1 引言

我國大多數河流都存在含沙量高、輸沙量大的特點,其中七大江河的年輸沙量高達23億t;而長江的含沙量雖然不算高,僅0.54kg/m3,但由于年徑流量較大,年沙量也近5億t[1].在這些河流上修建擋水建筑物形成水庫后,導致庫區水位抬高,流速減小,從而使水流攜帶的泥沙被淤積在庫區,大幅度減少有效庫容量,增加水庫運行難度,影響經濟效益.為減少庫區泥沙淤積的不利影響,國內相關專家學者針對不同類型的水庫,提出了具有建設性的治理措施.

2 水庫泥沙淤積機制及影響

水庫泥沙淤積主要是河水挾帶的泥沙在水庫回水末端至擋水建筑物之間庫區的堆積.攔河筑壩后抬高了河流的水位,形成了在建筑物前近似水平、在上游末端與天然河流原水面線相切的水面曲線.水流進入庫區后,由于水深沿流程而增加,水面坡度和流速沿流程減小,因而水流挾沙能力沿流程而逐漸降低,出現泥沙淤積[2].水庫淤積是水庫設計和管理中的一個難題.在河道上興建水庫會改變河流的水流條件和泥沙運動狀態,使泥沙在水庫庫區內較快地淤積,占用水庫的庫容,從而降低水庫的使用效益,甚至導致水庫失效報廢.

其次,水庫的回水變動區將由于泥沙淤積,很容易形成三角洲淤積,抬高河床河床高程,堵塞航道,使得河流通航能力降低.回水區內的三角洲可能減少過河橋下的凈高,甚至在枯水季時造成通航困難.上游河段河水的含沙量越高,水庫水位的變幅就越大,水庫回水區內形成的三角洲也就越大,對航運的影響也就越嚴重[3].所以,設計水庫回水區內的新建橋梁時,應考慮水庫的調度運行方式及河道的可能淤高,減小泥沙淤積對航運條簡單的影響.水庫淤積還會減少水庫的有效庫容,從而使水電站的發電能力降低.如果淤積形成的三角洲在大壩附近,還可能阻礙水流進入發電機,并增加進入發電機的泥沙.當泥沙粒徑大于零點二五毫米時,會磨損渦輪機葉片和閥門座槽,大大降低其使用壽命[4].因此只有合理選擇沖沙時機,制定和實施恰當的沖沙調度方案,才能較好地解決沖沙與發電之間爭水的矛盾,增加水庫使用壽命,從而最大的發揮工程效益.所以對水庫泥沙淤積及沖沙調度的研究具有重要的現實意義.

3 國內水庫泥沙治理研究現狀

我國早期修建的水庫,由于對水庫排沙問題的考慮相對較少,造成的水庫淤積現象特別嚴重.為了減緩水庫的淤積速度,延長水庫的使用壽命，大部分水庫都進行改造,對水庫調度方式也進行改進和優化.例如三門峽水庫,由于泥沙淤積非常嚴重,為了擴大泄流排沙規模曾進行過兩次大改建.姜乃森等對紅山水庫淤積進行研究認為,即便采用泄空沖刷,效果也極為有限,主要原因就是現有泄流設施 不能滿足 排 沙 的 需 要.楊 方 社 等（2003）對新橋水庫淤積的研究分析指出,水庫泥沙設計的關鍵是泄流排沙措施的布置.

由此可見,泄流排沙措施作為水庫設計的重要內容,是不容忽視的.除了排沙設施外,合理的水庫調度和排沙方式對水庫運行期間的淤積控制也是很有效的.張振秋等對以禮河水庫沖刷的研究表明,這種方式能有效的治理水庫泥沙淤積,但卻以消耗水庫大量的清水為代價,嚴重影響了水庫發電效益.黃委會蘭州總站等對巴嘴水庫在不同運行調度方式下的排沙效果進行分析,得出在采用蓄水運用、治洪運行和出現灘槽時排沙比分別為14.9%、52.0%和91.5%,說明在庫區初步形成高灘深槽對增加水庫排沙比、減少淤積具有非常重要的意義.隨著在對水庫淤積研究的深入,我國科研工作者利用水庫淤積和排沙規律摸索出來的蓄清排渾的治理方式,可以使得水庫淤積大大減緩的有效運行模式,其中較為典型的主要有鬧德海、紅領巾、恒山等水庫的研究[5].現階段,我國修建的大中型水庫都汲取了以往水庫運行的經驗教訓,從水庫的長期使用出發,采用蓄清排渾的治理方式.

為更好地發揮水庫的經濟效益和減少泥沙淤積,以及回水上延,在綜合考慮了防洪、發電和航運的影響的基礎上,研究分析泥沙淤積對不同運行方式下對水庫影響的側重點,進一步優化蓄清排渾方式,主要集中在對特征水位和特征水位部分變動的研究.例如童思陳采用一維不平衡泥沙數學模型,以溪洛渡水庫為例,從汛后蓄水時間和汛期限制水位兩個方面對水庫淤積過程、三角洲推進、橫斷面發展和排沙比變化等淤積特性的影響進行分析,總結了其中表現出來的規律[6].

4 國內水庫排沙治理措施案例

我國自20世紀50年代以來,先后在黃河、長江流域興建了許多水庫,水庫排沙治理問題一直備受關注,為此,針對問題較為嚴重的一些水庫,通過大量的研究實踐,提出了相應的治理措施.

4.1小浪底水庫

小浪底水庫的調水調沙過程可劃分為兩個階段:

第一階段為小浪底水庫清水下泄階段,降低水庫蓄水量,放水造峰,可以對下游河道進行沖刷;第二階段為小浪底水庫排沙出庫階段,由于含沙量較大,會形成異重流,排出水庫中淤積的泥沙.

第一階段的清水下泄,可以沖刷下游河槽,使其形成窄深狀,加大河道過水面面積,恢復河道排洪能力.而第二階段需要與上游水庫聯合調度.從2010年汛前調水調沙水庫排沙過程（圖1）來看[7],小浪底水庫排沙出現了2個峰值:在三門峽水庫排沙（7月4日19時）之前,小浪底水庫已經開始排沙（7月4日12時5分），含沙量為288kg/m3（7月4日19時12分），說明三門峽水庫泄空時塑造的洪峰在小浪底水庫三角洲附近發生強烈沖刷,形成的高濃度懸沙水流在水庫回水庫段產生異重流并排沙出庫,造成第一個沙峰（7月5日1時）；隨后三門峽水庫排沙形成的高含沙水流所產生的異重流排沙出庫,造成第二個洪峰（7月5日20時）。

由于三門峽水庫蓄水量大,塑造的洪水具有流量大、歷時長的特點,且小浪底水庫三角洲頂點附近的接水位較低,使得三角洲頂坡段發生沿程沖刷及溯源沖刷,故此次水庫排沙比較大。但有學者根據歷年排沙數據以及相關公式推導[8],發現現階段的蓄清排渾方式可以進行優化,改為泥沙多年調節排沙.這種排沙運用方式主要是利用洪水的“漲沖落淤”的特性,充分利用洪水排沙.在枯水年以及平水年內,不進行水庫排沙作業,而在豐水年利用洪水將水庫中淤積的泥沙排出,這樣即可以提高沖刷效率,同時也可以減小排沙用水,增加水庫的經濟效益.

4.2 劉家峽水庫

劉家峽水庫早在1969年已經投入使用,在水庫運行第一階段（1969-1988）水庫單獨運行.由于入庫流量主要集中于汛期,因此在蓄水期期間會產生大量棄水,為該段時間進行異重流排沙以及低水位拉沙提供充足的水量. 1980年,水庫出現沙坎阻水現象,導致壩前水位驟降0.96m.為降低沙坎淤積面高程,劉家峽水庫分別于1981年、1984年、1985年、1988年進行了4次低水位拉沙,低水位拉沙達到預期效果,降低了沙坎預計面高程.但是低水位拉沙會導致大量粗沙過機,對機組造成嚴重磨損,且耗水量過大,故這種方法在1988年以后再未進行.而在水庫運行的第二階段（1989至今）劉家峽水庫和龍羊峽水庫聯合調度運行,龍羊峽水庫水庫攔截了黃河干流泥沙的40%,而劉家峽調整調度方式,采用蓄清排渾的調度原則.為提高排沙效果,劉家峽水庫在距壩1.2km的黃河右岸增建排沙洞,于2015年投入使用.

4.3三峽水庫

長江相對黃河而言,泥沙含量要低得多,故對于三峽水庫而言,排沙任務相對黃河上的水庫較輕.三峽水庫主要是采用蓄清排渾的方式,通過23個低高程、大尺寸的泄洪深孔來排沙.水庫汛期低水位運行時,需要將大量泥沙通過泄洪深洞排出;而汛期末蓄水至高水位,將清水蓄于水庫中,這種蓄清排渾的排沙治理措施效果較好.同時由于長江已經實現了梯級開發,長江上游的溪洛渡水庫可以攔截部分泥沙,又減輕了三峽水庫的排沙壓力.

5 結語與建議

水庫泥沙淤積是水庫運行治理的難題之一,不僅占用了水庫的有效庫容,使水電站的發電能力降低,更是嚴重影響水庫運行安全.根據上述幾個水庫排沙方式的比較,可以得知:雖然針對不同水庫的泥沙淤積都采取了相應的治理措施,并取得了一定的效果,但是我國水庫大多數采用“蓄清排渾”的水庫排沙調度措施,且在水庫的實際運用中起到良好的效果,尤其對于泥沙淤積嚴重的黃河流域,更是起到了關鍵性的作用,從而減輕水庫的淤積量,延長水庫的使用壽命.針對不同類型和地區的水庫,國內眾多科研工作者研究總結和汲取經驗教訓,建議水庫設計、施工和運行期間,結合現場的實際情況,詳細深入地研究相應的排沙治理方案,尤其是“蓄清排渾”排沙方案,從而提出與之相適應的泥沙調度方案,有效地控制水庫泥沙淤積,對水庫運行安全和經濟效益起到積極的重大作用.

參考文獻:

[1]張瑞瑾,謝鑒衡,王明甫,等.河流泥沙動力學[M].北京:水利電力出版社,1989.
[2]姜乃森,傅玲燕.中國的水庫泥沙淤積問題[J].湖泊科學,1997,9（1）：1-8.
[3]黃華忻,趙克玉.陜南山區水庫排沙運用[J].泥沙研究,2000,（1）：77-79.
[4]林秉南.明渠不恒定流的解法和驗證[J].水利學報,1956,（1）：3-16.
[5]姜乃森,傅玲燕.中國的水庫泥沙淤積問題[J].湖泊科學,1997,9（1）：1-8.
[6]張瑞瑾,謝鑒衡,王明甫,等.河流泥沙動力學[M].北京:水利電力出版社,1989.
[7]馬懷寶,張俊華,陳書奎,等.2010年汛前調水調沙小浪底水庫排沙比分析[J].人民黃河,2011,33（9）：1-2,76.
[8]齊璞,曲少軍,孫贊盈.優化小浪底水庫調水調沙運用方式的建議[J].人民黃河,2012,34（1）：5-8.