基于大坝建设和水库运行对下游的影响

魏 静 ，刘兆楠，丁万峰

(1.大连市水利规划设计院，辽宁 大连 116021;2.大连市金州新区水利管理服务中心，辽宁 大连 116021)

0 前言

筑坝的目的通常在于通过蓄水或抬高水位获取效益的优化，因而对坝上游发生的现象更加注意，而几乎不考虑大坝建设和运行对下游的副作用。它们通常被完全忽略——至少在它们未产生问题时是这样。

下游影响与上游影响同样是不可避免的，然而，当坝后水位开始上升，每个人都会立即注意到上游影响，相反在大坝完工后下游影响不是立即可见，它们逐渐发展，且仅在一定时期后才显现其作用，时间的延后取决于水库的运行及河流的特性。

它可能会经过数月、数年甚至数十年，直到下游影响变得明显。尽管如此，下游影响可能与不可预料的上游影响一样令人不快，有时甚至更加麻烦。由于它们可能会影响河流到不限定长度的范围，而上游影响绝不会延伸到水库以外［1］。

只有科学分析水库、大坝下游条件变化及其产生原因，并评估其面临后果，采取有效措施，才能避免水利工程对河道下游的不良影响。

1 大坝建设与水库运行对下游造成的影响

大坝建设与水库运行对下游造成的影响包括水流条件发生改变，水库泥沙沉积和冲沙。

1.1 水流条件发生改变

水库蓄水意味着河道的原始水流将发生改变，根据大坝和水库的修建目的，通常会在水量充沛时将大量的水滞留，而在枯水期放出弥补用水不足，以此来调节河流水流量。

筑坝前可通过原始水流曲线来研究河流地貌特征，“主导流量”是有代表性的描述影响河流形态的水流条件的设想流量，是研究河流地貌特征的典型参数，是以水流的输沙能力对河流地貌的改变为运算基础的。

当泥沙开始输移处的流速超过了界限流速，则河流的输沙能力与水流速度成正比，即流速越大，输沙能力就越强。

此外，输沙时间对河流地貌也具有重要的影响。因此，输沙率与持续时间的乘积要比单纯的流速决定的输沙能力更能准确的反应水流对河流地貌影响。因此，可将主导流量定义为输沙能力与持续时间的乘积为最大值时的流量［2－6］。

水库、大坝建成后，下游河流的地貌特征仍与各自原始主导流量相一致，但随着工程的运行，下游流量会发生巨大的改变，现有的下游地貌特征已不再符合新的水流条件，河流逐渐将河床调整到新的位置。

一般而言，新的主导流量会小于原先的主导流量，因此，流过大坝的水流会面临着变宽、变陡的河床，而为了减小坡度，河流会变得蜿蜒弯曲，这就会造成一个极易被忽视的事实:变宽的河床河岸容易发生侧向侵蚀［7－10］。

如尼罗河上的阿斯旺水坝，其下游在水坝建成后就开始缓慢侧向侵蚀，至今已极大的改变了下游河流面貌。

1.2 水库泥沙沉积

筑坝后，水利工程上游的水流条件发生了巨大的改变，在回流影响的区域，流速明显减慢，水流输沙能力也随之降低，大量随水流进入库区的泥沙也被拦截沉积在水库中。

拦截的泥沙淤积量与水库拦沙效率有关，而拦沙效率则可通过多种方式来计算。从大坝泄放流往下游的水流，携沙量已大为减少，或完全消除了泥沙，水流需从河床卷起新的物质来弥补挟沙能力的空缺，结果即河床开始逐渐下降，且慢慢向下游推进。

河床下切机理应为:

首先，河床上的细微颗粒被水流卷起，而较粗的颗粒仍留在原地，最终，这种有选择的挟沙将使得河床顶部逐渐粗化，形成自然抗冲床面。

在更下游的河段，较粗的颗粒已经不可能再被水流带动，水中的泥沙在与河床内的泥沙缓慢交换的同时，粗颗粒也在逐渐淤积，这就意味着河床下游会缓慢的粗化，而水流阻力也会逐渐增大。

1.3 冲沙

随着筑坝时间的增加，水库内淤积的泥沙会越来越多，水库库容也会因此产生一些损失，很多水库都建有损失库容补救措施，由于这种措施会在短时间内清除大量淤积物而不会释放大量的水，因而会导致坝下游在短期内经受高含沙量水流的冲击。

通常，冲沙行动越有效，对下游造成的副作用也就越大，如果有污染性淤积物在冲击中被活化或带到下游，甚至会产生难以预料的影响。

2 大坝建设与水库运行对下游的危害

筑坝对下游的影响是必然会发生的，但我们也要看到，筑坝对下游的影响并非都是消极的，也有很多本身就是筑坝目的，如控制洪峰，枯水期调节水量可避免河水断流现象发生，但即便如此，筑坝仍可能会对下游造成很多危险性后果。详见表1。

3 对下游影响的控制措施

表1 展示了筑坝对下游河道的潜在危害，因此，应及时设计补救措施。根据工程顺序与技术手段的不同，控制措施可分为3 类，即整治河道、稳定河床和运行规则。

3.1 整治河道

整治河道对改善河流地貌隐含的潜在威胁具有最为有效，因而将其放在控制措施的首位。河道整治的直接目的在于改变河势和水流流态，其具体工作也是将某些有代表性的河流参数如河道坡降、宽度、深度、走向、水流流速等调节至符合要求的标准，具体措施可采取以下3 点:

1)建立丁坝、护岸、挑流堤，避免河道发生偏移，稳定现有河势。

2)为避免河岸侵蚀，要加强对河岸超常应力作用处(如弯曲的凹形河岸)的河岸保护。

3)可改变下游河床的走向，将其变为一条新的、具有反复微弯与坡降段的受约束的河道，从而适应筑坝后新的水流条件，避免河道发生偏移、侵蚀与淤积。

3.2 稳定河床

河床刷深是筑坝后下游面临的重要问题，河床刷深不仅是高水头大坝下游的常见现象，也是低水头径流式水电站下游河段常见的问题。

河床的稳定问题可以考虑3个方面:增大河床阻力、削弱水流牵引力、补偿泥沙不足。具体方案可考虑以下3 种:

1)使用强度足够抵挡进一步侵蚀的大颗粒物质覆盖河床，使河床粗化进而增强其抗刷深能力。

2)设堰和潜坝壅水，增强回流影响，减慢水流速度。

3)投放与水流输沙能力相一致的泥沙。

表1 筑坝、水库对下游的潜在危害

以上方案基本都能达到预期目的，但也存在一定的缺陷，不少实践表明:人工粗化总会受到河段长度的限制，也可能会造成意料之外的环境影响;人工投沙虽然效果颇佳，但只是缓解措施，长期执行较为繁琐;与前两种方案相比，设堰与潜坝增强回水影响是更加经济有效的措施。

3.3 运行规则

文中所述的两种方法能有效的改善下游因筑坝而发生的潜在威胁。但是，因冲沙活动引起的灾害却很难被真正治理，除非定时进行河道整治。因泥沙含量过高而引起的副作用，只能依靠对坝下游悬浮泥沙与有害泥沙的控制来降低其影响。

可见，要想最大限度的避免冲沙行为造成的危害，还须靠加强水库运行管理来实现，而非单纯依靠工程措施。以下两点可作为管理准则:

1)因冲沙而导致的高含沙量不得超过历史洪水事件测得的含沙量上限，一旦超过此上限，则要立即减少冲沙量。

2)一旦检测出水库中含有污染性泥沙，则应放弃冲杀，而是改用挖泥技术，并对挖出的泥沙进行专门处理。

4 结语

综上所述，在河流上筑坝会对下游河道产生相当大的副作用，虽然大多数副作用并不会在短期内爆发，但我们也应将其应对措施纳入到工程设计预算当中。

在大坝建成后，要仔细监察河道下游的变化，尽快制定有针对性的治理措施，尽量减少潜在威胁，保证流于生态环境的稳定。

［1］郭恺丽.大坝建设和水库运行对下游的影响［J］.水利水电快报，1996，17(24):5－9.

［2］肖建红.水坝对河流生态系统服务功能影响及其评价研究［D］.南京:河海大学，2007.

［3］包广静.大坝建设生态环境影响国外研究回顾［J］.生态经济.2008(03):145－148.

［4］祁继英，阮晓红.大坝对河流生态系统的环境影响分析［J］.河海大学学报:自然科学版，2005，33(01):37－40.

［5］赵惠君，张乐.关注大坝对流域环境的影响［J］.长江职工大学学报，2002，19(01):4－8.

［6］汪恕诚.论大坝与生态［J］.水力发电，2004，30(04):1－4.

［7］毛战坡，彭文启，周怀东.大坝的河流生态效应及对策研究［J］.中国水利，2004(15):43－45.

［8］赵晓云.大坝建设与生态环境保护［J］.西北水力发电，2004，20(04):71－73.

［9］汪恕诚.论大坝建设与生态环保的关系［J］.中国三峡建设，2004(06):4－5.

［10］竹内邦良，袁少军.大坝建设的争论焦点［J］.水利水电快报，1997，18(15):31－33.