水库淤积控制与功能恢复研究进展与展望

曹文洪，刘春晶

（1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.水利部水沙科学与江河治理重点实验室，北京 100048）

1 研究背景

2 水库淤积基础研究进展

国际上，水库功能主要集中于防洪、发电和供水。水库淤积与功能研究偏重于水文泥沙过程及对生态环境的影响。美国从18世纪开始水库淤积原型观测和调查工作，美国地质调查局建立了水库泥沙调查信息系统［5］，至2014年记载了来自美国48个州2201座水库7752次地形测量结果。在水库淤积和调控研究方面，MORRIS和范家骅（1998）编著的Reservoir Sedimentation Handbook［6］，全面介绍了泥沙运动基本理论和水库中的泥沙运动规律，并给出丰富的水库泥沙淤积控制和库容恢复实例，在水库淤积研究领域具有较大的影响。Palmieri［7］提出水库可持续利用管理的“生命周期”理念，并建立RESCON（Reservoir Conservation）模型，从经济、社会和生态环境角度对各种水库泥沙处理措施进行综合评价，为水库提出维持水库库容和可持续利用技术方案。2012年美国联邦水信息咨询委员会资助召开了水库可持续利用研讨会，并成立了国家水库泥沙淤积小组（National Reservoir Sedimentation Team），成员由垦务局、陆军兵团、地质调查局及相关高校组成，以应对水库泥沙管理及库容长期可持续保持等方面问题。Podolak［8］呼吁美国水库泥沙淤积问题引起更多的研究和关注，认为现有水库原型观测数据应进一步拓展和完善。Kondolf等［9］全面总结了全球水库淤积带来的问题和挑战，介绍了近年来世界各国在应对水库淤积、水库库容保持、淤损库容恢复和水库可持续利用等方面的大量实践，指出水库在选址、规划和设计阶段应开展全面的泥沙调查工作，预测并考虑未来可能会遇到的水库淤积问题。国际大坝委员会主席Schleiss（2016）撰文总结了近年来关于水库泥沙运动和淤积控制方面的最新进展［10］，重点介绍了流域泥沙来源、库首三角洲、异重流、库内水流运动特征、气候不确定性等几方面对水库淤积的影响，并将水库防淤减淤措施按所处位置分为流域措施、库内措施和坝前措施。

中国由于人口众多，水库被赋予更多的功能，其中供水和灌溉功能需求尤为突出，水库保持长期有效库容至关重要。我国与国外发达国家同步开展泥沙运动基本理论、水库淤积过程及水库防沙技术研究，并在非均匀不平衡输沙、高含沙水流运动、异重流、水沙调控等方向处于国际领先水平。我国系统性泥沙淤积观测是从官厅水库、三门峡水库和丹江口水库开始，1960年代水利部科技司针对黄河流域和北方多沙河流的水库淤积，选择了官厅、三门峡等12座大型水库作为重点淤积观测的水库，后来又将其扩展到包括南方水库在内的20个大型水库，积累了丰富泥沙淤积资料。在水库淤积形态方面，针对三角洲、锥体和带状等三种类型淤积体，提出了判别条件［11-14］。水库排沙是库内水流泥沙运动的结果，对于壅水明流排沙，早期基于实测资料建立了的排沙比曲线，包括张启舜排沙比曲线［15］、涂启华排沙比曲线［11］等，韩其为等［14］基于不平衡输沙理论得出了壅水排沙比关系。对于水库异重流，范家骅［16］从1950年代开始开展了系统异重流实验，得到了有关潜入点位置的定量表达式，历经50余载出版专著“异重流与泥沙工程实验与设计”［17］，既包括异重流理论，也包括工程应用异重流设计方法。在长期水库运用实践中，我国科技工作者提出了多沙河流水库“蓄清排浑”的水库运用方式，解决了多沙河流水库保持长期有效库容问题。近年来，对水库“蓄清排浑”运用方式进行了优化和精细化研究［18］；建立了水库群水沙联合调度异重流塑造指标体系，多次成功塑造异重流并排沙出库［19］。韩其为［1］出版专著“水库淤积”，界定了“水库淤积”作为一门学科的基本内容，对水库淤积的认识基本实现了由定性的描述到机理揭示和定量表达的过渡。

3 淤积控制与功能恢复技术

国内外学者一直重视水库淤积控制、库容保持和功能恢复技术的研究，逐步形成了全面的淤积管理策略［9］。具体措施大致可分为3种类型（图1）：（1）减少进入水库泥沙的技术，包括水土流失防治和河坡侵蚀控制；（2）水库减淤技术，通过水库调控使进入水库的泥沙尽量输送到下游，或者通过适当措施使泥沙不经过水库，而是通过其他通道输送至下游，从而减少水库泥沙淤积，保持水库库容的可持续利用；（3）淤损库容恢复技术，通过水力清淤和机械清淤增大库容。

图1 水库淤积管理技术［9］

3.1 减少入库泥沙措施 进入水库的泥沙归根结底是来源于其上游流域侵蚀产沙，水土流失治理和生态建设是减少入库泥沙的根本性措施。多年来我国坚持以小流域为单元，根据水土流失规律和当地实际，实行山水田林路综合治理，对工程措施、生物措施和农业技术措施进行优化配置，因害设防，形成水土流失综合防治体系［20］。淤地坝（或谷坊）、林草植被、梯田是水土保持3大措施，对减少入库泥沙发挥了重要作用。淤地坝在坡沟系统中处于核心地位（图2），其拦沙减蚀作用包括3个方面：（1）直接拦截上游泥沙；（2）将沟道转变为坝地，减少沟道侵蚀产沙；（3）抬高侵蚀基准面，减少沟头溯源侵蚀和减轻坡沟系统重力侵蚀。林草植被是水土保持的生态指标，林草植被覆盖率小于50%时，植被覆盖率增加减沙效果明显，林草植被覆盖率达到60%以上时减沙效果趋于稳定［21］。梯田是山丘区农业的基本农田，也是改善当地群众生产生活条件的重要措施。梯田通过改变微地形，将坡地改为平地，有效减少了水土流失。水平梯田不仅可大幅减少自身产沙量，而且还可截留上方来沙、并通过减少坡面径流下沟实现梯田下方沟谷减沙［22］。

图2 淤地坝与坡沟系统的关系

3.2 水动力减淤技术

3.2.1 绕库排沙技术 旁侧排沙是在水库旁侧开辟一条专门用于排沙的管道，管道上游设在水库库首，下游设在水库坝下，使泥沙不经过大坝直接排往坝下游河道（图3）。旁侧排沙管道的设置与水库所在地形有关，对于河道峡谷型水库由于库区较长，回水变动区距离库尾较远，难以设置旁侧管道。旁侧排沙管道还可以用于支流含沙量较高情况，如刘家峡水电站，其支流洮河含沙量较高，洮河泥沙是造成水库淤积主要来源，在洮河河口设置排沙管，直接将来沙排至库外，起到较好的效果。日本和瑞士是开展旁侧排沙实践和研究相对多的国家，日本最早的旁侧排沙隧洞1908年在神户附近的城市供水水库努比奇（Nunobiki）大坝上修建的，100多年来成功地将粗颗粒泥沙输送到坝下游［23］。2015年，在瑞士举办了第一届冲沙隧洞国际研讨会，12个国家代表就冲沙隧洞建设、运行、维护研究与实践进行了研讨交流。认为旁侧冲刷隧洞对于库容—径流比和水库寿命指数较小的水库，冲沙隧洞效果最佳，它们既可以替代水库冲沙，也可以作为辅助措施与水库消落冲沙共同使用。如果在天然洪水期间运用冲沙隧洞，冲泄泥沙对于下游河道环境的不利影响便会最小。

图3 水库旁侧排沙渠平面布置

3.2.2 水库运行方式

（1）蓄清排浑。蓄清排浑是指在含沙量较高的汛期水库保持低水位运行，尽量将来水和来沙均排出水库，待汛末和非汛期含沙量较低时再开始下闸蓄水，确保只将含沙量较低的来水蓄积在水库中。蓄清排浑是我国科技工作者为减缓水库淤积，维持水库库容长期保持而探索出的一套水库调度和运用方式，已经过大量水库运用实践证明，为多沙河流水库库容保持和可持续利用发挥了重要作用。

“个人所得税法出台以来，基本减除费用标准经历了四次调整，从每月800元到1600元，再到2000元、3500元，每次征求意见后都会再进行调整，看似尊重民意，却给人们造成个税改革等同于调整起征点的误解。”刘克崮认为，应科学测算基本减除费用标准，其内涵和依据应当清晰，明确除基本生计支出外，是否包括取得综合所得的成本费用，在此基础上，再设计各项专项附加减除。

蓄清排浑要求在汛期库区水流具有一定的流速，具备将来沙挟带到下游的挟沙能力，通常适合于峡谷、河道型水库，同时要求水库大坝设置较低的排沙底孔，且具备较大的泄流、泄洪能力。由于汛期保持低水位运行，汛期在排沙同时也排走了大量水资源，通常只能在汛末或汛后蓄水，对于年径流量较小，水资源十分宝贵的区域往往排沙和排水需要综合分析。蓄清排浑是依赖于水库的调度运行，实际运行效果还取决于上游来水来沙过程、闸底高程、闸门开启程度、下游泄流流量等因素。在实际调度运用中，蓄清排浑还需要与水库防洪、供水、发电、航运、生态效益，以及水库运用对上下游河道的影响等诸多因素相结合，这就要求水库在实际调度和运行中，不断预测评估各项影响和效益，探索更多的优化调度方式，以期更好的发挥水库综合效益，同时不断发展蓄清排浑运用方式。近年来，为适应新水沙条件重大变化和满足社会经济可持续发展，在防洪风险可控、库区泥沙淤积许可的条件下，对蓄清排浑运行方式进一步优化和精细化［18］。如三峡水库自2011年首次实施生态调度试验以来，已连续8年开展12次生态调度试验，通过调度三峡水库出库流量，创造出适宜鱼类产卵的水文及水流条件，对三峡下游鱼类繁殖起到了促进作用。

（2）异重流排沙。当浑水水流进入蓄有清水水库后，由于浑水密度大于清水密度，在一定条件下会潜入库底，沿河床向坝前方向运动，形成水库异重流。由于表层清水相对平静，因此在异重流潜入点附近往往可以见到聚集的漂浮物，该特征成为判断异重流潜入点异重流位置的标志（图4）。

图4 异重流在水库中的运动情况

为了求取潜入点的水流、泥沙因子的相互关系及其判别数，1959年，范家骅［16］通过水槽试验和野外实测资料得到了异重流形成条件：

式中：h0为潜入点水深；up为潜入点流速；△ρ=ρ′-ρ，ρ为清水密度， ρ′为浑水密度；g′=( )△ρ/ρ g 。

上式在学术界和工程界得到广泛的应用。利用异重流减少水库淤积是一种比较有效的措施，但需要满足异重流持续运动条件和大坝设置合适的排沙底孔。异重流持续运动条件［17］是指在一定的水库地形条件下，进入的洪峰所形成的异重流能保持在水库中继续运动到达坝址而排出所要满足的条件，即入库洪峰形成异重流所供给的能量，需能克服水库全长的沿程和局部的能量损失。因此，需要有持续洪峰流量和一定的洪量和洪峰的陡峻度。例如，在小浪底调水调沙实践中，为了显著增大小浪底水库异重流排沙比，需要三门峡水库泄水以较大的下泄流量、较长的历时、较大的输沙率进入小浪底水库，同时还要借助万家寨水库的补水，在三门峡水库敞泄期间，保证在较长时间内维持大于1000 m3/s的来水并持续进入小浪底水库，增强小浪底水库形成异重流的后续动力［19］。浑水异重流孔口泄沙是水库和水电站孔口泄流泄沙设计中的重要问题，多年来国内外学者就“异重流极限吸出高度（hl）”和“泄出层厚度（d）”等问题开展研究，给出了水库或水电站孔口的设计准则。

3.3 淤损库容恢复技术

3.3.1 机械清淤技术 机械清淤包括机械干挖和挖泥船清淤两种。当水库具备排空条件时，可直接将挖掘机、大型自卸车开进库区，将淤泥挖出后装车运走。缺水地区和没有设置底孔的水库，不具备排空条件，则可采用挖泥船或吸泥泵清淤。机械清淤的最大优点是不需耗费大量用水，但费用也比较高，多用于中小型水库。近年来，随着技术的发展，针对大型挖泥船难以进入库区的难题，研发了组装式清淤装置，同时辅以深水疏浚计算机辅助决策系统［24］，大大提高了清淤效率，具有清淤规模越来越大，成本越来越低的发展趋势。目前国内外水库机械清淤水深一般在几十米，局部清淤水深可达100多米（图5）。

图5 国内水利疏浚清淤机械最大挖深

3.3.2 水力清淤技术

（1）泄空冲沙。泄空冲沙是通过调节坝前水位，在水库内形成流速较高、挟沙能力较大的水流，从而将之前淤积在库内的泥沙随水流带出库外。我国是较早开展泄空排沙的国家之一，一些水库采用泄空排沙的方式定期恢复库容，保持水库长期使用。闹得海水库1942年建成以来，长期能够保持一定的有效库容，主要是坚持“峰前泄空水库，敞泄排沙”。排沙洞的泄流能力与入库流量保持相当的规模，冲刷效果最好。入库流量过大，水库滞洪壅水程度大，排沙效果降低；入库流量过小，水动力不足，冲刷效果亦有限。以闹得海水库1984年汛期发生的大、中、小三场洪水为例，同样是在敞泄条件下，因入库洪峰流量不同，水库滞洪壅水程度不同，其排沙效果可以相差很多［25］：1984年8月11—12日大洪水过程，入库洪峰1680 m3/s，最高库水位180.10 m，排沙比仅为22.3%；1984年9月8—9日中洪水过程，入库洪峰468 m3/s，最高库水位170.05 m，排沙比可达327%；1984年8月25—26日小洪水过程，入库洪峰154 m3/s，最高库水位159.20 m，排沙比为71.7%。由于泄空排沙往往需将水库泄空，同时需要耗费较大水量，在承担着保障性供水任务，或者水资源十分珍贵的区域不太适合。同时泄空排沙往往含沙量较高，还可能会形成高含沙水流，高含沙水流如发生漫滩则可能造成大量淤积，可能造成发电洞附近严重淤积，不得不采用机械清淤的方式后期清理。此外由于含沙量较高，且高含沙水流中挟带了大量前期淤积泥沙，这些高含沙水流进入下游，一是可能会在下游造成较大程度的淤积，二是前期淤泥中的有机物质还可能会对下游生态造成一定影响。

（2）自吸式管道清淤。自吸式管道清淤是通过铺设排沙管道，充分利用水库上下游水头差，在管道内形成具有一定流速的水流，管道入口设吸泥头，利用水力吸力将库底泥沙吸入管道，并排出库外（图6）。水力吸沙首先需要有效率高、吸力大的吸泥头，能将库内具有一定密实度的淤泥吸入；其次由于吸泥头工作范围有限，实际操作中需根据吸沙情况上下、左右移动，尽可能将吸泥头活动范围内的泥沙排出。水库自吸式管道排沙的设想由来已久，直至1970年代在国内外一些条件适宜的中小水库开展了研究与尝试应用，如国外的阿尔及利亚包吉瓦水库、西迪莫汗默德水库、乌福达水库、摩洛哥约瑟宾塔菲水库等，我国的田家湾水库、小华山水库、北岔集水库、新添水库等。结果表明，自吸式管道水库清淤是解决干旱、半干旱地区多泥沙河流水库淤积有效的措施，是一种水资源高效利用且节能的排沙方法。自吸式管道清淤的核心问题是如何实现长时间稳定的高含沙排沙效果，涉及到管道内固液两相流、吸泥头效率、过坝方式和等诸多问题，并未得到很好的解决，大规模的推广应用受到了限制。近年来，自吸式管道清淤技术有了新的发展，对吸泥头等关键设施的效率开展了数值模拟和实体模型实验研究［26］，2017年8—10月，黄河水利科学研究院在新疆哈密小柳沟水库开展了30多组现场清淤试验，对设备布局及作业方式等进行优化，长时段平均含沙量达247 kg/m3，最大含沙量可以达到600 kg/m3以上，排沙效果良好。

图6 自吸式管道排沙系统

4 研究展望

随着社会经济快速发展和人口的不断增加，人类对水资源利用提出了新的和更高的要求；同时，江河可供建设水库的新坝址越来越少，且受移民和环境问题的制约。加强已建水库泥沙淤积控制与综合管理，保持和恢复水库的有效库容，发挥其综合效益，是一条可持续发展之路。目前，国内外学者大多侧重于水动力作用下水库泥沙运动研究，通过“蓄清排浑”等运用方式保持水库有效库容，但水动力和人工措施共同作用下泥沙运动研究和库容恢复技术有待加强；泥沙资源化利用刚刚起步，泥沙配置还没有与水资源配置有机结合起来；不同类型水库功能影响评价和功能恢复评价技术亟待研发。因此，从水库淤积控制和功能恢复的角度，未来研究的重点包括以下几个方面。

（1）不同类型水库淤损的主要影响因素及耦合作用机制。开展我国不同类型水库泥沙淤积调查，辨识不同类型水库淤积特征，综合分析不同流域、不同来水来沙条件、不同水库规模及不同水库运用方式对水库淤损的影响，阐明水库淤损的主要因素，建立水库综合分类和评价方法，阐明不同因素对水库淤损的影响程度及耦合作用机制。

（2）强非恒定水沙异步运动机理及水库淤积滞后响应机制。从水库非恒定及非均匀水流条件下水流紊动与泥沙扩散及泥沙颗粒与颗粒之间的交互作用出发，阐明非恒定流条件下洪水传播与泥沙输移之间存在的异步运动现象和特征，揭示水库非恒定水流条件下洪水传播与泥沙输移异步的形成机理，给出强非恒定及非均匀水流条件下泥沙运动与水流强度参数之间的定量关系。从非恒定水流不平衡输沙机理及非均匀泥沙的选择性沉积及冲刷机理出发，阐明水沙异步运动特性与河床滞后响应现象的内联系，揭示不同时空尺度下水库冲淤演变对水沙变化与调控的滞后响应特征与机制。建立适用于水库悬移质泥沙输移的三维两相混流数学模型，突破传统悬沙扩散理论适用于低浓度/小颗粒惯性的制约，实现对水库强非恒定条件下悬沙输移非均匀性和分层性特点及大尺度条件下水库淤积的三维数值模拟，为水库有效库容的长期保持和淤损库容的恢复提供可靠的模拟技术。

（3）淤损水库库容恢复及淤积物处理利用技术。研究复杂水动力作用下淤损水库深水细颗粒底泥吸排输移规律，建立自吸式管道排沙系统中清淤长度、管径、吸泥头型式及布设方式等关键参数与吸泥效率之间的关系，管道沿程压力分布、水头损失、高含沙输送效率与管材、管道尺寸及布设模式的关系，揭示高水头动力作用下管道系统的水沙吸排联动机理，提出淤损水库自吸式管道排沙实施应用方案和工程运行操作技术，并将其规程化。研究适用于100 m级深水水库的气动式清淤系统工作机制，研发不同类型淤积物的气动式清淤技术和装置，开发组装式出渣管线和不同物料渣料分段高效传输技术，研发水下疏浚三维精确控制系统，实现水库中不同淤积物的快速提取。研发避免水库二次污染的淤积物高效吸取技术、淤积物的快速脱水固化与生物处理技术、水质净化技术、干馏淤泥制生物炭技术、清淤及干馏气体净化技术，实现水库环保清淤、疏浚余水达标排放及淤泥减量化、资源化、无害化、稳定化治理。

（4）水沙资源配置理论与水库功能恢复评价模型。水资源高效利用和合理配置已成为经济社会发展的重要保障。目前水资源配置大多只将泥沙淤积作为一个约束条件进行配置，还没有从动态、主动和可持续的视角对泥沙进行配置。在水库中淤积的泥沙侵占了库容，显示为泥沙“害”的属性，而对泥沙的资源属性的认识还不深刻。在深入调查全国不同类型区水库淤积状况的基础上，从技术角度充分论证泥沙资源化的可行性，重点关注泥沙的资源属性，将水、沙均作为资源综合考虑，对现有水资源配置理论和方法进行必要的补充和完善。建立较为全面系统的、适应性强的水库功能影响评价模型，实现对不同类型区各种规模水库由于泥沙淤损造成的功能影响进行客观的评价，提出不同类型区水库功能恢复措施及策略。