郭超 金中武 閆霞 周銀軍 王軍

摘要：當(dāng)前長江流域水庫泥沙淤積現(xiàn)象較為普遍，大量泥沙淤積在庫區(qū)影響水庫功能的正常發(fā)揮，同時(shí)長江流域經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展與砂石資源短缺的矛盾日益突出，因此在長江流域開展水庫清淤及淤沙資源化利用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。采用資料收集和分析的方法，從長江流域水庫淤積實(shí)際情況出發(fā)，初步分析了水庫淤積的影響以及開展水庫清淤的可行性。分析表明，現(xiàn)階段推進(jìn)開展水庫清淤十分必要，在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益等多方面是基本可行的。提出了水庫清淤在技術(shù)和應(yīng)用方面存在的不足與展望。

關(guān)鍵詞：水庫淤積;清淤技術(shù);淤沙資源化利用;長江流域

中圖法分類號(hào)：TV697.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.010

1 研究背景

近幾十年來，隨著水土保持、大壩修建以及大規(guī)模調(diào)水等工程的實(shí)施，人類活動(dòng)對河流泥沙輸運(yùn)的影響越來越大，世界范圍內(nèi)主要河流的泥沙都發(fā)生了顯著減少，例如長江、密西西比河和印度河等，入海泥沙通量減小幅度均高達(dá)60%～90%[1]。在引起河流輸沙減少的眾多因素中，水庫攔沙起著關(guān)鍵作用，并且隨著高密度梯級水庫的開發(fā)建設(shè)，水庫攔沙在人類活動(dòng)對河流泥沙影響中所占比重越來越大[2-3]。水庫泥沙淤積一直是水庫運(yùn)行管理中的一大難題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年由于泥沙淤積造成的全球大型水庫總庫容損失約為0.8%，相當(dāng)于損失接近600億m3庫容，而我國的年平均庫容損失率更是達(dá)到2.3%，遠(yuǎn)高于世界平均水平[4]。一方面，水庫的攔沙淤積制約水庫防洪、發(fā)電、灌溉、供水等功能的正常發(fā)揮，使水庫長期運(yùn)行受到影響;另一方面，水庫清淤以及淤沙的資源化利用可以取得良好的綜合效益并有效減少河道采砂以及緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中砂石資源供需矛盾問題。因此，水庫清淤及其淤沙資源化利用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 長江流域水庫淤積概況

水庫的建設(shè)會(huì)改變和破壞河流的天然連續(xù)狀態(tài)，同時(shí)抬高庫區(qū)水位，減小水庫河段上游河道水面坡降，導(dǎo)致庫區(qū)水流流速和挾沙能力的降低，從而引起泥沙淤積。水庫泥沙淤積過程及特征主要受到水沙動(dòng)力條件、泥沙特性、水庫特征以及水庫運(yùn)行方式等因素的作用[5]。我國大部分水庫淤積發(fā)生在汛期，淤積量及淤積速率與汛期較大的來水來沙量相對應(yīng)，通常來說，推移質(zhì)和懸移質(zhì)中較粗的部分主要沉積在庫尾河段，而懸移質(zhì)中較細(xì)顆粒則主要沉積于庫區(qū)深水河段 [6]。

我國大量水庫興建于20世紀(jì)50～70年代，大多已運(yùn)行半個(gè)世紀(jì)以上，由于沖排沙措施不足和輸沙能力有限等因素，普遍存在不同程度的淤積，很多水庫的調(diào)蓄能力早已達(dá)不到當(dāng)初的設(shè)計(jì)要求，甚至淤損報(bào)廢，從而制約了水庫功能的發(fā)揮并顯著降低了水庫對水資源的調(diào)控能力。20世紀(jì)80年代，對水利部直接管理的20座水庫的調(diào)查資料表明，多數(shù)水庫運(yùn)行不足20 a，淤積量占原設(shè)計(jì)總庫容的比例接近20%[7]。通過對代表性水庫淤積計(jì)算結(jié)果的分析，田海濤等[8]推算得到中國內(nèi)地水庫平均淤積比例約為20%。截止到2012年，山西省731座水庫淤積量共計(jì)約16.20億m3，占總庫容的34%;陜西省1 019座水庫每年減少蓄水約17億m3，淤積率為34%;江西省和貴州省約有2/3的水庫存在淤積問題，淤積總量分別約為8.93億m3和1.10億m3，淤積率為3%～4%，低于北方的山西省和陜西省，但是水庫淤積程度差異較大，部分水庫淤積嚴(yán)重，例如貴州新橋水庫（總庫容1 290萬m3）淤積率高達(dá)80.0%[9]。表1為長江流域部分大型水庫淤積情況。從表1可以看到，大渡河龔嘴水庫運(yùn)行37 a后，水庫淤積率為66.3%，興利庫容減少18%（1 800萬m3）;烏江烏江渡水電站運(yùn)用10 a淤積超過2億m3，達(dá)到水庫泥沙設(shè)計(jì)50 a的淤積狀況;嘉陵江碧口水庫運(yùn)行38 a，庫區(qū)泥沙淤積達(dá)3.05億m3，庫容損失占總庫容的58.5%，有效庫容損失34.4%，目前年淤積量約為571萬m3;漢江石泉水庫在1973～2011年間淤積1.96億m3，淤積率41.7%，并且損失了28.5%（8 300萬m3）的興利庫容。

目前大量出現(xiàn)的水庫淤積現(xiàn)象，已明顯影響了我國水利工程的水資源調(diào)控能力，水庫清淤為恢復(fù)水庫調(diào)控能力提供了新的途徑。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，僅針對長江上游干支流典型水庫進(jìn)行清淤，即可恢復(fù)和新增興利庫容60億m3，增加灌溉供水量57.83億m3，提高大中城市、農(nóng)村飲水和灌溉農(nóng)業(yè)的供水保證率。

3 水庫淤積的影響

在全國各大流域中，長江流域各類型水庫數(shù)量最多，累計(jì)總庫容、興利庫容等最大，為我國最重要的水電能源基地，且目前仍在迅速發(fā)展過程中，在防洪、抗旱、發(fā)電、灌溉、引調(diào)水和長江經(jīng)濟(jì)帶、黃金水道建設(shè)等工作中，發(fā)揮了舉足輕重的作用。據(jù)2013年完成的第一次全國水利普查數(shù)據(jù)[10]，長江流域已建和在建水庫51 643座，總庫容為3 606.89億m3，興利庫容為1 799.91億m3，防洪庫容為765.82億m3。因?yàn)闅夂蜃兓⑺帘３趾退畮鞌r沙等因素，長江泥沙分布發(fā)生了重大變化，以水庫攔沙作用為例，大量泥沙不再輸往下游，而淤積在上游各水庫庫區(qū)中。長江上游控制性水文站宜昌站的來沙量減幅十分顯著，三峽水庫蓄水運(yùn)用以來（2003～2017年）來沙量大幅減小，為蓄水前的7.3%，約3 584萬t，2017年宜昌站輸沙量更是減小到僅為331萬t。金沙江向家壩水庫運(yùn)行后其下游輸沙量由過去的年均接近2億t急劇減小至300萬t左右。因長江上游水庫群庫容巨大，其攔沙效應(yīng)將長期存在，將對流域泥沙分布、泥沙資源分配、水庫庫區(qū)水環(huán)境以及中下游的防洪航運(yùn)及河勢穩(wěn)定帶來持續(xù)而深遠(yuǎn)的影響[11]。

水庫淤積主要會(huì)帶來3方面的不利影響：①制約水庫功能的正常發(fā)揮，包括水庫的防洪、供水、灌溉、發(fā)電和航運(yùn)等功能，例如當(dāng)水庫淤積量超過死庫容后，不僅侵占興利庫容，甚至侵占防洪庫容，減少水庫綜合利用效益并影響防洪安全;在水庫回水變動(dòng)區(qū)泥沙淤積，易抬高河床，可能導(dǎo)致寬淺河段主流擺動(dòng)或移位，破壞航運(yùn)條件;壩前的泥沙淤積妨礙船閘及取水口正常運(yùn)行，進(jìn)入電站泥沙的增加將加劇發(fā)電設(shè)備的磨損，降低水電站的發(fā)電能力[12-13]。②大量泥沙淤積于壩前會(huì)增大作用于水工建筑物上的壓力，特別是錐體淤積，可能會(huì)對部分樞紐的安全產(chǎn)生威脅，并且淤積會(huì)導(dǎo)致水庫維護(hù)成本不斷增加，水庫的淤滿報(bào)廢更是會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p失[7]。③顆粒態(tài)污染物會(huì)隨著泥沙淤積在水庫底泥中富集，影響水庫水質(zhì)和水體生態(tài)環(huán)境，由于泥沙是水體重金屬離子和有機(jī)污染物等重要輸運(yùn)載體，特別是表面積較大的細(xì)顆粒泥沙，吸附在泥沙表面的污染物會(huì)隨著泥沙在庫區(qū)的淤積而沉淀，污染水質(zhì)并影響水生生物的生長[9， 14]。

4 水庫清淤可行性及效益分析

水庫淤積一直是水庫運(yùn)用和管理的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問題，對水庫淤積恢復(fù)的研究也一直受到重視。經(jīng)過大量研究，已經(jīng)逐步形成了多種水庫淤積庫容恢復(fù)技術(shù)，主要包括機(jī)械清淤和水力清淤兩種方式[15]。機(jī)械清淤包括干挖和挖泥船清淤兩種，對于能夠排空的水庫可以采用排空干挖進(jìn)行快速清淤，而不能排空的則可以采用挖泥船或吸泥泵。隨著深水清淤技術(shù)的研發(fā)與發(fā)展，大型水庫的清淤也成為可能，例如：氣動(dòng)式疏浚船最大挖深可達(dá)120 m，使得機(jī)械式清淤朝著大規(guī)模運(yùn)用方向發(fā)展。清淤成本也逐漸降低，清淤恢復(fù)庫容直接投資一般不足15元/m3，顯著低于清淤后水庫功能恢復(fù)和淤沙資源化利用能夠產(chǎn)生的綜合效益。水力清淤技術(shù)則包括泄空沖沙、自吸式管道清淤。經(jīng)過幾十年的研究和實(shí)踐，我國在處理多沙河流水庫淤積問題上取得了重要進(jìn)展，總結(jié)出初期采用攔沙和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用，后期采用蓄清排渾和調(diào)水調(diào)沙運(yùn)用等有效減少泥沙淤積的水庫運(yùn)用方式。

除了水庫清淤技術(shù)的進(jìn)步，清淤泥沙資源化利用方式的發(fā)展也為水庫清淤的實(shí)施奠定了良好基礎(chǔ)。泥沙資源屬性越來越受到人們的重視，并在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。目前疏浚泥沙主要用于兩個(gè)方面：①利用清淤泥沙轉(zhuǎn)化為建筑材料[16]，包括直接用于建筑砂石料、利用清淤粗泥沙與白灰和其他添加劑等壓制灰磚、利用清淤細(xì)泥沙燒制磚瓦以及利用淤沙熔制高級飾面玻璃等;②利用底泥中含有大量的有機(jī)質(zhì)和植物生長所需的營養(yǎng)物質(zhì)，當(dāng)作肥料用于農(nóng)田菜地和城市綠化等。鑒于長江流域當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展需求，水庫及河道疏浚泥沙用來制作建筑材料的處置方式具有良好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

同時(shí)，水庫清淤還具有良好社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。水庫是我國水利基礎(chǔ)設(shè)施與防洪保安工程體系的重要組成部分，特別在發(fā)展社會(huì)經(jīng)濟(jì)、改善民生、保障安全等方面起著不可替代的重要作用。通過清淤增加水庫調(diào)蓄及防洪減災(zāi)能力，并延長水庫使用壽命，確保水庫安全、公共安全及水資源的高效利用，可產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益。通過清淤恢復(fù)淤損庫容，充分挖掘現(xiàn)有水庫的蓄水潛力，延長其使用壽命，可保障水庫按設(shè)計(jì)發(fā)揮灌溉、供水、發(fā)電等綜合效益，而且還可減少新建水庫帶來的征地賠償、移民安置、生態(tài)環(huán)境影響等諸多問題，經(jīng)濟(jì)效益極其顯著。對水庫淤積物進(jìn)行資源化利用，化害為利、變廢為寶，對于促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水生態(tài)環(huán)境保護(hù)具有重要意義，其生態(tài)環(huán)境效益也是巨大的。

5 存在的問題及展望

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和大量水利樞紐工程的實(shí)施，目前可供建設(shè)水庫的新壩址越來越少，并且受制于水利樞紐工程對水環(huán)境和水生態(tài)的不利影響，新水庫的修建愈發(fā)困難，而對水資源的管理與配置需求與日俱增，因此恢復(fù)已建水庫淤損庫容，促進(jìn)水庫功能的發(fā)揮是一條可持續(xù)發(fā)展的綠色之路[15]。經(jīng)過幾十年的研究與實(shí)踐，在水庫清淤技術(shù)及后續(xù)淤沙資源化處置方面已有長足進(jìn)步，但仍存在如下方面的問題。

（1）清淤技術(shù)有待加強(qiáng)和完善。挖沙船的能力已有較大提升，但是清淤精細(xì)化程度不夠，缺少精確的水下疏?？刂葡到y(tǒng)，也缺乏針對不同淤積物特性的清淤技術(shù)和裝置，從而導(dǎo)致清淤效率較低和后期清淤泥處理成本較高。

（2）環(huán)保型機(jī)械疏浚設(shè)備研發(fā)相對滯后。近年來水庫水環(huán)境問題越來越受到重視，特別是大型水庫，往往是區(qū)域重要的水源地，因此必須研發(fā)環(huán)保型疏浚設(shè)備，避免疏浚過程中底泥污染物懸揚(yáng)擴(kuò)散對水體的污染以及疏浚泥轉(zhuǎn)移過程中引起的二次污染。

（3）泥沙資源化利用程度仍十分不足。對泥沙資源屬性的認(rèn)識(shí)以及開發(fā)利用剛剛起步，在泥沙資源調(diào)控與配置、利用方向，技術(shù)設(shè)備以及利用平臺(tái)創(chuàng)建等方面還應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)研究和探索實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1] Milliman J D， Farnsworth K L. River discharge to the coastal ocean： A global synthesis [M]. ?Cambridge：Cambridge University Press， 2013.

[2] 張信寶， 文安邦， Walling D E， 等. ?大型水庫對長江上游主要干支流河流輸沙量的影響[J]. ?泥沙研究， 2011（4）： 59-66.

[3] Yang H F ， Yang S L， Xu K H ， ?et al. Human impacts on sediment in the Yangtze River： A review and new perspectives[J]. ?Global & Planetary Change， 2018， 162：8-17.

[4] Palmieri A， Shah F， Annandale G， et al. Reservoir conservation volume I： the RESCON Approach [M]. ?Washington ?D.C. ： World Bank， 2003.

[5] 韓其為， 楊小慶. ?我國水庫泥沙淤積研究綜述[J]. ?中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)， 2003， 1（3）： 169-178.

[6] 曹慧群， 李青云， 黃茁， 等. ?我國水庫淤積防治方法及效果綜述[J]. ?水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2013， 32（6）： 183-189.

[7] 劉孝盈， 吳保生， 于琪洋， 等. ?水庫淤積影響及對策研究[J]. ?泥沙研究， 2011（6）： 37-40.

[8] 田海濤， 張振克， 李彥明， 等. ?中國內(nèi)地水庫淤積的差異性分析[J]. ?水利水電科技進(jìn)展， 2006， 26（6）： 28-33.

[9] 張士辰， 盛金保， 李子陽，等. ?關(guān)于推進(jìn)水庫清淤工作的研究與建議[J]. ?中國水利， 2017（16）： 45-48.

[10] 中華人民共和國水利部，中華人民共和國國家統(tǒng)計(jì)局. ?第一次全國水利普查公報(bào)[M]. ?北京：中國水利水電出版社， 2013.

[11] 金興平， 許全喜. ?長江上游水庫群聯(lián)合調(diào)度中的泥沙問題[J]. ?人民長江， 2018， 49（3）： 1-8.

[12] 陳文彪， 曾志誠. ?珠江流域水庫泥沙問題芻議[J]. ?人民珠江， 1997（5）： 26-28.

[13] 謝金明， 吳保生， 劉孝盈. ?水庫泥沙淤積管理綜述[J]. ?泥沙研究， 2013（3）： 71-80.

[14] 周建軍， 張曼， 李哲. ?長江上游水庫改變干流磷通量、效應(yīng)與修復(fù)對策[J]. ?湖泊科學(xué)， 2018， 30（4）： 865-880.

[15] 曹文洪， 劉春晶. ?水庫淤積控制與功能恢復(fù)研究進(jìn)展與展望[J]. ?水利學(xué)報(bào)， 2018， 49（9）： 57-64.

[16] 王立華， 賴冠文， 劉佳. ?水庫淤積物建材化利用的效益研究[J]. ?中國農(nóng)村水利水電， 2012（7）： 106-109.

（編輯：李 慧）