曹文洪，劉春晶

（1.中國水利水電科學研究院 流域水循環(huán)模擬與調控國家重點實驗室，北京 100038；2.水利部水沙科學與江河治理重點實驗室，北京 100048）

1 研究背景

2 水庫淤積基礎研究進展

國際上，水庫功能主要集中于防洪、發(fā)電和供水。水庫淤積與功能研究偏重于水文泥沙過程及對生態(tài)環(huán)境的影響。美國從18世紀開始水庫淤積原型觀測和調查工作，美國地質調查局建立了水庫泥沙調查信息系統(tǒng)［5］，至2014年記載了來自美國48個州2201座水庫7752次地形測量結果。在水庫淤積和調控研究方面，MORRIS和范家驊（1998）編著的Reservoir Sedimentation Handbook［6］，全面介紹了泥沙運動基本理論和水庫中的泥沙運動規(guī)律，并給出豐富的水庫泥沙淤積控制和庫容恢復實例，在水庫淤積研究領域具有較大的影響。Palmieri［7］提出水庫可持續(xù)利用管理的“生命周期”理念，并建立RESCON（Reservoir Conservation）模型，從經(jīng)濟、社會和生態(tài)環(huán)境角度對各種水庫泥沙處理措施進行綜合評價，為水庫提出維持水庫庫容和可持續(xù)利用技術方案。2012年美國聯(lián)邦水信息咨詢委員會資助召開了水庫可持續(xù)利用研討會，并成立了國家水庫泥沙淤積小組（National Reservoir Sedimentation Team），成員由墾務局、陸軍兵團、地質調查局及相關高校組成，以應對水庫泥沙管理及庫容長期可持續(xù)保持等方面問題。Podolak［8］呼吁美國水庫泥沙淤積問題引起更多的研究和關注，認為現(xiàn)有水庫原型觀測數(shù)據(jù)應進一步拓展和完善。Kondolf等［9］全面總結了全球水庫淤積帶來的問題和挑戰(zhàn)，介紹了近年來世界各國在應對水庫淤積、水庫庫容保持、淤損庫容恢復和水庫可持續(xù)利用等方面的大量實踐，指出水庫在選址、規(guī)劃和設計階段應開展全面的泥沙調查工作，預測并考慮未來可能會遇到的水庫淤積問題。國際大壩委員會主席Schleiss（2016）撰文總結了近年來關于水庫泥沙運動和淤積控制方面的最新進展［10］，重點介紹了流域泥沙來源、庫首三角洲、異重流、庫內水流運動特征、氣候不確定性等幾方面對水庫淤積的影響，并將水庫防淤減淤措施按所處位置分為流域措施、庫內措施和壩前措施。

中國由于人口眾多，水庫被賦予更多的功能，其中供水和灌溉功能需求尤為突出，水庫保持長期有效庫容至關重要。我國與國外發(fā)達國家同步開展泥沙運動基本理論、水庫淤積過程及水庫防沙技術研究，并在非均勻不平衡輸沙、高含沙水流運動、異重流、水沙調控等方向處于國際領先水平。我國系統(tǒng)性泥沙淤積觀測是從官廳水庫、三門峽水庫和丹江口水庫開始，1960年代水利部科技司針對黃河流域和北方多沙河流的水庫淤積，選擇了官廳、三門峽等12座大型水庫作為重點淤積觀測的水庫，后來又將其擴展到包括南方水庫在內的20個大型水庫，積累了豐富泥沙淤積資料。在水庫淤積形態(tài)方面，針對三角洲、錐體和帶狀等三種類型淤積體，提出了判別條件［11-14］。水庫排沙是庫內水流泥沙運動的結果，對于壅水明流排沙，早期基于實測資料建立了的排沙比曲線，包括張啟舜排沙比曲線［15］、涂啟華排沙比曲線［11］等，韓其為等［14］基于不平衡輸沙理論得出了壅水排沙比關系。對于水庫異重流，范家驊［16］從1950年代開始開展了系統(tǒng)異重流實驗，得到了有關潛入點位置的定量表達式，歷經(jīng)50余載出版專著“異重流與泥沙工程實驗與設計”［17］，既包括異重流理論，也包括工程應用異重流設計方法。在長期水庫運用實踐中，我國科技工作者提出了多沙河流水庫“蓄清排渾”的水庫運用方式，解決了多沙河流水庫保持長期有效庫容問題。近年來，對水庫“蓄清排渾”運用方式進行了優(yōu)化和精細化研究［18］；建立了水庫群水沙聯(lián)合調度異重流塑造指標體系，多次成功塑造異重流并排沙出庫［19］。韓其為［1］出版專著“水庫淤積”，界定了“水庫淤積”作為一門學科的基本內容，對水庫淤積的認識基本實現(xiàn)了由定性的描述到機理揭示和定量表達的過渡。

3 淤積控制與功能恢復技術

國內外學者一直重視水庫淤積控制、庫容保持和功能恢復技術的研究，逐步形成了全面的淤積管理策略［9］。具體措施大致可分為3種類型（圖1）：（1）減少進入水庫泥沙的技術，包括水土流失防治和河坡侵蝕控制；（2）水庫減淤技術，通過水庫調控使進入水庫的泥沙盡量輸送到下游，或者通過適當措施使泥沙不經(jīng)過水庫，而是通過其他通道輸送至下游，從而減少水庫泥沙淤積，保持水庫庫容的可持續(xù)利用；（3）淤損庫容恢復技術，通過水力清淤和機械清淤增大庫容。

圖1 水庫淤積管理技術［9］

3.1 減少入庫泥沙措施 進入水庫的泥沙歸根結底是來源于其上游流域侵蝕產沙，水土流失治理和生態(tài)建設是減少入庫泥沙的根本性措施。多年來我國堅持以小流域為單元，根據(jù)水土流失規(guī)律和當?shù)貙嶋H，實行山水田林路綜合治理，對工程措施、生物措施和農業(yè)技術措施進行優(yōu)化配置，因害設防，形成水土流失綜合防治體系［20］。淤地壩（或谷坊）、林草植被、梯田是水土保持3大措施，對減少入庫泥沙發(fā)揮了重要作用。淤地壩在坡溝系統(tǒng)中處于核心地位（圖2），其攔沙減蝕作用包括3個方面：（1）直接攔截上游泥沙；（2）將溝道轉變?yōu)閴蔚?，減少溝道侵蝕產沙；（3）抬高侵蝕基準面，減少溝頭溯源侵蝕和減輕坡溝系統(tǒng)重力侵蝕。林草植被是水土保持的生態(tài)指標，林草植被覆蓋率小于50%時，植被覆蓋率增加減沙效果明顯，林草植被覆蓋率達到60%以上時減沙效果趨于穩(wěn)定［21］。梯田是山丘區(qū)農業(yè)的基本農田，也是改善當?shù)厝罕娚a生活條件的重要措施。梯田通過改變微地形，將坡地改為平地，有效減少了水土流失。水平梯田不僅可大幅減少自身產沙量，而且還可截留上方來沙、并通過減少坡面徑流下溝實現(xiàn)梯田下方溝谷減沙［22］。

圖2 淤地壩與坡溝系統(tǒng)的關系

3.2 水動力減淤技術

3.2.1 繞庫排沙技術 旁側排沙是在水庫旁側開辟一條專門用于排沙的管道，管道上游設在水庫庫首，下游設在水庫壩下，使泥沙不經(jīng)過大壩直接排往壩下游河道（圖3）。旁側排沙管道的設置與水庫所在地形有關，對于河道峽谷型水庫由于庫區(qū)較長，回水變動區(qū)距離庫尾較遠，難以設置旁側管道。旁側排沙管道還可以用于支流含沙量較高情況，如劉家峽水電站，其支流洮河含沙量較高，洮河泥沙是造成水庫淤積主要來源，在洮河河口設置排沙管，直接將來沙排至庫外，起到較好的效果。日本和瑞士是開展旁側排沙實踐和研究相對多的國家，日本最早的旁側排沙隧洞1908年在神戶附近的城市供水水庫努比奇（Nunobiki）大壩上修建的，100多年來成功地將粗顆粒泥沙輸送到壩下游［23］。2015年，在瑞士舉辦了第一屆沖沙隧洞國際研討會，12個國家代表就沖沙隧洞建設、運行、維護研究與實踐進行了研討交流。認為旁側沖刷隧洞對于庫容—徑流比和水庫壽命指數(shù)較小的水庫，沖沙隧洞效果最佳，它們既可以替代水庫沖沙，也可以作為輔助措施與水庫消落沖沙共同使用。如果在天然洪水期間運用沖沙隧洞，沖泄泥沙對于下游河道環(huán)境的不利影響便會最小。

圖3 水庫旁側排沙渠平面布置

3.2.2 水庫運行方式

（1）蓄清排渾。蓄清排渾是指在含沙量較高的汛期水庫保持低水位運行，盡量將來水和來沙均排出水庫，待汛末和非汛期含沙量較低時再開始下閘蓄水，確保只將含沙量較低的來水蓄積在水庫中。蓄清排渾是我國科技工作者為減緩水庫淤積，維持水庫庫容長期保持而探索出的一套水庫調度和運用方式，已經(jīng)過大量水庫運用實踐證明，為多沙河流水庫庫容保持和可持續(xù)利用發(fā)揮了重要作用。

“個人所得稅法出臺以來，基本減除費用標準經(jīng)歷了四次調整，從每月800元到1600元，再到2000元、3500元，每次征求意見后都會再進行調整，看似尊重民意，卻給人們造成個稅改革等同于調整起征點的誤解?！眲⒖酸恼J為，應科學測算基本減除費用標準，其內涵和依據(jù)應當清晰，明確除基本生計支出外，是否包括取得綜合所得的成本費用，在此基礎上，再設計各項專項附加減除。

蓄清排渾要求在汛期庫區(qū)水流具有一定的流速，具備將來沙挾帶到下游的挾沙能力，通常適合于峽谷、河道型水庫，同時要求水庫大壩設置較低的排沙底孔，且具備較大的泄流、泄洪能力。由于汛期保持低水位運行，汛期在排沙同時也排走了大量水資源，通常只能在汛末或汛后蓄水，對于年徑流量較小，水資源十分寶貴的區(qū)域往往排沙和排水需要綜合分析。蓄清排渾是依賴于水庫的調度運行，實際運行效果還取決于上游來水來沙過程、閘底高程、閘門開啟程度、下游泄流流量等因素。在實際調度運用中，蓄清排渾還需要與水庫防洪、供水、發(fā)電、航運、生態(tài)效益，以及水庫運用對上下游河道的影響等諸多因素相結合，這就要求水庫在實際調度和運行中，不斷預測評估各項影響和效益，探索更多的優(yōu)化調度方式，以期更好的發(fā)揮水庫綜合效益，同時不斷發(fā)展蓄清排渾運用方式。近年來，為適應新水沙條件重大變化和滿足社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，在防洪風險可控、庫區(qū)泥沙淤積許可的條件下，對蓄清排渾運行方式進一步優(yōu)化和精細化［18］。如三峽水庫自2011年首次實施生態(tài)調度試驗以來，已連續(xù)8年開展12次生態(tài)調度試驗，通過調度三峽水庫出庫流量，創(chuàng)造出適宜魚類產卵的水文及水流條件，對三峽下游魚類繁殖起到了促進作用。

（2）異重流排沙。當渾水水流進入蓄有清水水庫后，由于渾水密度大于清水密度，在一定條件下會潛入庫底，沿河床向壩前方向運動，形成水庫異重流。由于表層清水相對平靜，因此在異重流潛入點附近往往可以見到聚集的漂浮物，該特征成為判斷異重流潛入點異重流位置的標志（圖4）。

圖4 異重流在水庫中的運動情況

為了求取潛入點的水流、泥沙因子的相互關系及其判別數(shù)，1959年，范家驊［16］通過水槽試驗和野外實測資料得到了異重流形成條件：

式中：h0為潛入點水深；up為潛入點流速；△ρ=ρ′-ρ，ρ為清水密度， ρ′為渾水密度；g′=( )△ρ/ρ g 。

上式在學術界和工程界得到廣泛的應用。利用異重流減少水庫淤積是一種比較有效的措施，但需要滿足異重流持續(xù)運動條件和大壩設置合適的排沙底孔。異重流持續(xù)運動條件［17］是指在一定的水庫地形條件下，進入的洪峰所形成的異重流能保持在水庫中繼續(xù)運動到達壩址而排出所要滿足的條件，即入庫洪峰形成異重流所供給的能量，需能克服水庫全長的沿程和局部的能量損失。因此，需要有持續(xù)洪峰流量和一定的洪量和洪峰的陡峻度。例如，在小浪底調水調沙實踐中，為了顯著增大小浪底水庫異重流排沙比，需要三門峽水庫泄水以較大的下泄流量、較長的歷時、較大的輸沙率進入小浪底水庫，同時還要借助萬家寨水庫的補水，在三門峽水庫敞泄期間，保證在較長時間內維持大于1000 m3/s的來水并持續(xù)進入小浪底水庫，增強小浪底水庫形成異重流的后續(xù)動力［19］。渾水異重流孔口泄沙是水庫和水電站孔口泄流泄沙設計中的重要問題，多年來國內外學者就“異重流極限吸出高度（hl）”和“泄出層厚度（d）”等問題開展研究，給出了水庫或水電站孔口的設計準則。

3.3 淤損庫容恢復技術

3.3.1 機械清淤技術 機械清淤包括機械干挖和挖泥船清淤兩種。當水庫具備排空條件時，可直接將挖掘機、大型自卸車開進庫區(qū)，將淤泥挖出后裝車運走。缺水地區(qū)和沒有設置底孔的水庫，不具備排空條件，則可采用挖泥船或吸泥泵清淤。機械清淤的最大優(yōu)點是不需耗費大量用水，但費用也比較高，多用于中小型水庫。近年來，隨著技術的發(fā)展，針對大型挖泥船難以進入庫區(qū)的難題，研發(fā)了組裝式清淤裝置，同時輔以深水疏浚計算機輔助決策系統(tǒng)［24］，大大提高了清淤效率，具有清淤規(guī)模越來越大，成本越來越低的發(fā)展趨勢。目前國內外水庫機械清淤水深一般在幾十米，局部清淤水深可達100多米（圖5）。

圖5 國內水利疏浚清淤機械最大挖深

3.3.2 水力清淤技術

（1）泄空沖沙。泄空沖沙是通過調節(jié)壩前水位，在水庫內形成流速較高、挾沙能力較大的水流，從而將之前淤積在庫內的泥沙隨水流帶出庫外。我國是較早開展泄空排沙的國家之一，一些水庫采用泄空排沙的方式定期恢復庫容，保持水庫長期使用。鬧得海水庫1942年建成以來，長期能夠保持一定的有效庫容，主要是堅持“峰前泄空水庫，敞泄排沙”。排沙洞的泄流能力與入庫流量保持相當?shù)囊?guī)模，沖刷效果最好。入庫流量過大，水庫滯洪壅水程度大，排沙效果降低；入庫流量過小，水動力不足，沖刷效果亦有限。以鬧得海水庫1984年汛期發(fā)生的大、中、小三場洪水為例，同樣是在敞泄條件下，因入庫洪峰流量不同，水庫滯洪壅水程度不同，其排沙效果可以相差很多［25］：1984年8月11—12日大洪水過程，入庫洪峰1680 m3/s，最高庫水位180.10 m，排沙比僅為22.3%；1984年9月8—9日中洪水過程，入庫洪峰468 m3/s，最高庫水位170.05 m，排沙比可達327%；1984年8月25—26日小洪水過程，入庫洪峰154 m3/s，最高庫水位159.20 m，排沙比為71.7%。由于泄空排沙往往需將水庫泄空，同時需要耗費較大水量，在承擔著保障性供水任務，或者水資源十分珍貴的區(qū)域不太適合。同時泄空排沙往往含沙量較高，還可能會形成高含沙水流，高含沙水流如發(fā)生漫灘則可能造成大量淤積，可能造成發(fā)電洞附近嚴重淤積，不得不采用機械清淤的方式后期清理。此外由于含沙量較高，且高含沙水流中挾帶了大量前期淤積泥沙，這些高含沙水流進入下游，一是可能會在下游造成較大程度的淤積，二是前期淤泥中的有機物質還可能會對下游生態(tài)造成一定影響。

（2）自吸式管道清淤。自吸式管道清淤是通過鋪設排沙管道，充分利用水庫上下游水頭差，在管道內形成具有一定流速的水流，管道入口設吸泥頭，利用水力吸力將庫底泥沙吸入管道，并排出庫外（圖6）。水力吸沙首先需要有效率高、吸力大的吸泥頭，能將庫內具有一定密實度的淤泥吸入；其次由于吸泥頭工作范圍有限，實際操作中需根據(jù)吸沙情況上下、左右移動，盡可能將吸泥頭活動范圍內的泥沙排出。水庫自吸式管道排沙的設想由來已久，直至1970年代在國內外一些條件適宜的中小水庫開展了研究與嘗試應用，如國外的阿爾及利亞包吉瓦水庫、西迪莫汗默德水庫、烏福達水庫、摩洛哥約瑟賓塔菲水庫等，我國的田家灣水庫、小華山水庫、北岔集水庫、新添水庫等。結果表明，自吸式管道水庫清淤是解決干旱、半干旱地區(qū)多泥沙河流水庫淤積有效的措施，是一種水資源高效利用且節(jié)能的排沙方法。自吸式管道清淤的核心問題是如何實現(xiàn)長時間穩(wěn)定的高含沙排沙效果，涉及到管道內固液兩相流、吸泥頭效率、過壩方式和等諸多問題，并未得到很好的解決，大規(guī)模的推廣應用受到了限制。近年來，自吸式管道清淤技術有了新的發(fā)展，對吸泥頭等關鍵設施的效率開展了數(shù)值模擬和實體模型實驗研究［26］，2017年8—10月，黃河水利科學研究院在新疆哈密小柳溝水庫開展了30多組現(xiàn)場清淤試驗，對設備布局及作業(yè)方式等進行優(yōu)化，長時段平均含沙量達247 kg/m3，最大含沙量可以達到600 kg/m3以上，排沙效果良好。

圖6 自吸式管道排沙系統(tǒng)

4 研究展望

隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展和人口的不斷增加，人類對水資源利用提出了新的和更高的要求；同時，江河可供建設水庫的新壩址越來越少，且受移民和環(huán)境問題的制約。加強已建水庫泥沙淤積控制與綜合管理，保持和恢復水庫的有效庫容，發(fā)揮其綜合效益，是一條可持續(xù)發(fā)展之路。目前，國內外學者大多側重于水動力作用下水庫泥沙運動研究，通過“蓄清排渾”等運用方式保持水庫有效庫容，但水動力和人工措施共同作用下泥沙運動研究和庫容恢復技術有待加強；泥沙資源化利用剛剛起步，泥沙配置還沒有與水資源配置有機結合起來；不同類型水庫功能影響評價和功能恢復評價技術亟待研發(fā)。因此，從水庫淤積控制和功能恢復的角度，未來研究的重點包括以下幾個方面。

（1）不同類型水庫淤損的主要影響因素及耦合作用機制。開展我國不同類型水庫泥沙淤積調查，辨識不同類型水庫淤積特征，綜合分析不同流域、不同來水來沙條件、不同水庫規(guī)模及不同水庫運用方式對水庫淤損的影響，闡明水庫淤損的主要因素，建立水庫綜合分類和評價方法，闡明不同因素對水庫淤損的影響程度及耦合作用機制。

（2）強非恒定水沙異步運動機理及水庫淤積滯后響應機制。從水庫非恒定及非均勻水流條件下水流紊動與泥沙擴散及泥沙顆粒與顆粒之間的交互作用出發(fā)，闡明非恒定流條件下洪水傳播與泥沙輸移之間存在的異步運動現(xiàn)象和特征，揭示水庫非恒定水流條件下洪水傳播與泥沙輸移異步的形成機理，給出強非恒定及非均勻水流條件下泥沙運動與水流強度參數(shù)之間的定量關系。從非恒定水流不平衡輸沙機理及非均勻泥沙的選擇性沉積及沖刷機理出發(fā)，闡明水沙異步運動特性與河床滯后響應現(xiàn)象的內聯(lián)系，揭示不同時空尺度下水庫沖淤演變對水沙變化與調控的滯后響應特征與機制。建立適用于水庫懸移質泥沙輸移的三維兩相混流數(shù)學模型，突破傳統(tǒng)懸沙擴散理論適用于低濃度/小顆粒慣性的制約，實現(xiàn)對水庫強非恒定條件下懸沙輸移非均勻性和分層性特點及大尺度條件下水庫淤積的三維數(shù)值模擬，為水庫有效庫容的長期保持和淤損庫容的恢復提供可靠的模擬技術。

（3）淤損水庫庫容恢復及淤積物處理利用技術。研究復雜水動力作用下淤損水庫深水細顆粒底泥吸排輸移規(guī)律，建立自吸式管道排沙系統(tǒng)中清淤長度、管徑、吸泥頭型式及布設方式等關鍵參數(shù)與吸泥效率之間的關系，管道沿程壓力分布、水頭損失、高含沙輸送效率與管材、管道尺寸及布設模式的關系，揭示高水頭動力作用下管道系統(tǒng)的水沙吸排聯(lián)動機理，提出淤損水庫自吸式管道排沙實施應用方案和工程運行操作技術，并將其規(guī)程化。研究適用于100 m級深水水庫的氣動式清淤系統(tǒng)工作機制，研發(fā)不同類型淤積物的氣動式清淤技術和裝置，開發(fā)組裝式出渣管線和不同物料渣料分段高效傳輸技術，研發(fā)水下疏浚三維精確控制系統(tǒng)，實現(xiàn)水庫中不同淤積物的快速提取。研發(fā)避免水庫二次污染的淤積物高效吸取技術、淤積物的快速脫水固化與生物處理技術、水質凈化技術、干餾淤泥制生物炭技術、清淤及干餾氣體凈化技術，實現(xiàn)水庫環(huán)保清淤、疏浚余水達標排放及淤泥減量化、資源化、無害化、穩(wěn)定化治理。

（4）水沙資源配置理論與水庫功能恢復評價模型。水資源高效利用和合理配置已成為經(jīng)濟社會發(fā)展的重要保障。目前水資源配置大多只將泥沙淤積作為一個約束條件進行配置，還沒有從動態(tài)、主動和可持續(xù)的視角對泥沙進行配置。在水庫中淤積的泥沙侵占了庫容，顯示為泥沙“害”的屬性，而對泥沙的資源屬性的認識還不深刻。在深入調查全國不同類型區(qū)水庫淤積狀況的基礎上，從技術角度充分論證泥沙資源化的可行性，重點關注泥沙的資源屬性，將水、沙均作為資源綜合考慮，對現(xiàn)有水資源配置理論和方法進行必要的補充和完善。建立較為全面系統(tǒng)的、適應性強的水庫功能影響評價模型，實現(xiàn)對不同類型區(qū)各種規(guī)模水庫由于泥沙淤損造成的功能影響進行客觀的評價，提出不同類型區(qū)水庫功能恢復措施及策略。