合計10 756.9 t/a。分析計算可得,流域內水土流失面積600.74 hm2,平均土壤侵蝕模數為1 790.61 t/(km2·a),屬于輕度侵蝕。其中灌木林地、坡耕地、有林地是流域內水土流失的主要源地,共計產生土壤流失量10 574.4 t/a,占總流失量的98.3%,對下游產生的水土流失影響較為明顯。

表2 關漁塘流域水土流失現狀

3.3 淺地層剖面斷面

圖2為研究區域淺地層剖面反射截面,縱坐標為深度,橫坐標為地理位置,顏色差異反映了聲波反射強度不同。由圖2可知,研究區域上覆淤泥質土層與下臥硬土層或巖石層的界限劃分較為清楚,整體水深約26 m,底泥厚度約3 m。受河床地形影響,底泥厚度分布呈高低起伏狀。

圖2 淺地層剖面反射截面

3.4 空間分布

通過軟件對實測各淺地層剖面的數據進行處理,形成底泥厚度及水深的空間分布數據,進行進一步分析。

3.4.1 水深

表3為關漁塘二級水電站水深數值統計。由表3可知,研究區域水位深最小值為23.40 m,最大值為27.83 m,平均水深為26.10 m。圖3為水深等值線空間分布情況。由圖3可知,水深分布呈兩邊較深、中間較淺的特點,整體以綠色為主;中間區域局部水位較淺,呈橙色或紅色;壩前南側局部水位較淺,呈淡黃色。水深空間分布特點與底泥空間分布特點剛好相反,說明在小水電建壩后,在大壩的攔蓄作用下,壩前上游河段的泥沙淤積情況較為明顯。

表3 關漁塘二級水電站水深數值統計

圖3 水深等值線空間分布

3.4.2 底泥厚度

研究區域共測得2 272組底泥數據,表4為關漁塘二級水電站底泥厚度數值統計。由表4可知,底泥厚度算術平均值為2.54 m,標準誤差為0.01 m,中位數為2.44 m,標準偏差為0.61 m,其中99%的數量值都在4.41 m以內,1%的數量值在1.41 m以內,說明研究區域底泥厚度集中在1.41～4.41 m。圖4為底泥厚度數值統計直方圖,由圖4可知,反饋頻率較高的區間集中在1.85～<3.05 m,其中2.05～<2.25 m、2.25～<2.45 m反饋頻率均超過300次,說明底泥厚度在2.05～<2.45 m的區域較多。

表4 關漁塘二級水電站底泥厚度數值統計

圖4 關漁塘二級水電站底泥厚度數值統計直方圖

圖5為底泥厚度分布等值線空間分布。由圖5可知,研究區底泥厚度空間分布呈現兩邊薄、中間厚的特點。中部局部區域厚度達到4 m以上,水電站壩前區域泥厚在2 m左右,壩前南側存在泥厚4 m左右的區域。說明研究區域河床面在中部區域和壩前南側區域存在一定的負地形,受負地形影響,底泥堆積厚度較其他區域存在明顯的差異性,負地形形成的原因需做進一步分析。通過Sufer 15軟件的體積計算功能模塊,計算得到研究區域底泥總方量約5 771 m3。水深和底泥厚度的空間分布特征顯示兩者之間存在明顯的關聯性。

3.5 對水土流失的影響

根據土地利用現狀和水土流失測量調查結果,研究區域產生水土流失的主要區域分布在坡耕地、灌木林地和有林地。關漁塘水電站于2020年建成投產,至2023年已產生理論水土流失量32 270.7 t,雖然區域整體屬于輕度流失區,但對下游生態環境的影響還是較為明顯的。

利用淺地層剖面測量系統對研究區水深和底泥厚度進行空間分布分析可知,小水電建成后,除滿足生產發電的需求外,還對下游的防洪排澇起到了一定的調節作用。研究區域攔蓄泥沙總容量為5 771 m3,依據陸地生態系統生產總值(GEP)核算技術指南,土壤密度取值1.207 g/cm3,計算得到研究區域攔蓄泥沙6 965.6 t,占理論水土流失量的21.58%。

4 結論

1)赤水河小水電所在區域溝谷狹窄,水流沖擊侵蝕較為嚴重,坡耕地、灌木林地、有林地為主要的水土流失來源。受氣候和地形地貌的影響,在不受小水電影響的前提下,產生的水土流失狀況對下游影響較為明顯。

2)小水電建成后有一定的蓄水功能,除滿足生產發電的需求外,還對下游的防洪排澇起到一定的調節作用。大壩攔蓄水后,庫內泥沙形成淤積,發揮了一定的保土效益。

3)小水電拆除后,預計庫區淤積泥沙可能會集中流入下游,造成河道淤積及河水懸移質增加,對下游生態環境產生一定影響,嚴重時造成水土流失危害。但同時,也會對下游沖積平原的形成起到一定的促進作用,對該方面還需進行進一步研究與分析。