泥沙浮沉 關(guān)乎水庫壽命

眾所周知，水庫泥沙是一個世界普遍存在的共性問題，也是關(guān)乎水庫使用壽命的一個難題。對此，本刊圍繞著有關(guān)水庫泥沙淤積的問題，專訪了國際大壩委員會水庫泥沙專委會主席，同時也是黃河水利科學(xué)研究院的副院長、水利部黃河泥沙重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的主任江恩惠。

記者：請介紹一下國外水庫泥沙淤積狀況以及在處理水庫泥沙淤積問題的措施。

江恩惠：從全球范圍來看，國外多沙河流大致分布在：美國的中部和西南部，非洲北部的阿爾及利亞和埃及，亞洲南部的印度和巴基斯坦。近年來，由于土壤侵蝕、水土流失造成水庫的嚴(yán)重淤積，帶來水庫庫容的損失和對環(huán)境的影響越來越明顯。譬如說，美國在20世紀(jì)20年代以后開始修建的綜合利用水庫，如田納西河流域各墾務(wù)局在美國西部、以及工程兵團(tuán)在密蘇里河、阿肯色河等處修建的各種水庫工程，總庫容約5000億立方米。每年淤積損失庫容12億立方米，約占原庫容的0.2%。據(jù)統(tǒng)計(jì)1935年以前修建的水庫中，10%已經(jīng)完全淤廢，14%的水庫庫容損失已達(dá)原庫容的1/2~3/4，33%的水庫損失庫容1/4~1/2。

俄羅斯1970年統(tǒng)計(jì)，已建水庫總庫容11000億立方米，其中庫容大于1億立方米的水庫150座。一些大水庫位于北方，來沙量小，庫容大，淤積問題不嚴(yán)重，主要是水庫塌岸問題，如頓河齊姆良水庫，蓄水后3年內(nèi)塌岸土方就達(dá)0.3億立方米。在中亞細(xì)亞及高加索地區(qū)，氣候干燥，有的處于半沙漠地區(qū)，河流含沙量較高，如錫爾河年輸沙量0.33億噸，1948年在該河上建成法爾哈德水庫，庫容2.5億立方米，運(yùn)行12年，庫容損失達(dá)87%。1956年在其上游修建了克拉克柯姆水庫，庫容41.6億立方米，這是中亞細(xì)亞多沙河流最大的一座水庫，淤積比較嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)該地區(qū)41座灌溉及發(fā)電水庫，壩高6米以下的灌溉引水樞紐，淤滿年限一般1~3年。壩高7~30米的發(fā)電、灌溉引水樞紐，淤滿年限3~13年。年調(diào)節(jié)水庫庫容1~10億立方米的設(shè)計(jì)運(yùn)用年限約50~200年。庫容10億立方米以上的為200年。不少水庫不得不采用水力沖洗或汛期低水位運(yùn)用以減少水庫的淤積。

阿爾及利亞氣候干旱，雨量很少，暴雨強(qiáng)度極大，土壤流失嚴(yán)重。阿爾及利亞正在運(yùn)行的大型水庫共57座，年淤積量為4500萬立方米，相當(dāng)于每年損失0.65%的總庫容，應(yīng)該說淤積的影響程度相當(dāng)嚴(yán)重。截至2006年，水庫淤積泥沙11億立方米，損失總庫容的16%。不過，淤積的嚴(yán)重性在阿爾及利亞似乎不應(yīng)夸大其辭，年淤積率為0.65%意味著許多大型水庫無需干預(yù)，其使用年限仍可達(dá)140年。

印度是土壤流失很嚴(yán)重的國家之一。大約有13億畝土地侵蝕較嚴(yán)重，溝道切割嚴(yán)重的面積達(dá)0.5億畝。實(shí)測的流域年產(chǎn)沙量的數(shù)字常比原設(shè)計(jì)數(shù)字大2~3倍。據(jù)1969年統(tǒng)計(jì)，大于10億立方米的水庫共21座，蓄水量總計(jì)1260億立方米，由于泥沙淤積，每年庫容的損失率平均為0.5%~1.0%，有的可達(dá)2.0%。最大的巴克拉水庫，總庫容98.6億立方米，運(yùn)行6年后由于泥沙淤積，損失庫容3.5%。

日本河流流程短，比降陡，水量充沛，輸沙量并不大，如最大的利根川，年輸沙量316萬立方米，石狩川193萬立方米。水庫多但庫容不大，一般只有幾百萬到幾千萬立方米，總庫容不過100億立方米。由于庫容小，相對淤積速率較快。據(jù)統(tǒng)計(jì)（1912~1972年）庫容大于100萬立方米、壩高15米以上的水庫265處，因淤積平均已損失庫容20.63%，有5座水庫已淤滿。

初期人們對水庫泥沙淤積認(rèn)識很少。上世紀(jì)40年代以后，在防治流域土壤侵蝕、控制進(jìn)庫泥沙，清淤和排沙等方面進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，特別是各國開展了水庫泥沙的現(xiàn)場觀測，幾十年積累了一定數(shù)量的野外觀測資料，對于研究和解決水庫泥沙問題起了一些作用。美國在土壤侵蝕方面，日本在修建攔沙堰控制粗沙入庫方面，俄羅斯在水庫降水沖刷和水庫塌岸方面，法國和阿爾及利亞在水庫清淤排沙方面都積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

記者：如何認(rèn)識和應(yīng)對水庫泥沙難題？

江恩惠：處理水庫泥沙，延長水庫使用壽命，是眾多學(xué)者關(guān)注的重大科學(xué)技術(shù)問題。國內(nèi)外由于各水庫的自然地理?xiàng)l件不同，以及社會制度的差異，處理水庫泥沙問題的對策和措施的側(cè)重點(diǎn)也不一樣。總的說來有以下幾個方面：

一是防止土壤流失，減少泥沙人庫。在流域范圍內(nèi)開展水土保持工作，從源頭截住或控制住泥沙，是一個治本的措施。對于流域面積小的水庫，減淤效果比較顯著。例如美國紐曼水庫，流域面積3.6平方公里，在流域內(nèi)植樹造林，并修建溝道控制工程，土壤侵蝕速度減少了約60%。美國對于坡面土壤侵蝕進(jìn)行了較長期的研究，建立了著名估算土壤侵蝕的方程（USLE)。可以具體估算各種不同的耕作方法和各種控制侵蝕措施的效果，用以指導(dǎo)土地利用。對于溝蝕也有人作了大量探索性的工作。

在我國以黃河為例，淤地壩是黃土高原地區(qū)人民群眾在長期同水土流失斗爭實(shí)踐中獨(dú)創(chuàng)的一種行之有效的水土保持工程措施。它既能攔截泥沙、保持水土，又能淤地造田、增產(chǎn)糧食，在黃河流域已有幾百年的發(fā)展歷史。近年來，為進(jìn)一步保證淤地壩的運(yùn)行安全和充分發(fā)揮整體效益，在全面總結(jié)淤地壩建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過反復(fù)的科學(xué)試驗(yàn)和研究，逐步形成了“以支流為骨架、小流域?yàn)閱卧歉蓧魏椭行⌒陀俚貕蜗嗯涮祝ㄔO(shè)溝道壩系”的建壩思路，特別是近些年國家“退耕還林”政策的實(shí)施，對減少水土流失和入庫泥沙效果明顯。

二是增加庫容攔沙，延長水庫壽命。美國在初期對水庫淤積的基本對策是“棄舊建新”，并認(rèn)為水庫庫容損失達(dá)15%~40%就有必要采取增加庫容的措施。為了延長水庫使用年限，規(guī)劃時普遍采用多留所謂堆沙庫容，相應(yīng)加大總庫容的辦法。事實(shí)上，加大庫容后，水庫的攔沙率也相應(yīng)增加。在一定條件下，加大庫容并不能相應(yīng)地同倍比延長水庫的使用期限。

此外，分期增加庫容時新增單位庫容造價(jià)很高。根據(jù)美國的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，新增庫容的單位造價(jià)往往是原造價(jià)的2~20倍，而且還有一系列復(fù)雜的技術(shù)問題。因此，靠“棄舊建新”或增加庫容延長水庫泥沙淤積年限的辦法是很不經(jīng)濟(jì)的。

三是汛期降低水位排沙減淤。大多數(shù)河流汛期來沙所占比重很大，且往往集中在汛期幾場洪水。因此在汛期降低水庫運(yùn)用水位，提高庫內(nèi)流速可以使一部分或大部分泥沙排出庫外，達(dá)到減淤的目的。汛期降低水位運(yùn)行，是國內(nèi)外普遍運(yùn)用的水庫減淤措施。如：俄羅斯烏切—庫爾甘水庫蓄水運(yùn)行6年，淤損有效庫容55%，后改為汛期降低水位3~6米運(yùn)行，庫內(nèi)基本上不再淤積；美國葛恩賽水庫采用降低水位運(yùn)行，排除沙量為沒有降低水位時的6倍。在我國，三門峽水庫剛建成蓄水時，僅一年半的時間，水庫就淤了15億噸泥沙，潼關(guān)高程一下子抬高了4.5米，改建以后，采用汛期降低水位運(yùn)行，水庫基本保持沖淤平衡；青銅峽水庫1972年起改全年蓄水運(yùn)行為蓄清排渾運(yùn)行，一年內(nèi)沖走淤沙1650萬噸，恢復(fù)了部分庫容。

四是定期泄空沖刷恢復(fù)庫容。水庫定期泄空進(jìn)行沖刷是早已實(shí)行的一種減淤方法。主要適用于季節(jié)性使用的水庫。早期在阿爾及利亞的一些水庫就使用了這種方法。在俄羅斯的低水頭樞紐、美國和奧地利的某些水庫也曾采用。根據(jù)淤積情況和沖刷強(qiáng)度，水力沖刷的周期可以2~3年一次，多的每年1~2次，每次沖刷的持續(xù)時間幾天至十幾天不等。國內(nèi)許多水庫采用泄空沖刷受到很好效果，黑松林水庫1970年泄空沖沙4.28萬噸，1971年沖沙4.43萬噸；洗馬林水庫泄空后，庫區(qū)沖刷出長500米、底寬20米、上口寬60米、最深處達(dá)8米的深槽，出庫含沙量達(dá)718千克每立方米。

但同時，對于通航河道在沖刷時段內(nèi)停止通航及由此帶來的其他經(jīng)濟(jì)損失也必須考慮。但是，一般地，水庫淤積所造成的損失是遠(yuǎn)大于沖刷的耗費(fèi)。如切爾由爾塔水電站水庫未實(shí)施水庫沖淤拉沙，至1968年汛期，由于庫容不足以進(jìn)行日調(diào)節(jié)，電站被迫轉(zhuǎn)入基荷工作。

五是機(jī)械清淤。水庫機(jī)械清淤一般認(rèn)為成本較大，未見大規(guī)模使用，而且清出的泥沙要組織強(qiáng)大的運(yùn)輸力量把它運(yùn)走。但在小型水庫中不失為泥沙處理的措施之一。機(jī)械清淤方法不外乎挖泥機(jī)、吸泥泵、吸泥船等。日本、阿爾及利亞、瑞士較普遍地應(yīng)用了挖泥船及虹吸挖泥的方法。

我國較多采用水力吸泥機(jī)械裝置，依靠水力和機(jī)械作用把庫內(nèi)泥沙局部沖攪起，利用大壩上下游水頭差，將高濃度泥水用虹吸管排出庫外。山西省田家灣水庫、渠河水庫，陜西的隴河水庫、小華山水庫都開展機(jī)械清淤工作，收到一定成效。

六是異重流排沙。在多沙河流上蓄水?dāng)r沙的水庫，異重流排沙是水庫減淤的一種重要方法，當(dāng)水庫形成異重流后，下層為含沙量高的異重流，上層為清水，打開底部泄洪孔排出渾水，保留上部清水，可以做到既排沙又蓄水。通過多個水庫異重流排沙數(shù)據(jù)分析，一次異重流排沙比可達(dá)40%~90%，多次異重流平均排沙比可達(dá)30%~60%，排沙效果也相當(dāng)可觀。

國外，異重流排沙應(yīng)用較少，阿爾及利亞的伊利昂達(dá)水庫利用異重流排沙，5年排出入庫泥沙的53%。國內(nèi)利用異重流排沙較為普遍，劉家峽水庫利用洮河庫區(qū)易形成異重流的特點(diǎn)，一般情況下異重流排沙比就達(dá)60%左右，1976年一次大洪水排沙比達(dá)87%，3天排出水庫沙量達(dá)1100萬噸。

在此，必須提到的是，黃河調(diào)水調(diào)沙，不僅排出了小浪底水庫大量對下游河道危害不大（有時甚至是有利的）的細(xì)顆粒泥沙，一定程度地改善了淤積部位，對水庫長期有效庫容的保持非常有利，也沖刷了下游河道，使平灘流量大幅增加。

七是建設(shè)排沙洞排沙。這一措施在較多坡度較大的高山水庫用的。如在瑞士，在水庫建設(shè)初期沒考慮水庫泥沙淤積問題，通過一段時間的運(yùn)行后，水庫泥沙的淤積導(dǎo)致庫容減少，通過在水庫一側(cè)山體建設(shè)旁路（bypass）實(shí)現(xiàn)了對庫區(qū)淤積泥沙的沖刷。

記者：我國水庫泥沙現(xiàn)狀如何？它對環(huán)境、社會有何影響？

江恩惠：我國已成為世界上擁有水庫數(shù)量最多的國家。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國七大江河的年輸沙量高達(dá)23億噸，特別是西北、華北地區(qū)的一些河流，含沙量非常高，實(shí)際測到的最大含沙量可達(dá)1600千克每立方米。即使是長江，含沙量雖然不算高，僅0.54千克每立方米，但由于水量豐沛，年沙量也近5億噸。在河流上修建水庫后，由于水位抬高，流速減小，必然造成泥沙在水庫中的淤積。

水庫泥沙問題對環(huán)境、社會的影響是多方面的。比如，直接地，由于泥沙淤積造成庫容損失，影響水量調(diào)節(jié)和利用；隨著泥沙淤積，一些化學(xué)物質(zhì)也將在水庫內(nèi)沉淀；更由于泥沙與水體中某些化學(xué)物質(zhì)的離子交換作用，將使水庫水質(zhì)發(fā)生改變，并影響到水生生物的生長。再如，在庫首淤積體向庫區(qū)推進(jìn)的同時，也向上游延伸，因而抬高上游水位，特別是高含沙河流。水庫下游則將由于水沙條件的改變而引起河床變形，特別是清水河流，下游河道多強(qiáng)烈沖刷，有可能引起嚴(yán)重的礙航事故。水庫上下游河道的這些變化對周圍地區(qū)的生產(chǎn)又將帶來諸如河流水文特性、水質(zhì)、生物多樣性、泛洪區(qū)環(huán)境、移民等其他的問題。

記者：我國在處理水庫泥沙方面進(jìn)行了哪些探索？有何經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)？

江恩惠：多年來，隨著人與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展、河流倫理等理念的不斷深入，我國在水庫泥沙處理方面開展了大量的工作，取得了一系列的研究成果，并成功地提出了能在多沙河流上長期保持水庫有效庫容的“蓄清排渾”運(yùn)行模式，這些舉世矚目的成就得到了國際同行的公認(rèn)。

在處理我國水庫泥沙具體技術(shù)方面，加強(qiáng)了水庫淤積觀測和分析，建立了非均勻懸移質(zhì)不平衡輸沙理論，完善了泥沙運(yùn)動統(tǒng)計(jì)理論體系，給出了天然河流高低含沙量統(tǒng)一的水流輸沙能力公式，研究了水庫淤積形態(tài)、水庫排沙及運(yùn)行方式、變動回水區(qū)的沖淤、下游河道的沖淤變形。高含沙水流作為我國黃河干支流上特有的一種運(yùn)動現(xiàn)象，對其運(yùn)動規(guī)律的研究取得突破性進(jìn)展，通過對其運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識來指導(dǎo)高含沙河流與水庫的治理，在黃河上取得了很好的效果。

其中，在水庫排沙及運(yùn)行方式方面，我國利用水庫淤積和排沙規(guī)律，摸索出了一套使水庫淤積大大減緩，甚至不再淤積的行之有效的運(yùn)行模式，即“蓄清排渾”。其中較典型的有對鬧德海、紅領(lǐng)巾、黑松林、直峪、恒山等水庫的研究。這些多為中小型灌溉水庫，有頗為有利的排沙條件，坡陡，庫短。大型水庫的特點(diǎn)是庫長、坡緩而且常年蓄水。這些不利排沙的因素，限制了中小型灌溉水庫排沙經(jīng)驗(yàn)的照搬。從20世紀(jì)60年代開始，唐日長、林一山根據(jù)鬧德海水庫和黑松林水庫的成功經(jīng)驗(yàn)，提出了水庫長期使用的設(shè)想和概念，在三門峽水庫1973年改建完成前的1964~1966年，就預(yù)見了它能做到水庫的長期使用，后來韓其為院士進(jìn)一步從理論上闡述了水庫長期使用的原理和根據(jù)。與此同時，黃科院、中國水利水電科學(xué)研究院、清華大學(xué)等單位也開始對三門峽水庫保持有效庫容的問題進(jìn)行了探索。三門峽水庫改建并運(yùn)行成功，從實(shí)踐上證實(shí)了大型水庫長期使用的可能性。黃河上的一些大型水庫如青銅峽等，在采取這種運(yùn)行方式后水庫淤積也得到了控制。至此，在我國泥沙界，對水庫的長期使用，無論在理論上或?qū)嵺`上均獲得了共識。長江三峽水庫淤積控制的研究，使水庫長期使用的研究進(jìn)一步深入，提出了長期使用水庫的造床特點(diǎn)和建立平衡的過程、相對平衡縱橫剖面的塑造、第一第二造床流量的確定等。我國水利工作者經(jīng)過長期探索所創(chuàng)造的水庫長期使用的運(yùn)行模式，無論在理論上和實(shí)踐上都已頗為成熟。正因?yàn)槿绱耍瑢τ谖覈谶@方面的成就，加拿大專家在三峽工程可行性研究報(bào)告中寫道:“指出這一點(diǎn)是非常重要的，平衡坡降和水庫長期使用庫容的理論在中國已發(fā)展為一種成熟的技術(shù)，三峽工程處理全部泥沙的策略就是建立在這個基礎(chǔ)之上。世界上沒有一個國家像中國一樣在水庫設(shè)計(jì)中有那樣多的經(jīng)驗(yàn)，以致使調(diào)節(jié)庫容和防洪庫容能長期保持。”

經(jīng)過多年在水庫泥沙淤積規(guī)律研究方面的系統(tǒng)研究，我國在水庫泥沙理論及工程泥沙的控制與處理方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，總體處于國際領(lǐng)先水平。數(shù)學(xué)模型和實(shí)體模型的應(yīng)用已經(jīng)解決了長江三峽、三門峽和黃河小浪底等大量水庫的工程泥沙問題。

當(dāng)然，水庫泥沙方面的教訓(xùn)也是慘重的。如黃河三門峽水庫是1955年批準(zhǔn)通過的黃河綜合規(guī)劃選定的第一期工程，原規(guī)劃目標(biāo)是以防洪為主綜合利用的大型水利樞紐工程。工程建成后，按照清水河流的方式進(jìn)行蓄水調(diào)節(jié)運(yùn)用，很快暴露出一系列問題，水庫被迫改變運(yùn)用方式，降低水位滯洪排沙。該工程出現(xiàn)的問題，引起中共中央和國務(wù)院及各方面的極大關(guān)注，為此，曾多次召開三門峽水庫技術(shù)討論會，進(jìn)行廣泛探討，三門峽大壩也進(jìn)行大改建，水庫的運(yùn)用方式也進(jìn)行了多次調(diào)整。應(yīng)該承認(rèn)，三門峽水庫的建設(shè)與運(yùn)用為水庫泥沙的研究、泥沙學(xué)科的發(fā)展、引起人們對黃河泥沙問題的高度重視等，立下了汗馬功勞，也為水庫調(diào)度運(yùn)用技術(shù)的提高奠定了基礎(chǔ)。