1 引言
我国大多数河流都存在含沙量高、输沙量大的特点,其中七大江河的年输沙量高达23亿t;而长江的含沙量虽然不算高,仅0.54kg/m3,但由于年径流量较大,年沙量也近5亿t[1].在这些河流上修建挡水建筑物形成水库后,导致库区水位抬高,流速减小,从而使水流携带的泥沙被淤积在库区,大幅度减少有效库容量,增加水库运行难度,影响经济效益.为减少库区泥沙淤积的不利影响,国内相关专家学者针对不同类型的水库,提出了具有建设性的治理措施.
2 水库泥沙淤积机制及影响
水库泥沙淤积主要是河水挟带的泥沙在水库回水末端至挡水建筑物之间库区的堆积.拦河筑坝后抬高了河流的水位,形成了在建筑物前近似水平、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,由于水深沿流程而增加,水面坡度和流速沿流程减小,因而水流挟沙能力沿流程而逐渐降低,出现泥沙淤积[2].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较快地淤积,占用水库的库容,从而降低水库的使用效益,甚至导致水库失效报废.
其次,水库的回水变动区将由于泥沙淤积,很容易形成三角洲淤积,抬高河床河床高程,堵塞航道,使得河流通航能力降低.回水区内的三角洲可能减少过河桥下的净高,甚至在枯水季时造成通航困难.上游河段河水的含沙量越高,水库水位的变幅就越大,水库回水区内形成的三角洲也就越大,对航运的影响也就越严重[3].所以,设计水库回水区内的新建桥梁时,应考虑水库的调度运行方式及河道的可能淤高,减小泥沙淤积对航运条简单的影响.水库淤积还会减少水库的有效库容,从而使水电站的发电能力降低.如果淤积形成的三角洲在大坝附近,还可能阻碍水流进入发电机,并增加进入发电机的泥沙.当泥沙粒径大于零点二五毫米时,会磨损涡轮机叶片和阀门座槽,大大降低其使用寿命[4].因此只有合理选择冲沙时机,制定和实施恰当的冲沙调度方案,才能较好地解决冲沙与发电之间争水的矛盾,增加水库使用寿命,从而最大的发挥工程效益.所以对水库泥沙淤积及冲沙调度的研究具有重要的现实意义.
3 国内水库泥沙治理研究现状
我国早期修建的水库,由于对水库排沙问题的考虑相对较少,造成的水库淤积现象特别严重.为了减缓水库的淤积速度,延长水库的使用寿命，大部分水库都进行改造,对水库调度方式也进行改进和优化.例如三门峡水库,由于泥沙淤积非常严重,为了扩大泄流排沙规模曾进行过两次大改建.姜乃森等对红山水库淤积进行研究认为,即便采用泄空冲刷,效果也极为有限,主要原因就是现有泄流设施 不能满足 排 沙 的 需 要.杨 方 社 等（2003）对新桥水库淤积的研究分析指出,水库泥沙设计的关键是泄流排沙措施的布置.
由此可见,泄流排沙措施作为水库设计的重要内容,是不容忽视的.除了排沙设施外,合理的水库调度和排沙方式对水库运行期间的淤积控制也是很有效的.张振秋等对以礼河水库冲刷的研究表明,这种方式能有效的治理水库泥沙淤积,但却以消耗水库大量的清水为代价,严重影响了水库发电效益.黄委会兰州总站等对巴嘴水库在不同运行调度方式下的排沙效果进行分析,得出在采用蓄水运用、治洪运行和出现滩槽时排沙比分别为14.9%、52.0%和91.5%,说明在库区初步形成高滩深槽对增加水库排沙比、减少淤积具有非常重要的意义.随着在对水库淤积研究的深入,我国科研工作者利用水库淤积和排沙规律摸索出来的蓄清排浑的治理方式,可以使得水库淤积大大减缓的有效运行模式,其中较为典型的主要有闹德海、红领巾、恒山等水库的研究[5].现阶段,我国修建的大中型水库都汲取了以往水库运行的经验教训,从水库的长期使用出发,采用蓄清排浑的治理方式.
为更好地发挥水库的经济效益和减少泥沙淤积,以及回水上延,在综合考虑了防洪、发电和航运的影响的基础上,研究分析泥沙淤积对不同运行方式下对水库影响的侧重点,进一步优化蓄清排浑方式,主要集中在对特征水位和特征水位部分变动的研究.例如童思陈采用一维不平衡泥沙数学模型,以溪洛渡水库为例,从汛后蓄水时间和汛期限制水位两个方面对水库淤积过程、三角洲推进、横断面发展和排沙比变化等淤积特性的影响进行分析,总结了其中表现出来的规律[6].
4 国内水库排沙治理措施案例
我国自20世纪50年代以来,先后在黄河、长江流域兴建了许多水库,水库排沙治理问题一直备受关注,为此,针对问题较为严重的一些水库,通过大量的研究实践,提出了相应的治理措施.
4.1小浪底水库
小浪底水库的调水调沙过程可划分为两个阶段:
第一阶段为小浪底水库清水下泄阶段,降低水库蓄水量,放水造峰,可以对下游河道进行冲刷;第二阶段为小浪底水库排沙出库阶段,由于含沙量较大,会形成异重流,排出水库中淤积的泥沙.
第一阶段的清水下泄,可以冲刷下游河槽,使其形成窄深状,加大河道过水面面积,恢复河道排洪能力.而第二阶段需要与上游水库联合调度.从2010年汛前调水调沙水库排沙过程（图1）来看[7],小浪底水库排沙出现了2个峰值:在三门峡水库排沙（7月4日19时）之前,小浪底水库已经开始排沙（7月4日12时5分），含沙量为288kg/m3（7月4日19时12分），说明三门峡水库泄空时塑造的洪峰在小浪底水库三角洲附近发生强烈冲刷,形成的高浓度悬沙水流在水库回水库段产生异重流并排沙出库,造成第一个沙峰（7月5日1时）；随后三门峡水库排沙形成的高含沙水流所产生的异重流排沙出库,造成第二个洪峰（7月5日20时）。
由于三门峡水库蓄水量大,塑造的洪水具有流量大、历时长的特点,且小浪底水库三角洲顶点附近的接水位较低,使得三角洲顶坡段发生沿程冲刷及溯源冲刷,故此次水库排沙比较大。但有学者根据历年排沙数据以及相关公式推导[8],发现现阶段的蓄清排浑方式可以进行优化,改为泥沙多年调节排沙.这种排沙运用方式主要是利用洪水的“涨冲落淤”的特性,充分利用洪水排沙.在枯水年以及平水年内,不进行水库排沙作业,而在丰水年利用洪水将水库中淤积的泥沙排出,这样即可以提高冲刷效率,同时也可以减小排沙用水,增加水库的经济效益.
4.2 刘家峡水库
刘家峡水库早在1969年已经投入使用,在水库运行第一阶段（1969-1988）水库单独运行.由于入库流量主要集中于汛期,因此在蓄水期期间会产生大量弃水,为该段时间进行异重流排沙以及低水位拉沙提供充足的水量. 1980年,水库出现沙坎阻水现象,导致坝前水位骤降0.96m.为降低沙坎淤积面高程,刘家峡水库分别于1981年、1984年、1985年、1988年进行了4次低水位拉沙,低水位拉沙达到预期效果,降低了沙坎预计面高程.但是低水位拉沙会导致大量粗沙过机,对机组造成严重磨损,且耗水量过大,故这种方法在1988年以后再未进行.而在水库运行的第二阶段（1989至今）刘家峡水库和龙羊峡水库联合调度运行,龙羊峡水库水库拦截了黄河干流泥沙的40%,而刘家峡调整调度方式,采用蓄清排浑的调度原则.为提高排沙效果,刘家峡水库在距坝1.2km的黄河右岸增建排沙洞,于2015年投入使用.
4.3三峡水库
长江相对黄河而言,泥沙含量要低得多,故对于三峡水库而言,排沙任务相对黄河上的水库较轻.三峡水库主要是采用蓄清排浑的方式,通过23个低高程、大尺寸的泄洪深孔来排沙.水库汛期低水位运行时,需要将大量泥沙通过泄洪深洞排出;而汛期末蓄水至高水位,将清水蓄于水库中,这种蓄清排浑的排沙治理措施效果较好.同时由于长江已经实现了梯级开发,长江上游的溪洛渡水库可以拦截部分泥沙,又减轻了三峡水库的排沙压力.
5 结语与建议
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:虽然针对不同水库的泥沙淤积都采取了相应的治理措施,并取得了一定的效果,但是我国水库大多数采用“蓄清排浑”的水库排沙调度措施,且在水库的实际运用中起到良好的效果,尤其对于泥沙淤积严重的黄河流域,更是起到了关键性的作用,从而减轻水库的淤积量,延长水库的使用寿命.针对不同类型和地区的水库,国内众多科研工作者研究总结和汲取经验教训,建议水库设计、施工和运行期间,结合现场的实际情况,详细深入地研究相应的排沙治理方案,尤其是“蓄清排浑”排沙方案,从而提出与之相适应的泥沙调度方案,有效地控制水库泥沙淤积,对水库运行安全和经济效益起到积极的重大作用.
参考文献:
[1]张瑞瑾,谢鉴衡,王明甫,等.河流泥沙动力学[M].北京:水利电力出版社,1989.
[2]姜乃森,傅玲燕.中国的水库泥沙淤积问题[J].湖泊科学,1997,9（1）：1-8.
[3]黄华忻,赵克玉.陕南山区水库排沙运用[J].泥沙研究,2000,（1）：77-79.
[4]林秉南.明渠不恒定流的解法和验证[J].水利学报,1956,（1）：3-16.
[5]姜乃森,傅玲燕.中国的水库泥沙淤积问题[J].湖泊科学,1997,9（1）：1-8.
[6]张瑞瑾,谢鉴衡,王明甫,等.河流泥沙动力学[M].北京:水利电力出版社,1989.
[7]马怀宝,张俊华,陈书奎,等.2010年汛前调水调沙小浪底水库排沙比分析[J].人民黄河,2011,33（9）：1-2,76.
[8]齐璞,曲少军,孙赞盈.优化小浪底水库调水调沙运用方式的建议[J].人民黄河,2012,34（1）：5-8.
