流域全局視角下多沙河流水庫庫容再生技術(shù)新探索

關(guān)鍵詞：多沙河流；庫容再生；水力清淤；工程措施及裝備；全局視角

中圖分類號：ＴＶ６２；ＴＶ８５１ 文獻標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０９．００５

引用格式：謝遵黨，唐梅英，曹智偉，等．流域全局視角下多沙河流水庫庫容再生技術(shù)新探索［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（９）：３２－３６，４１．

０引言

水庫是流域防洪工程體系的重要組成部分，是國家水網(wǎng)重要節(jié)點，是保障國家水安全的重要基礎(chǔ)設(shè)施，事關(guān)工程、防洪和供水安全。我國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，現(xiàn)有近１０萬座庫容１０ 萬ｍ^３ 以上的水庫，總庫容９ ３２３．１３ 億ｍ^３，水庫在防洪減災(zāi)和區(qū)域水資源配置等方面發(fā)揮著不可替代的作用。但我國水庫絕大多數(shù)存在不同程度的淤積，尤其是修建在多沙河流上的水庫，淤積問題更加突出，我國水庫平均淤損率１１．２８％，其中黃河流域水庫淤損最為嚴重，淤損率高達３７％［１］ 。黃河干流瑪曲至花園口河段已建梯級水庫３１ 座，根據(jù)已收集到１３座水庫的淤積數(shù)據(jù)，累計淤積約１００ 億ｍ^３。１９６０年９月建成運行并在１９６８ 年８月和１９７１ 年１０ 月兩次改建的三門峽水庫在非汛期運用水位３１８ ｍ 以下可調(diào)庫容約為６ 億ｍ^３，汛期運用水位３０５ｍ 以下可調(diào)庫容僅為０．５ 億ｍ^３，累計淤損庫容２５．１１ 億ｍ^３；１９６９年投產(chǎn)的劉家峽水庫，截至２０１８年１０月，累計淤損庫容１７．０７億ｍ^３；２００３年投產(chǎn)的萬家寨水庫，２０１８年５月測得９８０ ｍ 高程以下庫容為４．２億ｍ^３，截至２０２２年１０月累計淤損庫容３．１７２ 億ｍ/J3KEVmrM4gadFXwo4BC6hUzI1EtyAla5SwOyDFSSqo=^３；２０００ 年投產(chǎn)的小浪底水庫，２０２２年底２７５ｍ 高程以下庫容降至９３億ｍ^３，整體淤積量達到３５ 億ｍ^３；２０１０年投產(chǎn)的班多水電站，設(shè)計庫容１５３４萬ｍ^３，截至２０２２ 年僅剩５９８ 萬ｍ^３，累計淤損庫容９３６萬ｍ^３。

水庫的修建改變了天然河流的自流特征，蓄水運用后庫區(qū)水流減緩，導(dǎo)致水流挾沙能力降低，其挾帶的泥沙在庫區(qū)落淤減小庫容，尤其在高含沙河流水庫，大量泥沙淤積嚴重侵占興利庫容，直接影響水庫在防洪、供水及發(fā)電等方面的綜合效益［２］ ；同時，水庫淤積也會導(dǎo)致上游支流水位抬升，加大上游區(qū)域防洪壓力。一方面，近年來極端天氣頻發(fā)，抵御超標(biāo)準(zhǔn)洪水和大旱時期保供水等需求愈發(fā)強烈，已建水庫庫容淤損給水庫調(diào)度運用及設(shè)計功能的發(fā)揮帶來的挑戰(zhàn)更加嚴峻；另一方面，新建水庫可供選擇的優(yōu)良壩址資源越來越少，且常面臨建設(shè)周期長、生態(tài)環(huán)境制約多、移民投資大等不利因素［３］ 。綜上所述，為確保已建水庫長久穩(wěn)定發(fā)揮其設(shè)計效益，探索已淤損庫容高效經(jīng)濟再生技術(shù)異常迫切且必要。多沙河流水庫庫容再生技術(shù)是恢復(fù)水庫興利庫容、確保設(shè)計功能正常發(fā)揮、提高流域水資源調(diào)配能力、增強水沙調(diào)控動力的重要舉措，同時也能夠為完善已建水庫，尤其是黃河流域大型水庫的治理體系提供技術(shù)支撐，并為擬建水庫的排沙減淤設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

目前，水庫泥沙淤積與淤損庫容再生等問題已引起國家相關(guān)部門的高度重視。２０２１年１０ 月８ 日，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要》中提出：“科學(xué)把握泥沙含量合理區(qū)間和中長期水沙調(diào)控總體思路，采取‘?dāng)r、調(diào)、排、放、挖’綜合處理泥沙。” ２０２２年１ 月１２日，水利部發(fā)布的《“十四五”水安全保障規(guī)劃》中提出：“推進有條件的水庫實施清淤疏?；蚣痈邤U容，提升工程效益的整體發(fā)揮。”２０２３年４ 月１ 日頒布的《中華人民共和國黃河保護法》中提出：“實施重點水庫和河段清淤疏浚、灘區(qū)放淤，提高河道行洪輸沙能力，塑造河道主槽，維持河勢穩(wěn)定，保障防洪安全?！保玻埃玻衬辏保痹拢玻溉眨坎縿?wù)會議指出：“要科學(xué)推進水庫減淤和清淤工作，持續(xù)保障水庫調(diào)節(jié)庫容和調(diào)節(jié)功能。”上述法規(guī)文件等為多沙河流水庫庫容再生技術(shù)的探索提供了政策保障。

當(dāng)前，機械清淤成本高，清出泥沙的堆存、利用數(shù)量有限，很難解決數(shù)億立方米級的庫容淤損問題。雖然調(diào)水調(diào)沙技術(shù)在大量排沙入海的同時做到了減淤塑槽，但是對淤積在庫區(qū)、河道寬灘區(qū)的泥沙仍無能為力。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上［４－１８］ ，從流域全局統(tǒng)籌考慮，進一步提出將庫區(qū)寬灘淤沙“沖淤過槽、驅(qū)沙入?！钡亩嗌澈恿魉畮鞄烊菰偕聵?gòu)想，即在水力清淤技術(shù)的基礎(chǔ)上，探索借助工程措施及模塊化裝配式的裝備分隔控導(dǎo)庫區(qū)水流，增強水流自身動力和挾沙能力，實施沖淤過槽和灘槽協(xié)同治理，將高灘淤沙沖入主槽和壩前排沙漏斗，通過調(diào)水調(diào)沙帶出水庫，最終實現(xiàn)驅(qū)沙入海的目標(biāo)，為系統(tǒng)解決多沙河流已建水庫淤積難題和擬建水庫沖淤設(shè)計提供理論和技術(shù)支撐。

１清淤措施現(xiàn)狀

我國絕大多數(shù)水庫修建于２０ 世紀(jì)５０ 至７０ 年代，設(shè)計時未充分考慮水庫淤積問題且大多數(shù)河流泥沙含量較高，導(dǎo)致水庫淤積問題嚴重［１９］ 。目前，水庫淤積治理思路主要集中在如何抑增量和去存量方面，抑增量重點在減少上游的產(chǎn)沙量與中游的入庫沙量，去存量重點在下游水庫及河道淤積治理。在流域上游實施水利水保措施防治水土流失，如黃河上中游地區(qū)大量建造的淤地壩［２０－２２］ 、生態(tài)護岸、退耕還林還草等工程［２３］ ，顯著減少了黃土高原地區(qū)的產(chǎn)沙量，此外，通過修建排沙隧洞等方式繞庫排沙，以減少水庫淤積［２４］ 。在流域下游通過水庫清淤解決泥沙淤積問題，通常采用水力清淤與機械清淤兩種方式：水力清淤包括異重流排沙和通過空庫或降低水位迎洪實現(xiàn)滯洪沖沙及水力沖沙；機械清淤根據(jù)是否涉水作業(yè)，分為空庫干挖和疏浚清淤，其中疏浚清淤依據(jù)動力方式可分為機械式、虹吸式及氣力式等［２５］ 。

１．１水力清淤

水力清淤主要是借助水力作用達到清除淤沙的目的，與水庫的地形特征、淤積情勢、清淤時機、調(diào)度運用方式等關(guān)系密切。常用的水力清淤措施主要有以下幾種。

１）異重流排沙。異重流是兩種或兩種以上密度接近的流體在接觸時，因密度差異而產(chǎn)生的一種相對運動。當(dāng)洪水挾帶大量泥沙入庫后，渾水就會潛入庫底形成異重流，而渾水異重流的密度高于周圍水體，在密度差的作用下開始向壩前運動，根據(jù)其運動特征及時打開水庫泄洪排沙底孔閘門，即可將高含沙水體排出庫外，達到清除壩前庫區(qū)淤沙的目的［２６－２８］ 。異重流排沙是水庫清淤措施中有效且經(jīng)濟的一種措施，其特點是挾沙能力強、可連續(xù)輸送泥沙，適用于回水短、坡降大的中小型水庫及常年蓄水運行、沒有降低水位排沙條件的水庫。異重流排沙在劉家峽、三門峽、小浪底、官廳水庫等工程中得到了普遍應(yīng)用。

２）滯洪排沙。滯洪排沙是指在汛期利用低水位或空庫運行提高水流流速，高速水流在泥沙淤積前將細顆粒泥沙排出水庫的一種排沙方式。汛期對多沙河流的水庫實施滯洪排沙，有效減少庫內(nèi)泥沙淤積，是國內(nèi)外普遍運用的水庫減淤措施。實施滯洪排沙時，洪水初期排沙效率最高，但該方式棄水量大，應(yīng)盡可能地將滯洪排沙過程與下游水資源利用結(jié)合起來。

３）水力沖沙。水力沖沙是利用自然或人工水力條件擾動庫內(nèi)淤沙并排出水庫的清淤方式，主要包括泄空沖沙和橫向沖蝕［２９－３０］兩種方式。泄空沖沙利用水庫泄空過程形成的沿程沖刷和溯源沖刷帶走淤積在水庫中的泥沙，其優(yōu)點是汛期水沙集中、排沙效果好，缺點是適用范圍窄且耗水量大、僅適用于季調(diào)節(jié)利用的水庫；橫向沖蝕是指在水庫兩側(cè)適當(dāng)高程開挖高渠，或利用灘槽高差開挖小溝槽，引入上游水流，依靠水流的水力沖刷和重力侵蝕作用對淤沙進行剝離和輸移，適用于水資源相對匱乏的中小型水庫。

１．２機械清淤

１）空庫干挖。空庫干挖是指在非汛期低水位或空庫運行時采用挖掘機械對水庫淤積物進行清理的一種措施，其優(yōu)點是耗水量小、清淤量可控、清淤徹底，缺點是清淤作業(yè)期間，水庫必須停止運行，清淤成本高且僅適用于小型水庫。

２）疏浚清淤。疏浚清淤依據(jù)動力方式可分為機械式（絞吸式、鏟斗式、抓斗式、斗輪式、反鏟式）、虹吸式及氣力式等，其特點是耗水量小、機動性強、受水庫調(diào)度的影響小，但成本較高。機械式效率高、適應(yīng)性較強，但清淤量存在限制，且需解決泥沙處置占地及耗能問題；虹吸式利用水庫上下游水位差產(chǎn)生的虹吸作用進行清淤，適用于壩前小規(guī)模清淤，具有成本低、設(shè)備可拆卸、易運輸?shù)葍?yōu)點，缺點是管道易阻塞且清淤范圍有限；氣力式利用氣力提升庫底淤沙，但效率低、適用范圍小。

２庫容再生新策略及技術(shù)

２．１庫容再生新策略

水力清淤的時機有限、棄水量大，機械清淤的上岸淤沙消納能力不足，因此常用的兩種清淤方式均不能完全滿足多沙河流水庫海量淤沙的清淤需求。鑒于此，從全局治理多沙河流水庫淤積的角度出發(fā)，提出“沖淤過槽、驅(qū)沙入?！钡挠俜e水庫治理策略，在水力清淤和機械清淤的基礎(chǔ)上，結(jié)合多沙河流水庫淤積的實際情況，合理布設(shè)工程措施及裝備，提高水流自身的挾沙能力，將庫區(qū)河道淤沙經(jīng)下游河道輸送至大海，不僅可解決多沙河流水庫大量淤沙的歸宿問題，而且可有效改善河口三角洲的蝕退現(xiàn)狀。

只有充分利用水流自身的能量和挾沙能力，才能降低清淤成本，消納海量淤沙，進而確保多沙河流淤沙的可持續(xù)處理。“沖淤過槽、驅(qū)沙入?！钡暮诵乃枷胧墙栌霉こ檀胧┘把b備充分激發(fā)水流自身的挾沙潛力，最大限度利用水流自身能量，將出庫淤沙經(jīng)由河道主槽這個穩(wěn)定的輸沙通道，接力輸送至大海?！皼_淤過槽、驅(qū)沙入海”技術(shù)體系的工程布置示意詳見圖１（圖中：１為兩岸灘地，２為河道主槽，３、４為清淤工程裝備，下同）。

２．２庫容再生新技術(shù)

２．２．１沖淤過槽

基于束水攻沙與橫向沖蝕原理，利用水沙流動規(guī)律，輔以清淤工程裝備增加水流沖擊動能，改變水流沖擊方向，將灘地淤積泥沙沖至主槽和沖沙漏斗中，實現(xiàn)寬灘區(qū)淤損庫容的再生。圖２ 所示的是立軸雙向旋轉(zhuǎn)閘門裝置，其作用是根據(jù)來水流量，控制過水面積、束水攻沙，提高水流流速，調(diào)整出流方向，將灘地淤沙沖刷到主河槽并輸送到下游，恢復(fù)淤損庫容。圖３ 是針對近壩庫區(qū)灘地開發(fā)的清淤工程裝備，即浮箱式多排流道灘槽沖淤裝置，此裝置通過充放水實現(xiàn)下沉和上浮并通過內(nèi)置閥門調(diào)節(jié)過流面積和過流位置，將寬灘淤沙沖到下游。小水時進入主槽或排沙漏斗的泥沙，即使暫時淤積也能通過水庫調(diào)水調(diào)沙排出庫外。實現(xiàn)寬灘束水攻沙方式的類似工程措施還有多種，通過這種方式可將河道及水庫寬灘區(qū)淤沙排到下游，再借助河流挾沙能力將泥沙輸送至入?？凇?/p>

２．２．２驅(qū)沙入海

驅(qū)沙入海的核心是充分借助水流自身能量，同時輔以工程措施將壩前庫區(qū)及河道淤沙輸送至大海，也是以最低代價、最大容量、最可持續(xù)消納海量淤沙的最有效途徑。以黃河流域為例進行闡述，２００２—２０２３年小浪底共計調(diào)水調(diào)沙２６ 次，利津站多年平均來水量１７２．３２ 億ｍ^３，累計輸沙入海３２．５ 億ｔ，可知黃河下游河道具有較強驅(qū)沙能力［３１］ ；同時，根據(jù)不同方法，預(yù)估黃河流域２０５０水平年來沙量為８ 億ｔ 左右（不同科研團隊預(yù)測黃河未來來沙量預(yù)測為３ 億～１１ 億ｔ）［３２－３４］，黃河流域天然來沙量明顯減少，在入海水量減幅不大的情況下，河道水流仍蘊含巨大的挾沙潛力。

入?？诟浇０毒€的蝕退和淤進與陸域來沙量直接相關(guān)，黃河口陸域來水來沙是海岸造陸的基礎(chǔ)，來水來沙量越大，造陸面積越大，而黃河口海岸的蝕退將直接造成國土資源流失、生態(tài)環(huán)境惡化，嚴重威脅黃河三角洲的可持續(xù)發(fā)展，必須加以控制［３５］ 。自１９７６ 年黃河行水清水溝后，神仙溝—刁口河流路因缺少泥沙補給，故其海岸線處于蝕退狀態(tài)，其中１９７６—１９９６ 年快速蝕退，年平均蝕退９．０３ ｋｍ^２，刁口河流路范圍陸地面積由１９７６ 年１ １５９ ｋｍ^２ 蝕退至２０２０ 年的９０９ ｋｍ^２，減少２５０ ｋｍ^２；１９９６ 年清８ 改汊前陸向來沙充足，入?？诟浇０毒€呈向海淤進趨勢，２０１５—２０１７年來沙量極少，海岸線則明顯蝕退［３６］ 。隨著黃河沙量減少，黃河口海岸蝕退存在直接造成國土資源流失的風(fēng)險，驅(qū)沙入海一定程度上能夠抑制黃河口海岸線蝕退，有利于海岸造陸發(fā)育［３７］ 。綜上，黃河中下游河道水流具有驅(qū)沙入海的潛能，黃河河口具有容沙造陸的需求，多沙河流水庫“沖淤過槽、驅(qū)沙入?！睅烊菰偕虏呗跃哂休^強的科學(xué)研究價值與工程實踐需求。

３ 清淤工程裝備的研發(fā)

為提高現(xiàn)有水力清淤技術(shù)的清淤質(zhì)量和效率，基于低投資、易施工、重復(fù)利用、便維護的原則，提出了采用模塊化裝配式結(jié)構(gòu)的清淤工程裝備來配合水力清淤技術(shù)的新策略。為實現(xiàn)沖淤過槽、灘槽同治、驅(qū)沙入海的目標(biāo)，目前針對性地研發(fā)了立軸雙向旋轉(zhuǎn)閘門裝置［３８］ 和浮箱式多排流道灘槽沖淤裝置［３９］ 。

３．１立軸雙向旋轉(zhuǎn)閘門裝置

基于束水攻沙原理，將裝配式立軸雙向旋轉(zhuǎn)閘門（見圖４）采用船舶運輸?shù)綆靺^(qū)上游河道適當(dāng)位置后再安裝，通過雙向旋轉(zhuǎn)閘門結(jié)構(gòu)可增大水流勢能，亦可改變水流沖擊方向，再采用高能量水流對新淤泥沙進行沖擊，即可將淤積在主槽附近的淤沙（見圖５，其中ＡＢＣＤ 為河道穩(wěn)定主槽，ＡＢＦ和ＤＣＥ為新淤沙部分）及主槽內(nèi)的淤沙沖到下游，最后再借助河道主槽水流自身的挾沙能力將沖起的淤沙逐級帶到下游，直至入海。

３．２浮箱式多排流道灘槽沖淤裝置

基于束水攻沙原理，研發(fā)了一種浮箱式多排流道灘槽沖淤裝置（見圖６），該裝置主要包括浮箱結(jié)構(gòu)、多排閘門結(jié)構(gòu)、啟閉設(shè)備、錨固結(jié)構(gòu)、過水流道、充排水設(shè)備等。首先，將該浮箱式多排流道灘槽沖淤裝置放置在河道適宜位置；然后，采用錨鏈對其固定，一方面通過縮小過水?dāng)嗝婷娣e、增大河道斷面底層的流速，使河道淤沙起動，另一方面通過控制閘門結(jié)構(gòu)，依次開啟或關(guān)閉垂直水流方向的豎排閘門結(jié)構(gòu)，進而達到改變整個過流斷面水流方向及增大水流能量的目的，在高能量水流作用下將河道斷面及其下游一定范圍內(nèi)的淤沙沖到主槽；最后，同樣借助河道主槽水流自身的挾沙能力將淤沙逐級帶到下游，直至入海。沖淤后河道斷面如圖７ 所示，圖７ 中ＡＢＣＤ為沖淤前河道穩(wěn)定主槽，ＦＧＨＥ為沖淤后河道主槽，通過增大壩前庫區(qū)河道主槽的槽庫容，達到增加水庫興利庫容的目的。

４結(jié)束語

“沖淤過槽、驅(qū)沙入海”為系統(tǒng)性解決多沙河流水庫庫容淤損問題提供了方案，但面臨技術(shù)復(fù)雜、環(huán)境風(fēng)險等挑戰(zhàn)，需要水利、生態(tài)、交通等部門緊密合作。在實際應(yīng)用中，必須綜合考慮工程技術(shù)、生態(tài)保護和政策支持等因素，確保庫容再生策略的經(jīng)濟性與可持續(xù)性。未來工作重點是構(gòu)建工程措施與水力共同作用的清淤技術(shù)體系，基于多沙河流水庫及河道的淤積規(guī)律，借鑒前人的研究成果，采用理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗等方法，聯(lián)合相關(guān)單位共同研發(fā)清淤工程措施及裝備。

基于“沖淤過槽、驅(qū)沙入?！崩砟畹膭?chuàng)新庫容再生技術(shù)體系將為黃河流域的生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。首先，應(yīng)用前景方面，庫容再生技術(shù)能夠快速有效地恢復(fù)多沙河流水庫的有效庫容，充分發(fā)揮水庫設(shè)計時的防洪能力、供水保障能力并提高發(fā)電效益。其次，社會效益方面，庫容再生技術(shù)體系能夠破解桃花峪水庫論證最為核心的工程制約，并“一攬子”置換北金堤滯洪區(qū)和伊洛夾灘、溫孟灘等相關(guān)灘區(qū)的滯洪庫容，避免因啟用蓄滯洪區(qū)而付出巨大代價，能夠獲取寶貴的國土資源空間與社會經(jīng)濟發(fā)展空間。最后，生態(tài)效益方面，庫容再生技術(shù)可以提升水流挾沙能力，節(jié)約輸沙用水；通過驅(qū)沙入海補給河口三角洲泥沙資源，減緩入?？谖g退，抑制海水倒灌，維持三角洲生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展。