面向未來的可持續(xù)泥沙治理

［美國］G.M.康道夫 等

1 概述

隨著美國加州的持續(xù)干旱，加州對州內(nèi)重要水壩的水庫泥沙淤積開展了詳細(xì)調(diào)查，并于2014年6月提出了一份清單，給出了需要優(yōu)先進(jìn)行泥沙清淤或采取其他補(bǔ)救措施的水庫。在此背景下，本文就水壩與整治河道泥沙治理的重要性進(jìn)行了介紹與說明。

通過水庫攔截泥沙，水壩阻斷了河流泥沙輸移的連續(xù)性，有關(guān)其對水庫運(yùn)用及庫容減少所造成的影響均有文獻(xiàn)記載。在水資源供給短缺與人口持續(xù)增加的背景下，因泥沙淤積導(dǎo)致的水庫庫容減少一直是一個(gè)十分嚴(yán)重的問題。然而，可能尚未引起人們普遍關(guān)注的另一個(gè)問題是水壩攔沙實(shí)際上還減少了進(jìn)入壩下游河道的泥沙量，而這部分泥沙對于維持下游河道的形態(tài)與河流生態(tài)系統(tǒng)是十分重要的。盡管人類活動的加劇加大了流域侵蝕產(chǎn)沙，但是由于上游水壩的攔沙作用，世界上大多數(shù)河流的輸沙量實(shí)際上卻是減小的。

2 加州水庫泥沙淤積現(xiàn)狀

隨著加州持續(xù)干旱，該州政府官員們呼吁修建新水壩以增加蓄水。但是，目前加州境內(nèi)大多數(shù)優(yōu)良水壩壩址已開發(fā)完畢，在剩余的次優(yōu)壩址上建壩不可避免地會涉及到投資的增加，而且現(xiàn)行環(huán)保法與公眾反對也會拖延建壩時(shí)間、增加補(bǔ)償要求。一方面，建壩無疑會新增水庫庫容;另一方面，大家也越來越意識到已有水庫庫容也是值得保護(hù)的重要資源。2014年6月，加州參議院通過了SB1259議案(目前正等待眾議院通過)，要求州水資源署開展加州水庫泥沙淤積的調(diào)查與清冊，確定需要優(yōu)先實(shí)施泥沙清淤或采取其他補(bǔ)救措施的水壩清單。

過去10a，加州因水庫泥沙淤積而備受關(guān)注的4座重要水壩為:馬里布(Malibu)河上的林格(Ringe)壩;凡吐拉(Venture)河上的馬蒂利亞(Matilija)壩;卡梅爾(Carmel)河上的圣克萊門特(San Clemente)壩;小舊金山(San Francisquito)河上的瑟爾斯維爾(Searsville)壩(見表1)。

這4座水壩均因水庫淤滿泥沙，引發(fā)了人們對于潰壩事故和大量泥沙下泄等公眾安全的質(zhì)疑。4座水壩還阻斷了虹鱒魚遷徙，這無疑更加重了將其拆除的呼聲。其中2座水壩已認(rèn)定為不安全水壩——圣克萊門特壩壩基薄弱、馬蒂利亞壩因堿骨料反應(yīng)而導(dǎo)致混凝土退化。拆除這4座水壩所面臨的最大挑戰(zhàn)是如何處置水庫淤積泥沙。4座水壩的下游河道兩岸均建有“豪宅”，業(yè)主極可能在洪水過后提出因水壩排沙而引起洪水損失的法律訴訟(不管是否屬實(shí))，而維修這些淤廢水壩的代價(jià)更是不菲。為此，圣克萊門特壩將予以拆除，水庫淤積泥沙就地固化處理，上游來沙自由向下游輸移，增加自1921年建壩以來下游河道人為減小的輸沙量。約8000美元的拆壩費(fèi)用將由水壩業(yè)主、加州美國水公司、公眾及非政府組織基金等共同承擔(dān)，加州海岸保護(hù)協(xié)會負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)。馬蒂利亞壩也計(jì)劃予以拆除，機(jī)械清淤部分淤泥并輸運(yùn)至拋泥區(qū)(事實(shí)證明這很棘手)，其余淤泥就地固化處理，拆壩費(fèi)用估計(jì)超過1.4億美元。

表1 加州海岸山脈地區(qū)的淤廢水壩

上述案例不禁會引發(fā)人們質(zhì)疑:該州到底還有多少座水庫將來會因泥沙淤廢而帶來代價(jià)慘重的環(huán)境與安全問題?為此研發(fā)了3 W模型，旨在研究加州水庫的未來泥沙淤積問題。目前，加州境內(nèi)由水壩安全署負(fù)責(zé)運(yùn)行調(diào)度的大壩(壩高4.6 m以上、庫容3.1萬m3以上)超過1400座，其中實(shí)測過水庫泥沙淤積率的水壩數(shù)量卻十分有限。解決方法與步驟如下:①整理已有水庫的淤積資料，分析確定基于地貌地區(qū)的產(chǎn)沙均值，例如，內(nèi)華達(dá)山脈地區(qū)覆蓋著耐花崗巖(部分仍受19世紀(jì)水力采礦影響的區(qū)域除外)，其產(chǎn)沙量明顯小于海岸地區(qū)和橫斷山脈地區(qū)(這兩個(gè)地區(qū)覆蓋著易沖蝕巖石，大部分屬于破碎巖且處于地質(zhì)構(gòu)造快速上升期，因而產(chǎn)沙量較高)。②基于過去的水庫泥沙淤積調(diào)查，將確定的地區(qū)產(chǎn)沙均值應(yīng)用于無泥沙淤積資料的水庫，預(yù)估水庫的未來泥沙淤積率。同時(shí)，3 W模型還考慮了上游建壩對下游水庫的減沙作用以及攔沙率隨水庫淤積時(shí)間的變化。結(jié)果表明:水庫攔沙率及庫容與年來水量或流域面積(作為來水量的替換量)的比值相關(guān);隨著水庫的淤積，水庫攔沙率隨著時(shí)間而減小。

研究發(fā)現(xiàn):就全加州而言，水庫淤積對加州總庫容的影響相對較小，其原因是加州擁有許多大型水庫，如薩克門拉門托(Sacramento)河上的莎士達(dá)(Shasta)水庫、費(fèi)瑟(Feather)河上的奧羅維爾(Oroville)水庫。截止到2008年，加州水庫總的泥沙淤積量約21億m3，占水庫總庫容472億m3的4.5%。但如果研究個(gè)案水庫，問題就比較突出。結(jié)果顯示:120余座水庫的泥沙淤積損失超過了其庫容的75%;類似于上述4座淤廢水庫，它們大多數(shù)是位于海岸地區(qū)和橫斷山脈地區(qū)的老化小型供水水庫，初始庫容小且位于高產(chǎn)沙地區(qū)。

3 可持續(xù)水庫泥沙治理的必要性

水庫一旦淤滿泥沙，治理方案的選擇就十分有限，而且治理的代價(jià)也極其昂貴。安全考量往往主導(dǎo)著治理措施，尤其是在地震活躍地區(qū)。地震時(shí)，飽和泥沙淤積物與混凝土和(或)土石壩將以不同的頻率進(jìn)行震動，這可能導(dǎo)致水壩潰決。2007年，臺灣巴陵壩就發(fā)生了潰決，震動釋放了約750萬m3泥沙淤積物，所幸的是下游河谷無人居住，大部分下泄泥沙淤積于下游水庫。然而，隨著地區(qū)內(nèi)淤廢水壩的不斷增多，它們就像“定時(shí)炸彈”，給未來幾十年帶來嚴(yán)重隱患。

水壩攔沙除了導(dǎo)致水庫庫容損失、公眾安全風(fēng)險(xiǎn)等問題之外，還會減少壩下游泥沙供給量，引起“清水”下泄問題。下泄“清水”仍然具有挾沙能力，但由于缺失天然泥沙的供給，河流將沖刷河床和河岸以部分補(bǔ)給損失的輸沙量。“清水”下泄的影響還包括:鮭魚產(chǎn)卵所需礫石的減少、涉水建筑物基礎(chǔ)的沖刷等。在歐洲，為了防止萊茵河干流最末端水壩下游“清水”下泄對涉水建筑物基礎(chǔ)的破壞，萊茵河平均每年向其下游拋投了17萬m3砂礫石，以供給下游輸沙、維持河床高程。加州薩克拉門托河流域20多條河流上拋投的砂礫石量超過50萬m3，用于恢復(fù)鮭魚產(chǎn)卵棲息地。

4 可持續(xù)水庫泥沙治理技術(shù)

避免水庫泥沙淤積首選和最佳的治理技術(shù)是旁側(cè)輸沙與過壩排沙。旁側(cè)輸沙是將部分挾沙來流引至繞過水庫的旁側(cè)渠道，這樣挾沙水流根本就不進(jìn)入水庫而是直接匯入壩下游河道。旁側(cè)分流通常只在大流量、大輸沙量條件下運(yùn)用;含沙量一旦降低，來流將重新引入水庫。旁側(cè)輸沙的理想河流平面形態(tài)是在水庫中存在河彎，旁側(cè)渠道起到裁彎取直的效果，如南非的內(nèi)格爾(Nagle)壩(圖1)。另一個(gè)與旁側(cè)渠道輸沙相類似的辦法是修建從主河槽引水的旁側(cè)蓄水水庫，僅當(dāng)河道來流相對較清時(shí)才引水至水庫，以減少入庫泥沙，而天然河流起到旁側(cè)輸沙的作用。日本和瑞士在采用旁道輸沙技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，其中日本最早的旁側(cè)輸沙渠道建于1908年(見表2)。

圖1 南非內(nèi)格爾壩旁側(cè)輸沙示意

泄水排沙或降水沖沙均借助于過壩高速水流，此時(shí)水庫作為河流的一部分輸移泥沙。洪水來臨之前降低庫水位，開啟水壩大流量泄流孔，讓水流高速通過。這種過壩排沙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是水庫泥沙淤積最小且泥沙可在河流天然輸沙的洪汛期連續(xù)輸移下泄。細(xì)顆粒泥沙的過壩排沙效果優(yōu)于粗顆粒泥沙?；诤樗^程漲水含沙量一般高于降水含沙量的特性，利用洪水漲水過程進(jìn)行泄水排沙與中國水庫泥沙治理運(yùn)用的“蓄清排渾”策略吻合一致。中國三峽大壩因采用這種泄水排沙運(yùn)用方式而著名，通過設(shè)計(jì)延長汛初水位消落期，加大水流流速，維持泥沙輸移過庫，并沖起部分前期淤積泥沙;而汛末抬高水庫水位蓄水，以維持枯水期的下泄流量(圖2)。

圖2 三峽水庫水位季節(jié)性運(yùn)用示意

泄水排沙的目的是讓泥沙輸移過庫而不產(chǎn)生淤積，與此不同，降水沖沙則需要沖起和重新懸浮水庫淤積泥沙，將其沖泄至壩下游。降水沖沙采用底孔放空水庫，底孔尺寸必須足夠大，以便沖沙流量自由過壩而不引起上游壅水，泄水自由水面應(yīng)與底孔的下表面齊平或者更低。降水沖沙的最佳情形是形成河道型過庫水流，其形成的有利條件包括:①水庫河谷窄深、河岸陡峻;②水庫縱比降陡峻;③水庫流量維持在泥沙起動和輸移臨界值以上;④水壩設(shè)有底孔等。為了確保降水沖沙取得成功，水庫庫容與年徑流之比應(yīng)小于4%，這是因?yàn)閹烊葸^大，難以降低水庫水位。由于降水沖沙需要底孔泄流且又不能產(chǎn)生明顯回水，因此當(dāng)來流洪水超過底孔的泄流能力時(shí)不宜采用。另外，不同于泄水排沙，由于降水沖沙的時(shí)機(jī)也不必與河流的天然洪水期一致，因此枯水期的降水沖沙可能會將大量的細(xì)顆粒泥沙帶往下游，而淤積在下游河床上的沙和細(xì)沙可能對下游的河道生態(tài)帶來顯著影響。

異重流排沙是指當(dāng)高含沙異重流通過水庫時(shí)開啟水壩泄流孔，讓其不受擾動地通過并讓其所挾帶的大部分泥沙排出水庫。異重流形成于很多水庫之中，其定義為高含沙入庫水流沿庫底向水壩流動時(shí)所形成明顯的、不與上層輕密度水體摻混的高密度流動。異重流排沙技術(shù)甚至可應(yīng)用于水庫水位無法降低的大型水庫，且部分水壩的異重流排沙量可達(dá)入庫沙量的一半。其應(yīng)用限制條件是:異重流的流速與紊動必須足以維持泥沙顆粒的懸浮，能夠以分層流的形式運(yùn)動至壩前，方可排泄至壩下游。

表2 日本和瑞士典型旁側(cè)輸沙渠道的特性指標(biāo)

機(jī)械清淤的價(jià)格十分昂貴。當(dāng)水庫可以完全放空時(shí)，可采用挖土機(jī)、棄土機(jī)或其他重型設(shè)備等清除淤積泥沙，它特別適合于每年有一段時(shí)間可以空庫的水壩水庫(如防洪水庫)。當(dāng)水庫水位不能降低時(shí)，可利用船載水力取水泵，以“吸沙”方式清除淤積泥沙，一旦粘性淤泥出現(xiàn)“固結(jié)”，還需要配備攪拌頭攪動粘性淤泥。疏浚因費(fèi)用昂貴而通常僅應(yīng)用于水壩取水口等特殊區(qū)域的泥沙清淤。當(dāng)水壩上下游靜水頭差較大時(shí)，可以在泄流管道上游末端“吸取”泥沙，以虹吸管方式挾沙過壩。這種“水力吸沙”清淤的運(yùn)用限制條件是:水庫長度必須小于3 km，且為低水頭水壩(即水頭高差不得超過虹吸管允許的最大氣壓值)。在中國，“水力吸沙”通常與水力或機(jī)械動力聯(lián)合攪動水庫泥沙，利用水壩上下游水頭差，將高含沙水流通過虹吸管排出水庫。

除了上述水庫排沙技術(shù)之外，還有各種減少流域上游入庫泥沙的措施，諸如:水土保持與侵蝕調(diào)控、流域攔沙壩工程等。小型攔沙壩因水壩消能作用而減小了壩間比降，進(jìn)而減少了區(qū)間比降，區(qū)間泥石流淤積與河道泥沙輸移量因此而得以減少;而大型攔沙壩的修建可以攔截下游水庫的入庫泥沙。但它們都遠(yuǎn)非長久之計(jì)，攔沙壩一旦淤滿(高產(chǎn)沙河流流域攔沙壩往往會迅速淤滿)，勢必帶來淤廢攔沙壩群不穩(wěn)定、維護(hù)費(fèi)用昂貴等一系列新問題。臺灣巴陵壩就是一個(gè)典型例子，其建壩的目的是減少下游石門水庫的入庫泥沙，雖然該水壩被泥沙淤滿并不意外，但其潰決卻暴露出了攔沙壩措施的潛在缺陷。

5 可持續(xù)泥沙治理建議

雖然旁側(cè)輸沙與過壩排沙技術(shù)也許并不適合于所有水庫，但是對于目前尚未且正在喪失采用可持續(xù)泥沙治理時(shí)機(jī)的大多數(shù)水庫而言，它們無疑是行之有效的。在人口與可利用水資源需求持續(xù)增長的背景下，任由水庫不必要地淤積泥沙是毫無意義的，在進(jìn)行水壩經(jīng)濟(jì)效益分析時(shí)，應(yīng)將水庫庫容視為一種寶貴的、消耗性的資源。前不久，由中國與國際資深的泥沙治理科學(xué)家與工程師組成的專委會認(rèn)為:可持續(xù)泥沙治理技術(shù)應(yīng)該在更多的水壩上得到應(yīng)用，并敦促新建水壩在設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮盡可能地多排沙。雖然已建水壩通常也可通過水壩更新與優(yōu)化調(diào)度排泄更多泥沙，但是如果能夠在水壩選址、規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段就考慮泥沙治理技術(shù)，其排沙效果將會更佳。

人們通常認(rèn)為泥沙治理技術(shù)僅與延長水庫壽命、規(guī)避水庫不當(dāng)運(yùn)用等有關(guān)，但實(shí)際上水壩攔沙對壩下游河道的影響也是同等重要的問題。密西西比河三角洲的問題在很大程度上應(yīng)歸因于其主要泥沙來源密蘇里河建壩攔沙的影響。湄公河三角洲恐怕也難逃人類惡運(yùn)，其下游和三角洲近6000萬人口依靠湄公河漁業(yè)資源生存，其中超過1600萬人口生活在三角洲地區(qū)。假如擬建或在建的140多座干支流水壩按照不采用泥沙治理技術(shù)的原規(guī)劃方案建成運(yùn)用，將會攔截掉湄公河三角洲96%的天然來沙量。由于營養(yǎng)物質(zhì)與細(xì)顆粒泥沙密切相關(guān)，水壩攔沙勢必導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)的銳減，威脅河流富饒多產(chǎn)的生態(tài)系統(tǒng)，而且一旦失去上游來沙補(bǔ)給，三角洲自身形態(tài)將也會因?yàn)榈刭|(zhì)下沉與海浪侵蝕而加速消亡。為了緩解和補(bǔ)償湄公河三角洲的潛在影響，自然遺產(chǎn)協(xié)會(總部設(shè)在美國的非政府NGO組織)召集了一個(gè)專家小組，與老撾、柬埔寨和越南部長級官員們合作，正在探尋對部分主要水壩采用泥沙治理技術(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)的可能性，其目的是讓更多的湄公河天然泥沙可以輸移至三角洲。

發(fā)展中國家大量修建新水壩的計(jì)劃方興未艾，這無疑會給建壩下游的河流生態(tài)與河道形態(tài)帶來累積性的長期影響，而且這些水壩自身也面臨著泥沙提前淤滿問題。為了維護(hù)人類水資源供給、低碳發(fā)電，以及河流和下游三角洲的完整與生態(tài)安全，必須爭取一切可能機(jī)會在水壩中推行可持續(xù)泥沙治理技術(shù)。