水电站泥沙治理研究最新进展

试验与研究

水电站泥沙治理研究最新进展

基于SWAT模型，模拟了植物过滤带、植被和石头岸堤等泥沙治理措施对尼日利亚杰巴水库上游流域的减沙效果，对治理方案实施的经济造价进行了分析。结果表明，与水库淤积处置造价相比，所提出的泥沙治理方案是经济有效和可持续的。提出了阿尔卑斯地区水电站取水口泥沙治理中需要研究的主要问题，以改进取水口的运用和减少对下游生态的影响。

水电站泥沙；水库淤积；取水口；泥沙治理；SWAT模型

1 尼日利亚水电站上游产沙研究

尼日利亚3座水电站的泥沙淤积已达到非常严重的程度，根据尼日利亚卢瑞恩(Ilorin)大学A.G.阿德奥贡、B.F.苏莱和A.W.萨拉米的最新研究，水库淤积已对这些水电站的发电能力造成影响。以杰巴(Jebba)水库为例，研究表明：亟需采取经济有效的修复措施，以提升该水电站(578 MW)的运行寿命；与此同时，还需要对该水库的上游流域采取适当的泥沙治理与控制措施，以减少泥沙侵蚀和其他产沙活动。

模拟泥沙治理方案可更好地解释土壤侵蚀过程，其重要性是不言而喻的。而且，通过模拟还有助于辨识易侵蚀地区，找到最佳治理方案(BMP)，以减少研究地区的产沙量。最广泛使用且能模拟流域多种水文与泥沙参数的模型是SWAT模型(水土评估模型)，该模型最初由美国农业部研制，能进行流域尺度和连续时间的模拟，模型运行时间步长为天，输出时间频次可达月和年。

本文检验了SWAT模型的实用性和可行性，研究了旨在减少尼日利亚杰巴水库淤积的泥沙治理选择方案，并对实施每个治理方案所需的经济造价进行了分析。

1.1 研究区域

研究区域为尼日利亚中部杰巴水库的上游流域，面积约为12 992 km2，尼日尔河横跨全区域，部分支流包括阿滃(Awun)河、莫希(Moshi)河、厄库(Eku)河、科坦哥拉(Kotangora)河和乌拉玛(Wuruma)河。研究区域土壤主要为沙壤土，植被包括高杆草和散生树。

1.2 模拟结果

将SWAT模型与Mapwindow-GIS界面结合，以进行流域单元辨识、水文模拟和产沙预测。基于非洲类似流域的研究文献成果，选取泥沙治理BMP措施——植物过滤带、植被和石头岸堤。

植物过滤带是指宽度1 m的草或其他永久植物狭窄缓冲带，以截留径流、泥沙和营养物质，减少等高程区域的坡蚀、面蚀与沟蚀泥沙。采用过滤带可大幅度减少流域产沙，总减沙量1 202.33 t/hm2，相当于减少了总产沙量的49%。

植被措施减少的流域总产沙量为1 093.92 t/hm2，约为总产沙量的46.4%。

石头岸堤是指在流域坡面的横截面上构建等高程突出水平岸堤(围堤或敞堤)，以拦截岸堤的坡面径流，涵养水分，减沙侵蚀。然而研究表明，与其他泥沙治理措施相比较，该措施的减沙量最少；模拟结果是，石头岸堤的总减沙量为258.18 t/hm2，减沙比仅为11.33%。

1.3 造价分析

研究表明，杰巴水库淤积所造成的水电损失估算量为3 177.48 MW。不同泥沙治理方案的经济造价分析表明，植被和植物过滤带对减少流域产沙量的影响显著，杰巴水库上游流域实施植被、植物过滤带和石头岸堤减少泥沙的造价分别为每吨3.51，6.21美元和6.87美元；而按水库累积淤积总泥沙量计，清淤、机组损失和发电损失等经济造价估算为每吨23.28美元。由此可以得出结论，与水库淤积处置造价相比较，本文提出的泥沙治理方案是经济有效和可持续的。

2 阿尔卑斯地区水电站取水口泥沙治理研究

瑞士洛桑(Lausanne)大学地表动力学院C.高巴德和S.N.兰姆研究了阿尔卑斯地区水电站取水口的泥沙治理问题。

阿尔卑斯地区河流的自然水文特征(如流量的量值、频率、历时、时间和变幅等)主要取决于融雪与融冰，且已有多年的研究成果资料。该地区的冰川和融雪是水力发电的主要水源，但其自然水情也受到水力发电的影响，表现在河流流量、泥沙输移以及下游动植物等诸多方面。

目前，建坝蓄水造成的水流与泥沙阻断对下游河道形态与生态的影响已得到了深入研究，但针对取水及其对侧向水流或下游泄流的影响所开展的研究相对较少。取水口拦截泥沙，水流存在侧向流动，或流至另一流域储蓄，或流至同一水域并最终下泄。

以闸坝取水口为例，一方面取水拦截了泥沙，另一方面由于库容较小、反复蓄水而需要定期冲沙；而下游随着水流情势的显著改变，引起泥沙(特别是粗沙)输移。高巴德和兰姆认为，目前有关这一水沙情势变化的生态影响研究不够。

通过对阿尔卑斯生态系统状况的综合分析，提出了需要解决的主要研究问题，以改进取水口的运用和减少对下游生态的影响。显然，只是简单地重新设计河道泥沙治理流量是无效的，因为那样并不能够恢复泥沙的天然情势；若要改善这样一个河流生态系统，可能还需要采取其他方法。

董耀华 译

(编辑：朱晓红 )

2016-12-28

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董耀华，男，长江水利委员会长江科学院，教授级高级工程师。)