水庫(kù)泥沙可持續(xù)性管理策略

崔 峰

（張掖市甘州區(qū)盈科水利管理所,甘肅 張掖 734023）

1 引言

水庫(kù)淤積直接威脅水庫(kù)和大壩以及下游地區(qū)的可持續(xù)性。輸入水和泥沙的目的是改變水庫(kù)及河流系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)泥沙平衡,同時(shí)最大限度地增加水庫(kù)的有效儲(chǔ)水量,并最大限度地減少泥沙對(duì)下游環(huán)境的影響[1]。泥沙管理的方法已在實(shí)踐中得到實(shí)施。為平衡泥沙流入和泥沙流出,可嘗試將挖掘的泥沙送回下游河流（即,泥沙補(bǔ)給）。與此同時(shí),了解河道地貌對(duì)補(bǔ)給泥沙和有效管理、保護(hù)和修復(fù)河流,以及適應(yīng)多種相互沖突的需求來(lái)說(shuō)非常重要。例如,河道的改變可能會(huì)對(duì)供水、基礎(chǔ)設(shè)施、航行和棲息地等各種需求產(chǎn)生影響。這種影響可能會(huì)導(dǎo)致河床侵蝕或沉積以及河道加寬或變窄。

如今,由于泥沙沉積作用造成的全球年平均水庫(kù)庫(kù)容損失已經(jīng)高于新建水庫(kù)所增加的庫(kù)容[2]。由此可以看出,由于嚴(yán)重的泥沙問(wèn)題,水庫(kù)的可持續(xù)利用已經(jīng)不能得到保障。因?yàn)樵S多大壩的泥沙問(wèn)題比預(yù)期的嚴(yán)重以及設(shè)計(jì)壽命超過(guò)50年的水庫(kù)數(shù)量的迅速增加,所以如何長(zhǎng)期維護(hù)水庫(kù)及其設(shè)施已經(jīng)成為一個(gè)重要的政策問(wèn)題。

雖然目前沒(méi)有關(guān)于全世界水庫(kù)泥沙沉積速率的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),但人們普遍認(rèn)為,全世界的水庫(kù)每年大約損失1%~2%的存儲(chǔ)容量[3]。全球地區(qū)的泥沙沉積率見(jiàn)圖1。該圖顯示了二十世紀(jì)水庫(kù)泥沙沉積率的演變以及所預(yù)測(cè)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 全球水庫(kù)泥沙沉積率

水庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行會(huì)對(duì)大壩下游河道的穩(wěn)定性及生態(tài)產(chǎn)生重大影響[4]。水庫(kù)可以收集并永久儲(chǔ)存上游輸送來(lái)的泥沙,這直接導(dǎo)致大壩下游河流的泥沙量大大減少,以及下游峰值流量減少和低流量的可能性增加。在這種情況下,下游河流會(huì)進(jìn)行調(diào)整,在河道和被輸送的流量與泥沙之間重新建立平衡?？赡馨l(fā)生的調(diào)整包括河床侵蝕或沉積、河道加寬或變窄以及河床形狀的變化。下游的影響是通過(guò)下游參數(shù)梯度的不連續(xù)性產(chǎn)生的,例如,沉積物、水質(zhì)、溫度、流量和泥沙狀況。泥沙不足不僅是一個(gè)環(huán)境問(wèn)題,也是一個(gè)社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題,例如水庫(kù)容量的損失會(huì)對(duì)河道的形態(tài)產(chǎn)生影響,包括造成河床切口、河岸不穩(wěn)定、支流上游侵蝕等,最終導(dǎo)致橋梁、大壩損壞。

本文主要研究如何根據(jù)水庫(kù)內(nèi)和下游的泥沙沉積情況,在各水庫(kù)中選擇合適的泥沙管理策略及探討如何設(shè)計(jì)合適的水庫(kù)泄水量。

2 水庫(kù)的可持續(xù)性

可持續(xù)發(fā)展的基本概念是以保護(hù)自然資源環(huán)境為基礎(chǔ),以激勵(lì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展為條件,以改善和提高人類(lèi)生活質(zhì)量為目標(biāo)的發(fā)展理論和戰(zhàn)略。水庫(kù)泥沙淤積管理的目標(biāo)是盡量減少泥沙淤積對(duì)水庫(kù)可用性的不利影響[5]。水庫(kù)的可持續(xù)性應(yīng)該平衡整個(gè)水庫(kù)的泥沙流入和流出,同時(shí)最大化長(zhǎng)期利益。如果對(duì)水庫(kù)群進(jìn)行單一的泥沙管理,那么這種去除泥沙的方法是廉價(jià)的[6]。該方法包括了減少泥沙流入、增加泥沙排放或針對(duì)粗沙和細(xì)沙綜合采取不同方法的策略。因此,如何在有限的預(yù)算下對(duì)水庫(kù)進(jìn)行適當(dāng)維護(hù)和可持續(xù)管理,以及從技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上探討流域內(nèi)多水庫(kù)泥沙協(xié)調(diào)管理的對(duì)策就顯得尤為重要。如圖2 所示,通過(guò)提供有效的水庫(kù)泥沙管理系統(tǒng),整合不同的泥沙管理方法,可以延長(zhǎng)水庫(kù)壽命。

圖2 延長(zhǎng)水庫(kù)使用壽命的過(guò)程

在可調(diào)節(jié)和自由流動(dòng)的河流中,泥沙流動(dòng)和形態(tài)動(dòng)力學(xué)的綜合模型是很重要的。如圖2 所示,基于不同的模型,提供有效的水庫(kù)泥沙管理系統(tǒng),可以延長(zhǎng)水庫(kù)壽命。

水庫(kù)的壽命需要用幾千年的時(shí)間來(lái)衡量,這就需要新的成本和效益分析方法?；谶@些原因,開(kāi)發(fā)新技術(shù)來(lái)清除細(xì)沙和粗沙以保持水庫(kù)的功能性,同時(shí)對(duì)相關(guān)景觀進(jìn)行生態(tài)修復(fù),可以使所有類(lèi)型的水庫(kù)都具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

3 泥沙控制策略

控制水庫(kù)沉積實(shí)際上就是控制水庫(kù)內(nèi)的泥沙沉積。它包括三種基本策略:（1）減少產(chǎn)沙量：應(yīng)用侵蝕控制技術(shù)來(lái)減少支流集水區(qū)的泥沙量。（2）泥沙輸送：通過(guò)部分泄水和釋放濁度等技術(shù),使流入水庫(kù)的泥沙繞過(guò)或通過(guò)水庫(kù),以免在水庫(kù)內(nèi)堆積。（3）清除泥沙：用機(jī)械或水力技術(shù),通過(guò)水位下降來(lái)清除積聚的泥沙。

其中減少輸沙量主要有兩種方法:一是采取控制全流域輸沙的策略,包括修建防沙壩；二是采取在水庫(kù)末端修建淤地壩強(qiáng)行截留泥沙的策略。在攔沙技術(shù)中,在水庫(kù)末端修建一個(gè)低壩來(lái)沉積輸沙,主要用于粒徑較粗的推移質(zhì)。除汛期外,可在陸地挖掘堆積的泥沙,清除后的泥沙可作為混凝土骨料進(jìn)行有效利用。

3.1 泥沙補(bǔ)給技術(shù)：泥沙體積和顆粒大小

目前,通常采用挖掘疏通的方式清除堆積的粗顆粒泥沙,并對(duì)清除的泥沙進(jìn)行有效利用。泥沙補(bǔ)給法是進(jìn)行泥沙管理的新措施之一,這種方法需要對(duì)截留的泥沙進(jìn)行定期挖掘,然后運(yùn)輸?shù)酱髩蜗掠闻R時(shí)放置。該方法在某種程度上依賴(lài)于河道的輸沙能力和環(huán)境條件。其過(guò)程包括4個(gè)步驟:（1）機(jī)械抽取淤地壩堆積泥沙；（2）用卡車(chē)運(yùn)輸至下游河流；（3）以特定形狀放置泥沙；（4）監(jiān)測(cè)水流、泥沙等參數(shù)。

泥沙補(bǔ)給量及其粒徑對(duì)于建立和維持自然棲息地,水生環(huán)境和河岸生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是十分重要的。圖3顯示了水庫(kù)的年沉積物的補(bǔ)給量與年水庫(kù)沉積量之間的關(guān)系。其中泥沙沉積物補(bǔ)給的百分比非常有限,僅為每年水庫(kù)泥沙的0.1%~10%。圖4顯示了補(bǔ)充泥沙的粒徑分布,由于從水庫(kù)取出泥沙的位置不同,每個(gè)水庫(kù)的泥沙粒徑分布并不相同。

圖3 不同地區(qū)水庫(kù)年沉積量與補(bǔ)給量之間的關(guān)系

圖4 不同地區(qū)泥沙補(bǔ)充量的粒徑分布

3.2 泥沙補(bǔ)給試驗(yàn)的實(shí)例研究

本文在二壩水庫(kù)進(jìn)行了多次不同泥沙量的泥沙補(bǔ)充項(xiàng)目試驗(yàn)。分析這些項(xiàng)目的數(shù)據(jù)有助于理解水庫(kù)中泥沙的演變。具體來(lái)說(shuō),需要從泥沙補(bǔ)給歷史、水壩流量和沉積物特征進(jìn)行分析。每次沉積的泥沙量需要限制在幾百立方米以?xún)?nèi)。在實(shí)施這一方法時(shí),必須考慮到下游流域的環(huán)境問(wèn)題,即渾水的出現(xiàn)以及河道泥沙淤積所帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知二壩水庫(kù)下游河道每年需要增加的沉積物補(bǔ)給量；補(bǔ)充的沉積物可以降低正常流量期間的河流渾濁度；調(diào)整泥沙頂部的高度,使泥沙在每年的幾次洪水期間可以被完全淹沒(méi),所有泥沙最終會(huì)被輸送到下游（圖5）。

圖5 泥沙輸送示意圖

通過(guò)監(jiān)測(cè)二壩水庫(kù)下游河床地形和泥沙粒度分布的演變,以及水面、流速和輸沙率,可發(fā)現(xiàn)該處流域暴雨期間的洪峰流量為81 m3/s。當(dāng)流量超過(guò)8 m3/s時(shí),河床開(kāi)始侵蝕,并可通過(guò)水流帶走約40 m3的沉積物。利用衛(wèi)星圖像和航空照片,在大壩下方1km處對(duì)河道、島嶼、大壩和植被區(qū)域進(jìn)行識(shí)別和區(qū)分?；谏鲜霾僮?可以發(fā)現(xiàn)大壩下游距大壩150 m處,河道結(jié)構(gòu)變化最大。泥沙補(bǔ)給過(guò)程可以有效恢復(fù)推移質(zhì)輸移和恢復(fù)棲息地的生態(tài)環(huán)境。此外,還發(fā)現(xiàn)在距離大壩600 m距離處,形成了一個(gè)全新的沙壩?；诂F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),這些過(guò)程是直接可見(jiàn)的,并可將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證數(shù)值模型。

4 泥沙管理技術(shù)的合理選擇

一般來(lái)說(shuō),泥沙管理策略的流程為：首先,我們必須選擇優(yōu)先級(jí)較高的水壩進(jìn)行泥沙管理。并考慮這些水壩的設(shè)計(jì)生命周期來(lái)計(jì)算投資成本和效益。根據(jù)過(guò)去的水庫(kù)淤積記錄,我們可以估計(jì)未來(lái)的預(yù)期泥沙流入量。在這里,采用考慮極端洪水事件的隨機(jī)方法來(lái)評(píng)估長(zhǎng)期產(chǎn)沙量和輸沙過(guò)程。之后,我們應(yīng)該考慮平行研究,一是設(shè)計(jì)維持大壩原有功能所需的庫(kù)容和實(shí)現(xiàn)大壩功能所需的輸沙量。二是設(shè)計(jì)良好的河流環(huán)境,設(shè)計(jì)必要的輸沙量和粒徑。最后,應(yīng)該結(jié)合這兩個(gè)需要,并選取合理的方案從大壩排放泥沙。如果不存在合適的場(chǎng)景,應(yīng)該回到開(kāi)始,重復(fù)該流程。根據(jù)提出的方案,可以從幾個(gè)可能的方案中選擇最佳的泥沙管理措施,如水庫(kù)沖洗、泥沙補(bǔ)給等。

選定的泥沙管理措施應(yīng)通過(guò)效益/成本分析進(jìn)行評(píng)估,如果項(xiàng)目在經(jīng)濟(jì)上不可行,我們應(yīng)從總體規(guī)劃階段開(kāi)始修改項(xiàng)目。水庫(kù)泥沙管理是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程,不僅影響水庫(kù)的可持續(xù)性,而且影響下游河流的生態(tài)。因此,我們應(yīng)該在適應(yīng)性管理理念下,通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè),逐步實(shí)施完成該策略。

5 結(jié)論

在泥沙管理中,必須根據(jù)水文、水質(zhì)、河流形態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)等資料,找出滿足各種功能要求的水流泥沙組合。此外,在覆蓋流域和沿海地區(qū)的輸沙演變過(guò)程中,還應(yīng)考慮綜合泥沙管理方法。由于合適的泥沙補(bǔ)給量和粒徑是設(shè)計(jì)有效泥沙管理策略的關(guān)鍵影響因素,因此這些數(shù)值應(yīng)從水庫(kù)可持續(xù)性和改善下游生態(tài)兩個(gè)角度來(lái)確定。二壩水庫(kù)泥沙補(bǔ)充試驗(yàn)研究屬于多功能大壩泥沙綜合治理?；诖?本文研究了如何維持水庫(kù)的功能,以及如何通過(guò)協(xié)調(diào)運(yùn)作來(lái)改善河流環(huán)境。通過(guò)分析,發(fā)現(xiàn)泥沙補(bǔ)充方法中的泥沙可以是適合魚(yú)類(lèi)棲息的沙子,這有利于人與其他生物的和諧相處。本文后續(xù)的研究方向主要是找出泥沙幾何形狀、體積和補(bǔ)充頻率與大壩下方生態(tài)環(huán)境之間的關(guān)系。