Vol. 45,No. 2014文章编号:1001 06嘉陵江中下游干流水电开发对水文情势的影响 长江流域水资源保护局长江水资源保护科学研究所,湖北 武汉 ) 摘要:嘉陵江水能资源丰富,近年来水电开发力度加大。 选取中下游干流的典型河段,研究了梯级电站运行对 水域形态、径流、水位、流速、泥沙的影响。 研究表明:梯级电站运行后,水库群的形成使水域面积增加近 枯水期流量增加、水位上升,丰水期流量减少、水位下降,天然水文过程得到坦化。亭子口作为嘉陵江的龙头 电站,它的运行对坝下河段水文情势产生了显著影响,各典型年月均出流量变幅在 64%之间;梯级水 库拦沙导致下游河段含沙量明显减少,对各电站大坝下游河床产生一定的冲刷影响。 词:水文情势;梯级水库群; 水电开发; 嘉陵江 中图法分类号: TV213 文献标志码: 嘉陵江是长江上游左岸的重要支流,近年来,随着我国水电开发热潮的兴起,一座座电站在嘉陵江上开 工建设。 嘉陵江流域梯级开发提高了水资源的利用 率,有利于防灾减灾,且增加了水域的生态综合功能, 具有一定的正面效应。 同时,水电开发造成的水文情 势变化对生态环境也带来一定负面影响,主要体现在 河水自净能力减弱、水环境污染日益加剧、水动力条件 的改变不利于水生生物生存等等。

王小芹等针对嘉陵 江中游水电建设带来的水土流失问题进行了研究 谌柯等全面分析了嘉陵江中游航电枢纽运行后产生的河流生物多样性破坏、库区水污染、水土流失等威胁环 境生态安全的问题,并提出了对策措施 本文在前人研究的基础上,针对水电开发程度较高的嘉陵江中 下游,从水域形态、径流、水位、流速、泥沙等多方面着 手,着重研究水电梯级开发对河段水文情势影响的程 度和广度,旨在为解决流域水环境、水生态问题提供技 术支撑。 流域概况与干流水电开发现状嘉陵江发源于秦岭南麓,流经陕西、甘肃、四川、重 120km,落差 300m,平均比 降为 05‰,全流域面积 15 流域内多年平均降雨量约 935 mm,多年平均径流量为698 嘉陵江水力资源较丰富,已建、在建及规划建设的梯级电站共有 24 座,其中 18座电站位于嘉陵江中下游段,已建成的梯级 枢纽有 13 座,即苍溪、沙溪场、金银台、红岩子、新政、 金溪场、马回、凤仪场、小龙门、青居、东西关、桐子壕、 草街水电枢纽。 亭子口梯级为年调节电站,处于在建 状态,上石盘、水东坝、利泽场、井口为规划建设梯级。 嘉陵江中下游干流梯级电站分布见图 座径流式电站基本无调节性能,建成运行后对水文情势的影响较小;中下游干 流集中布置了 18 座电站,大部分已建成运行,河段被 渠化,且亭子口、草街等电站具备较强调节能力,对径 流特征的改变较大。

因此,本文着重研究嘉陵江中下 游干流水电开发对河段水文情势的影响。 河谷水域形态变化梯级电站建成运行后,天然河道将变成由数个规 收稿日期:2013 28基金项目:水利部公益性行业科研专项( mail:@. com 嘉陵江中下游干流梯级电站分布示意模和调节性能不一的水库、减水河段和未开发河段组 的不连续水体。库区水深增大、水面变宽,河谷水域 形态 发生很大变化。 本文基于嘉陵江干流梯级纵剖面 合数字高程模型数据,采用GIS 方法对梯级电站 蓄水后 水域面积、回水长度、平均宽度增幅、平均水深 增幅等指 标进行了估算,通过与蓄水前相应指标的对 比,定量分 析水电开发对河谷水域形态的影响。 嘉陵 径流变化梯级电站联合运行将对入库径 流产生调节作用,改变天然径流的时 空分配过程,使径流坦化。 下文首先 分析亭子口、草街电站建成前主要控 制断面的径流变化趋势;然后将嘉陵 江中下游干流河段分为草街以上和 草街以下,进一步分析亭子口、草街 电站运行对径流的影响。 亭子口、草街建成前径流变化分析 在亭子口、草街等大中型枢纽建 成前,嘉陵江中下游干流已建成沙 溪、金银台、 红岩子、 新政、 回、凤仪场、小龙门、青居、东西关、桐子壕等航电枢纽。

这些电站基本上 属于日调节型,对径流的影响不大。 但在嘉陵江支流白龙江上,1976 ;碧口电站下游约90 km 处,1996 年底建成宝珠寺 电站,总库容 25 ,有效库容13 上述两座水库为不完全年调节水库,水库调节使得广元以 下河段的枯季流量增加,汛期流量减少,对大洪水有削 峰、错峰作用。 嘉陵江中下游干流梯级电站蓄水前后水域形态变化江中下游梯级电站建成蓄水后水域形态变化情况见表 蓄水后蓄水后保 蓄水后库 蓄水后库 梯级 道水域蓄水后 库区水 库区回 水长度 留天然河道长度 区平均宽度增幅 区平均水深增幅 梯级水库蓄水后,库区河段水面宽度明显增加。 各库段河谷区水面宽度增幅在 73 其中亭子口电站运行后河谷水面变化最为显著,蓄水后平均宽度近 640 梯级水库蓄水后,大部分河段受回水影响,水位抬升,水深从库尾至坝前逐渐增加,水位抬升的河长累计 km,占中下游干流总河长的91 受电站调节性能的影响,亭子口、草街梯级回水长度分别达 126 以上。库区水深增加同样显著,库区平均水深增幅在 倍,可见梯级水库蓄水后对河谷两岸土地利用的改变较大。 亭子口电站为年调节电站,因 坝高库长,水域面积增大明显,增加面积达 56 18个梯级水域面积总增量的 34. 6% km面积 域面积 km km 合计191. 蓄水后保留天然河道长度”是指与上一梯级尾水不能衔接而产生 天然河段长度。

上石盘 71 亭子口57 42苍溪 55 1691 金银台50 红岩子47 2718 新政42 4824 金溪场39 1733 凤仪场33 小龙门32 5723 东西关22 13桐子壕 16 井口33 本文基于可获取的水文年鉴资料,分析了1980 1987,2007 2010年两个时段, 干流亭子口、 武胜、 碚水文站以及白龙江三磊坝水文站径流量的年际、年内变化。 不同时段各水文站多年平均流量对比见表 47,84 ,117 这一方面与近年来长江上游流域降雨量减少有关 ,另一方面也是受干、支流 水库灌溉与供水的影响所致。 可知,受宝珠寺水库调蓄影响,白龙江三磊坝站 2007 2010年逐月流 量过程明显趋于坦化, 1987年相比,5 10时段 亭子口武胜 月流量减少了16 月流量增加了31 1980 906 2437 宝珠寺水库与嘉陵江中下游干流已建航2007 789 2115 可见,2006年以后三磊坝、 亭子口、 武胜、 北碚站多年平均流量较 20 世纪 80 年代分别减少了 电枢纽联合运行后红岩子电站,对亭子口、武胜、北碚站年内各月 流量过程产生坦化影响。 1987年相比,2007 2010年亭子口站汛期流量平均减少了 215 汛期流量平均增加了47 s;武胜站汛期流量平均减少了 278 s,非汛期流量平均增加了44 站因受渠江、涪江等较大支流汇入的影响,径流坦化的程度较亭子口、武胜站有所降低。

亭子口建成后草街以上江段径流变化草街以上江段水文情势变化主要受制于亭子口电 站调蓄作用。 支流已建碧口、宝珠寺等水库的配合调 节,也将对中下游河段径流年内分配产生影响。 以亭子口水文站实测径流资料为基础,结合亭子 口电站运行调度规则 种典型年,对比分析亭子口电站运行对河段年内径流过程的影响( 见图 从典型年分析成果看,亭子口电站运行后,最大增加枯水流量为 190 s,最大减少汛期流量可达434 s,各典型年月均出流量变幅在 之间。总体来看,建 库后各典型年下泄流量略有减小,这主要与亭子口水 库承担灌溉及供水任务有关。 武胜水文站是中游干流的控制站,为分析亭子口 电站运行对武胜站的影响,将亭子口建库前后各月平 均出流变化量与武胜站相应月均流量进行对比,结果 见表 月流量增幅最大,达到同期武胜站实测流量的 17 月流量降幅最大, 分别达到同期武胜站实测流量的 21 综上所述,亭子口电站下泄流量的改变主要发生在每年的汛前和汛后。 下泄流量的改变主要发生在 月,一般不超过坝址天然流量的65 ,且随着沿程流量的不断汇入,径流变化的累积影响减弱,对武 胜站天然流量的影响不超过 45 亭子口建成后草街以下江段径流变化草街以下江段仅规划有草街、井口两级电站,井口 月份流量 变化量 流量 变化量 流量 变化量 22726 161 14 250 20635 162 20456 24636 194 31 218 50 24965 335 76 48416 180 657 190 2 41510 297 67589 47907 2411 259 34456 3012 215 16 256 10323 20注:亭子口出流变化量是指亭子口电站建成后月均出流与天然情况下 同期出流量的差值. 电站基本无调节能力,因此草街坝址至北碚约 12 km 江段水文情势主要受草街电站下泄流量控制。

由于嘉 陵江北碚以下江段处于三峡水库变动回水区,其水文 情势在很大程度上将受到三峡枢纽运行情况的制约。 因水文资料有限,在此仅结合草街电站运行方式,对径 流变化趋势作定性分析。 草街电站采用分界流量运行方式,电站在大部分 时段内进行日、周调节运行 ,此时机组下泄流量在每天内均发生一定的变化,与天然情况相比,草街枢纽 下游江段枯水期流量略有增加,但总体上流量的年内 分配变化幅度很小。 丰水期部分时段草街枢纽将降低 水位运行及敞泄冲沙( 平均每年约 10 次),此时下泄 流量在短时间内骤然增大,下游江段水位抬升速度较 大,但很快将达到与汛期天然河道洪水流量基本一致 的水平,因此枢纽下游江段水文情势与天然河道相比 变化很小。 库区水位变化较大。大坝阻隔增加了库区水 深,如亭子口电站在正常蓄水位运行时,坝前最大水深 109m,比天然条件下水位抬高 71 级水库地形、规模的影响,库区水位抬升的幅度以及河道长度差异明显( 见表 坝下河段水位变化复杂。坝下河段水位的变 化主要受梯级调节性能和下游梯级运行的影响。 一方 面,对于调节性能较强的亭子口电站,坝下河段水位变 化主要受制于径流量的变化,汛期水位较天然情况下 降显著,非汛期水位较天然情况上升明显,水位在年内 的变幅较大;另一方面,对于调节性能较差的电站,由 于建库后下泄流量变化不大,且可能受到下游梯级的 反调节作用,坝下河段水位较天然情况变化不明显,主 要表现在小时水位变幅或者日变幅。

例如,草街电站 日调节运行时,下泄流量变化将使电站下游的水位在 每日内产生相应的涨落,枢纽下游近坝江段水位的日 变幅基本不超过 流速变化梯级水库建成运行后,由于大坝的阻隔作用和梯 级电站联合调度运行人为控制流量,各个库区流速沿 程分布发生了较大变化。 从库尾至坝前,随着水深沿 程的增加,流速逐渐减小,至坝前达到最小。 水库库容 越大,对天然河道流速的改变越大。 对于调节性能较强的亭子口电站,建库前其库尾 段宽约 150 m,水深 坝前流速接近于零,建库前后相差悬殊。 对于低坝开发的日调节水库, 由于调节性能较差,河流的特性得以部分保留,部分库 尾江段仍表现为急流生境。 为嘉陵江中下游干流江段部分梯级库尾流速统计成果,这些梯级目前均已 武胜 亭子口 武胜 亭子口 武胜 亭子口 水文站 建成,基本形成了渠化水域,但因均属于低坝开发的日调节水库,急流生境被部分保存下来红岩子电站,平均流速最大可 泥沙变化嘉陵江中下游干流梯级电站运行后,大部分泥沙 被淤积在水库内,下泄水量中含沙量减少,将对各梯级 水库坝下游河床产生一定的冲刷影响。 下面首先分析 亭子口、草街电站建成前嘉陵江主要控制断面输沙量 变化及其原因,再以亭子口、草街两个大型电站为例, 分析梯级电站运行对泥沙过程的影响。

亭子口、草街电站建成前输沙量变化亭子口、草街电站建成前,嘉陵江年际、年内输沙 量变化除受到气候变化等自然因素影响外,主要与干 流已建航电枢纽以及支流碧口、宝珠寺等水库的拦沙 作用有关。 如前所述,基于嘉陵江水文年鉴记载的输 沙率数据,本文分析了 1980 1987年,2007 个时段,干流亭子口、武胜、北碚站以及白龙江三磊坝站输沙量的年际、年内变化。 不同时段各水文站多 年平均输沙量对比见表 ,多年平均逐月输沙量对比见图 亭子口武胜 2010年三磊坝、亭子口、武胜、北碚站多年平均输沙量 1987年分别降低了 94 三磊坝、亭子口、武胜、北碚站平均月输沙量较1980 1987年也均呈大幅降低趋势。 许全喜等人的研究结 果表明,导致嘉陵江干、支流输沙量减少的原因主要包 括自然因素和人为因素两部分,如降雨量减少、水利工 程拦沙、水土保持、 河道泥沙淤积、 其中,自然因素主要是指气候变化引起的降雨量减少,导致 径流量减少,携沙能力降低;水利工程拦沙则是人类活 动造成输沙量减少的主要因子。 不同时段干、支流各水文站多年平均逐月输沙量对比据调查统计 ,碧口水库1975 1987年年均拦沙 2003年年均淤 积泥沙 嘉陵江中下游干流上已修建的航电枢纽,其拦沙作用也较为明显,如东西关枢纽年均淤 积泥沙约 490 时淤积平衡。

按此估算,亭子口 草街区间已建航电枢纽运用10 亭子口电站运行的影响。根据水库泥沙淤积 预测,亭子口水库运用 20 ,其中死水位438 水库运用50 后的泥沙淤积量为12 亭子口、草街电站建成前,嘉陵江中下游干流水文情势主要受到支流碧口、宝珠寺等水库调蓄作用 影响。 亭子口电站是嘉陵江全江渠化的龙头,其建成 运行后对坝下河段水文情势影响较大,几乎决定了干 流河段水文情势的变化趋势。 对典型年的预测分析表 水位 438 明,亭子口电站运行后,可增加枯水流量达190 出库泥沙仅为悬移质中的细颗粒泥沙,下泄清水可能减少汛期流量达 434 各典型年月均出流量变幅会对天然河段产生局部的冲刷,形成河床和库岸的再 草街电站运行的影响。草街电站的拦沙效应 和电站运行调度方式紧密相关。 草街电站建成运用 后,当流量小于 15 000 时,绝大部分推移质被拦截在库区,下游河床冲刷下切。 低趋势,因下游河床多为原生基岩、乱石或卵石组成,抗冲性能较强,这种下切变形是比较缓慢的。 当入库 流量大于 15 000 时,闸坝敞泄拉沙,对下游河道而言,来沙量有所增大,天然情况淤积量有所增大 亭子口、草街电站联合运行的影响。

梯级电 站联合运行条件下,下游河流水沙条件的改变较为复 杂,与上游的来水来沙、各梯级水库的调节能力、投入 次序、运行年限、调度运行方式等有密切关系。 由于资 料有限,本文采用库容 径流经验公式估算水库的拦沙效应 ,草街水库单独运行拦沙率相对较小,约为48 ,两者联合运行时拦沙率可达73 嘉陵江中下游干流水电梯级建成运行后,大坝阻隔河道,形成水库群,使库区水面变宽、水深增加、流速 减缓,导致天然河流原有形态改变,河谷水域面积增加 之间,但对武胜站天然流量的影响不超过 45 梯级水库联合运行后,由于水库的拦沙作用,下游河段含沙量明显减少,淤积进程延缓,但也将 对各梯级水库坝下游河床产生一定的冲刷影响。 参考文 嘉陵江南充段水电建设带来的水土流失问题及防治措施[ 嘉陵江干流(南充段) 梯级航电开发对 生态环境的影响和对策研究[ 西华师范大学学报:自然科学 版,2007,28(2):195 近几十年来长江上游流域气候和植被覆盖的变化[ 长江水资源保护科学研究所.嘉陵江亭子口水利枢纽环境影响报 中交第二航务工程勘察设计院有限公司.嘉陵江高等级航道建设 方案(2011 2015)环境影响报告书[ 武汉:中交第二航务工程勘察设计院有限公司,2011. 长江水利委员会水文局.长江上游岷江及嘉陵江等河流的来水来 沙情况和变化趋势调查报告[ 武汉:长江水利委员会水文局,2004. 编辑:胡旭东) t River LIU ,LI Fei,XU er Prot ecti e, Ri ver Wat er Prot ecti ,,China) : River . paper,some River were t ,, water level, flow after . , rises, . , ly -cant due . Thus, could . Key words: ; ; ; River