多沙河流水库泥沙研究展望

郜国明，谈广鸣，李 涛

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072；2.黄河水利科学研究院黄河小浪底研究中心，河南 郑州 450003；3.水利部黄河泥沙重点实验室，河南 郑州 450003）

1 问题的提出

多沙河流水库泥沙问题是水库运用中的主要难题。水库蓄水而必拦沙，从而带来诸多问题。从全球范围来看，水库总库容约7 000亿m3，每年库容损失占全水库库容的0.5%～1.0%。折合45亿m3，相当于每年需要130亿美元造300座大水库才能弥补库容损失。据统计，我国七大江河的年输沙量高达23亿t［1］，中国在最近20年里，大多数水库投入运用后损失了大约19.0%的库容［2］。如长江三峡水库自开始蓄水至2010年底，干流库区共淤积泥沙11.68亿t［3］。黄河小浪底自开始蓄水至2013年底，年均淤积泥沙约2.17亿t［4］。

多沙河流水库中常见的泥沙问题较多，富有代表性的有以下几个方面：①库容损失严重；②回水淤积影响上游的城镇或村庄，支流口门拦门沙影响水库运行；③坝前泥沙淤积影响泄水建筑物的使用；④泥沙淤积影响河道航运。本文主要从水库淤积、水库调度、水库泥沙利用和水库模拟研究等方面对前人研究成果进行分析，对黄河水库泥沙研究提出认识和展望。

2 多沙河流水库泥沙问题现状

2.1 水库淤积

自J.C.Steven［5］于1934年在 ASCE 上发表文章提出“泥沙问题研究 （the Silt problem）”，代表了水库泥沙研究的开始。1950年，Einstein经典论文 《明渠水流泥沙输移的推移质作用》，给研究者提供了一个完整的预测冲积河流床面颗粒运动的理论方法。水库淤积研究包括水库淤积和水库冲刷研究。

2.1.1 水库淤积研究

水库淤积包括水库淤积形态、壅水明流淤积、异重流淤积和浑水水库淤积。①水库悬移质不平衡输沙规律研究方面，以水库悬移质不平衡输沙规律为主线进行研究。文献 ［6］将这种求解的边界条件归纳为6种。除张启舜的成果外［7］，这些结果基本上未在水库淤积中得到应用。②一维不平衡输沙方程研究方面，韩其为针对实际非均匀沙和非均匀流，通过积分二维扩散方程得到了一维非均匀沙不平衡输沙方程［8］，并与已得到的一维不平衡输沙方程的结果完全一致［9］。在积分一维不平衡输沙方程的成果方面还有王静远、朱启贤等的级数解［10］。韩其为、何明民［11］提出了挟沙能力级配及有效床沙级配的概念和详细的表达式，这对非均匀沙的不平衡输沙研究非常重要。后来，李义天等学者对挟沙能力级配概念表示认同，但提出了较为简单的表达式。对一维不平衡输沙方程中的恢复饱和系数α的取值存在一些争议［12］。

2.1.2 水库异重流研究

水库异重流是水库淤积中的重要部分，对水库异重流的潜入条件，韩其为认为需要补充均匀流的条件，即潜入点的水深必须大于异重流正常水深，否则潜入不成功。张俊华针对水库模型相似律的异重流相似条件开展了理论研究，并利用实体模型试验检验［13］；王艳平针对紊流异重流阻力系数开展了理论计算并进行了验证［14］，马怀宝、李书霞等在黄河调水调沙预案编制中开展了大量异重流排沙计算［15］，李涛等针对小浪底水库潜入条件开展了理论探讨［16］。许多文献对于异重流排沙计算、异重流的倒灌及按势流理论对异重流孔口排沙问题也进行了研究。

2.1.3 水库溯源冲刷研究

水库冲刷形式包括以沿程冲刷为主与以溯源冲刷为主2种。溯源冲刷常发生在水库泄空时的坝前以上河段或三角洲前坡以上河段。溯源冲刷主要有2种研究方法：①简化河床变形方程方法，对挟沙能力方程和河床变形方程适当简化后，可将溯源冲刷的纵剖面方程化为二阶常系数热传导 （偏微分）方程。彭润泽等、曹叔尤、巨江等在溯源冲刷机理研究方面也取得了一定的成果［17］。②构造溯源冲刷纵剖面方法，在对冲刷纵剖面进行假设的基础上导出冲刷参数以求出冲刷量的变化等。国外美国斯坦福大学的Hsieh Wen Shen和Robert Janssen建立了冲刷宽度和流量之间的关系。此外在水库排沙、减淤以及恢复库容方面还有大量的研究成果［18］，其中对三门峡水库的排沙研究最多。国外学者有代表性的是Brune和Churchill所做的工作［19］，后来大多数学者在此基础上针对具体水库开展了敏感因素分析［20］。

2.2 水库调度

目前，多沙河流水库调度主要涉及水库减淤调度、水库优化调度、多沙河流水库水沙联合调度和水库生态调度等问题。新近，国外在水库优化调度方法方面进展较大，中国在水库水沙联合调度研究方面取得了较大进展。

2.2.1 水库减淤调度

①以往的减淤调度经验丰富。早期为农业灌溉修建的水库特点一是季节性蓄水，二是枢纽的泄流能力大。若水库容积很大，入库输沙量相对较小，水库可长期使用，如安徽芍陂水库等；若水库容积较小，入库输沙量相对较大，采用季节性、汛后蓄水，可解决泥沙淤积问题，如福建木兰陂水库、印度巴特加水库等。②水库调度影响库区输沙流态。水库运用的结果是水位发生变动，如日调节、季调节水库，如长江鱼子溪一级、二级水电站，南垭河三级水电站，黄河青铜峡水电站 （1976年10月以后）等。敞泄排沙的运行特点是水库按径流调度，尤适用于山区天然河道比降大的水库，如山西恒山水库 （年调节）每隔3～5a丰水期敞泄2个月。利用坝前高水位、挟沙浑水与清水存在密度差，以异重流的形式从水库排沙。如我国黑松林水库（库长3km）、官厅水库、三门峡、美国米德湖等。异重流排沙还得同其他泥沙调度方式相结合，方能达到排沙减淤目的。③ “蓄清排浑”运用方式。我国利用水库淤积和排沙规律，摸索出了一套使水库淤积大大减缓，甚至不再淤积的行之有效的运行模式，即 “蓄清排浑”。其中较典型的有对闹德海、红领巾、黑松林、直峪、恒山等水库的研究。从20世纪60年代开始，唐日长、林一山、韩其为等从理论上阐述了水库长期使用的原理和根据，为三峡、小浪底水库的运用奠定了良好基础。④多沙河流水库群水沙联合调度。现时期的水库水沙调度则是积极主动地改变水库的运行方式，通过水库的调节作用，将不协调的水沙关系调节成协调的水沙关系，同时，又利用最优化原理来解决防洪、排沙和兴利等多方面的矛盾。最新、最有代表性的当属黄河调水调沙生产实践。

2.2.2 优化调度

①单库水库优化调度。水库优化调度的研究最早从20世纪40年代开始，近年来，对策论、存贮论、灰色理论等方法在水库调度中得到了应用。为适应实际需要，多种优化方法的组合模型也得到了较快的发展，并逐渐成为一种主流方向。②梯级水库优化调度。目前对于梯级水库优化调度的研究方法主要有确定性和随机性2种方法，其中对水库优化调度的研究多采用确定性方法。在水库中长期优化调度中，以确定来水为依据，水库初末状态已知，多数以发电效益最大或发电量最大作为目标函数。对于梯级水库水沙联合调节计算有概化的梯级水库水沙联合优化调度研究［21］、梯级水库群水沙联合调节计算［22］和黄河调水调沙过程中进行的梯级水库联合运用研究［23］等。但由于水库调度和泥沙冲淤计算是两个性质不同的系统，并且梯级水库群优化调度和水库泥沙淤积计算均具有各自的复杂性，所以很难将二者系统、紧密、有效的联系起来。

2.2.3 水库生态调度

近年来，“生态调度”在国内学术界及水资源管理部门屡屡被提及，大致包括以下几方面的内容：大型水利工程的生态调度；水库调度要保护河流流域生态系统健康；河流水质的变化也是水库调度必须要考虑的重要问题；水利工程调度的生态准则是保证下游河道的最小生态环境需水量等［24］。

2.3 水库泥沙处理与利用

人类对河流利用程度高，河流发生冲刷；人类对河流开发利用程度低，河流发生淤积［25］。泥沙在影响水库使用寿命方面是一种灾害。而泥沙作为一种多元素、多成分的组合，又可以涵养水源、净化水质、置为材料、哺育万物。从此角度来说，泥沙又是一种可以利用的资源。泥沙变“害”为 “用”，其中关键在于泥沙的处理方法。

2.3.1 泥沙处理技术

国外的水库在设计阶段大多未考虑设置排沙孔，在后期运用中采用机械清淤或者虹吸排沙等人工措施清除淤积，但随着水库使用年限延长，低含沙水库上近年来旁通输沙的处理技术正越来越多被世界各国采用。这类排沙技术的关键点在于上游拦沙堰的分沙效率和廊道的防磨蚀技术。如日本、瑞士、台湾、美国、法国等国家或地区开展了大量的旁侧隧道 （SBPT）排沙实例。法国CNR机构针对Rhone河梯级水电站泥沙管理提出了保护河流环境生态平衡的环境友好型排沙的理念。

2.3.2 泥沙利用研究

多沙河流泥沙特点是数量多、颗粒细、吸附能力强，在河道整治、土壤改良、生态修复、置沙为料等方面，泥沙是一种资源。国外结合河道整治，将河中淤泥在滩面晾3～5d，可收集用来改良土壤。利用泥沙进行的生态修复包括湿地过洪、掩埋或降低有毒土地毒性，以河口 “喂”沙的形式防止岸线侵蚀等。①在基础研究方面，中国水利水电科学研究院开展了流域泥沙配置关键技术研究，给出了泥沙资源的最优配置方案。黄科院开展了射流冲吸式排沙与库区自吸式管道排沙技术可行性研究、水下淤沙采样及探测技术研究等，支撑了水沙运动规律、优化水沙搭配等相关研究。②在泥沙资源利用实践方面，黄河水利科学研究院已开展了黄河泥沙资源化利用前景预测及管理政策研究、利用黄河泥沙制作人工防汛石料关键技术研究、机械化抢险替代材料应急试验研究等工作，同时还在利用黄河泥沙制造砌筑材料、保温材料、装饰材料、耐火材料、防汛材料和工业原材料等方面进行了广泛的探索。

2.4 水库模拟

多沙水库泥沙模拟技术是研究水库泥沙运动的重要手段之一，主要包括水槽试验、实体模型试验和泥沙数学模型。它们既相互独立，又相辅相成。前两者可为数学模型提供物理参数，而后者可为前两者提供方案比选等技术支撑。

2.4.1 水槽试验研究

针对异重流、溯源冲刷等开展基础实验，研究不同的水力与边界因子对水库冲淤、水沙输移规律的敏感程度。从水槽外型上划分为顺直型水槽和顺直型水槽附加局部障碍，从水槽功能上可划分为明流水槽和异重流水槽，从约束方向上有横向可变宽和纵比降可调整的水槽。水槽千差万别的精细设计是为概化水流，以减小次要因素的影响，获得更为客观的试验成果。如溯源冲刷研究方面，彭润泽、韩其为、李昆鹏等利用水槽试验结合理论推导，给出了预测方法。国内外学者利用水槽研究异重流的水力学特性，并研究了异重流的运动机理。水槽试验分为顺直无障碍和加障碍2类，第1类为顺直无障碍水槽试验。范家骅、Savage、Simpson、Parker、Lee、Bahar 等［26］、 张 小 峰等［27］开展了水槽异重流试验研究了局部掺混、头部流速、潜入条件、纵向运动速度修正系数等，其中未考虑阻力损失。第2类为局部加障碍水槽试验。Johnson、Bournet、李涛等［28］开展了局部河宽变化段异重流水槽试验研究，但未考虑底床形态变化对异重流的影响。陈嫒嫒等［29］开展了温差分层水库异重流试验，利用顺直水槽中放置有机玻璃隔板来模拟香溪河与长江干流的交汇，忽略了分流处的局部阻力，一定程度上影响了成果的精度。

2.4.2 物理模型试验研究

实体模型技术的关键点是模型相似理论的建立。20世纪50年代初期，我国从前苏联引入方程分析法和爱因斯坦模型相似律。近年，张俊华等［30］针对多沙河流水库的特点，提出了适合小浪底水库的模型相似和异重流相似条件，并利用小浪底水库模型，预测了小浪底水库拦沙初期、后期库区水沙运动规律，河床纵横剖面形态变化，库容变化，异重流的形成和运动以及支流口门拦门沙的形成过程［31］。

2.4.3 数学模型研究

随着计算机技术的日新月异，数学模型研究手段的便捷性体现得更为突出。在异重流研究方面，Kassem和Lmran运用立面二维Navier－Stokes模型模拟了实验室水槽异重流和加拿大Saguenay峡湾发生的异重流运动；De Cesare等使用三维Navier－Stokes模型模拟了瑞士Alps山上的Luzzone水库异重流运动。在水库淤积模拟方面，M.Frenette和J.C.Souriac依据实测资料从数学模型出发计算了海地Peligre水库的淤积发展；Souza eta［32］对巴西水库淤积形态进行了研究。近年来，三维水流模型的计算已比较成熟［33］，但还未得到普遍应用。水库泥沙三维数值模拟主要针对坝区泥沙运动的研究［34］。随着并行计算的深入，利用MPI消息传递实现小浪底水库三维数学模型的并行编程，极大地缩短了计算时间，提高了计算准确度［35］。

3 黄河水库研究展望

随着黄河水沙调控体系的逐步完善，水库不同的运用阶段面临的问题也有所区别。小浪底水库拦沙期即将结束，面临水库相机降水冲刷、恢复部分拦沙库容的任务，库区部分支流沟口出现拦门沙，导致水库有效库容控制受到限制。而拟建的古贤水库位于黄河北干流多沙粗沙来源区，沿程有众多高含沙支流入汇。复杂的干支流水沙组合与边界条件，决定了库区水沙输移规律与干支流淤积形态变化过程的多样性、随机性与复杂性。因此，急需结合水库泥沙问题，拓宽研究思路，为黄河健康生命维持提供技术支撑。

3.1 水库淤积

水库淤积的研究涉及复杂边界条件下水库异重流输移规律、水库溯源冲刷水动力学规律、干支流高含沙洪水互为倒灌与叠加效应等。

3.2 水库调度

水库泥淤积问题是多沙河流水库的核心问题。水库优化调度取得更多效益的同时，也带来较大决策风险，在目前研究水平下，水库生态调度、水沙电等综合调度方法还缺乏应用基础。水库优化调度主要研究内容包括水沙调控理论研究、小浪底水库拦沙后期汛限水位调整研究、小浪底与西霞院水库水沙电综合调度研究、考虑生态调度的小浪底水库运用研究、基于空间数据的决策支持系统研究等。

3.3 水库泥沙处理与利用

“水少沙多，水沙关系不协调”仍将是困扰治黄工作的核心问题，未来长期内黄河下游的淤积抬升趋势不会发生根本改变。另一方面，泥沙流失的是珍贵的土地资源。主要开展黄河泥沙处理利用专项规划编制及专题研究、泥沙利用技术研究等。

3.4 水库模拟

依托黄河泥沙重点实验建设，充分利用变坡水槽、河宽变化水槽和含支流水槽开展基础研究；继续开展多沙河流水库模型相似律研究，透析变态模型带来的不确定性和误差，提高实体模型模拟精度；开展实体模型局部库段的概化试验研究，提高实体模型模拟技术水平。在已有小浪底水库一维水动力学模型基础上，完善溯源冲刷、支流异重流倒灌和异重流演进模块，提高小浪底水库模拟精度，不断扩展小浪底水库三维数学模型模拟范围，提高模拟精度。

4 结 语

通过对水库淤积、水库调度、水库泥沙处理与利用和水库模拟等方面的分析，认识到多沙河流水库泥沙研究难点，对黄河水库研究提出了粗浅的展望，为未来的研究拓宽了视野。

（1）水库淤积研究方面。已有水库淤积研究在实践中取得了较大成果，但水库水沙运动规律特别复杂，尤其是水库利用溯源冲刷恢复库容，在一定条件下利用异重流高效排沙等水库基本运动规律需要进一步深化。

（2）水库调度方面。水库洪水资源化在实践当中运用多以单库为主，而从流域整体水资源综合利用出发，梯级水库联调对提高水库综合利用效益更胜一筹，但其还存在不少问题：①对多目标、多因素重视和研究不够；②未充分考虑主观人为因素；③新的风险分析理论和方法应用不多。

（3）水库泥沙处理与利用方面。水库泥沙沿程分选，近坝段蓄水深度大，泥沙颗粒细，不容易进行泥沙输送，流域内泥沙数量特别巨大，泥沙利用率不尽如人意，需要寻找能够大量消耗泥沙资源的高效用沙手段，以满足河道其它功能的实现。

（4）水库模拟研究方面。实体模型试验研究可视性强，但成本高、投资大，一般作为推荐方案验证。水槽试验手段较之方便，可灵活地针对有关因素进行单因子分析，获得定性或定量结果。数值模拟优点是成本低、计算速度高。三者有机结合是未来科技发展方向。

因此，在多沙河流水库泥沙问题处理中，采用实测资料分析、实体模型试验、水槽试验和数值模拟等手段，深入研究水库泥沙运动输移规律，重点是溯源冲刷和异重流输移规律，在摸清水库淤积规律基础上，开展水库优化调度研究，重点开展单库水沙耦合优化调度研究、梯级水库群综合调度研究，同时结合泥沙处理利用措施，减少水库淤积，延长水库使用寿命，为多沙河流水沙资源综合效益发挥服务。

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