朱玲玲,李圣偉，董炳江,許全喜,袁 晶

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局,武漢 430010)

長(zhǎng)江干流通天河在楚瑪爾河匯入后，自直門達(dá)水文站至四川省宜賓市岷江口稱為金沙江. 其中，巴塘至石鼓為上游，石鼓至攀枝花為中游，攀枝花至岷江口為下游. 向家壩水電站運(yùn)行前，金沙江出口控制站屏山站多年平均(1955-2011年)徑流量和輸沙量分別為1430億m3和2.35億t，分別占同期長(zhǎng)江中游宜昌站的33.6%和55.7%，泥沙占比尤為顯著，是長(zhǎng)江流域泥沙最重要的來(lái)源[1-2]. 金沙江下游屏山站多年平均含沙量為1.64 kg/m3，大于長(zhǎng)江干流中游宜昌站的0.989 kg/m3及產(chǎn)沙量較大的一級(jí)支流嘉陵江(1.56 kg/m3)和烏江(0.497 kg/m3)等. 地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性因素是影響流域產(chǎn)沙的主要原因之一. 金沙江地處干熱河谷，流域特殊的自然環(huán)境，是造成其水土大量流失的先決條件[3]. 起伏變化巨大的流域地形以及其破碎豐富的巖石、碎屑，孕育了可大量流失的松散物質(zhì)，在較大重力分力及暴雨促發(fā)動(dòng)力的作用下，泥沙以滑坡、泥石流、崩塌等方式，匯入流域干、支流，是金沙江輸沙量偏大的重要因素[4].

2018年10月10日和11月3日，在大量強(qiáng)降雨及持續(xù)降雨作用下，西藏昌都市江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村日安組先后發(fā)生2次大型庫(kù)岸巖質(zhì)滑坡，總方量約3380萬(wàn)m3，滑坡體迅速形成長(zhǎng)約270 m、可見高近60 m的堰塞壩，阻斷金沙江干流，形成堰塞湖[5-6](以下簡(jiǎn)稱白格堰塞湖)，嚴(yán)重威脅上、下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全. 兩次白格堰塞湖險(xiǎn)情先后經(jīng)自然和人工泄流后解除，最大下泄流量分別達(dá)到10000和31000 m3/s[7](萬(wàn)年一遇洪水)，大洪水同時(shí)挾帶滑坡體泥沙和河道河床上的泥沙往下游輸移，下游巴塘站先后出現(xiàn)21.6、42.0 kg/m3的沙峰過(guò)程，高含沙洪水到達(dá)金沙江中游后，經(jīng)梨園、阿海等梯級(jí)電站的聯(lián)合調(diào)度和攔蓄，洪峰大幅削減[8]，泥沙也被大量攔截. 堰塞湖事件發(fā)生以來(lái)，先后有學(xué)者就白格滑坡體產(chǎn)生機(jī)制和發(fā)展趨勢(shì)、堰塞湖應(yīng)急監(jiān)測(cè)、泄流方案論證及金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)應(yīng)急調(diào)度等內(nèi)容開展了研究[5-10]，對(duì)堰塞湖險(xiǎn)情解除中的技術(shù)問(wèn)題及其金沙江防洪安全影響的評(píng)估有相對(duì)全面的總結(jié). 金沙江作為長(zhǎng)江流域最重要的水沙來(lái)源，其突發(fā)事件對(duì)于水沙情勢(shì)的影響備受關(guān)注，同時(shí)金沙江上、中、下游規(guī)劃和開發(fā)了多級(jí)大型梯級(jí)電站[11]，水沙條件突變會(huì)影響電站的建設(shè)、運(yùn)行及使用壽命等[12]，目前關(guān)于該類問(wèn)題尚未開展研究工作.

本文通過(guò)收集白格堰塞體附近、上下游河道控制性水文站、下游河道固定觀測(cè)斷面以及金沙江上、中、下游梯級(jí)電站建設(shè)和運(yùn)行等資料，分析了高含沙洪水傳播過(guò)程及金沙江中下游水沙的變化特征，估算了梯級(jí)水庫(kù)的攔沙量，綜合研究了白格堰塞湖事件對(duì)于金沙江上、中、下游水沙及梯級(jí)電站建設(shè)及運(yùn)行的影響，可為金沙江上、中、下游梯級(jí)電站的建設(shè)和運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ). 此外，研究對(duì)比分析了堰塞湖自然和人工泄流條件下的下游河道水沙沿程輸移特征，有助于進(jìn)一步豐富和完善潰壩洪水傳播及水沙輸移的模擬計(jì)算.

1 金沙江白格堰塞湖險(xiǎn)情

2018年10月10日22時(shí)06分，西藏自治區(qū)江達(dá)縣波羅鄉(xiāng)白格村發(fā)生山體滑坡，阻斷金沙江干流形成堰塞湖，堰頂埡口高程為2931 m(白格堰塞湖地理位置見圖1). 2018年10月13日凌晨0時(shí)45分左右，滑坡壩漫頂溢流后自然泄洪，逐漸沖刷形成泄流槽，最大下泄流量約10000 m3/s. 堰塞湖水位持續(xù)下降，截至10月16日堰塞水位由2915.1 m下降至2894.60 m. 11月3日17時(shí)40分，右岸山體再次發(fā)生滑坡，形成二次堰塞堵江斷流，堰塞體順河長(zhǎng)約270 m，橫河寬約580 m，高出原河道泄流槽73～77 m，比首次堰塞湖堰頂高出約35 m. 11月8日起，通過(guò)3天連續(xù)開挖，形成一條長(zhǎng)220 m的倒梯形導(dǎo)流槽. 11月12日5時(shí)，堰塞湖水位漲至導(dǎo)流槽底高程2952.5 m，13日13時(shí)45分，堰塞湖壩前水位達(dá)到最高值2956.4 m，總漲幅64.0 m，對(duì)應(yīng)蓄水量5.78億m3，18時(shí)堰塞壩潰決達(dá)到洪峰流量31000 m3/s. 11月15日8時(shí)，堰塞湖入庫(kù)流量507 m3/s，出庫(kù)流量529 m3/s，出入庫(kù)水量平衡，水位穩(wěn)定，險(xiǎn)情解除.

據(jù)鄧建輝等對(duì)此次滑坡時(shí)間產(chǎn)生的原因及機(jī)制研究，白格滑坡地處金沙江縫合帶，巖性為元古界熊松群片麻巖組，具有多期、多次變形與變質(zhì)特點(diǎn)，糜棱巖化和蝕變均很嚴(yán)重[5]. 2018年及此前2年里，滑坡所在的江達(dá)縣降雨量急劇增加，常有大量強(qiáng)降雨及持續(xù)降雨過(guò)程，在長(zhǎng)期重力、降雨和地下水的綜合影響下，山體產(chǎn)生累積時(shí)效變形[6]，且白格滑坡存留的變形區(qū)仍有再次滑塌和堵江的風(fēng)險(xiǎn)[5-6].

2 堰塞湖泄流時(shí)洪峰、沙峰傳播過(guò)程

2.1 第一次泄洪期(自然)

白格堰塞湖第一次泄流為自然漫溢過(guò)流，泄流期間白格至石鼓段洪峰和沙峰傳播過(guò)程連續(xù)性較好. 2018年10月13日6時(shí)堰塞湖出現(xiàn)最大下泄流量10000 m3/s，根據(jù)觀測(cè)，下游190 km的巴塘站13日14時(shí)出現(xiàn)洪峰7850 m3/s，同時(shí)出現(xiàn)21.6 kg/m3的沙峰，含沙量大于5.0 kg/m3的水流過(guò)程持續(xù)約14 h；下游590 km的石鼓站15日0時(shí)出現(xiàn)5210 m3/s的洪峰，15日2時(shí)出現(xiàn)11.6 kg/m3的沙峰，沙峰稍稍滯后洪峰，且沙峰峰值有所坦化，含沙量大于5.0 kg/m3的過(guò)程持續(xù)約16 h(表1、圖2). 主要受上游來(lái)流和河道上一時(shí)段沉積的泥沙不斷補(bǔ)給作用，石鼓站高含沙量過(guò)程持續(xù)時(shí)間較巴塘站偏長(zhǎng). 綜合來(lái)看，白格堰塞湖自然泄流期間，堰塞體下游河道的洪峰和沙峰幾乎同步傳播，洪峰傳播速度沿程遞減，堰塞湖泄流洪峰傳播至巴塘站的速度約23.7 km/h，自巴塘站傳播至石鼓站的速度約為11.8 km/h，速度減小一半；堰塞湖水體下泄時(shí)挾帶的泥沙一部分在下游河道內(nèi)沉積，按控制站10月13-15日輸沙總量的差值統(tǒng)計(jì)，沉積在巴塘至石鼓河段的泥沙約有400萬(wàn)t，另一部分則輸送至金沙江中游水庫(kù)內(nèi).

表1 白格堰塞湖泄流后沿程洪峰、沙峰特征值統(tǒng)計(jì)*

石鼓下游水流逐級(jí)進(jìn)入金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)群. 此前，梨園、阿海和金安橋水庫(kù)共騰出近3億m3庫(kù)容接納堰塞湖洪水[8]，因而洪峰過(guò)程經(jīng)梨園和阿海電站調(diào)蓄后，阿海電站下游的阿海水文站15日、16日平均流量下降至2560、2630 m3/s，較正常情況下的10月平均流量略偏大；再經(jīng)金安橋電站調(diào)蓄后，至攀枝花站16日流量減小為2000 m3/s，日均含沙量為0.007 kg/m3，徑流基本恢復(fù)正常水平，含沙量的大幅減小主要受金沙江中游梯級(jí)電站攔沙作用的影響.

圖2 白格堰塞湖第一次泄流后洪峰和沙峰傳播過(guò)程

2.2 第二次泄洪期(人工)

白格堰塞湖第二次泄流經(jīng)由人工挖掘的通道，洪峰流量達(dá)萬(wàn)年一遇，洪水過(guò)程傳播迅速. 2018年11月13日18時(shí)白格堰塞湖出現(xiàn)最大下泄流量31000 m3/s，巴塘站14日1時(shí)出現(xiàn)洪峰21200 m3/s，沙峰先于洪峰 1 h 出現(xiàn)，含沙量高達(dá)42.0 kg/m3，沙峰過(guò)程瘦尖，含沙量大于5 kg/m3的過(guò)程持續(xù)約11 h. 石鼓站15日8時(shí)出現(xiàn)8380 m3/s洪峰，沙峰提前洪峰6 h出現(xiàn)，含沙量為28.5 kg/m3，沙峰過(guò)程有所坦化，含沙量大于5 kg/m3的過(guò)程持續(xù)約28 h(圖3). 相較于自然泄流情況，人工泄流期洪峰流量顯著偏大，洪峰傳播更為迅速，白格至巴塘區(qū)間洪峰傳播速度為27.1 km/h，巴塘至石鼓區(qū)間洪峰傳播速度為12.9 km/h. 此次泄流期間，堰塞湖水除挾帶二次滑坡體產(chǎn)生的泥沙以外，還將第一次泄流期沉積在河道內(nèi)的泥沙再次沖起，致使堰塞體下游河道沙峰含沙量較第一次泄流期高出1倍，沙峰相較于洪峰提前出現(xiàn)，且高含沙量持續(xù)過(guò)程時(shí)間也有所延長(zhǎng)，石鼓站高含沙量過(guò)程持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)尤為明顯. 11月13-16日期間，巴塘至石鼓河段內(nèi)總計(jì)沉積泥沙僅95.8萬(wàn)t，遠(yuǎn)小于第一次自然泄流期.

圖3 白格堰塞湖第二次泄流后洪峰和沙峰傳播過(guò)程

洪峰經(jīng)過(guò)石鼓站后，開始進(jìn)入金沙江中游梯級(jí)電站，為削減洪峰，梨園、阿海和金安橋電站開展緊急調(diào)度，至12日14時(shí)，金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)共騰出庫(kù)容8.07億m3，可用調(diào)節(jié)庫(kù)容13.0億m3[8]，以應(yīng)對(duì)堰塞湖潰壩洪水. 洪峰經(jīng)梯級(jí)電站攔截后，15日阿海和金安橋站日均流量分別削減至763和796 m3/s，至攀枝花站流量變化不大，含沙量基本小于0.01 kg/m3.

可見，白格堰塞湖兩次泄流時(shí)的洪峰和沙峰傳播過(guò)程持續(xù)影響至金沙江中游，經(jīng)金沙江中游梯級(jí)電站逐級(jí)調(diào)蓄后，至金沙江中游出口，水沙條件基本恢復(fù)正常. 第一次泄流期間，堰塞湖水挾帶的泥沙大量在河道內(nèi)沉積下來(lái)，洪峰和沙峰幾乎同步傳播，傳播速度沿程遞減；第二次泄流期間，洪峰流量較第一次顯著偏大，傳播過(guò)程更為迅速，堰塞湖水將第一次泄流期間沉積于河道的大部分泥沙再次掀起挾帶至下游，沙峰先于洪峰出現(xiàn)，挾帶的泥沙最終在金沙江中游梯級(jí)電站內(nèi)沉積下來(lái)，金沙江中游出口含沙量依然維持極低的水平.

3 對(duì)金沙江水沙條件的影響

3.1 對(duì)徑流量及其過(guò)程的影響

2018年長(zhǎng)江上游來(lái)流較往年偏豐，尤其是汛期流量明顯偏大. 在天然來(lái)流偏豐、堰塞湖潰壩洪水及梯級(jí)電站調(diào)蓄綜合作用下，金沙江中下游的年內(nèi)流量過(guò)程與往年有一定差別. 具體就堰塞湖事件的影響來(lái)看，兩次堵江對(duì)干流流量的影響發(fā)展過(guò)程均可分為四個(gè)階段，首先是滑坡體堵江，導(dǎo)致堰塞湖下游河道流量驟減，10月11日和11月5日，堰塞湖上游崗?fù)险?堰塞湖上游約90 km)日均流量分別為1320、670 m3/s，下游巴塘站流量則分別減小至315、208 m3/s；其次是金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)為消納堰塞湖水體提前預(yù)泄，對(duì)應(yīng)金沙江中游出口攀枝花站增大，10月13日和11月8日，水庫(kù)預(yù)泄使得攀枝花站日均流量分別達(dá)到4980和3250 m3/s；第三階段堰塞湖漫溢(潰決)，下游巴塘、石鼓站流量驟增；最后一個(gè)階段金沙江中游梯級(jí)對(duì)堰塞湖洪水進(jìn)行調(diào)蓄，之后金沙江中游出口流量過(guò)程恢復(fù)正常(圖4). 可見，2018年堰塞湖事件加大了下游金沙江干流一段時(shí)期內(nèi)的流量變幅.

圖4 金沙江上游及中游主要站點(diǎn)2018年10-11月日均流量、含沙量變化

進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)對(duì)比1981年以來(lái)金沙江干流控制站10月、11月的徑流量和最大流量(表2)，首先，2018年10月和11月，金沙江中下游徑流量偏大主要與上游來(lái)水偏大有關(guān)，與1981-2010年、2011-2017年均值相比，10月崗?fù)险緩搅髁糠謩e偏大83.8%和51.7%，下游巴塘、石鼓、金安橋及攀枝花站偏大的幅度均不及崗?fù)险? 其次，堰塞湖對(duì)徑流過(guò)程的影響集中體現(xiàn)在月最大流量的變化，上游崗?fù)险?0月、11月最大流量均未超出1981年以來(lái)的最大范圍，但下游巴塘至攀枝花站幾乎都出現(xiàn)了超歷史的最大流量. 可見，堰塞湖事件并未改變金沙江中下游徑流總量，僅影響了局部時(shí)段內(nèi)的徑流分配. 堰塞湖事件對(duì)于其下游金沙江干流的水流過(guò)程可以從堰塞體形成到恢復(fù)天然過(guò)流的過(guò)程進(jìn)行解釋，堰塞湖形成至潰決前，持續(xù)匯集上游來(lái)流，匯集的水流在潰決后一段時(shí)間內(nèi)集中向下游輸送，簡(jiǎn)單意義上可看作是將上游幾天的來(lái)流壓縮在較短的時(shí)間內(nèi)輸送，導(dǎo)致局部時(shí)段流量驟增.

表2 1981-2018年金沙江干流控制站10-11月徑流輸沙特征對(duì)比*

綜上，2018年10月和11月金沙江中游控制站的徑流量偏大主要與上游來(lái)流量偏豐有關(guān)，白格堰塞湖對(duì)流量過(guò)程的影響，主要體現(xiàn)為堰塞體匯聚上游幾天來(lái)流后在潰決時(shí)集中向下游輸送，導(dǎo)致局部時(shí)段流量驟增，自巴塘至攀枝花10月、11月最大流量大多超過(guò)歷史最大值. 特大洪水經(jīng)金沙江中游梨園、阿海和金安橋電站聯(lián)合調(diào)度后，到達(dá)下游阿海、金安橋站已削減為正常洪水，至金沙江中游出口攀枝花站，流量過(guò)程變化不明顯.

3.2 對(duì)輸沙量及其過(guò)程的影響

據(jù)許強(qiáng)等的研究，2018年10月第一次滑坡體的體積約有2200萬(wàn)m3，巖土體失穩(wěn)堵塞金沙江后形成堰塞壩；11月第二次滑坡總體積達(dá)930萬(wàn)m3[9]. 綜合鄧建輝等的研究成果，估算出兩次滑坡堆積至金沙江河道內(nèi)的土體體積在約3200萬(wàn)m3[5,9]，若按土體干容重1.65 t/m3計(jì)算，進(jìn)入河道內(nèi)的土體總計(jì)約5300萬(wàn)t. 泥沙進(jìn)入河道后，部分隨水流向下游輸移并沿程沉積下來(lái)，直至進(jìn)入金沙江中游梯級(jí)電站被攔截，至金沙江出口，泥沙輸移強(qiáng)度恢復(fù)至正常水平. 因此，白格堰塞湖事件產(chǎn)生的大量泥沙可能分布在3個(gè)區(qū)域，一是仍留在堰塞湖區(qū)域，二是短暫沉積在堰塞湖下游至石鼓段的河道內(nèi)，三是進(jìn)入金沙江中游梯級(jí)水庫(kù). 下文擬研究給出滑坡體產(chǎn)生的泥沙在這3個(gè)區(qū)域的分配情況.

3.2.1 泥沙輸移總量變化及其分配區(qū)域 自滑坡土體進(jìn)入河道開始，泥沙便由水體挾帶在河道內(nèi)輸移并持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，統(tǒng)計(jì)2018年10月11日至11月30日期間(2018年12月至2019年3月枯水期間，金沙江上游和中游水文控制站均不開展泥沙觀測(cè))，金沙江干流的徑流、輸沙總量如表3. 上游崗?fù)险静婚_展泥沙觀測(cè)，據(jù)此前的泥沙觀測(cè)資料，估算這一時(shí)段內(nèi)該站輸沙量總和不超過(guò)20萬(wàn)t. 同期，巴塘站的泥沙輸移量多達(dá)1420萬(wàn)t，在不考慮區(qū)間產(chǎn)沙情況下，可以認(rèn)為較崗?fù)险径喑龅?400萬(wàn)t為滑坡事件產(chǎn)生的泥沙. 巴塘至石鼓段河道內(nèi)泥沙僅在泄流期間短暫沉積，隨后被水流逐漸挾帶至下游，因而巴塘站與石鼓站的輸沙量基本相當(dāng)，且巴塘站在堰塞湖期間斷面主河槽部分呈沖刷下切狀態(tài)(圖5a)，也就是說(shuō)河道內(nèi)并未有泥沙沉積的現(xiàn)象，反而沖刷補(bǔ)充約30萬(wàn)t的泥沙. 可見，堰塞湖區(qū)域和河道沖起補(bǔ)給的泥沙全部進(jìn)入金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)內(nèi)，其中梨園、阿海和金安橋累積攔截泥沙約1400萬(wàn)t，龍開口、魯?shù)乩陀^音巖共計(jì)攔截泥沙約43萬(wàn)t.

圖5 金沙江中下游水文控制站斷面變化

再次對(duì)比各控制站2018年、2011-2017年同期的平均徑流量和輸沙量(表3)，可以看出，沿程徑流量增加的規(guī)律沒(méi)有發(fā)生變化，堰塞湖區(qū)域上游的崗站拖和下游的巴塘站，2018年10月11日至11月30日的徑流量較2011-2017年同期均值均偏大約8億m3，進(jìn)一步說(shuō)明堰塞湖期間徑流量偏大主要與上游來(lái)流偏豐有關(guān). 從輸沙情況來(lái)看，在不考慮區(qū)間來(lái)沙的情況下，2011-2017年同期，金沙江中游的輸沙量均較小，巴塘至石鼓段在天然情況下呈現(xiàn)微沖的狀態(tài)，與控制斷面的變化一致(圖5)，且沖刷量略大于堰塞湖期間. 進(jìn)入并淤積在梨園、阿海和金安橋水庫(kù)的沙量年均只有61.4萬(wàn)t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于堰塞湖潰決造成的泥沙堆積量. 上游梯級(jí)電站攔沙作用下，龍開口、魯?shù)乩坝^音巖電站幾乎無(wú)泥沙堆積，位于庫(kù)區(qū)范圍內(nèi)的金安橋水文站斷面自電站運(yùn)行來(lái)基本無(wú)變化(圖5c)，這也顯著區(qū)別于堰塞湖期間的泥沙淤積現(xiàn)象.

表3 金沙江上中游干流控制站徑流、輸沙量統(tǒng)計(jì)

綜上，截至2018年11月30日，白格滑坡事件產(chǎn)生并輸入河道的總沙量并未在河道內(nèi)沉積，泥沙主要分布在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)，一是輸移至金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)內(nèi)，約有1400萬(wàn)t，約占滑坡體總量的26%；二是仍留存在堰塞湖至巴塘區(qū)間內(nèi)，堆積在兩岸和河床上，滯留總量約3900萬(wàn)t，約占滑坡體總量的74%. 進(jìn)一步分析金沙江中下游干流控制站的斷面變化發(fā)現(xiàn)，自然情況下，金沙江中游河道河床微沖(圖5)，巴塘站和石鼓站的斷面長(zhǎng)久以來(lái)都沒(méi)有出現(xiàn)泥沙堆積的現(xiàn)象. 可以認(rèn)為在一定的來(lái)流條件下，金沙江上中游河道具備將堆積在河道內(nèi)的滑坡土體向下游輸移的能力. 因而，水流以河床掀起和河岸侵蝕等形式，持續(xù)將滑坡體泥沙向下游輸移，今后幾年的汛期堰塞湖下游河道仍將會(huì)出現(xiàn)大含沙量水流，大部分泥沙最終會(huì)沉積在金沙江中游的梯級(jí)水庫(kù)內(nèi).

進(jìn)一步從石鼓站在堰塞湖泄流期間的懸移質(zhì)泥沙顆粒組成情況來(lái)看(圖6)，堰塞湖泄流期間，石鼓站多出的懸移質(zhì)泥沙中顆粒小于0.125 mm的沙量百分比超過(guò)93%，懸移質(zhì)泥沙中值粒徑未超出2010年以來(lái)的平均值，表明滑坡體產(chǎn)生的較細(xì)的泥沙顆粒隨水流迅速輸移至下游，而粗顆粒的泥沙或塊石則以推移質(zhì)形式運(yùn)動(dòng)，輸移速度相對(duì)較慢. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，1981-2017年巴塘和石鼓站多年平均年輸沙量分別為2030萬(wàn)t和2850萬(wàn)t，表明巴塘至石鼓區(qū)間水流仍有年均約800萬(wàn)t泥沙挾帶能力富余. 且巴塘和石鼓大斷面資料顯示該河段內(nèi)長(zhǎng)期沒(méi)有出現(xiàn)泥沙沉積的現(xiàn)象，因此該段泥沙輸移富余能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)800萬(wàn)t. 參照金沙江下游的產(chǎn)輸沙特點(diǎn)來(lái)看，該區(qū)段崩塌、滑坡、泥石流等重力侵蝕量大，僅干流河谷區(qū)間年侵蝕量即達(dá)0.76億t[13]，這部分重力侵蝕物質(zhì)大多直接進(jìn)入河道形成河道泥沙[14]. 金沙江上游落差大、水流流速大，且含沙量一直較小，水流對(duì)河床和兩岸都有較強(qiáng)的侵蝕作用. 因此，在過(guò)流的情況下，此次白格滑坡事件產(chǎn)生并堆積在河道內(nèi)的土體都能隨水流輸移至河道下游，再結(jié)合河道的實(shí)際輸沙能力簡(jiǎn)單估算，堰塞湖區(qū)滯留的懸移質(zhì)泥沙將集中在今后約5年的汛期輸移，推移質(zhì)泥沙的輸移過(guò)程則相對(duì)漫長(zhǎng).

圖6 石鼓站10、11月中值粒徑及d<0.125 mm泥沙顆粒沙量百分比年際變化

3.2.2 泥沙輸移過(guò)程的變化特征 2018年金沙江上游汛期徑流較往年明顯偏豐，根據(jù)觀測(cè)資料分析，金沙江干流具有較為明顯的“大水帶大沙”特征，歷史上巴塘站和石鼓站月均含沙量極大值幾乎都出現(xiàn)在主汛期內(nèi)，兩站的水沙輸移相關(guān)關(guān)系沒(méi)有出現(xiàn)趨勢(shì)性的變化(圖7)，2018年7-11月輸沙量較往年偏多明顯. 尤其是2018年11月，受堰塞湖泄流的影響，巴塘和石鼓站輸沙量和含沙量均異常偏大，其月均流量-輸沙率相關(guān)關(guān)系較自然狀態(tài)下明顯偏離，且輸沙主要集中在沙峰期，峰值均顯著超過(guò)歷史水平(圖4，表2). 巴塘站兩次泄流帶來(lái)的沙峰過(guò)程輸沙總量分別為488萬(wàn)、817萬(wàn)t，分別占10月、11月輸沙總量的70.9%、90.0%. 盡管泥沙被金沙江梨園、阿海和金安橋電站大幅攔截，但期間金安橋站輸沙量仍較往年明顯偏多，再經(jīng)龍開口、魯?shù)乩陀^音巖電站到達(dá)攀枝花站，泥沙則基本被徹底攔截. 因此，堰塞湖泄流造成下游河道出現(xiàn)集中輸水輸沙的現(xiàn)象，且影響范圍主要在金沙江中游，金沙江中游的梯級(jí)電站截?cái)嗔诉@種影響，使得金沙江下游水沙基本不受影響.

圖7 金沙江中游巴塘和石鼓站月均流量-輸沙率的相關(guān)關(guān)系

可見，白格堰塞體泄流向下游集中輸送了大量的泥沙，下游巴塘、石鼓站10月、11月輸沙量顯著偏多，且主要集中在泄流期間輸移. 截至目前，堰塞湖下游河道河床未出現(xiàn)泥沙堆積現(xiàn)象，白格滑坡堆積至河道內(nèi)的泥沙約有26%輸送至金沙江中游，經(jīng)梨園、阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩⒂^音巖等水電站庫(kù)區(qū)，約74%的泥沙仍滯留在堰塞湖區(qū)域和巴塘上游河道內(nèi). 受金沙江中游梯級(jí)調(diào)蓄和攔沙作用，金沙江中游出口攀枝花站徑流過(guò)程變化較小，輸沙量仍延續(xù)2011年以來(lái)較正常偏少的規(guī)律. 因此，堰塞湖形成及泄流對(duì)金沙江水沙的影響基本在上中游段范圍內(nèi).

4 對(duì)金沙江梯級(jí)水電站運(yùn)行的影響

4.1 金沙江中下游梯級(jí)電站調(diào)度情況

2012年7月，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)了金沙江上游規(guī)劃“一庫(kù)十三級(jí)”的水電開發(fā)方案，其中自白格堰塞湖往下游分別為葉巴灘、拉哇、巴塘、蘇洼龍、昌波、旭龍和奔子欄水電站，葉巴灘(預(yù)計(jì)2025年建成)、巴塘(預(yù)計(jì)2023年建成)和蘇洼龍(預(yù)計(jì)2021年建成)已開工建設(shè). 金沙江中游水電開發(fā)規(guī)劃方案為“一庫(kù)八級(jí)”，目前上虎跳峽和兩家人尚未開工建設(shè)，已建成的第一個(gè)電站為梨園，其下游依次是阿海、金安橋、龍開口、魯?shù)乩?、觀音巖電站，金沙江下游已建成的梯級(jí)主要是溪洛渡和向家壩電站，電站相對(duì)位置分布如圖1，金沙江中下游已建成運(yùn)行的水電站各項(xiàng)基本指標(biāo)如表4. 金沙江中游6級(jí)和下游2級(jí)電站從2010年開始陸續(xù)蓄水運(yùn)行，2015年均建成完工. 金沙江中游6級(jí)電站的總調(diào)節(jié)庫(kù)容約16.38億m3，正常蓄水位以下的總庫(kù)容為65.99億m3，其中，梨園電站調(diào)節(jié)庫(kù)容和正常蓄水位以下庫(kù)容分別為1.73億m3和5.54億m3.

表4 已建金沙江中下游梯級(jí)電站基本指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

圖8 白格堰塞湖第二次泄流期間金沙江中游梨園、阿海電站的調(diào)度情況

2018年白格堰塞湖第一次自然泄流前梨園、阿海和金安橋水庫(kù)共騰出近3億m3庫(kù)容接納堰塞湖洪水，洪峰出阿海電站后基本恢復(fù)至正常狀態(tài). 第二次人工泄流前，根據(jù)險(xiǎn)情發(fā)展和工程措施降低堰塞體高程進(jìn)展情況，長(zhǎng)江水利委員會(huì)提出分堰塞體潰決前和潰決后兩階段四步走的騰庫(kù)實(shí)施方案，優(yōu)先使用梨園、阿海、金安橋水庫(kù)攔蓄洪水，分階段對(duì)水庫(kù)進(jìn)行調(diào)度，降低梨園、阿海、金安橋水庫(kù)水位分別至1592.0、1493.3、1406.0 m，累計(jì)騰空庫(kù)容約13億m3. 通過(guò)水庫(kù)攔蓄，努力將堰塞體潰壩洪水消納在金沙江中游，并全力保障水庫(kù)安全. 2018年11月16日，金沙江“11.3”白格堰塞湖潰壩洪水通過(guò)梨園水庫(kù)，最大入庫(kù)流量7410 m3/s，最大出庫(kù)流量4490 m3/s，削減洪峰流量2920 m3/s；阿海水庫(kù)承接上游梨園水庫(kù)下泄流量，最大入庫(kù)流量4430 m3/s，最大出庫(kù)流量2900 m3/s，削減洪峰流量1530 m3/s(圖8)，梯級(jí)電站聯(lián)合調(diào)度作用下，將金沙江上游萬(wàn)年一遇洪水逐步削減為一般洪水[6]. 金沙江干流“大水帶大沙”的現(xiàn)象十分明顯，水庫(kù)在削減大洪水的同時(shí)，也攔截了大量的泥沙，從而對(duì)水庫(kù)運(yùn)行及使用壽命帶來(lái)一定的影響.

4.2 對(duì)金沙江梯級(jí)電站運(yùn)行的影響

考慮到金沙江上游梯級(jí)電站均尚未建成運(yùn)行，此次堰塞湖事件，發(fā)揮削減洪峰作用和攔截泥沙的電站主要是金沙江中游的梨園和阿海電站，且泥沙攔截以梨園電站為主，因此，關(guān)于堰塞湖事件對(duì)于金沙江梯級(jí)電站運(yùn)行的影響分析主要圍繞梨園電站開展. 梨園電站于2014年11月蓄水，2015年11月建成投產(chǎn). 根據(jù)《金沙江中游河段梨園水電站可行性研究報(bào)告》，電站在可行性研究階段給出的壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為2821萬(wàn)t，推移質(zhì)輸沙量為84.6萬(wàn)t，輸沙量較大，因而就是否設(shè)置汛期排沙水位開展了專項(xiàng)研究. 研究認(rèn)為若無(wú)上游規(guī)劃的兩家人和虎跳峽電站，梨園電站工程的泥沙問(wèn)題較為嚴(yán)重，在水庫(kù)單獨(dú)運(yùn)行的條件下，泥沙淤積5年或10年后剩余有效庫(kù)容能滿足水庫(kù)所需調(diào)節(jié)庫(kù)容的要求，20年后不滿足要求.

梨園電站目前已蓄水運(yùn)行4年多，上游兩家人和虎跳峽電站尚未開工. 按照金沙江干流控制水文站的輸沙量初步統(tǒng)計(jì)，2015-2018年，梨園、阿海和金安橋電站共計(jì)攔截泥沙約8606萬(wàn)t，年均攔沙量為2150萬(wàn)t，按泥沙容重?fù)Q算后占3個(gè)梯級(jí)正常蓄水位以下庫(kù)容的比例約2.2%，且在這3級(jí)電站中，以梨園電站攔沙為主. 除2015年以外，2016、2017和2018年梨園電站壩址(采用石鼓站，考慮區(qū)間產(chǎn)沙后，實(shí)際壩址的輸沙來(lái)量應(yīng)較石鼓站偏大)的懸移質(zhì)泥沙淤積量均較可研階段采用值偏大，尤其是2018年，偏大幅度達(dá)到87%，且堰塞湖下游河道長(zhǎng)期處于補(bǔ)給泥沙的狀態(tài)，金沙江上游的梯級(jí)電站最早也將于2021年建成，堰塞湖區(qū)域滯留的約3900萬(wàn)t的泥沙大多將陸續(xù)輸移至金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)內(nèi)(表5). 在這種情況下，梨園電站單獨(dú)運(yùn)行5年或者10年剩余的有效庫(kù)容有可能不滿足水庫(kù)所需調(diào)節(jié)庫(kù)容的要求.

表5 2015-2018年金沙江中游梯級(jí)電站蓄水以來(lái)攔沙情況統(tǒng)計(jì)

2018年，金沙江下游已經(jīng)建成運(yùn)行的溪洛渡和向家壩電站均于白格滑坡事件發(fā)生前(9月30日)完成蓄水任務(wù)，同時(shí)白格堰塞湖事件產(chǎn)生的大量泥沙被金沙江中游梯級(jí)電站攔截，至金沙江下游入口攀枝花站，水沙過(guò)程基本未受影響. 因此，白格堰塞湖對(duì)金沙江下游梯級(jí)水庫(kù)入庫(kù)水沙條件和水庫(kù)運(yùn)行基本無(wú)影響.

5 結(jié)論

本文從堰塞湖泄流對(duì)洪峰、沙峰傳播過(guò)程出發(fā)，對(duì)比分析了金沙江上游、中游控制站的流量和輸沙量及其變化過(guò)程，結(jié)合金沙江中游梯級(jí)電站的調(diào)度情況，評(píng)估了堰塞湖事件對(duì)金沙江中下游水沙輸移及梯級(jí)電站運(yùn)行的影響，主要結(jié)論如下：

1) 2018年10月和11月堰塞湖兩次泄流潰口附近最大流量分別為10000和31000 m3/s，洪峰和沙峰傳播過(guò)程持續(xù)影響至金沙江中游，自巴塘站至攀枝花站月最大流量、最大含沙量多數(shù)超過(guò)歷史最大值. 堰塞湖潰決洪水經(jīng)金沙江中游梯級(jí)電站逐級(jí)調(diào)蓄后，至金沙江中游出口，水沙條件基本恢復(fù)正常. 自然泄流期洪峰和沙峰基本同步傳播，人工泄流期洪峰流量較自然泄流期顯著偏大，傳播過(guò)程更為迅速，并將自然泄流期間沉積于河道的大部分泥沙再次掀起挾帶至下游，沙峰先于洪峰出現(xiàn).

2)白格兩次滑坡堆積至金沙江河道內(nèi)的土體體積約5300萬(wàn)t. 堰塞湖潰決后，滑坡體產(chǎn)生的較細(xì)的泥沙顆粒隨水流迅速輸移至下游，巴塘至石鼓河段河床未出現(xiàn)泥沙堆積的現(xiàn)象，泥沙主要輸移并沉積在金沙江中游梯級(jí)水電站內(nèi)，其中梨園、阿海和金安橋累積攔截泥沙約1400萬(wàn)t，龍開口、魯?shù)乩陀^音巖共計(jì)攔截泥沙約43萬(wàn)t，梯級(jí)水庫(kù)攔截泥沙量約占滑坡土體總量的26%. 余下74%的泥沙仍滯留在堰塞湖區(qū)域和巴塘以上河道內(nèi)，滯留的懸移質(zhì)泥沙將集中在今后約5年的汛期輸移，推移質(zhì)泥沙的輸移過(guò)程則相對(duì)漫長(zhǎng).

3)除2015年以外，2016、2017和2018年梨園電站壩址的懸移質(zhì)泥沙淤積量均較可研階段采用值偏大，2018年偏大幅度達(dá)到87%. 加之堰塞湖下游河道長(zhǎng)期處于補(bǔ)給泥沙的狀態(tài)，金沙江上游梯級(jí)電站最早將于2021年開始陸續(xù)建成，堰塞湖區(qū)域滯留的泥沙大多陸續(xù)輸移至金沙江中游梯級(jí)水庫(kù)內(nèi)，梨園電站單獨(dú)運(yùn)行5年或者10年剩余的有效庫(kù)容有可能不滿足水庫(kù)所需調(diào)節(jié)庫(kù)容的要求.