金沙江梯级水电站在“11.03”白格堰塞湖应急处置中的减灾分析

2020-11-10陈祖煜胡贵良吴帅峰

水力发电 2020年8期

陈祖煜，胡贵良，张强，3，吴帅峰

(1.中国水利水电科学研究院，北京 100048；2.华电金沙江上游水电开发有限公司，四川成都 610015；3.西安理工大学，陕西西安 710048)

0 引言

2018年10月和11月，我国金沙江上游白格村同一位置连续发生两次大规模的山体滑坡，堵塞金沙江干流形成堰塞湖[1-2]。金沙江“11.03”白格堰塞湖潜在库容达7.9亿m3，现场应急救灾指挥部启动了人工干预开挖泄流槽、苏洼龙水电站围堰破拆、中游梯级水电站应急腾库等处置措施。11月13日堰塞湖溃决，形成超万年一遇洪水，在各部门统一协调应急抢险救灾过程中，及时转移受威胁地区群众，实现无一人伤亡，但由于此次溃决洪水超万年一遇，对下游在建水电站和金沙江沿岸多个重要乡镇仍产生了巨大影响，直接经济损失约达135亿元。

梯级开发是河流开发的主要形式[3]。梯级水库群不仅具有增强河川径流调节能力、提高河流水资源利用率，而且可在防洪抗旱、水力发电和生态保护等方面发挥更大的作用[4-6]。目前，我国已形成金沙江、雅砻江、大渡河、乌江、怒江、长江上游、南盘江、红水河、澜沧江等大江大河流域梯级水库群。2014年云南省鲁甸县“8.03”地震形成牛栏江红石岩堰塞湖，堰塞湖发生后，上下游梯级水库采取了上游德庆水库蓄水拦截、下游天花板和黄角树电站预泄腾库等应急处置措施，为堰塞湖抢险赢得了宝贵时间[7]。

金沙江中游梯级水电站是金沙江梯级水电基地的重要组成部分，“11.03”白格堰塞湖发生后，梨园、阿海、金安桥等水电站统一调度防洪库容13.53亿m3，阻断了破坏性溃决洪水向大理、楚雄方向的延伸。相关监测结果显示，白格堰塞体高边坡仍处于缓慢变形状态，存在再次发生滑坡堵江的可能[8]。本文围绕“11.03”白格堰塞湖实际溃决过程，运用一维洪水非恒定流演进模型，对金沙江中游河段洪水演进过程进行反演分析，与梯级水库应急处置后实测洪水过程进行了对比分析，研究了梯级水库在堰塞湖处置过程中的作用，为以后此类堰塞湖应急抢险中梯级水库应急处置提供借鉴。

1 金沙江梯级水电站概况

金沙江上游是指青海玉树(巴塘河口)至云南石鼓区间段，河段长974 km，流域面积7.65万km2，落差约1 715 m，河道平均坡降1.76%。金沙江上游是金沙江水电基地的重要组成部分，规划实施“一库八级”梯级水电站建设，分别为岗托、波罗、叶巴滩、拉哇、巴塘、苏洼龙、昌波、旭龙、奔子栏。白格堰塞湖位于叶巴滩坝址上游54 km处，叶巴滩、拉哇、巴塘、苏洼龙水电站已核准在建。

金沙江中游西起云南丽江石鼓镇，东至攀枝花市的雅砻江口，长564 km，落差838 m，河道平均坡降1.48%。河段规划为“一库八级”开发，目前投入运行并能够发挥调洪作用的水电站有6座，分别为梨园水电站、阿海水电站、金安桥水电站、龙开口水电站、鲁地拉水电站和观音岩水电站。金沙江梯级水电站如图1所示。

图1 金沙江梯级水电站

两次白格堰塞湖发生后，由于上游梯级多数在建，不能发挥调洪削峰作用，在长江委的统一调度下，中游已建梯级水电站分别采取降低库水位，腾出库容以容纳堰塞湖溃决超大洪水。本文主要研究中游梯级调洪削峰作用，中游梯级水库特性如表1所示。

表1 中游梯级水库特性

2 金沙江中游水电站应急处置过程

2.1 “11.03”洪水过程

2018年11月3日，西藏自治区昌都市江达县波罗乡和四川省甘孜藏族自治州白玉县绒盖乡交界处，“10.10”白格滑坡体残留体再次下滑，堵塞由第一次堰塞体溃决形成的泄流槽后，再次堵塞金沙江干流，形成“11.03”白格堰塞湖。堰顶垭口宽约195 m，长约273 m，堰顶高程约2 966 m，较“10.10”堰塞体顶高程高30余m，堰塞体高出水面58.24 m，潜在库容将达7.9亿m3，一旦溃决，将会对下游在建水电站和沿岸人民群众生命财产安全产生巨大影响[9-10]。

2018年11月5日经现场查勘和分析，现场应急救灾指挥部启动了人工干预开挖泄流槽，现场先后调用工程机械18台，其中，挖掘机13台，装载机5台。至11月11日下午泄流槽开挖完成，泄流槽长220 m，泄流槽底坎高程2 952.52 m，顶宽42 m，底宽3 m，最大深度15 m[1，10-11]。与此同时，为防止堰塞湖溃决洪水造成苏洼龙围堰溃决，产生溃决洪水叠加效应，采取破拆苏洼龙上游围堰措施，极大限度地保护下游沿岸人民群众的安全。

11月12日凌晨04∶45，泄流槽开始进水，泄流槽河道在10∶50被淹没；13日8∶00，泄流槽过流流量明显增大，13日12∶00冲刷明显加快；13日13∶40过流流量超过堰塞湖入湖流量，堰塞湖坝前最高水位2 956.40 m，相应库容5.78亿m3；13日18∶00溃决流量达到最大流量31 000 m3/s。15日8∶00，泄流槽泄流量下降至天然来流量，水位稳定，险情解除。下游各电站洪水过程如图2所示。

图2 “11.03”白格堰塞湖溃决下游各流量测点洪水过程

2.2 水电站应急调度过程

金沙江“11.03”白格堰塞湖发生后，长江委根据金沙江白格堰塞湖人工干预情况，对金沙江中游梯级水电站实施联合洪水调度，控制水位以应对洪水。截至2018年11月13日16∶00，调度令梨园水电站以不高于1 592 m水位运行，最终实现腾库最低水位1 590.08 m，梨园水库防洪高水位1 618.00 m，正常蓄水位1 618.00 m，死水位1 605.00 m，实现3.8亿m3的防洪库容；阿海水电站以不高于1 493.3 m水位运行；金安桥水电站以不高于1 406 m水位运行；龙开口水电站、鲁地拉水电站和观音岩水电站分别以不高于1 294.00、1 220.00、1 130.00 m水位运行，实际调度防洪库容13.53亿m3。金沙江中游梯级水库应急调度情况如表2所示[12]。

表2 金沙江中游梯级水库应急调度情况[12]

2018年11月15日12∶30，白格堰塞湖溃决洪水以7 200 m3/s的洪峰流量入库梨园水电站。梨园水电站最大泄流量为4 500 m3/s，经过梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩等大型水电站进行拦蓄调节，阿海电站水库的出库流量仅为854 m3/s，远低于11月3日堰塞湖发生断流前的下游天然河道中的流量2 040 m3/s。

3 金沙江中游梯级水电站减灾效果评价

3.1 计算原理

洪水演进计算的本质是求解浅水运动方程，国内外许多专家学者进行了一维、二维、三维的求解方法研究，由于梨园至攀枝花市金沙江河道长350 km，本文洪水演进采用MIKE11模型计算，MIKE11模型由丹麦水力研究所(DHI)开发[13]，在国内外得到了广泛应用[14-16]。

模型的基本方程组为圣维南方程

(1)

式中，x、t分别为计算点空间和时间的坐标；A为过水断面面积；Q为过流流量；h为水位；q为旁侧入流流量；C为谢才系数；R为水力半径；α为动量校正系数；g为重力加速度。

MIKE11模型采用Abbott六点中心隐式差分方法圣维南方程进行数值离散后应用“追赶法”求解差分方程[13]。计算过程中在每个网格点不同时计算水位、流量值，而是按照顺序交替进行计算。

3.2 模型率定

“11.03”白格堰塞湖洪水发生后，在长江委的调度下，梨园、阿海、金安桥、龙开口、鲁地拉、观音岩等大型水电站进行拦蓄调节，梨园下游无实测洪水资料，无法进行洪水演进模型的率定。巴塘至石鼓金沙江河段长974 km，落差约1 715 m，河道平均坡降1.76%，石鼓至攀枝花河段长564 km，落差838 m，河道平均坡降1.48%，采用苏洼龙至梨园的实测流量过程资料进行模型的率定，地形资料采用美国对地观测卫星Terra提供的30 m分辨率DEM地形资料。

苏洼龙水电站至梨园水电站全长447 km，入流流量采用苏洼龙处实测“11.03”白格溃决洪水流量过程，如图3所示。曼宁系数选取为0.06。图4所示为苏洼龙水电站至梨园水电站洪水演进模拟结果。

图3 苏洼龙计算入流流量过程

模拟结果表明，曼宁参数取值为0.06时，模拟结果与实测结果拟合效果较好。奔子栏水电站实测洪峰流量15 700 m3/s，模拟洪峰流量14 090 m3/s，误差10.25%；梨园水电站实测洪峰流量7 410 m3/s，模拟流量7 870 m3/s，误差为6.21%。模拟洪峰到达时间与实测过程基本一致，满足计算要求。

图4 苏洼龙水电站至梨园水电站模拟结果

3.3 洪水演进模拟

“11.03”白格堰塞湖由于梨园水电站提前泄水调洪的作用，溃决洪水未对下游造成较大的影响，现假定梨园水电站未采取任何措施，计算白格堰塞湖溃决洪水自梨园水电站演进至攀枝花的洪水过程，梨园水电站至攀枝花市全长350 km，计算地形资料采用30 m DEM资料。曼宁系数选用苏洼龙水电站至梨园水电站率定的0.06。入库流量采用“11.03”实测洪水梨园水电站入库流量，入流流量过程如图5所示。