水庫淤損控制與庫容恢復(fù)研究綜述

鄧安軍 陳建國 胡海華 史紅玲 劉飛

摘要：我國水庫數(shù)量多，淤積嚴重，影響水庫功能的發(fā)揮和水庫安全。在目前水庫淤損日益加重的情況下，開展水庫淤損控制與庫容恢復(fù)技術(shù)研究，對恢復(fù)部分淤損庫容、提高水庫的各項效能、延長水庫使用壽命具有非常重要的意義。對我國水庫的淤損情況、淤損控制與庫容恢復(fù)技術(shù)等方面的研究進行了簡要綜述，提出了需要開展全國水庫泥沙淤積調(diào)查、水庫淤損機理和控制措施研究等工作。

關(guān)鍵詞：綜述;庫容恢復(fù);淤損控制;水庫

中圖分類號：TV697

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.01.001

中國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，建有庫容10萬m及以上的水庫98 002座，總庫容9 323億m，相當于全國河川徑流總量的20%。水庫在提供清潔能源、維系區(qū)域生態(tài)平衡、保障供水和減輕洪澇災(zāi)害等方面發(fā)揮著重要作用。我國又是水庫淤積最嚴重的國家，水庫平均年淤損率（淤積庫容與水庫總庫容的比值）為2.3%[1]，每年因淤積而損失的庫容約為100億mi。水庫功能性、安全性和綜合效益的降低已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸之一，因此對于淤損水庫應(yīng)積極采取挽救措施，清除庫區(qū)部分泥沙，恢復(fù)部分淤損庫容，以延長水庫的使用壽命，繼續(xù)發(fā)揮水庫的各項功能，更好地改善和促進水庫的可持續(xù)利用。

1 國內(nèi)外水庫泥沙淤積比較

目前全世界已建成數(shù)百萬座各類水壩，其中大壩約50 000座，形成的水庫庫容共約70 000億m[2]。水庫具有防洪、供水、發(fā)電、灌溉、航運等功能，為社會發(fā)展創(chuàng)造了重大效益。然而，由于河流發(fā)生水流運動的同時常伴有泥沙輸移[3]，因此水庫泥沙淤積成為世界性難題。受泥沙淤積影響，水庫的平均使用壽命為22 a[4]，這與大壩壩體至少100 a的壽命相差甚遠。尼羅河在阿斯旺大壩建立以前，年泥沙輸送量為I.OO億～1.24億t，建壩后年泥沙輸送量僅為以前的10%，這說明庫區(qū)內(nèi)的泥沙淤積十分顯著[5]：Ebro河上的Ribarroja -Mequinenza水利樞紐建成后，上游來沙量的96%被滯留在水庫中，導(dǎo)致下游沿程河床沖刷下切，并使得河口三角洲淤積停止并發(fā)生侵蝕[6]：美國的科羅拉多河年輸沙量為1.50億t，受流域調(diào)水和水庫建設(shè)影響，人海泥沙大大減少，這也說明庫區(qū)的泥沙淤積較為明顯[7]。此外，法國的多瑙河[8]、Rhone河‘9]，俄羅斯的頓河[10]、非洲的Niger河[ll]、美國的Skokomish河[12]，我國的灤河、長江、黃河、淮河等，也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象[13-16]。世界上水庫以每年淤損0.5%～ 1.0%庫容[17j的速度降低著大壩的安全性，減弱著水庫功能及其綜合效益，而我國水庫年均淤損率為2.3%，遠大于世界水庫庫容損失率。因此，對于大多數(shù)水庫而言，發(fā)揮正常功能的使用年限是由泥沙淤積而非壩體壽命決定的。世界水庫（大壩）庫容和泥沙淤積的地域分布見表1。

2 淤損水庫功能恢復(fù)研究進展

2.1 我國水庫淤損現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，我國七大江河的年輸沙量高達23億t，即使是長江，雖然含沙量只有0.54 kg/m，但是由于水量較大，因此年來沙量也有約5億t[l8]。在河流上修建水庫后，水流流速減小，挾沙力降低，泥沙就會在水庫中淤積。

目前，我國掌握的水庫淤積基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和特征信息還不系統(tǒng)、不全面。據(jù)有關(guān)研究資料分析，我國水庫的年均淤損率大于多數(shù)其他國家水庫的年均淤損率，部分水庫淤損率達30%以上。水利部在2012年對山西、陜西、貴州、江西4個典型省份的水庫淤積情況進行了調(diào)查分析[19]，結(jié)果表明：山西省水庫總庫容為47.65億m，淤損率為34%;陜西省水庫總庫容為40.43億m，淤損率為34%;江西省水庫總庫容為295.50億m，淤損庫容約為8.93億mi，淤損率為3%;貴州省水庫總庫容為25.40億m，淤積庫容約為1.10億m，淤積率為4.3%。盡管貴州和江西兩省淤損率不高，整體淤積不大，但淤積程度差異較大，仍有不少水庫存在泥沙淤積問題。據(jù)統(tǒng)計，江西省有6 376座水庫存在淤積問題，貴州省有979座水庫存在淤積問題，且有部分水庫淤積嚴重，比如江西省塘背水庫淤損率為58.9%，貴州省新橋水庫淤損率達80.0%。總體來講，不同流域水庫淤積差異明顯[20]，山西、陜西兩省地處黃河流域的水庫整體淤積比較嚴重，而江西、貴州兩省地處非黃河流域的水庫淤積程度要輕得多。

2.2 水庫淤積防治方法及效果

水庫特性、流域條件等因素決定了水庫的淤積形態(tài)和淤積分布，同時也決定著水庫淤積的防治方法。曹慧群等[21]比較詳細地統(tǒng)計了我國26座水庫的減淤方法及減淤效果，其中水庫減淤方法主要有減少入庫泥沙、排沙沖沙出庫、機械清淤等。減少入庫泥沙的減淤方法主要適用于黃河等水土流失比較嚴重的區(qū)域，土壤侵蝕是這種流域產(chǎn)沙的主要模式和水庫泥沙淤積的主要原因，所以通過水土保持措施減少流域土壤侵蝕和采取攔沙措施，可減少入庫泥沙和庫區(qū)泥沙淤積。水土保持方法既適用于河道型水庫，也適用于湖泊型水庫。修建淤地壩、引洪放淤以及繞庫排渾等工程措施主要適用于湖泊型水庫;水土保持、攔沙壩等工程措施的投入費用高，工程實施時間長，減淤見效慢，主要適用于流域面積相對較小的水庫。

排沙沖沙出庫方法一般適用于設(shè)有排沙設(shè)施的水庫，其減淤效果在河道型水庫相對較好，采取異重流排沙、泄空沖沙和橫向沖蝕等水力沖沙方法在短時期內(nèi)排沙沖淤效果顯著：對于超大型河道水庫（如三峽水庫、小浪底水庫和三門峽水庫），蓄清排渾是長期維持水庫庫容的一種有效方法，三門峽水庫采取蓄清排渾運用方式以后淤積明顯減少。排沙沖沙出庫方法是利用水動力直接沖刷水庫中淤積的泥沙，通過沖刷形成庫區(qū)的主河槽，該方法減淤效果明顯，并且成本相對較低。

機械清淤的方法在理論上適用于各種類型的水庫，并且?guī)烊莼謴?fù)效率較高，但由于成本較高，因此該方法主要用于中小型水庫清淤或大型水庫的局部清淤。近年來，隨著水源地水庫的水環(huán)境問題凸顯，常通過機械清淤恢復(fù)中小型水源地水庫的庫容，大型水庫局部清淤主要是對水庫變動回水區(qū)的礙航河段進行清淤。由于機械清淤最主要的問題是清淤成本高和淤積物的二次污染，因此為了降低清淤成本，目前一些單位和個人針對不同特性的淤積物開展了泥沙資源化處理研究和示范，比如利用淤積物中的較粗顆粒泥沙制作混凝土骨料，利用淤積物中較細顆粒泥沙燒制黏土陶粒和瓷磚等。

上述各類庫容保持和水庫泥沙減淤措施中，泄流排沙、水庫沖沙和異重流排沙都是利用水流動能對來沙及淤積泥沙進行泄放和清淤，也是目前維持水庫有效庫容的主要措施。

2.3 水庫淤積控制及庫容恢復(fù)研究進展

2.3.1 水庫泥沙淤積管理研究

成功的水庫泥沙管理方式是結(jié)合了防沙、排沙、沖沙、清淤等多種減淤技術(shù)和監(jiān)測、調(diào)控措施的綜合管理方式[22]，主要包括減少上游來沙量、入庫泥沙的輸移和排出、庫區(qū)淤沙的沖刷和減淤以及對于淤損或淤廢水庫的擴容補救和拆除等措施。

2.3.2 庫容保持和淤損庫容恢復(fù)研究

保持和恢復(fù)水庫庫容的常見手段主要有蓄清排渾、泄空沖沙、異重流排沙和水沙聯(lián)合調(diào)度等水力調(diào)度方式和人工清淤措施。

（1）蓄清排渾。目前我國很多水庫采取蓄清排渾的運行方式來處理泥沙淤積，加大水庫排沙效率。蓄清排渾運用方式必須空庫或降低水位迎洪，充分發(fā)揮水庫的調(diào)蓄作用，如三峽水庫根據(jù)上游來水來沙在年內(nèi)分配不均的特點，在7-9月主汛期水庫水位保持在防洪限制水位145 m運行，使含沙量較大的洪水能夠順暢地排向下游，汛后含沙量減小后水庫開始蓄水，至11月末蓄至正常水位175 m，以充分發(fā)揮發(fā)電等效益：三門峽水庫建成運用最初的3a中，水庫迅速淤積，壩前水位為323～330 m，采取蓄清排渾運用以來，非汛期水庫最高蓄水位控制在318 m，汛期控制在305 m，庫區(qū)淤積較少，在2000年以后庫容基本保持在33億m左右。

（2）泄空沖沙。泄空沖沙是水庫沖刷方式中最重要的一種，主要是利用水庫泄空過程中的溯源沖刷和沿程沖刷作用恢復(fù)庫容，沖刷水庫前期淤積的泥沙，減少水庫泥沙淤積。泄空沖刷包括兩種情況：一是上游未發(fā)生洪水，靠泄空水庫本身水量引起的溯源沖刷和沿程沖刷恢復(fù)庫容，其泄流量應(yīng)該先小后大，這種沖刷由于水量不足，因此沖刷范圍和沖刷距離一般較為有限，主要用于維持水庫壩區(qū)的沖刷漏斗等，解決壩區(qū)附近的泥沙淤積問題：二是上游發(fā)生洪水時提前泄空水庫，利用暴雨形成的洪水在低水位沖刷排沙，這種方法后勁能量足，沖刷效果好，能很好地恢復(fù)庫容。

關(guān)于溯源沖刷的研究較多，并建立了一系列溯源沖刷計算公式[23-25]。在溯源沖刷機理研究方面，韓其為[26]在對沖刷縱剖面進行假設(shè)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出沖刷參數(shù)，得到了一套詳細的能夠反映溯源沖刷過程的成果。

泄空沖刷效果顯著，以位于伊朗德黑蘭西北部建于西菲羅河上的西菲羅大壩為例，該壩于1962年建成投入運用，各時段淤積情況見表2。其初始庫容為17.6億m ，1962-1980年水庫發(fā)生了嚴重淤積，年均淤積量為3 940萬m3，排沙比只有22%，庫容年均淤損率達2.24%。為了減輕泥沙淤積，從1981年開始排沙運用，在非灌溉季節(jié)進行泄空沖刷，出庫含沙量由2 kg/m增大到40 kg/m，大大減輕了水庫泥沙淤積，甚至發(fā)生了沖刷，庫容得到一定程度的恢復(fù)。（3）異重流排沙。水庫蓄水時，當較高含沙量洪水進入水庫時，由于水庫清水與較高含沙量洪水相對體積質(zhì)量有差別，兩者基本不相摻混，因此高含沙量洪水潛入庫底并向壩前運行。此時若打開底孔閘門，則高含沙量洪水將通過底孔排向下游河道，避免高含沙量洪水挾帶的大量泥沙在庫區(qū)發(fā)生淤積。異重流排沙前后一直都保持較高蓄水位，基本不產(chǎn)生棄水，所以既能減少水庫泥沙淤積又能保證水庫效益的發(fā)揮。異重流形成需要的水量條件是要有一個較大的流量過程，要有持續(xù)動力[27]。國內(nèi)多年實測資料表明，異重流排沙比遠高于一般高含沙量洪水排沙比，有時異重流排沙比可高達90%，平均排沙比也可達60% [28]。

在異重流基礎(chǔ)理論方面也進行了大量研究，取得了一系列研究成果，王光謙等[29]根據(jù)微元體上的質(zhì)量守恒和動量守恒建立了異重流運動的基本方程：范家驊等30-32-通過實測資料和室內(nèi)試驗研究，給出了異重流的潛入條件以及異重流排沙和孔口出流的計算方法：方春明等[33]通過研究認為異重流潛入點水深必須大于異重流正常水深時異重流才能成功潛入，并且證明了水庫異重流是超飽和輸沙，發(fā)生異重流時必然會發(fā)生沿程淤積[34]。

（4）水沙聯(lián)合調(diào)度。針對高含沙量洪水入庫，為了減少高含沙量洪水在水庫的泥沙淤積，通過入庫洪水預(yù)報，根據(jù)水庫調(diào)度規(guī)則進行水庫水沙聯(lián)合調(diào)度，在含沙量峰值附近進行泄洪，在保證水庫安全的前提下盡可能多排沙出庫，減少泥沙在水庫的淤積[35]。

水庫優(yōu)化調(diào)度的研究成果較多，但主要是基于水資源和發(fā)電效益的優(yōu)化調(diào)度，而對水庫水沙聯(lián)合調(diào)度的研究較少。水庫水沙聯(lián)合調(diào)度的目標是減少庫區(qū)泥沙淤積，維持水庫長期綜合效益，所以相關(guān)研究一般是以庫區(qū)淤積量作為泥沙調(diào)度目標[36-37]：有的模型采用有效庫容作為目標[38]，考慮了泥沙淤積對水庫庫容損失的影響：有的模型采用變動回水區(qū)的礙航淤積量反映泥沙調(diào)度目標[39]，考慮了泥沙淤積對航運的影響：還有的模型采用考慮泥沙淤積后修正的庫容曲線[40]，在計算水庫優(yōu)化調(diào)度時沒有直接考慮泥沙調(diào)度目標，而是間接地體現(xiàn)泥沙淤積對水庫發(fā)電優(yōu)化調(diào)度的影響。上述不同模型中泥沙調(diào)度目標都是針對具體問題進行選取，總體來說都是選取反映水庫綜合效益發(fā)揮的泥沙調(diào)度目標。

（5）水庫清淤。水庫水力排沙都要在不同程度上消耗較多的水量，對于水資源嚴重缺乏的干旱地區(qū)來說，經(jīng)常會因為水資源問題而不容許排沙。此外，有的水庫由于沒有排沙設(shè)施，不可能采用水力排沙方式，因此單靠水力排沙不能從根本上解決淤損水庫的庫容恢復(fù)問題。

對于這種不能采用水力排沙的水庫，一般需要采用機械清淤措施恢復(fù)水庫庫容，目前主要通過挖泥船、吸泥泵等機械清淤措施對水庫進行清淤，恢復(fù)水庫庫容。近年來，我國河道、水庫、湖泊、航道等清淤工程較多，清淤技術(shù)得到長足發(fā)展，裝備能力也大大提升。目前國內(nèi)外水庫清淤措施較多，主要有虹吸式、薩克斯管形槽孔式等無動力措施，另一類是潛水泥泵絞吸式挖泥船、氣力泵等有動力措施[41]。目前清淤方式主要有：①陸上清淤，這種方法適用于非汛期水量較小或者干涸的水庫，挖掘的淤泥由管道輸送或直接倒運到岸上，然后由汽車運輸出去，優(yōu)點是清淤徹底：②水下清淤，這種方式適用于常年必須有蓄水的水庫，利用清淤抓斗船、絞吸式挖泥船等將河底淤積物挖到拖船上，再運送到指定淤積物堆放點，這種清淤方式對中小型水庫的清淤效果較好。對大型水庫來說，由于水庫庫容大、淤積量大，因此為了達到清淤效果，需要的清淤量大，而機械清淤成本高、回淤快，這種方法仍難以解決大型水庫泥沙淤積問題，但在局部采用機械清淤較為普遍，比如三峽水庫在變動回水區(qū)采用機械清淤方式來解決航道的泥沙淤積問題。

3 研究展望

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人們對流域生態(tài)安全要求的日益提高，根據(jù)我國對水庫淤損情況和研究現(xiàn)狀，需要開展如下研究工作。

（1）全國水庫淤積情況調(diào)查分析。目前我國水庫泥沙淤積缺乏系統(tǒng)的調(diào)查，根據(jù)20世紀水庫泥沙淤積統(tǒng)計的我國水庫淤損率為2.3%，顯然不符合目前我國水庫泥沙淤積情況，所以急需系統(tǒng)開展水庫泥沙淤積調(diào)查，掌握我國水庫泥沙淤積情況。水庫庫容調(diào)查最常規(guī)的方法是地形測量，但是我國水庫多，地形測量工作量大、成本高，研究有效、快速的水庫庫容調(diào)查方法顯得非常必要。在此基礎(chǔ)上，通過對全國水庫泥沙淤積問題進行調(diào)查，摸清不同類型典型水庫的流域特征、庫容、泥沙淤積量、淤積速率等，并按照不同指標對水庫進行分類，以便對不同類型水庫的泥沙淤積控制和清淤采取不同的措施，做到因地制宜，對癥下藥。

（2）不同類型水庫淤損機理和控制措施研究。水庫泥沙淤積控制并不是單指淤積平衡后的控制，而是貫穿于水庫運用的全過程，初期可以采取低水位運用方式來調(diào)控泥沙淤積部位，中期可以通過水庫調(diào)度運用、異重流排沙、渾水水庫排沙等技術(shù)減少水庫淤積，后期可以通過空庫拉沙等手段維持一定的有效庫容。水庫淤積控制的目的是，延遲清淤時間和減少清淤頻次，使水庫能夠長期保持一定的有效庫容。水庫淤積控制措施包括：利用水土保持等措施減少入庫沙量，水庫初期運用淤積部位調(diào)控使泥沙盡可能淤積在死庫容里，蓄清排渾運用減少水庫泥沙淤積、異重流排沙、水庫敞泄運用拉沙、大洪水排沙、渾水水庫排沙以及水力排沙、泥沙資源利用和機械清淤相配合的措施等，需要研究各種泥沙淤積控制措施的適用條件及其減淤效果。

（3）不同類型淤損水庫清淤措施研究。對于嚴重淤積的水庫，實施適當?shù)那逵偈腔謴?fù)庫容的有效措施。水庫清淤技術(shù)很多，從原理上講包括水力自然沖刷、人工機械清淤和小型工程措施等，并且技術(shù)上相對比較成熟。機械清淤又包括挖泥船、射流、氣力泵、虹吸等，小型工程措施包括旁側(cè)排沙、高渠沖灘、管道輸沙、爆破松沙等措施。水力自然沖刷可用于全庫區(qū)清淤，人工機械清淤多用于局部清淤，而小型工程清淤措施在較好的水流條件配合下可以取得較好的減淤效果。有的措施可用于各種類型水庫，而有的措施只適合中小型水庫。因此，需要研究不同類型水庫清淤措施、不同措施的應(yīng)用條件和效果、不同的水庫應(yīng)該采用什么清淤措施、水庫調(diào)度運用如何配合等問題。

（4）淤損水庫庫容恢復(fù)效果與維持研究。水庫清淤后一般都會發(fā)生回淤，過快回淤將會大大降低清淤效果。因此，如何盡可能長期地維持清淤庫容，是必須加以研究的重要問題。需要研究水庫清淤位置、時機、頻率和規(guī)模，以及維持清淤庫容的水庫合理運用方式等。

（5）清淤泥沙處理措施研究。目前我國中小水庫淤積嚴重，嚴重影響水庫功能的發(fā)揮，而絕大部分中小水庫主要依靠清淤恢復(fù)庫容，清淤量大、成本高。因此，根據(jù)水庫泥沙淤積物特性，研究清淤的泥沙如何處理，減少二次污染，降低水庫清淤成本，對大范圍開展水庫清淤、恢復(fù)淤損水庫功能顯得尤為重要。

（6）淤損水庫管理經(jīng)驗探討。在水庫泥沙淤積管理實踐過程中，結(jié)合我國較為成熟和先進的水庫泥沙淤積理論成果，學(xué)習(xí)國外水庫功能評價及恢復(fù)對策理念，構(gòu)建我國淤損水庫功能影響及恢復(fù)對策措施的評價體系，并采取科學(xué)合理的治理措施，我國淤損水庫泥沙淤積問題就有望得到系統(tǒng)解決。

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