水库淤积治理措施综述

2011-05-19赵光宇

山西水利 2011年10期

赵光宇

1 背景

水库是开发利用水资源和防治水害的综合工程措施之一，具有多种兴利避害效益，包括防洪、发电、灌溉、供水、航运、养殖、旅游等。但在天然河道上筑坝建库会破坏天然河流水沙条件与河床形态的相对平衡状态，出现库区水位壅高、水深增大、坝前侵蚀基面抬高、水面比降变缓、流速减小、水流输沙能力显著降低、大量泥沙淤积等问题，其结果不仅会使水库的有效库容逐年减小，设计的多种兴利指标不能全部实现，甚至将影响水库的寿命[1]。

经过前人的多年研究，形成了多种多样的水库淤积治理技术方法，下文拟对现行的水库淤积治理措施进行系统性综述，把种类繁多的淤积治理方法归纳为预防性处理、库区内清淤两大类。对于尚未入库的泥沙可采用分水分沙、绕库排沙等措施进行预防性处理。对水库已淤积泥沙治理主要是进行库区内清淤，现行水库清淤方法有排沙、冲沙和疏浚。排沙和冲沙都是通过开启水库的底部排沙孔闸门、用水力来冲排。排沙措施包括泄洪排沙和异重流排沙等，冲沙包括降落水位冲沙和放空排沙等，疏浚是用机械清淤。对尚未沉积的悬移质和推移质泥沙采用排沙方法，而已沉积的泥沙则采用冲沙和疏浚方法。

2 控制泥沙入库的预防性措施

2.1 水土保持

保持水土、防止流失是控制泥沙来源的重要措施，是解决泥沙淤积的根本性措施。对中小水库而言，流域面积通常不大，水保工作规模较小，且能与治山造田等农业措施结合起来实施。大型水库流域面积通常很大，短期内全面实施水保工程困难较大，通常制定水保工作计划，分年度、分步骤地推进。

2.2 拦泥库或拦泥堰

在水库上游多泥沙的支流上修建拦泥库或拦沙堰，将泥沙提前拦蓄起来，可以减少入库的泥沙量。这种方法要求有合适的地形条件，并且需要定期处理拦蓄的泥沙。

2.3 子母水库

在水库上游修建一座子水库，与母水库上下串联，联合运用。上游的子水库起拦蓄泥沙作用，可以减少下游母水库的淤积。此外，还可利用子水库下泄的水流冲刷母水库淤积的泥沙，以进一步减少母水库的泥沙淤积。该措施的实施受地形和地质条件制约，实施难度较大，且需考虑子水库泥沙的处理，与拦泥库比较类似。

2.4 引洪淤地

在水库上游选择合适地形（如低凹地或荒滩）引洪放淤，这样既能减少入库泥沙、避免水库淤积，又可淤滩造田，但该措施同样受地形和地质条件（渗漏问题）的制约[2]。

2.5 弯道环流分沙

弯道环流分沙水利枢纽工程主要设在河道的弯道处，利用河流的弯道环流产生的离心力使水沙分离，外侧河道接下游河道，内侧河道接库区。枯水期（或含沙量少时）关闭或关小外环河道，全开内环河道使较清流水由内环河道进入库区；汛期（或含沙量大时）全开外环河道，关闭或关小内环河道，使含沙量大的水流全部或大部分由外环河道排至下游。

2.6 绕库排沙（亦称旁引水库）

这种方法是上游来沙到达库尾的拦沙闸后不进入库区，而是通过排沙闸门进入排沙渠，再通过排沙渠排到水库下游河道。排沙渠出口水位通过排沙渠出口闸门调节，遇大水大沙时可适当降低排沙渠出口水位，有利于上游河道及排沙渠内泥沙的排出[3]。若排沙渠出现淤积，可适当配合机械清淤等其他清淤方法，清除排沙渠内部的淤积物。该措施最大的难点是排沙渠布置不好容易出现淤积，增加清淤工作量。

3 水库清淤措施

3.1 横向冲蚀

横向冲蚀是排除库内前期淤沙的一项技术。横向冲蚀技术是利用辅助设施截引河水至待冲蚀库段，凭借高滩深槽形态所形成的横向（相对于库区正常水流方向）大比降，依靠水流的水力冲刷与重力侵蚀作用对库区前期淤积泥沙进行破离和输移，进而排沙出库，恢复库容。

横向冲蚀技术具有以下特点：一是排淤效率很高。横向冲蚀技术可使库区前期淤积的泥沙被破离排出，排沙前期排沙比通常大于150%，随着排沙的持续进行，排沙比逐渐下降，整个排沙过程排沙效率很高，库容恢复迅速。二是可形成能够远距离输送的高含沙浓度水流。在横向冲蚀过程中进行输沙时，水流所含泥沙不至在渠道中大量淤积，形成足以将泥沙输移出库的高含沙浓度水流，具有很高的输沙效率[4]。三是排沙成本低。排沙成本是衡量排沙措施经济效益的重要指标。横向冲蚀依靠水力冲刷和重力侵蚀来破离、输移泥沙，工程设备简单、操作方便、能耗小，成本十分低廉。

该技术适用于具有自然泄空或低水位运用机会的水库，对我国北方地区的中小型水库具有较大的适用性。加之近年来不少水库已采用蓄清排浑、调水调沙的运行方式，在库区形成了高滩深槽的淤积形态，对推广使用高渠泄水拉淤方法十分有利。

3.2 异重流排沙

异重流是两种或者两种以上比重相差不大、可以相混的流体，因比重的差异而发生的相对运动。即：如果一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不与其他流体发生全局性掺混现象的流动。异重流的形成有两个水量条件：一是需要有一个较大的流量过程，二是要有后续动力。

水库异重流是黄河等高含沙河流特有的水流形式，当高含沙水流进入水库遇到库区清水后，由于密度差而潜入清水下面形成一股浑水流。一般地，在非汛期，水库库区水深较大，加上上游来水含沙量很小，故库区水体基本为清水。然而在汛期洪水季节，水流携带大量泥沙进入水库，推移质以及悬移质中较粗颗粒泥沙首先在库尾段沿程落淤，较细泥沙则随水流继续向前运动，这种携带大量细颗粒泥沙的浑水比重较大，遇水库清水后，将潜入清水下层，以异重流的形式沿库底向坝前运动，运动过程中还可将库底部分原本沉积的泥沙冲刷挟卷至坝前[5]。此时若及时打开排沙闸门排泄含沙量很大的异重流，便可将一大部分泥沙排走，减少水库淤积。据黑松林水库利用异重流排沙的7次观测结果显示，平均排沙效率为61.2%，最高达91.4%[6]，排沙效率较高，排沙效果较好。

异重流排沙比（排沙效果）与洪水流速、含沙量、泥沙粒径、排泄量、开闸时间早晚和长短、库区地形与比降、排沙孔尺寸、排沙孔高程等因素有关[6]。洪水流速快、含沙量大、泥沙颗粒细，泥沙就不容易沉降，库区地形平坦、比降大、泄量大、排沙孔高程低，均有利于泥沙的排出。

黄河异重流首次出现于三门峡水库，2001年起小浪底水库开始出现异重流。2004年7月8日，黄河水利工作者通过对万家寨、三门峡、小浪底水库“接力”调水在世界上首次成功塑造人工异重流[7]，排沙效果良好，实现了“推沙出库”的目标，标志着中国水利专家在掌握异重流的生成机理和运行规律方面取得重大突破，对研究解决黄河水库等泥沙淤积问题具有极其重要的意义。

3.3 滞洪排沙

目前我国很多水库采取蓄清排浑的运行方式。在这种运行方式下，必须空库或低水位迎洪，以保证水库运行的安全性，并充分发挥其调蓄作用。当入库流量大于泄水流量时，库区发生滞洪壅水，而后整个库区洪水仍以一定的流速向坝前运动直至泻出，运动过程中粗颗粒泥沙率先沉降淤积在库中，部分细颗粒泥沙（包括部分前期淤积泥沙）被水流挟带至坝前排出库外，这就是滞洪排沙的运行机理[8]。

排沙时机选择、滞洪历时、洪水漫滩程度、开闸时间、泄量大小等因素均会影响滞洪排沙的效率。通常情况下，开闸越及时、泄量越大、滞洪历时越短、洪水漫滩程度越低，排沙效率越高。在实际运行过程中，汛期（特别是洪水流量很大时）上游水库通常会被要求滞留部分洪水，以减轻下游的排洪负担，这在很大程度上会影响排沙效率。因此，滞洪排沙效率通常较低，容易造成淤积，这也是滞洪排沙的主要缺点，但如果调度得当，其排沙效果也很好。

3.4 泄空排沙

泄空排沙是指在水库泄空过程中，利用水位降落时水流对库区淤积泥沙的冲刷，使原本已经沉积的泥沙被冲刷挟带出库的排沙措施[6]。库底通常为中间低、两边高的“V”字形态，因此随水位降低水流流速逐渐增大，冲刷力也随之提高，特别是在水库泄空的最后阶段，如果突然加大泄量，会使冲刷效果更佳。沿程冲刷主要作用于回水区末端的淤积，把泥沙挟带到前库；溯源冲刷又将前库的泥沙冲排至库外，并逐步向上游发展，逐步改变上游水力条件，使沿程冲刷能够持续进行。由此可见，泄空排沙是沿程冲刷和溯源冲刷共同作用的结果。

泄空排沙实质上是通过消耗水库蓄水量换取部分库容恢复，其主要缺点是消耗水量大，而且不适于多年调节的水库应用，适用范围较窄。采用这种方式排沙需要先进行充分的经济技术效益论证。

3.5 基流排沙（或称常流量排沙）

基流排沙是指在水库泄空后继续打开泄水闸门，依靠河道中含沙量较小的正常水流冲刷主槽，使主槽两边壁沉积泥沙滑塌排出，进而减少库区淤积。

基流排沙的效果决定于常流流量、常流含沙量及库区淤积情况。常流流量越大、含沙量越小，则排沙效果越好；否则，排沙效果较差。在基流排沙期一定时间段内，河流常流量和含沙量通常变化较小，可视为定值。基流排沙过程中，冲沙量和水流含沙量呈由大到小并逐渐趋于稳定排沙特点。基流冲刷可在库底冲出一条深槽，有利于水库的长期运行，对形成和保持长期库容极为有利。

3.6 人工辅助排沙

在水库泄空排沙和基流排沙期间，可通过人工辅助措施以提高水流冲刷效果。通常是在淤积滩上顺水流方向开挖沟槽，在基流及小洪水的冲刷作用下，沟槽将不断加深、拓宽。当冲刷到一定程度后，可另开一新沟槽继续冲沙，从而达到减少和排除滩地淤积的目的，其主要缺点是人力成本较高。

3.7 机械清淤措施

机械清淤措施指利用机械设备进行淤积清除作业的各种清淤措施。通常是利用绞刀、靶头、吸头、抓斗等挖取或吸取淤泥，利用泥驳、输泥管、车辆等转运或输送淤泥。机械清淤动力通常由泥斗等自重、液压机械装置、虹吸系统、泵类等提供。机械清淤措施可依据其工作原理、核心动力不同分为挖泥船、虹吸吸泥装置、空气泵三大类。挖泥船是一种具备破土、挖掘、提升、输送等功能的清淤工具。常见的挖泥船有抓斗式挖泥船、链斗式挖泥船、铲斗式挖泥船和绞吸式挖泥船等，挖泥船机动性好，不受水库调度影响，取料浓度大，耗水量少，可常年排沙，但售价高，清淤成本较高，不便于深水区的使用，工作效率较低，使用上受到限制。虹吸吸泥装置是利用虹吸原理排沙清淤的工程技术方法，常用于中、小型水库清淤工程。虹吸吸泥清淤措施具有设备简单、操作方便、省电、省水、成本低等优点。空气泵是一种新型的清淤机械，利用压缩空气作为主要动力，具有机械磨损小、排泥浓度高、工作水深大、较挖泥船清淤经济、作业过程环保等优点。