谈谈对水库泥沙的认识及国内外研究现状

谈谈对水库泥沙的认识及国内外研究现状水库泥沙淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至拦河建筑物之间库区的堆积。拦河筑坝后抬高了水位,形成了在建筑物前近似水平、而在上游末端与天然河流原水面线相切的水面曲线。水流进入库区后,由于水深沿流程增加,水面坡度和流速沿流程减小,因而水流挟沙能力沿流程降低,出现泥沙淤积。水库淤积是水库设计和管理中的一个难题。在河道上兴建水库会改变河流的水流条件和泥沙运动状态,使泥沙在水库库区内淤积,从而降低水库的使用效益,甚至导致水库失效报废,所以,对水库泥沙淤积问题的研究就显得尤为重要。一、水库淤积观测和资料分析水库淤积的观测和资料收集是水库淤积研究的基础。我国最早开展的系统性泥沙淤积观测是对20世纪50年代建成的永定河官厅水库、60年代初建成的黄河三门峡水库和汉江丹江口水库的泥沙观测，从中积累了大量的资料。从60年代开始，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，并建立了“黄河泥沙研究协调小组”，组织了攻关研究和成果交流。后来又将其扩展到包括南方水库在内的20个大型水库。以这20个水库为骨干，我国已有一支数量较大的水库淤积观测队伍，收集了大量第一手资料。不论从收集资料的数量、内容、深度和可靠性看，在世界上都是首屈一指的。二、水库变动回水区泥沙问题研究三峡水利枢纽运用各时期水库变动回水区的范围，从坝址上游约440km的丰都，至嘉陵江入汇口以上的油溪，长约270km。变动回水区河道流经丘陵和山区，平均比降约0.2%。〜0.3%°。河道由宽谷和峡谷相间，河床由基岩和卵石组成。通过长江科学院等单位采用原型观测资料分析、泥沙数学模型计算与河工模型试验相结合的方法进行研究，结果认为：建库后变动回水区各河段均有不同程度的累积性淤积；局部河段发生河势调整，淤滩留槽，河道向单一、规顺、微弯形态发展；航道、港区较建库前有较大改善，少数港区和局部航道可能在丰沙年后的水位消落期出现航道尺度和港区水深、水域不足的情况，可采取优化水库调度，结合港区改建和整治、疏浚措施加以解决。葛洲坝变动回水区河道演变主要表现为：分汊型河段向单一河槽河型转化；弯曲型河段的弯道平面形态趋向规顺，边滩淤高展宽和上下延伸，滩槽高差增大；顺直过渡段年内为汛淤枯冲，年际为累积性淤积，滩槽高差加大。推移质淤积、变动回水区的冲淤及淤积引起的洪水位抬高是水库淤积研究的一个重要方面，不仅有一定理论价值,而且对淹没、通航及与上游梯级联接等也有很大实际意义。由于一般水库主要是悬移质淤积，推移质占的比例较小，所以我国对推移质淤积研究较少。入库推移质往往缺乏实测资料，仅对丹江口水库和山东一些水库做过不同粒径泥沙的淤积量分析，确定了其推移质淤积量及组成。较长时间推移质淤积部位及剖面的确定可参考文献。水库淤积的上延，首先是淤积引起回水上延，上延后的回水又产生新的淤积，如此不断相互作用，形成了水库淤积的翘尾巴。从理论上对淤积引起回水抬高的方程、特性以及回水末端定义等的研究见文献。变动回水区的冲淤涉及到水库与河道的双重作用，是水库淤积最复杂的问题，不少成果对丹江口水库回水变动区冲淤特性进行了研究。有对变动回水区河型特点及转化的可能性的研究成果。关于变动回水区冲淤对航运的影响，也有一些调查成果。韩其为对变动回水区提出了航运控制的调度原则，即要求枯季坝前水位不低于或等于航运控制水位（消落水位），以加大变动回水区枯季的航深和减少对航运不利的消落冲刷。这种调度将在三峡水库中应用，能使枯季水深明显加大。三、国内外研究现状1、水库泥沙淤积管理理念①“设计寿命”管理理念“设计寿命”管理理念是指在工程的寿命周期内，实现工程的规划、设计、建设、运行和维护，完成工程既定的各项任务。工程的寿命一旦确定，规划、设计、建设、运行和维护就限于这个时段内进行。“设计寿命”管理理念有如下特点：（1）工程的寿命期确定，工程管理是有限的线性过程；（2）水库建设、运行与维护的约束条件是规划或设计时所考虑的外部因素；（3）随着工程老化、水库不断淤积，工程逐步丧失各项功能；（4）工程寿命末期，报废或降等处理造成的环境和社会影响由后代承担。这种管理理念在水库设计与运行管理中已得到广泛应用。在这种管理理念指导下，为实现水库的各项功能，需要外部因素和建设目的，确定水库设计与运行管理的关键要素，包括水库寿命和水库运行调度方式。同时，由于水库运行与维护的需要，应对水库进行安全管理，并进行相应的经济评价。运行期间，若外部条件发生变化，尤其是来水来沙条件变化，一些水库库容会不断减少，甚至被淤满。②生命周期管理理念针对“设计寿命”管理理念中存在的问题，2003年世界银行提出了水库可持续管理的生命周期管理理念，包含的元素与“设计寿命”管理方法基本一致，但以循环的形式进行组织，循环是水库泥沙淤积管理得以实现的关键。该理念的根本目标是通过积极地管理和维护，实现大坝主要功能的长久维持。当工程老化不可避免时，大坝允许报废，同时每年定期拿出工程的部分收益成立报废基金，以此提供大坝报废所需的经费。该方法下，从大坝获益的每代人都将为报废做出应有的贡献，代际公平得以维持。由于生命周期管理理念要求水库管理者积极采取泥沙淤积管理以维持水库的可持续利用，因此，不仅需要对各种管理技术进行经济分析，更需要对其环境影响和社会影响进行评估，以寻求最优的管理方案。泥沙淤积管理效益和成本的识别与计算，影响决策者对方案的选择。全面、正确地识别和计算效益、成本，做到不重不漏，是水库可持续利用、实现代际公平的关键。2、水库泥沙淤积研究成果泥沙淤积研究揭示水库泥沙淤积规律，为泥沙淤积防治和管理评价提供技术支撑。利用水库淤积和排沙规律，我国摸索出一套使水库淤积减缓、甚至不淤积的运行模式，即“蓄清排浑”。利用三门峡水库泥沙淤积的滞后响应现象进行了研究，建立了滞后响应模型，为三门峡水库在2003年后制定合理运用方式提供了参考。对大型水库淤积控制的研究，林一山提出水库长期使用的设想和概念；韩其为从理论上阐述了水库长期使用的原理和根据，并提出了长期保留库容的计算方法；周建军等以三峡水库为例，初步提出在大型河道型或径流水库上布置固定河段挖粗沙进行淤积控制研究。现有水库淤积数学模型主要通过研究水流运动和泥沙运动规律，对河道或水库进行冲淤计算，重点关注淤积量计算，淤积形态、河床变形和边岸坍塌等。国际上比较著名的有GSTARS模型、FLUVIAL模型、HEC-6模型、SSIM模型、MIKE11模型和RESSASS模型。国内应用较广泛的模型有张启舜模型、黄委设计院模型、韩其为模型、长江科学院模型、王仕强模型、王新宏模型、曲少军模型和张俊华模型等。3、水库泥沙淤积防治措施①拦减水库上游来沙在水库集水范围内开展水土保持，最大限度减少水土流失，是防治水库淤积的根本途径。在水土流失特别严重的地区，还可因地制宜采取坝库联合运用、绕库排浑、引洪放淤和渠道外蓄水等措施，防止泥沙入库。②利用泄洪排沙设施排沙利用水库泄洪排沙设施，选择合理的水库运行调度方式可进行排沙。根据对入库水沙的控制程度，水库运行方式可分为蓄洪拦沙、滞洪排沙和蓄清排浑3类。③利用机械设备挖除水库泥沙利用机械设备将已经落淤或进入水库的泥沙清除出库，包括挖泥船挖沙、水力虹吸抽沙清淤、气力泵清淤、射流泵清淤和空库干挖等。其优点在于耗水量小，对环境影响相对较小，缺点是需要消耗外部能量，清淤能力与范围有限，清淤成本高，且挖出的泥沙处置困难。④出库泥沙的有效利用出库的含沙浑水应尽可能地利用，不仅能充分利用水资源，降低清淤成本，还可以减少下游河道及水库泥沙的负担。出库泥沙的处理可分为3类：泥沙回归下游河道或上游侵蚀区；引浑放淤，缓解用水矛盾，改善土壤；用作建筑材料。4、水库泥沙淤积管理评价目前对水库泥沙管理经济评价和社会环境影响评价方面的研究不少，包括水库可持续利用和代际公平研究、水库经济和环境影响制约因素及影响计算研究、水库功能开发研究、水库生态特征及可持续发展分析探讨等。世界银行于1999年启动了RESCON研究项目，提出水库可持续利用的评估方法，并开发了RESCON模型。模型从泥沙淤积管理角度，考虑了多种水库清淤技术，采用经验关系计算各技术的清淤能力，从经济、环境和社会角度评估各清淤方案。模型在巴基斯坦、伊朗、印度、瑞士、日本的多个水库得到应用，取得了较好的效果。对于RESCON模型，尚需要进行以下几个方面的改进：利用实测数据进一步对模型进行验证，识别模型的错误和局限；将洪水控制能力加入模型中；将其他泥沙淤积管理方法纳入模型中，如异重流排沙、泄沙和水库绕流等；使模型具备模拟梯级水库的能力；拓展模型模拟季节性水流的能力，以识别更适合冲沙的水文条件；可设置下泄水流的含沙量上限，作为下游环境约束的一部分；可计算每种方案的环境成本。在RESCON模型基础上，结合中国水库的淤积特点，一些学者对水库功能评价指标体系和模型框架进行了研究，可快速评估泥沙淤积对水库防洪、发电、灌溉、供水、航运、生态等方面的影响程度，为决策者进行水库泥沙淤积管理决策提供初步依据。一些学者还依据已有的清淤能力经验公式和最优控制方法，在RESCON模型的基础上扩充水库效益计算模块，增加泥沙淤积管理措施，可确定最优的清淤措施和清淤过程，为决策者选择水库清淤方案提供初步的依据。总体上看，国外虽然在水库泥沙淤积管理评价方面开展了一些研究，理念、理论和方法都比较超前，但对水库泥沙淤积防治措施研究得还不多。我国在水库泥沙淤积防治方面的工程经验世界领先，但对水库泥沙淤积管理的评价研究和实践还比较薄弱。近几年，我国逐步重现这一问题，对一些重点水库的泥沙淤积处理开展分析和评价等工作，与国外相比，我国还存在系统理论缺乏、评价方法不确定、经济社会和环境的综合评价缺乏等不足。三、结语水库泥沙淤积是水库运行治理的难题之一，不仅占用了水库的有效库容，使水电站的发电能力降低，更是严重影响水库运行安全。根据上述几个水库排沙方式的比较，可以得知：虽然针对不同的水库的泥沙淤