魏 靜 ，劉兆楠，丁萬(wàn)峰

(1.大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 大連 116021;2.大連市金州新區(qū)水利管理服務(wù)中心，遼寧 大連 116021)

0 前言

筑壩的目的通常在于通過(guò)蓄水或抬高水位獲取效益的優(yōu)化，因而對(duì)壩上游發(fā)生的現(xiàn)象更加注意，而幾乎不考慮大壩建設(shè)和運(yùn)行對(duì)下游的副作用。它們通常被完全忽略——至少在它們未產(chǎn)生問(wèn)題時(shí)是這樣。

下游影響與上游影響同樣是不可避免的，然而，當(dāng)壩后水位開(kāi)始上升，每個(gè)人都會(huì)立即注意到上游影響，相反在大壩完工后下游影響不是立即可見(jiàn)，它們逐漸發(fā)展，且僅在一定時(shí)期后才顯現(xiàn)其作用，時(shí)間的延后取決于水庫(kù)的運(yùn)行及河流的特性。

它可能會(huì)經(jīng)過(guò)數(shù)月、數(shù)年甚至數(shù)十年，直到下游影響變得明顯。盡管如此，下游影響可能與不可預(yù)料的上游影響一樣令人不快，有時(shí)甚至更加麻煩。由于它們可能會(huì)影響河流到不限定長(zhǎng)度的范圍，而上游影響絕不會(huì)延伸到水庫(kù)以外［1］。

只有科學(xué)分析水庫(kù)、大壩下游條件變化及其產(chǎn)生原因，并評(píng)估其面臨后果，采取有效措施，才能避免水利工程對(duì)河道下游的不良影響。

1 大壩建設(shè)與水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游造成的影響

大壩建設(shè)與水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游造成的影響包括水流條件發(fā)生改變，水庫(kù)泥沙沉積和沖沙。

1.1 水流條件發(fā)生改變

水庫(kù)蓄水意味著河道的原始水流將發(fā)生改變，根據(jù)大壩和水庫(kù)的修建目的，通常會(huì)在水量充沛時(shí)將大量的水滯留，而在枯水期放出彌補(bǔ)用水不足，以此來(lái)調(diào)節(jié)河流水流量。

筑壩前可通過(guò)原始水流曲線來(lái)研究河流地貌特征，“主導(dǎo)流量”是有代表性的描述影響河流形態(tài)的水流條件的設(shè)想流量，是研究河流地貌特征的典型參數(shù)，是以水流的輸沙能力對(duì)河流地貌的改變?yōu)檫\(yùn)算基礎(chǔ)的。

當(dāng)泥沙開(kāi)始輸移處的流速超過(guò)了界限流速，則河流的輸沙能力與水流速度成正比，即流速越大，輸沙能力就越強(qiáng)。

此外，輸沙時(shí)間對(duì)河流地貌也具有重要的影響。因此，輸沙率與持續(xù)時(shí)間的乘積要比單純的流速?zèng)Q定的輸沙能力更能準(zhǔn)確的反應(yīng)水流對(duì)河流地貌影響。因此，可將主導(dǎo)流量定義為輸沙能力與持續(xù)時(shí)間的乘積為最大值時(shí)的流量［2－6］。

水庫(kù)、大壩建成后，下游河流的地貌特征仍與各自原始主導(dǎo)流量相一致，但隨著工程的運(yùn)行，下游流量會(huì)發(fā)生巨大的改變，現(xiàn)有的下游地貌特征已不再符合新的水流條件，河流逐漸將河床調(diào)整到新的位置。

一般而言，新的主導(dǎo)流量會(huì)小于原先的主導(dǎo)流量，因此，流過(guò)大壩的水流會(huì)面臨著變寬、變陡的河床，而為了減小坡度，河流會(huì)變得蜿蜒彎曲，這就會(huì)造成一個(gè)極易被忽視的事實(shí):變寬的河床河岸容易發(fā)生側(cè)向侵蝕［7－10］。

如尼羅河上的阿斯旺水壩，其下游在水壩建成后就開(kāi)始緩慢側(cè)向侵蝕，至今已極大的改變了下游河流面貌。

1.2 水庫(kù)泥沙沉積

筑壩后，水利工程上游的水流條件發(fā)生了巨大的改變，在回流影響的區(qū)域，流速明顯減慢，水流輸沙能力也隨之降低，大量隨水流進(jìn)入庫(kù)區(qū)的泥沙也被攔截沉積在水庫(kù)中。

攔截的泥沙淤積量與水庫(kù)攔沙效率有關(guān)，而攔沙效率則可通過(guò)多種方式來(lái)計(jì)算。從大壩泄放流往下游的水流，攜沙量已大為減少，或完全消除了泥沙，水流需從河床卷起新的物質(zhì)來(lái)彌補(bǔ)挾沙能力的空缺，結(jié)果即河床開(kāi)始逐漸下降，且慢慢向下游推進(jìn)。

河床下切機(jī)理應(yīng)為:

首先，河床上的細(xì)微顆粒被水流卷起，而較粗的顆粒仍留在原地，最終，這種有選擇的挾沙將使得河床頂部逐漸粗化，形成自然抗沖床面。

在更下游的河段，較粗的顆粒已經(jīng)不可能再被水流帶動(dòng)，水中的泥沙在與河床內(nèi)的泥沙緩慢交換的同時(shí)，粗顆粒也在逐漸淤積，這就意味著河床下游會(huì)緩慢的粗化，而水流阻力也會(huì)逐漸增大。

1.3 沖沙

隨著筑壩時(shí)間的增加，水庫(kù)內(nèi)淤積的泥沙會(huì)越來(lái)越多，水庫(kù)庫(kù)容也會(huì)因此產(chǎn)生一些損失，很多水庫(kù)都建有損失庫(kù)容補(bǔ)救措施，由于這種措施會(huì)在短時(shí)間內(nèi)清除大量淤積物而不會(huì)釋放大量的水，因而會(huì)導(dǎo)致壩下游在短期內(nèi)經(jīng)受高含沙量水流的沖擊。

通常，沖沙行動(dòng)越有效，對(duì)下游造成的副作用也就越大，如果有污染性淤積物在沖擊中被活化或帶到下游，甚至?xí)a(chǎn)生難以預(yù)料的影響。

2 大壩建設(shè)與水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游的危害

筑壩對(duì)下游的影響是必然會(huì)發(fā)生的，但我們也要看到，筑壩對(duì)下游的影響并非都是消極的，也有很多本身就是筑壩目的，如控制洪峰，枯水期調(diào)節(jié)水量可避免河水?dāng)嗔鳜F(xiàn)象發(fā)生，但即便如此，筑壩仍可能會(huì)對(duì)下游造成很多危險(xiǎn)性后果。詳見(jiàn)表1。

3 對(duì)下游影響的控制措施

表1 展示了筑壩對(duì)下游河道的潛在危害，因此，應(yīng)及時(shí)設(shè)計(jì)補(bǔ)救措施。根據(jù)工程順序與技術(shù)手段的不同，控制措施可分為3 類(lèi)，即整治河道、穩(wěn)定河床和運(yùn)行規(guī)則。

3.1 整治河道

整治河道對(duì)改善河流地貌隱含的潛在威脅具有最為有效，因而將其放在控制措施的首位。河道整治的直接目的在于改變河勢(shì)和水流流態(tài)，其具體工作也是將某些有代表性的河流參數(shù)如河道坡降、寬度、深度、走向、水流流速等調(diào)節(jié)至符合要求的標(biāo)準(zhǔn)，具體措施可采取以下3 點(diǎn):

1)建立丁壩、護(hù)岸、挑流堤，避免河道發(fā)生偏移，穩(wěn)定現(xiàn)有河勢(shì)。

2)為避免河岸侵蝕，要加強(qiáng)對(duì)河岸超常應(yīng)力作用處(如彎曲的凹形河岸)的河岸保護(hù)。

3)可改變下游河床的走向，將其變?yōu)橐粭l新的、具有反復(fù)微彎與坡降段的受約束的河道，從而適應(yīng)筑壩后新的水流條件，避免河道發(fā)生偏移、侵蝕與淤積。

3.2 穩(wěn)定河床

河床刷深是筑壩后下游面臨的重要問(wèn)題，河床刷深不僅是高水頭大壩下游的常見(jiàn)現(xiàn)象，也是低水頭徑流式水電站下游河段常見(jiàn)的問(wèn)題。

河床的穩(wěn)定問(wèn)題可以考慮3個(gè)方面:增大河床阻力、削弱水流牽引力、補(bǔ)償泥沙不足。具體方案可考慮以下3 種:

1)使用強(qiáng)度足夠抵擋進(jìn)一步侵蝕的大顆粒物質(zhì)覆蓋河床，使河床粗化進(jìn)而增強(qiáng)其抗刷深能力。

2)設(shè)堰和潛壩壅水，增強(qiáng)回流影響，減慢水流速度。

3)投放與水流輸沙能力相一致的泥沙。

表1 筑壩、水庫(kù)對(duì)下游的潛在危害

以上方案基本都能達(dá)到預(yù)期目的，但也存在一定的缺陷，不少實(shí)踐表明:人工粗化總會(huì)受到河段長(zhǎng)度的限制，也可能會(huì)造成意料之外的環(huán)境影響;人工投沙雖然效果頗佳，但只是緩解措施，長(zhǎng)期執(zhí)行較為繁瑣;與前兩種方案相比，設(shè)堰與潛壩增強(qiáng)回水影響是更加經(jīng)濟(jì)有效的措施。

3.3 運(yùn)行規(guī)則

文中所述的兩種方法能有效的改善下游因筑壩而發(fā)生的潛在威脅。但是，因沖沙活動(dòng)引起的災(zāi)害卻很難被真正治理，除非定時(shí)進(jìn)行河道整治。因泥沙含量過(guò)高而引起的副作用，只能依靠對(duì)壩下游懸浮泥沙與有害泥沙的控制來(lái)降低其影響。

可見(jiàn)，要想最大限度的避免沖沙行為造成的危害，還須靠加強(qiáng)水庫(kù)運(yùn)行管理來(lái)實(shí)現(xiàn)，而非單純依靠工程措施。以下兩點(diǎn)可作為管理準(zhǔn)則:

1)因沖沙而導(dǎo)致的高含沙量不得超過(guò)歷史洪水事件測(cè)得的含沙量上限，一旦超過(guò)此上限，則要立即減少?zèng)_沙量。

2)一旦檢測(cè)出水庫(kù)中含有污染性泥沙，則應(yīng)放棄沖殺，而是改用挖泥技術(shù)，并對(duì)挖出的泥沙進(jìn)行專(zhuān)門(mén)處理。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在河流上筑壩會(huì)對(duì)下游河道產(chǎn)生相當(dāng)大的副作用，雖然大多數(shù)副作用并不會(huì)在短期內(nèi)爆發(fā)，但我們也應(yīng)將其應(yīng)對(duì)措施納入到工程設(shè)計(jì)預(yù)算當(dāng)中。

在大壩建成后，要仔細(xì)監(jiān)察河道下游的變化，盡快制定有針對(duì)性的治理措施，盡量減少潛在威脅，保證流于生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定。

［1］郭愷麗.大壩建設(shè)和水庫(kù)運(yùn)行對(duì)下游的影響［J］.水利水電快報(bào)，1996，17(24):5－9.

［2］肖建紅.水壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能影響及其評(píng)價(jià)研究［D］.南京:河海大學(xué)，2007.

［3］包廣靜.大壩建設(shè)生態(tài)環(huán)境影響國(guó)外研究回顧［J］.生態(tài)經(jīng)濟(jì).2008(03):145－148.

［4］祁繼英，阮曉紅.大壩對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境影響分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，33(01):37－40.

［5］趙惠君，張樂(lè).關(guān)注大壩對(duì)流域環(huán)境的影響［J］.長(zhǎng)江職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，19(01):4－8.

［6］汪恕誠(chéng).論大壩與生態(tài)［J］.水力發(fā)電，2004，30(04):1－4.

［7］毛戰(zhàn)坡，彭文啟，周懷東.大壩的河流生態(tài)效應(yīng)及對(duì)策研究［J］.中國(guó)水利，2004(15):43－45.

［8］趙曉云.大壩建設(shè)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)［J］.西北水力發(fā)電，2004，20(04):71－73.

［9］汪恕誠(chéng).論大壩建設(shè)與生態(tài)環(huán)保的關(guān)系［J］.中國(guó)三峽建設(shè)，2004(06):4－5.

［10］竹內(nèi)邦良，袁少軍.大壩建設(shè)的爭(zhēng)論焦點(diǎn)［J］.水利水電快報(bào)，1997，18(15):31－33.