我国水库淤损情势分析

邓安军，陈建国，胡海华，张国帅

（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 100048；2.中国水利水电科学研究院 水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室，北京 100048）

1 问题提出

我国是世界上水库数量最多的国家，水库在防洪减灾、区域供水、农业灌溉等方面发挥着重要作用［1-3］，但我国水库淤积也最为严重，为世界平均水平的2 ～4 倍［4-5］，导致水库防洪抗灾能力大大降低［6-9］。由于水库淤积的影响，我国水库的平均使用寿命约为22年［10］，决定水库发挥正常功能使用年限的关键因素为泥沙淤积，掌握水库泥沙淤积状况，采取合理措施减少水库泥沙淤积一直是研究的热点［11-12］。1960年代以来，针对某些区域或者某些流域开展了水库泥沙淤积方面的调查，其中1974年陕西省对百万方以上水库开展了淤积调查［13］，山西省对部分中小型水库开展了淤积调查［14］；1990—1992年组织开展了一次黄河全流域的水库泥沙淤积调查，其中小（I）型以上水库共有601 座，总库容522.5 亿m3，已淤损库容109.0 亿m3，占总库容的21%。截止1992年的调查资料显示，长江上游地区水库年淤积量约为1.4 亿m3，年淤积率约为0.68%，其中，大型水库年淤积率为0.65%，中型0.39%，小型0.90%［15］。2012年水利部组织对山西、陕西、贵州、江西4 省开展了水库淤积调查，山西省水库总库容47.65 亿m3，淤积率（累积淤积量与总库容之比）34%；陕西省水库总库容40.43 亿m3，淤积率34%；江西省水库总库容295.50 亿m3，淤积库容约8.93 亿m3，淤积率仅3%；贵州省水库总库容25.40 亿m3，淤积率只有4.3%［16］。由于我国水库多，分布广，水库淤积测量成本高，在全国范围内尚未系统开展过水库淤积调查，对全国水库淤积状况描述的成果研究更少。姜乃森等［6，17］统计我国236 座水库淤积资料，分析认为1981年我国水库年均淤损率（年均淤积量与总库容之比）为2.3%；田海涛等［18］基于我国115 座水库淤积情况，认为2003年中国内地水库的平均淤积比例约为20%，水库年均淤损率为0.76%。由于水库年均淤损率与库沙比、水库运行阶段、水库运用方式、来水来沙情况等密切相关，我国水库淤损情况差异较大［19-21］。2000年以后我国水库建设情况、来水来沙等条件发生了较大变化，水库淤积速度减缓，年均淤损率减小，由于对我国水库淤积情况缺乏系统性调查研究，尚不能确定目前我国水库泥沙淤积情况。本文在分析我国水库时空分布特征的基础上，依据收集的全国部分水库泥沙淤积资料，分析了我国水库的淤损率和年均淤损率情况。

2 我国水库时空分布特征

2.1 水库空间分布 根据全国第一次水利普查的水库资料，我国10 万m3以上的水库约9.80 万座，总库容9323.13 亿m3，我国水库主要分布于湖南、江西、广东、四川、湖北、山东和云南七省，其水库数量占全国水库总数量的61.7%。图1 给出了我国不同流域水库数量及库容分布，其中长江流域水库数量及总库容远大于其他流域，水库数量占全国52.95%，总库容占全国38.69%；黄河流域水库数量占比3.34%，总库容占比9.72%；珠江流域水库数量占比18.66%，总库容占比16.21% ； 淮河流域水库数量占比9.86%，总库容占比5.45%；海河流域水库数量占比1.87%，总库容占比3.56%；松辽河流域水库数量占比4.20%，总库容占比11.44%。

图1 全国主要流域水库数量及库容分布

不同规模水库数量及库容分布如图2 所示，我国小型水库9.33 万座，数量占比为95.22%，库容却只有703.51 亿m3，占总库容的7.56% ； 中型水库数量为3938 座， 占 比3.92%，库容1119.76 亿m3，占总库容的12.01%；大型水库只有756 座，数量占比0.85%，库容7499.85 亿m3，却占总库容的80.43%。因此，我国水库数量上以小型水库为主，库容上却以大型水库为主。

图2 我国不同规模水库分布

2.2 水库建设进程 图3（a）给出了我国水库数量变化的三个发展阶段： 1950年以前我国水库数量极少；1950—1980年我国水库数量迅速增加，水库数量从346 座发展到78 243 座，平均每年增长2597座水库；1980年以后我国水库数量建设速度变缓，平均每年增长617 座。图3（b）给出了我国水库总库容的增长过程，在1950年以前我国水库总库容极小；1950 以后增长较快，在2000年以后增长更快，1950—2000年年增长水库库容为106 亿m3，2000—2012年年增长水库库容为311 亿m3。

从图3（a）还可以看出，小型水库数量增长曲线与水库总数量增长曲线非常一致，表明我国水库建设数量上以小型水库为主，特别在1980年以前，小型水库数量与水库总数量增长曲线几乎重合，但是，随着时间推移，小型水库数量变化曲线和水库总量变化曲线差距有所扩大，说明我国小型水库占比有所减小；从图3（b）可以看出，大型水库库容增长曲线与总库容增长曲线趋势基本一致，表明我国水库在库容上主要是大型水库，并且在各阶段大型水库库容都大于中型和小型水库库容。

图3 1990—2012年我国水库数量及库容变化

3 我国水库淤损情势

水库淤损率及年均淤损率可用于反映水库淤积情况，水库淤损率是指累积淤积量与总库容之比，表征水库淤积的严重程度；水库年均淤损率是指年均淤积量与总库容之比，表征水库淤积的快慢。

3.1 基础资料情况 作者收集了全国6702 座水库泥沙淤积资料［22］，总库容2342.04 亿m3，占全国所有10 万m3以上水库总库容的25.12%，包含七大流域和内陆所有省份，收集泥沙淤积资料的水库分布如图4 和表1 所示。其中，大型水库131 座，库容约2143 亿m3，约占总库容的91.5%；中型水库580座，库容约155 亿m3，约占总库容的6.6%；小型水库5991 座，库容约44 亿m3，约占总库容的1.9%。由于水库淤积资料统计难度大，水库统计年份不完全一致，90%的水库淤积资料年份统计到2016—2018年，水库初始年份主要是水库运行时间。

表1 不同流域大中小型水库库容分布情况

图4 典型流域收集泥沙淤积资料的水库数量和库容

3.2 水库淤损率分析 根据收集资料中所有水库的淤积总量和水库总库容，计算得到我国水库淤损率为11.28%，不同水库淤损率所占百分数如图5 所示。从图5 可以看出，我国水库淤损率超过60%的水库数量占总水库的2%左右，一半左右的水库淤损率超过11%。图6 给出了典型流域水库淤损率，从图6 可以看出，各流域水库淤损率相差较大，其中黄河流域水库淤损最严重，淤损率高达36.76%；海河流域和松辽流域次之，水库淤损率分别为12.31%和8.02%；而长江、淮河、珠江流域的淤损率均小于5%。所以总体来说，南方水系水库淤损率远小于北方水系。按照不同流域大、中、小型水库淤积情况分类进行了统计分析，我国典型大、中、小型水库的淤损率分别为11.38%、9.36%、13.14%，小型水库淤损率相对较大、中型水库淤损率相对较小，但总体来说大、中、小型水库淤损率相差不大。

图5 不同水库淤损率所占百分数

图6 典型流域水库淤损率

图7 给出了不同运行时间段的水库淤损率变化情况，从图7 可以看出，总体来说，水库淤损率随水库运行时间增加整体呈上升趋势，水库运行时间越长，水库淤损率越高。但淤损率相差不是很大，均在11% ～16%之间。

图7 不同运行时间段水库淤损率

3.3 水库年均淤损率分析

3.3.1 水库年均淤损率的计算方法 资料中包含水库某一段时间的淤积量和水库总库容，单座水库年均淤损率为该水库年均淤积量与总库容之比，计算式为：

式中：Rij为i 流域第j 座水库的年均淤损率；ΔVij为i 流域第j 座水库在统计时间内的淤损库容；Vij为i流域第j 座水库总库容；tij为i 流域第j 座水库的淤积统计时间（以年为单位）。

流域水库年均淤损率为该流域水库年均淤积量与总库容之比，计算式为：

式中：R ′i为i 流域水库年均淤损率；mi为i 流域内收集淤积资料的水库数量。全国水库年均淤损率为全国水库年均淤积量与总库容之比，计算式为：

式中：R ′为直接法计算的全国水库年均淤损率；n 为流域数量。

由于我国水库分布广，不同流域的水库淤积特性差别大，同时水库淤积资料收集难度大，难以在不同流域收集到同样比例的样本数量，这样计算全国水库年均淤损率可能发生偏差。因此，提出了采取流域库容加权的全国水库年均淤损率计算方法，为了区别，该方法称之为库容加权平均法，式（3）称为直接计算法。库容加权平均法，即将式（2）得到的流域水库年均淤损率与按照全国第一次水利普查的各流域的水库库容，进行加权平均后得到全国水库年均淤损率，计算式为：

式中：V′i为根据第一次全国普查资料统计的i 流域对应的该流域所有水库总库容；R ″为库容加权法计算的全国水库年均淤损率。

3.3.2 水库年均淤损率分析 通过式（1）计算收集淤积资料的水库年均淤损率，不同水库年均淤损率所占百分数见图8 所示，大约有75%的水库年均淤损率低于0.4%，5.6%的水库年均淤损率超过1%。从全国典型流域水库年均淤损率图（图9）可以看出，各流域水库年均淤损率相差较大，其中黄河流域水库年均淤损率最高，为1.39%；海河流域和松辽流域次之，分别为0.37%和0.35%；珠江和长江流域为0.29%和0.25%；淮河流域最低，为0.07%。采用直接法和库容加权法计算全国水库淤损率分别为0.49%和0.41%。因此，可以认为目前我国水库年均淤损率在0.41% ～0.49%。按照不同流域大、中、小型水库淤积情况分类进行了统计分析，我国典型大、中、小型水库的年均淤损率分别为0.50%、0.38%、0.63%，年均淤损率为小型水库相对较大。北方河流水系的水库淤损率普遍高于南方河流水系，长江流域典型大、中、小型水库年均淤损率分别为0.25%、0.20%、0.41%，黄河流域典型大、中、小型水库年均淤损率约为1.40%、1.29%、1.92%，黄河流域大型水库年均淤损率约为长江流域的6倍。

图8 我国不同年均淤损率水库所占百分数

图9 全国典型流域水库年均淤损率

图10 给出了不同运行时间段的水库年均淤损率，从图10 可以看出，水库年均淤损率随水库运行时间增加而减小，并且减小幅度越来越小，在运行10年以内的水库年均淤损率较高，为2.49%，运行10 ～20年的水库年均淤损率为0.69%，水库运行70 ～80年的水库年均淤损率降低为0.19%。水库年均淤损率的影响因素复杂［19］，与库沙比和运行时间等有关系，一般来说，水库运行初期年均淤损率较大，库沙比较大年均淤损率较小；水库建设进程中大型水库数量占比越来越大，而中小水库占比越来越小。根据收集的6708 座水库中，在2000年以后运行的大型水库容占所有大型水库总库容的30%；在2000年以后运行的中型水库容占所有中型水库总库容的11%；在2000年以后运行的小型水库容占所有小型水库总库容的18%。即大型水库处在年均淤损率较大的比例较大。因此，出现大型水库年均淤损率较中型水库年均淤损率大的现象。

图10 不同运行时间段水库年均淤损率

3.4 水库淤损程度的分类

3.4.1 分类方法 K 均值聚类［23］是基于k 个聚类数目的条件下，不断优化聚类中心以达到最佳聚类效果的分类方法。由逐步回归方法确定分类对象的j 个影响因素，构建原始数据矩阵空间。为减少随机变量对聚类结果的干扰，聚类前首先对原始向量矩阵进行标准化处理。

式中：x′ij为样本i 第j 个变量的标准化值；为变量j 的平均值；sj为变量j 的标准差。之后随机给出k个初始聚类中心向量矩阵v，分别计算各个样本到k 个聚类中心的欧式距离dik，由最小距离原则产生聚类结果。

其中vkj为第k 个聚类中心的第j 个变量值。得到初次聚类结果后，再将每类样本变量的平均值作为聚类中心，得到对应新的聚类结果。结合目标函数Jm（x，v），用最小二乘法原理找出最优聚类中心，直至目标函数达到最小。

3.4.2 水库淤损分类 根据式（7）计算得到水库淤积聚类中心，将相邻两个聚类中心的淤损率或年均淤损率计算平均值，即可得到水库淤积分类标准（见表2）。从表2 可知，根据水库淤损率可分为：水库淤损率大于38%为严重淤积；淤损率为14% ～38%为中度淤积；淤损率小于14%称为轻度淤积。根据水库年均淤损率可分为：年均淤损率大于1.5%为淤积较快；年均淤损率介于0.5%及1.5%之间为淤积速度中等；年均淤损率小于0.5%为淤积较慢。我国目前约有4.7%的水库淤损率大于38%，即处于严重淤积状态；有4.3%的水库年均淤损率大于1.5%，即处于快速淤损状态。

表2 水库淤积分类标准

4 结论

（1）我国现有10 万m3以上水库9.8 万余座，总库容9323.13 亿m3，其中水库数量以小型水库为主，占比95.22%，水库库容以大型水库为主，占全国的80.43%，水库分布不均，主要分布在南方水系，其中长江流域水库数量和库容分别占全国的52.95%和38.69%；水库数量和库容在1950年后迅速增加。（2）收集了全国6702 座水库淤积资料，包含七大流域和内陆所有省份，总库容2342.04 亿m3，占全国所有10 万m3以上水库总库容的25.12%，90%的水库淤积资料年份统计到2016—2018年。（3）全国水库淤损率为11.28%，各流域水库淤损率相差较大，其中黄河流域水库淤损最严重，淤损率高达36.76%；海河流域和松辽流域次之，水库淤损率分别为12.31%和8.02%；而长江、淮河、珠江流域的淤损率均小于5%。水库淤损率随水库运行时间增加整体呈上升趋势，水库运行时间越长，水库淤损率越高。但淤损率相差不是很大，均在11% ～16%之间。（4）全国水库年均淤损率为0.41% ～0.49%，各流域水库年均淤损率相差较大，其中黄河流域、海河流域、松辽流域、珠江流域、长江流域和淮河流域水库年均淤损率依次为1.39%、0.37%、0.35%、0.29%、0.25%和0.07%。水库年均淤损率随水库运行时间增加而减小，在运行10年以内的水库年均淤损率较高，为2.49%，运行10 ～20年的水库年均淤损率为0.69%，运行70 ～80年的水库年均淤损率降低为0.19%。（5）根据水库淤损率大于38%、14% ～38%、小于14%将水库分为严重淤积、中度淤积和轻度淤积三类；根据水库年均淤损率大于1.5%、0.5% ～1.5%、小于0.5%将水库分为淤积较快、淤积速度中等和淤积较慢三类。