大坝下游冲积河流修复与保护对策研究

2014-08-16 09:58，

长江科学院院报 2014年6期

，

(清华大学 a.水沙科学与水利水电工程国家重点实验室；b.水利系，北京 100084)

1 研究背景

河流泥沙是形成并决定下游平原冲积河流的根本条件之一。全球陆地侵蚀泥沙500亿～750亿t/a，13%～20%通过河流输送到海洋[1]。最新分析显示在人类活动影响前后，河流入海沙量分别是140.3亿，126.1亿t/a[2]，大量评估河流入海悬浮泥沙通量集中在150亿～200亿t/a[3]。以往的几十年，世界上多数河流都受到建坝等人类活动的影响，河流泥沙通量发生巨大的变化[4]。统计显示：人类活动增加水土流失使全球河流输沙量增加了(23±6)亿t/a；入海沙量却减少了(14±3)亿t/a；过去50 a水库淤积泥沙超过1 000亿t[2](这一统计没有包括黄河小浪底和长江三峡水库蓄水后的数据)。

人类活动已经使世界许多河流进入下游输沙大量减少，尼罗河、科罗拉多河等下游实测泥沙通量已经减少到几乎为0[5]。亚洲大陆各大河流受250座大坝和上万个水库的影响，入海沙量比历史值减少75.7%[6]。几十年来，长江流域建坝45 000余座，其中长江上游(宜昌以上)13 000余座、大型水坝30余座，三峡大坝蓄水后，长江上游水库总库容950亿m3。黄河流域建蓄水工程19 025座，总库容达716亿m3，是黄河多年平均年径流量的1.34倍。

此外，为缓解下游河道淤积抬升，流域在多沙粗沙区修建拦沙坝5 399座、淤地坝9 000、塘坝184万座。人类活动使河流泥沙在短期内大量减少。2002—2012年长江(寸滩)进入三峡水库泥沙比多年平均值(1954—1989年，4.6亿t/a)减少了59.3%；三峡蓄水后(2003—2012年)长江进入下游(宜昌)泥沙比多年平均(1950—1990年，5.21亿t/ a)减少了91%。2000—2011年，黄河三门峡和小浪底出库断面沙量分别较天然(16.1亿t/a，1918—1960年)减少了79.7%和94%。而且中国建坝方兴未艾，据有关规划，未来20 a长江上游将建大坝几十座、增加库容1 000亿m3；黄河干流还规划大坝20座，增加库容527亿m3。因此，在今后相当长的时间内，长江与黄河上游水库都将大量拦沙，而下游将面临极度少沙局面。

下游平原冲积河流泥沙在水库拦沙作用下失去了长期建立起来的平衡关系。“清水”使河道发生长距离冲刷[7-15]，对下游水资源利用、防洪和湖泊等都会产生显著影响[16-18]。2003年三峡水库蓄水以来，下游河道已发生了较大幅度冲刷。截至2012年，在水库淤积泥沙15.6亿t条件下，中游(宜昌—湖口)冲刷12.2亿m3，其中：宜昌至城陵矶冲刷6.2亿m3；宜昌—枝江、上荆江和下荆江河槽断面平均冲刷分别为2 390, 1 930, 1 650 m2；下荆江主槽平均降低1.72 m。根据实测资料，目前上荆江正处于加速冲刷势态。荆江是长江泥沙堆积云梦泽的产物[19]，河床细沙和可冲刷深度很大；三口分流格局构成了荆江冲刷、减少洞庭湖分洪反而再加强荆江冲刷的正反馈机制；在当前已经大量冲刷条件下，监利河段河床泥沙级配并未发生明显变化，下荆江主要冲刷还没有真正开始。如果荆江发生剧烈冲刷、洞庭湖与长江的关系也会发生改变，长江中游的格局将发生巨大变化。而且，河道冲刷、改变河流地貌会导致河流生态和生境所依赖的物理条件发生变化[14]。水库淤积使与泥沙关系密切的磷、硅等营养盐通量缩减，对河流、河口及近海等水域生态环境也会造成影响[20-21]，入海泥沙减少甚至使河口退缩和三角洲地面沉降[22]；另一方面，当前水库高比例拦截泥沙，三峡等大型水库“蓄清排浑”措施[23]没有发挥作用，一些重要大型水库排沙比远低于预期值，水库淤积控制水平低。三峡平均实测排沙比17.9%(2006—2012年)，低于工程论证预期的前10 a 30%[24]或35%[25]的排沙比，库尾淤积比例也明显偏高；小浪底水库蓄水后平均排沙只有15%，水库排沙效果甚至低于三门峡淤积最严重时期(1961—1964年排沙比39.4%)。尽管水土保持受到高度重视，但全球范围水土流失局面并未得到改善[2-3]。长江干流重要水库泥沙淤积对防洪能力影响远比预期严重[26]，按坝系为主、层层拦沙方式50 a后黄河中游可能的堆沙空间势将耗尽。水库拦沙无论对下游河流稳定、安全和工程自身可持续性都不利，保护下游河流和干流重要水库长期利用是我们面临的重要任务。

水库拦沙对相对少沙的长江和多沙的黄河的作用与后果不完全一样。对长江中下游“清水”下泄主要须防备大幅度冲刷而导致河型改变、河流通量与地貌变化危及水域生境与生态；黄河中游水库拦沙在短期内对下游是有利的，但在没有控制流域侵蚀的有效措施条件下，长期高比例拦沙对下游河道长远安全不利，而且，随着气候变化，黄河流域洪水和泥沙还存在很大的不确定性。虽然如此，二者又都与如何对待、处理水库泥沙淤积，特别是与如何处理好淤积粗沙有直接关系。

本文在作者等关于河道型水库泥沙分选淤积和挖粗沙减淤研究[27-28]基础上，重点研究了粗沙对下游冲积河流平衡比降的作用；结合长江与黄河下游具体情况，提出了相应的粗沙处理方式；探求在当前可行的技术经济条件下，通过修复下游泥沙通量抑制长江中下游冲刷幅度、维持黄河下游长期不抬高[29]。

2 冲积河流平衡比降及其河相关系

江河下游冲积河流一般沿程泥沙细化、比降减小[30-32]。图1是1855年铜瓦厢决口前及现代黄河下游的上凹纵向剖面对比[33]。渭河下游剖面也十分类似，特别是三门峡水库蓄水后、受潼关高程影响，纵剖面上凹明显。长江虽然比黄河等多沙河流比降小很多，但是河道上凹趋势仍然十分明显[34]，宜昌到南京，长江中下游河道比降从0.55减小到0.17。这是平原冲积河流的共性和基本特征[32]。

注:图1(a)为1855年前后新老黄河纵向淤积剖面对比[33]，现代黄河上段河道3 000 m3/s流量的水面比降从2～2.3(花园口以上)变化到1～1.2(泺口以下)；图1(b)为1960年(三门峡蓄水)前后渭河下游纵向剖面比较，目前华县以下200 m3/s比降约为1.2。

注：点实线是悬移质，点虚线是床沙质。

另一方面，虽然下游冲积河流承接了大量来自流域的泥沙，但是，全面参与干流冲淤交换或造床的只是运动泥沙中很少一部分，在床沙中粗沙远多于细沙[35-36]。天然情况下，长江中游枝江到城陵矶段床沙粒径小于0.1 mm比例只有8.2%[37]。受人类活动影响以来，小于0.1 mm泥沙比例在中下游悬沙中达88%～95%，而床沙中只有10%～25%(图2)。一般认为，长江中游造床泥沙粒径界限为0.1 mm、下游应该在0.062 mm以上。1960年以前，进入黄河下游0.1 mm以上粗沙只有5%，而它在河槽中占比例51%；三门峡蓄水后黄河下游悬沙和床沙也都发生很大变化，但床沙中径仍比悬沙大2～4倍。钱宁等[38]发现黄河下游河槽淤积主要是由大于0.05 mm粗沙引起的。天然情况下，花园口河段的河床泥沙中70%和50%以上粒径分别大于0.08和0.1 mm[39](图3)。三门峡蓄水以来，粗沙被水库拦截、主槽淤积抬高的3～4 m范围内d50，d70明显减小(资料来源[39])。

图3 黄河花园口实测的河床泥沙d50和d70分布

纵向比降是下游冲积河流最主要的宏观形态参数[30]，平衡比降是河流在相对稳定水沙及地貌等边界条件持续作用下的比降极限。现实比降与平衡比降的差异代表了河流堆积潜力或冲刷下切趋向(冲刷时，随河流下切，床沙粗化、水流趋缓，各种条件会发生很大变化，平衡比降只代表河道变化方向)。实时水沙作用随时在改变着河流，但平衡比降相对稳定。在给定流域、径流与泥沙条件下，是一个确定指标，与进入河段相对持续水流条件(造床流量[30])、沙量、粗细及其沿程变化条件密切相关。

按冲积河流河相分析方法[30]，假设下游河流没有推移质，Q(m3/s)是造床流量或平滩流量，S(kg/m3)是平均泥沙浓度，ω(m/s)是悬浮的不均匀泥沙的平均沉速，则有

ω=ΣωkΔPk。

(1)

(2)

式中：B为平滩河槽宽度；c为综合经验系数。定义ψ=ωS为河流输沙负荷(由沙量、水量和悬沙粗细共同决定的指标)，式(2)显示输沙负荷是决定平衡比降的主要因素。更重要的是，由式(1)比较计算可见，平均沉速数量级主要决定于较粗部分泥沙数量，粗沙比例对输沙负荷和平衡比降影响很大。图4根据式(1)和式(2)计算大于0.1 mm粗沙对三峡和小浪底水库淤积平衡比降的影响。这种粗沙减少60%(占入库全沙7.9%和3.1%)，理论上减少两水库淤积平衡比降38.8%和24.4%，对水库减淤的作用也很大[27-28]。当然，在下游冲刷河床，由于床沙逐渐粗化(D65和启动流速增加)、流速变小，河道几何条件也发生变化，平衡比降与实际比降的关系很复杂，式(2)只能反映变化趋势。

注：J0是根据完整粗沙比例计算的平衡比降

表1 长江中下游平均水沙资料及各河段1996年前的水面比降

注:J根据1950—1996年河段上下实测水位平均计算；含沙量根据1956—1996年长系列泥沙资料计算；河床D65和平均沉速中监利下荆江根据实测资料插补。

表2 黄河下游1991—1996年平均水沙资料及各河段实测河道坡降

注：平均浓度、沉速和平滩流量根据黄河水利委员会实测资料计算,平均河宽由文献[42]资料计算(利津作者补插)。

注:黄河趋势线只用了1996年数据回归，1999年资料作比较，β为画图的比例系数，长江β=10，黄河β=1

笔者等[27-28]利用一维泥沙数学模型也研究了三峡水库堆积情况下粗沙量对平衡比降的影响。模型按8个粒径分组模拟不均匀沙，计算从干流朱沱、嘉陵江北碚和乌江武隆到大坝全库区不恒定水流、不平衡输沙和长期淤积过程。采用1961—1970年和1993—2002年2个水沙系列和三峡设计运行方式循环计算200 a、水库初步达到淤积平衡[26]。计算模拟在水库变动回水区(长寿—涪陵)10个固定河段(表3)分别挖除淤积粗沙(粒径>0.1 mm)对水库淤积的影响。由于各河段在变动回水区位置和挖泥范围差异,挖粗沙量或进入深水库区粗沙数量不一样。每个方案计算淤积100，200 a涪陵至大坝间平均水面比降。不挖粗沙情况下,1961—1970年系列淤积100 a比降0.55～0.63(流量30 000～40 000 m3/s、坝前水位145 m)与上荆江(1973—1988年)相应流量(枝城流量40 000 m3/s)比降0.557～0.602[19]基本一致。图6显示不同减粗沙比例形成的库区比降与式(2)结果渐进一致。

表3 三峡水库“固定河段挖粗沙(>0.1 mm)”计算方案

表4 三峡蓄水前、后宜昌下泄水沙条件及粗沙作用分析采用的背景参数

注：比降计算条件流量57 000 m3/s、坝前水位145 m、淤积100 a和200 a；60 s和90 s分别对应1961—1970年和1993—2002年系列；J0是不挖粗沙方案比降。200 a比降更接近式(2)表明水库淤积渐进趋于平衡

平衡比降在一定程度上反映了冲积河流特征，河相关系(式2)可在一定程度上描述它与水沙及河道条件的关系，证明输沙负荷是决定河流平衡比降或冲淤方向的主要因素。上游来沙中的粗沙是决定输沙负荷和平衡比降的主体、是控制下游冲积河流稳定性的主要因素。根据本文作者等[28]初步统计，我国江河下游较粗泥沙的来量较少，粒径大于0.1 mm泥沙一般都在12%以内(长江宜昌11.9%、对应沙量6 200万t/a，黄河花园口4%～5%、对应沙量6 400万t/a)。同时，较粗泥沙受人类活动影响大(在水库中淤积比例极高)。在下游河流受到建坝等严重影响条件下，控制水库淤积和修复下游河流泥沙都需要把粗沙作为重点环节。

3 粗沙作用分析

根据三峡水库蓄水前后长江宜昌断面径流、泥沙(特别是三峡出库泥沙级配资料)的时段平均值和式(2)，可对不同粒径粗沙对下游河流平衡比降的作用进行定量分析。图7是三峡蓄水前后宜昌或黄陵庙下泄泥沙级配比较。三峡蓄水后粒径大于0.1 mm泥沙几乎没有下泄，D50从原来的0.035 mm降低到0.015 6 mm(吸管法粒径0.005 3 mm)，下泄沙量减少94%。表4是三峡蓄水前后下游荆江河段主要水沙参数。通过增加粗沙恢复下游平衡比降就是要提高三峡蓄水后大幅度减小的J-因子。

注：蓄水后粒径按吸管法测量，为便于比较，资料都转化为原粒径计法粒径；长系列依据1990年前数据

注：J0是由蓄水前多年平均资料确定的平衡比降。图8(a)“三峡蓄水(2008—2012)”代表现状；A,B,C,D和E 5个方案分别代表在现状基础上加500万t/a的0.031～0.062,0.062～0.125,0.125～0.25,0.25～0.5,0.5～1.0 mm泥沙的作用；“综合方案”是A-E的综合作用。图8(b) 中A-E方案加粗沙粒径与图8(a)对应；方框点(综合方案)代表A-E均匀组合的不均匀泥沙

图8为式(2)推算在三峡下游增加一定粗沙可恢复的荆江平衡比降，其中的A-E为各组沙均匀掺混代号。式(2)计算显示，按当前水沙条件，三峡蓄水后中游平衡比降比自然条件减少95% (图8(a)),而增加500万t/a不同粒径粗沙对平衡比降的恢复效果差异很大，泥沙越粗恢复越大。0.125～0.25 mm粗沙恢复到天然平衡比降(J/J0=1)需要沙量约5 000万～6 000万t/a，0.031～1 mm均匀混合粗沙需要3 500万t/a(图8(b))。当然，作者认为上游水库大量拦沙后，长江中游发生一定冲刷和粗化应该是可接受的(当然以不明显降低水位和改变河型为准)，J/J0恢复到0.7～0.8即可。实际上，三峡蓄水前10余年中游J/J0已经明显低于这一程度。按这一标准，需要恢复0.125～0.25 mm粗沙约4 000万t/a，若用0.062～1 mm均匀混合粗沙，则需要2 000万～2 500万t/a。前述理论结果与郭小虎等[45]根据三峡蓄水后宜昌—汉口河段大于0.125 mm粗沙沿程恢复分析得出目前冲刷条件下维持中游稳定需粗沙2 900万t/a符合。

4 下游河流修复和治理对策

当前，全球平原冲积河流都面临建坝和水库拦沙影响。中国江河泥沙变化剧烈[7, 27]，而且上游仍在持续建坝。因此，需要研究下游泥沙修复措施，以最低限度和代价维持下游河流稳定。下面根据粗沙作用认识对长江和黄河提出初步的修复意见。

图9 三峡水库变动回水区挖沙增加下游造床粗沙方案示意图(固定挖沙池可设在长寿—涪陵间)

长江中下游今后面临的主要问题是长期清水冲刷。为保持河流地貌基本稳定(不发生剧烈冲刷)需要增加输沙负荷。建议采取图9所示的在三峡水库变动回水区挖粗沙[27]、漂运到坝前(库区可通行吃水超10 m的单舶万吨级拖船)抛掷，最低限度维持下游造床泥沙基本平衡。按三峡蓄水前10 a水沙系列计算(表3)，水库挖粗沙减淤方案可提供0.1 mm以上粗沙2 000万～3 000万t/a，可基本满足下游河床补给。上游持续建库使三峡库尾淤积粗沙减少后，还可进一步考虑：①在金沙江下游水库接力挖粗沙(也有利于这些大型工程长期利用)；②在长江中游(支流、牛轭湖等古河道规划挖沙)、在三口分洪道和洞庭湖区结合河道整治挖沙恢复到下荆江；③适当增加荆江三口分流比例、引清水穿洞庭[16]增大下荆江平衡比降、减少冲刷。另外，需要高度重视城陵矶至汉口河段。其防洪重要性虽次于荆江，但冲刷会直接降低城陵矶水位、诱发荆江更大冲刷、改变中游防洪形势和洞庭湖区生态环境条件。维持中游防洪与湖区生态安全须保持所有流量级下城陵矶水位稳定，必要时还可采取进一步对策[46]。

当前，黄河下游沙少、河道淤积抬高不严重。然而，黄河上游可持续减沙、维持下游长治久安是要高度重视的问题。作者建议利用现有的小浪底和三门峡等干流水库分选、拦截粗沙，利用已规划的放淤区堆放粗沙(可提高放淤区使用效率)，同时加大水库排泄对下游危害较小的细沙，以策长期维持上游水库拦沙作用和下游河道不抬高(图10)。黄河粗沙对下游淤积的作用和在中游多沙粗沙区建淤地坝等拦粗沙[38]是国家自然科学奖成果，是黄河流域治理实践的理论依据。但是，其可持续性仍不确定。本建议只是粗沙拦截的方式不同。根据文献[29]研究，在黄河来沙10亿t/a条件下，通过水库分选、挖粗沙和放淤拦截0.08 mm以上粗沙5 000万t/a，放淤到小浪底下游左侧的温孟滩(也可在三门峡库尾挖粗沙就地堆放到右侧小北干流放淤区)。值得强调的是，这一方式比建水库拦沙[47]更持久。按放淤5 000万t/a概算，中游规划放淤空间(约180亿m3[47])可供堆放600 a的粗沙，进一步若在放淤区加大粗沙利用，时间更长。而且，在库尾挖粗沙可明显减少相应水库平衡淤积量，再通过调度措施增加下泄细沙，干流水库拦沙库容可得到更长和更多维持[27-28]。粗沙问题解决后，三门峡和小浪底水沙调控矛盾得到缓解、防洪和水资源作用加强，并可加大进入下游河道沙量，对水资源利用、下游河流健康、河口生态与土地资源保护都有利。

图10 小浪底水库分选、拦截粗沙、减少水库淤积和进入下游粗沙方案示意图

5 结语

在最近20 a全球范围大规模商业疏浚工程的推动下，大型挖泥技术与能力已大幅提高。同时，社会经济发展已使水资源利用的比较价值大幅度提高。过去受技术、规模和费用等限制难以接受的大规模水库挖泥减淤已经变得非常现实。根据当前长江流域商业挖沙成本估算，水库公益性疏浚的净成本完全可以控制在4～8元/t以内。如果在三峡水库疏浚3 000万t/a，需要的成本只占三峡上网电价收入1.0%左右。考虑到大型水库的重要性，水库拦沙对下游河流地貌和生态都会影响严重，水库可持续利用对黄河这样脆弱的多沙河流的长期安全非常重要，我们应该增加保护河流的投入。结合现实技术手段、科学平衡大坝上下泥沙通量、降低工程影响、保护下游河流是值得研究和高度重视的重要问题。

本文研究了河流粗沙与河流平衡比降的关系(式(2))、理论式与长江及黄河下游实际比降及其变化有很高的相关性，结果与数学模型按长系列计算的结果接近。初步证实了粗沙通量(或输沙负荷ψ=ωS)是维持下游冲积河流稳定的因素。同时，由于悬浮泥沙中少量的粗沙对平均沉速影响很大，占总来沙比例很少的粗沙是下游冲积河流造床泥沙的主体，粗沙数量主要决定了下游河道纵向形态，对下游冲积河流冲淤影响很大，是维持河流稳定的重要因素。

本文结合对河道型水库泥沙分选沉积规律的认识和水库变动回水区挖粗沙作用研究，提出了下游河流修复及治理的综合对策。针对长江中游，分析表明：三峡向下游增加下泄2 000万～3 000万t/a粗沙，可将平衡比降基本恢复到接近天然指标的75%左右，河道不会发生剧烈冲刷。针对黄河下游淤积控制，建议利用现有河道型水库分选淤积特性，通过变动回水区挖0.08 mm以上泥沙和在规划的放淤区堆放，拦截对黄河下游危害较大的粗沙、降低黄河下游河道平衡比降。建议研究：①在三峡下游恢复2 000万～3 000万t/a粗沙的作用、途径、可能性和存在问题；②以小浪底等现有水库挖粗沙和放淤拦截粗沙，探求实现黄河下游长治久安的途径。

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