水库淤损控制与库容恢复研究综述

邓安军 陈建国 胡海华 史红玲 刘飞

摘要：我国水库数量多，淤积严重，影响水库功能的发挥和水库安全。在目前水库淤损日益加重的情况下，开展水库淤损控制与库容恢复技术研究，对恢复部分淤损库容、提高水库的各项效能、延长水库使用寿命具有非常重要的意义。对我国水库的淤损情况、淤损控制与库容恢复技术等方面的研究进行了简要综述，提出了需要开展全国水库泥沙淤积调查、水库淤损机理和控制措施研究等工作。

关键词：综述;库容恢复;淤损控制;水库

中图分类号：TV697

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.01.001

中国是世界上水库数量最多的国家，建有库容10万m及以上的水库98 002座，总库容9 323亿m，相当于全国河川径流总量的20%。水库在提供清洁能源、维系区域生态平衡、保障供水和减轻洪涝灾害等方面发挥着重要作用。我国又是水库淤积最严重的国家，水库平均年淤损率（淤积库容与水库总库容的比值）为2.3%[1]，每年因淤积而损失的库容约为100亿mi。水库功能性、安全性和综合效益的降低已成为制约经济社会发展的瓶颈之一，因此对于淤损水库应积极采取挽救措施，清除库区部分泥沙，恢复部分淤损库容，以延长水库的使用寿命，继续发挥水库的各项功能，更好地改善和促进水库的可持续利用。

1 国内外水库泥沙淤积比较

目前全世界已建成数百万座各类水坝，其中大坝约50 000座，形成的水库库容共约70 000亿m[2]。水库具有防洪、供水、发电、灌溉、航运等功能，为社会发展创造了重大效益。然而，由于河流发生水流运动的同时常伴有泥沙输移[3]，因此水库泥沙淤积成为世界性难题。受泥沙淤积影响，水库的平均使用寿命为22 a[4]，这与大坝坝体至少100 a的寿命相差甚远。尼罗河在阿斯旺大坝建立以前，年泥沙输送量为I.OO亿～1.24亿t，建坝后年泥沙输送量仅为以前的10%，这说明库区内的泥沙淤积十分显著[5]：Ebro河上的Ribarroja -Mequinenza水利枢纽建成后，上游来沙量的96%被滞留在水库中，导致下游沿程河床冲刷下切，并使得河口三角洲淤积停止并发生侵蚀[6]：美国的科罗拉多河年输沙量为1.50亿t，受流域调水和水库建设影响，人海泥沙大大减少，这也说明库区的泥沙淤积较为明显[7]。此外，法国的多瑙河[8]、Rhone河‘9]，俄罗斯的顿河[10]、非洲的Niger河[ll]、美国的Skokomish河[12]，我国的滦河、长江、黄河、淮河等，也出现了類似现象[13-16]。世界上水库以每年淤损0.5%～ 1.0%库容[17j的速度降低着大坝的安全性，减弱着水库功能及其综合效益，而我国水库年均淤损率为2.3%，远大于世界水库库容损失率。因此，对于大多数水库而言，发挥正常功能的使用年限是由泥沙淤积而非坝体寿命决定的。世界水库（大坝）库容和泥沙淤积的地域分布见表1。

2 淤损水库功能恢复研究进展

2.1 我国水库淤损现状

据统计，我国七大江河的年输沙量高达23亿t，即使是长江，虽然含沙量只有0.54 kg/m，但是由于水量较大，因此年来沙量也有约5亿t[l8]。在河流上修建水库后，水流流速减小，挟沙力降低，泥沙就会在水库中淤积。

目前，我国掌握的水库淤积基础数据和特征信息还不系统、不全面。据有关研究资料分析，我国水库的年均淤损率大于多数其他国家水库的年均淤损率，部分水库淤损率达30%以上。水利部在2012年对山西、陕西、贵州、江西4个典型省份的水库淤积情况进行了调查分析[19]，结果表明：山西省水库总库容为47.65亿m，淤损率为34%;陕西省水库总库容为40.43亿m，淤损率为34%;江西省水库总库容为295.50亿m，淤损库容约为8.93亿mi，淤损率为3%;贵州省水库总库容为25.40亿m，淤积库容约为1.10亿m，淤积率为4.3%。尽管贵州和江西两省淤损率不高，整体淤积不大，但淤积程度差异较大，仍有不少水库存在泥沙淤积问题。据统计，江西省有6 376座水库存在淤积问题，贵州省有979座水库存在淤积问题，且有部分水库淤积严重，比如江西省塘背水库淤损率为58.9%，贵州省新桥水库淤损率达80.0%。总体来讲，不同流域水库淤积差异明显[20]，山西、陕西两省地处黄河流域的水库整体淤积比较严重，而江西、贵州两省地处非黄河流域的水库淤积程度要轻得多。

2.2 水库淤积防治方法及效果

水库特性、流域条件等因素决定了水库的淤积形态和淤积分布，同时也决定着水库淤积的防治方法。曹慧群等[21]比较详细地统计了我国26座水库的减淤方法及减淤效果，其中水库减淤方法主要有减少入库泥沙、排沙冲沙出库、机械清淤等。减少入库泥沙的减淤方法主要适用于黄河等水土流失比较严重的区域，土壤侵蚀是这种流域产沙的主要模式和水库泥沙淤积的主要原因，所以通过水土保持措施减少流域土壤侵蚀和采取拦沙措施，可减少入库泥沙和库区泥沙淤积。水土保持方法既适用于河道型水库，也适用于湖泊型水库。修建淤地坝、引洪放淤以及绕库排浑等工程措施主要适用于湖泊型水库;水土保持、拦沙坝等工程措施的投入费用高，工程实施时间长，减淤见效慢，主要适用于流域面积相对较小的水库。

排沙冲沙出库方法一般适用于设有排沙设施的水库，其减淤效果在河道型水库相对较好，采取异重流排沙、泄空冲沙和横向冲蚀等水力冲沙方法在短时期内排沙冲淤效果显著：对于超大型河道水库（如三峡水库、小浪底水库和三门峡水库），蓄清排浑是长期维持水库库容的一种有效方法，三门峡水库采取蓄清排浑运用方式以后淤积明显减少。排沙冲沙出库方法是利用水动力直接冲刷水库中淤积的泥沙，通过冲刷形成库区的主河槽，该方法减淤效果明显，并且成本相对较低。

机械清淤的方法在理论上适用于各种类型的水库，并且库容恢复效率较高，但由于成本较高，因此该方法主要用于中小型水库清淤或大型水库的局部清淤。近年来，随着水源地水库的水环境问题凸显，常通过机械清淤恢复中小型水源地水库的库容，大型水库局部清淤主要是对水库变动回水区的碍航河段进行清淤。由于机械清淤最主要的问题是清淤成本高和淤积物的二次污染，因此为了降低清淤成本，目前一些单位和个人针对不同特性的淤积物开展了泥沙资源化处理研究和示范，比如利用淤积物中的较粗颗粒泥沙制作混凝土骨料，利用淤积物中较细颗粒泥沙烧制黏土陶粒和瓷砖等。

上述各类库容保持和水库泥沙减淤措施中，泄流排沙、水库冲沙和异重流排沙都是利用水流动能对来沙及淤积泥沙进行泄放和清淤，也是目前维持水库有效库容的主要措施。

2.3 水库淤积控制及库容恢复研究进展

2.3.1 水库泥沙淤积管理研究

成功的水库泥沙管理方式是结合了防沙、排沙、冲沙、清淤等多种减淤技术和监测、调控措施的综合管理方式[22]，主要包括减少上游来沙量、入库泥沙的输移和排出、库区淤沙的冲刷和减淤以及对于淤损或淤废水库的扩容补救和拆除等措施。

2.3.2 库容保持和淤损库容恢复研究

保持和恢复水库库容的常见手段主要有蓄清排浑、泄空冲沙、异重流排沙和水沙联合调度等水力调度方式和人工清淤措施。

（1）蓄清排渾。目前我国很多水库采取蓄清排浑的运行方式来处理泥沙淤积，加大水库排沙效率。蓄清排浑运用方式必须空库或降低水位迎洪，充分发挥水库的调蓄作用，如三峡水库根据上游来水来沙在年内分配不均的特点，在7-9月主汛期水库水位保持在防洪限制水位145 m运行，使含沙量较大的洪水能够顺畅地排向下游，汛后含沙量减小后水库开始蓄水，至11月末蓄至正常水位175 m，以充分发挥发电等效益：三门峡水库建成运用最初的3a中，水库迅速淤积，坝前水位为323～330 m，采取蓄清排浑运用以来，非汛期水库最高蓄水位控制在318 m，汛期控制在305 m，库区淤积较少，在2000年以后库容基本保持在33亿m左右。

（2）泄空冲沙。泄空冲沙是水库冲刷方式中最重要的一种，主要是利用水库泄空过程中的溯源冲刷和沿程冲刷作用恢复库容，冲刷水库前期淤积的泥沙，减少水库泥沙淤积。泄空冲刷包括两种情况：一是上游未发生洪水，靠泄空水库本身水量引起的溯源冲刷和沿程冲刷恢复库容，其泄流量应该先小后大，这种冲刷由于水量不足，因此冲刷范围和冲刷距离一般较为有限，主要用于维持水库坝区的冲刷漏斗等，解决坝区附近的泥沙淤积问题：二是上游发生洪水时提前泄空水库，利用暴雨形成的洪水在低水位冲刷排沙，这种方法后劲能量足，冲刷效果好，能很好地恢复库容。

关于溯源冲刷的研究较多，并建立了一系列溯源冲刷计算公式[23-25]。在溯源冲刷机理研究方面，韩其为[26]在对冲刷纵剖面进行假设的基础上导出冲刷参数，得到了一套详细的能够反映溯源冲刷过程的成果。

泄空冲刷效果显著，以位于伊朗德黑兰西北部建于西菲罗河上的西菲罗大坝为例，该坝于1962年建成投入运用，各时段淤积情况见表2。其初始库容为17.6亿m ，1962-1980年水库发生了严重淤积，年均淤积量为3 940万m3，排沙比只有22%，库容年均淤损率达2.24%。为了减轻泥沙淤积，从1981年开始排沙运用，在非灌溉季节进行泄空冲刷，出库含沙量由2 kg/m增大到40 kg/m，大大减轻了水库泥沙淤积，甚至发生了冲刷，库容得到一定程度的恢复。（3）异重流排沙。水库蓄水时，当较高含沙量洪水进入水库时，由于水库清水与较高含沙量洪水相对体积质量有差别，两者基本不相掺混，因此高含沙量洪水潜入库底并向坝前运行。此时若打开底孔闸门，则高含沙量洪水将通过底孔排向下游河道，避免高含沙量洪水挟带的大量泥沙在库区发生淤积。异重流排沙前后一直都保持较高蓄水位，基本不产生弃水，所以既能减少水库泥沙淤积又能保证水库效益的发挥。异重流形成需要的水量条件是要有一个较大的流量过程，要有持续动力[27]。国内多年实测资料表明，异重流排沙比远高于一般高含沙量洪水排沙比，有时异重流排沙比可高达90%，平均排沙比也可达60% [28]。

在异重流基础理论方面也进行了大量研究，取得了一系列研究成果，王光谦等[29]根据微元体上的质量守恒和动量守恒建立了异重流运动的基本方程：范家骅等30-32-通过实测资料和室内试验研究，给出了异重流的潜入条件以及异重流排沙和孔口出流的计算方法：方春明等[33]通过研究认为异重流潜入点水深必须大于异重流正常水深时异重流才能成功潜入，并且证明了水库异重流是超饱和输沙，发生异重流时必然会发生沿程淤积[34]。

（4）水沙联合调度。针对高含沙量洪水入库，为了减少高含沙量洪水在水库的泥沙淤积，通过入库洪水预报，根据水库调度规则进行水库水沙联合调度，在含沙量峰值附近进行泄洪，在保证水库安全的前提下尽可能多排沙出库，减少泥沙在水库的淤积[35]。

水库优化调度的研究成果较多，但主要是基于水资源和发电效益的优化调度，而对水库水沙联合调度的研究较少。水库水沙联合调度的目标是减少库区泥沙淤积，维持水库长期综合效益，所以相关研究一般是以库区淤积量作为泥沙调度目标[36-37]：有的模型采用有效库容作为目标[38]，考虑了泥沙淤积对水库库容损失的影响：有的模型采用变动回水区的碍航淤积量反映泥沙调度目标[39]，考虑了泥沙淤积对航运的影响：还有的模型采用考虑泥沙淤积后修正的库容曲线[40]，在计算水库优化调度时没有直接考虑泥沙调度目标，而是间接地体现泥沙淤积对水库发电优化调度的影响。上述不同模型中泥沙调度目标都是针对具体问题进行选取，总体来说都是选取反映水库综合效益发挥的泥沙调度目标。

（5）水库清淤。水库水力排沙都要在不同程度上消耗较多的水量，对于水资源严重缺乏的干旱地区来说，经常会因为水资源问题而不容许排沙。此外，有的水库由于没有排沙设施，不可能采用水力排沙方式，因此单靠水力排沙不能从根本上解决淤损水库的库容恢复问题。

对于这种不能采用水力排沙的水库，一般需要采用机械清淤措施恢复水库库容，目前主要通过挖泥船、吸泥泵等机械清淤措施对水库进行清淤，恢复水库库容。近年来，我国河道、水库、湖泊、航道等清淤工程较多，清淤技术得到长足发展，装备能力也大大提升。目前国内外水库清淤措施较多，主要有虹吸式、萨克斯管形槽孔式等无动力措施，另一类是潜水泥泵绞吸式挖泥船、气力泵等有动力措施[41]。目前清淤方式主要有：①陆上清淤，这种方法适用于非汛期水量较小或者干涸的水库，挖掘的淤泥由管道输送或直接倒运到岸上，然后由汽车运输出去，优点是清淤彻底：②水下清淤，这种方式适用于常年必须有蓄水的水库，利用清淤抓斗船、绞吸式挖泥船等将河底淤积物挖到拖船上，再运送到指定淤积物堆放点，这种清淤方式对中小型水库的清淤效果较好。对大型水库来说，由于水库库容大、淤积量大，因此为了达到清淤效果，需要的清淤量大，而机械清淤成本高、回淤快，这种方法仍难以解决大型水库泥沙淤积问题，但在局部采用机械清淤较为普遍，比如三峡水库在变动回水区采用机械清淤方式来解决航道的泥沙淤积问题。

3 研究展望

随着社会经济的迅速发展和人们对流域生态安全要求的日益提高，根据我国对水库淤损情况和研究现状，需要开展如下研究工作。

（1）全国水库淤积情况调查分析。目前我国水库泥沙淤积缺乏系统的调查，根据20世纪水库泥沙淤积统计的我国水库淤损率为2.3%，显然不符合目前我国水库泥沙淤积情况，所以急需系统开展水库泥沙淤积调查，掌握我国水库泥沙淤积情况。水库库容调查最常规的方法是地形测量，但是我国水库多，地形测量工作量大、成本高，研究有效、快速的水库库容调查方法显得非常必要。在此基础上，通过对全国水库泥沙淤积问题进行调查，摸清不同类型典型水库的流域特征、库容、泥沙淤积量、淤积速率等，并按照不同指标对水库进行分类，以便对不同类型水库的泥沙淤积控制和清淤采取不同的措施，做到因地制宜，对症下药。

（2）不同类型水库淤损机理和控制措施研究。水库泥沙淤积控制并不是单指淤积平衡后的控制，而是贯穿于水库运用的全过程，初期可以采取低水位运用方式来调控泥沙淤积部位，中期可以通过水库调度运用、异重流排沙、浑水水库排沙等技术减少水库淤积，后期可以通过空库拉沙等手段维持一定的有效库容。水库淤积控制的目的是，延迟清淤时间和减少清淤频次，使水库能够长期保持一定的有效库容。水库淤积控制措施包括：利用水土保持等措施减少入库沙量，水库初期运用淤积部位调控使泥沙尽可能淤积在死库容里，蓄清排浑运用减少水库泥沙淤积、异重流排沙、水库敞泄运用拉沙、大洪水排沙、浑水水库排沙以及水力排沙、泥沙资源利用和机械清淤相配合的措施等，需要研究各种泥沙淤积控制措施的适用条件及其减淤效果。

（3）不同类型淤损水库清淤措施研究。对于严重淤积的水库，实施适当的清淤是恢复库容的有效措施。水库清淤技术很多，从原理上讲包括水力自然冲刷、人工机械清淤和小型工程措施等，并且技术上相对比较成熟。机械清淤又包括挖泥船、射流、气力泵、虹吸等，小型工程措施包括旁侧排沙、高渠冲滩、管道输沙、爆破松沙等措施。水力自然冲刷可用于全库区清淤，人工机械清淤多用于局部清淤，而小型工程清淤措施在较好的水流条件配合下可以取得较好的减淤效果。有的措施可用于各种类型水库，而有的措施只适合中小型水库。因此，需要研究不同类型水库清淤措施、不同措施的应用条件和效果、不同的水库应该采用什么清淤措施、水库调度运用如何配合等问题。

（4）淤损水库库容恢复效果与维持研究。水库清淤后一般都会发生回淤，过快回淤将会大大降低清淤效果。因此，如何尽可能长期地维持清淤库容，是必须加以研究的重要问题。需要研究水库清淤位置、时机、频率和规模，以及维持清淤库容的水库合理运用方式等。

（5）清淤泥沙处理措施研究。目前我國中小水库淤积严重，严重影响水库功能的发挥，而绝大部分中小水库主要依靠清淤恢复库容，清淤量大、成本高。因此，根据水库泥沙淤积物特性，研究清淤的泥沙如何处理，减少二次污染，降低水库清淤成本，对大范围开展水库清淤、恢复淤损水库功能显得尤为重要。

（6）淤损水库管理经验探讨。在水库泥沙淤积管理实践过程中，结合我国较为成熟和先进的水库泥沙淤积理论成果，学习国外水库功能评价及恢复对策理念，构建我国淤损水库功能影响及恢复对策措施的评价体系，并采取科学合理的治理措施，我国淤损水库泥沙淤积问题就有望得到系统解决。

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