面向未来的可持续泥沙治理

［美国］G.M.康道夫 等

1 概述

随着美国加州的持续干旱，加州对州内重要水坝的水库泥沙淤积开展了详细调查，并于2014年6月提出了一份清单，给出了需要优先进行泥沙清淤或采取其他补救措施的水库。在此背景下，本文就水坝与整治河道泥沙治理的重要性进行了介绍与说明。

通过水库拦截泥沙，水坝阻断了河流泥沙输移的连续性，有关其对水库运用及库容减少所造成的影响均有文献记载。在水资源供给短缺与人口持续增加的背景下，因泥沙淤积导致的水库库容减少一直是一个十分严重的问题。然而，可能尚未引起人们普遍关注的另一个问题是水坝拦沙实际上还减少了进入坝下游河道的泥沙量，而这部分泥沙对于维持下游河道的形态与河流生态系统是十分重要的。尽管人类活动的加剧加大了流域侵蚀产沙，但是由于上游水坝的拦沙作用，世界上大多数河流的输沙量实际上却是减小的。

2 加州水库泥沙淤积现状

随着加州持续干旱，该州政府官员们呼吁修建新水坝以增加蓄水。但是，目前加州境内大多数优良水坝坝址已开发完毕，在剩余的次优坝址上建坝不可避免地会涉及到投资的增加，而且现行环保法与公众反对也会拖延建坝时间、增加补偿要求。一方面，建坝无疑会新增水库库容;另一方面，大家也越来越意识到已有水库库容也是值得保护的重要资源。2014年6月，加州参议院通过了SB1259议案(目前正等待众议院通过)，要求州水资源署开展加州水库泥沙淤积的调查与清册，确定需要优先实施泥沙清淤或采取其他补救措施的水坝清单。

过去10a，加州因水库泥沙淤积而备受关注的4座重要水坝为:马里布(Malibu)河上的林格(Ringe)坝;凡吐拉(Venture)河上的马蒂利亚(Matilija)坝;卡梅尔(Carmel)河上的圣克莱门特(San Clemente)坝;小旧金山(San Francisquito)河上的瑟尔斯维尔(Searsville)坝(见表1)。

这4座水坝均因水库淤满泥沙，引发了人们对于溃坝事故和大量泥沙下泄等公众安全的质疑。4座水坝还阻断了虹鳟鱼迁徙，这无疑更加重了将其拆除的呼声。其中2座水坝已认定为不安全水坝——圣克莱门特坝坝基薄弱、马蒂利亚坝因碱骨料反应而导致混凝土退化。拆除这4座水坝所面临的最大挑战是如何处置水库淤积泥沙。4座水坝的下游河道两岸均建有“豪宅”，业主极可能在洪水过后提出因水坝排沙而引起洪水损失的法律诉讼(不管是否属实)，而维修这些淤废水坝的代价更是不菲。为此，圣克莱门特坝将予以拆除，水库淤积泥沙就地固化处理，上游来沙自由向下游输移，增加自1921年建坝以来下游河道人为减小的输沙量。约8000美元的拆坝费用将由水坝业主、加州美国水公司、公众及非政府组织基金等共同承担，加州海岸保护协会负责协调。马蒂利亚坝也计划予以拆除，机械清淤部分淤泥并输运至抛泥区(事实证明这很棘手)，其余淤泥就地固化处理，拆坝费用估计超过1.4亿美元。

表1 加州海岸山脉地区的淤废水坝

上述案例不禁会引发人们质疑:该州到底还有多少座水库将来会因泥沙淤废而带来代价惨重的环境与安全问题?为此研发了3 W模型，旨在研究加州水库的未来泥沙淤积问题。目前，加州境内由水坝安全署负责运行调度的大坝(坝高4.6 m以上、库容3.1万m3以上)超过1400座，其中实测过水库泥沙淤积率的水坝数量却十分有限。解决方法与步骤如下:①整理已有水库的淤积资料，分析确定基于地貌地区的产沙均值，例如，内华达山脉地区覆盖着耐花岗岩(部分仍受19世纪水力采矿影响的区域除外)，其产沙量明显小于海岸地区和横断山脉地区(这两个地区覆盖着易冲蚀岩石，大部分属于破碎岩且处于地质构造快速上升期，因而产沙量较高)。②基于过去的水库泥沙淤积调查，将确定的地区产沙均值应用于无泥沙淤积资料的水库，预估水库的未来泥沙淤积率。同时，3 W模型还考虑了上游建坝对下游水库的减沙作用以及拦沙率随水库淤积时间的变化。结果表明:水库拦沙率及库容与年来水量或流域面积(作为来水量的替换量)的比值相关;随着水库的淤积，水库拦沙率随着时间而减小。

研究发现:就全加州而言，水库淤积对加州总库容的影响相对较小，其原因是加州拥有许多大型水库，如萨克门拉门托(Sacramento)河上的莎士达(Shasta)水库、费瑟(Feather)河上的奥罗维尔(Oroville)水库。截止到2008年，加州水库总的泥沙淤积量约21亿m3，占水库总库容472亿m3的4.5%。但如果研究个案水库，问题就比较突出。结果显示:120余座水库的泥沙淤积损失超过了其库容的75%;类似于上述4座淤废水库，它们大多数是位于海岸地区和横断山脉地区的老化小型供水水库，初始库容小且位于高产沙地区。

3 可持续水库泥沙治理的必要性

水库一旦淤满泥沙，治理方案的选择就十分有限，而且治理的代价也极其昂贵。安全考量往往主导着治理措施，尤其是在地震活跃地区。地震时，饱和泥沙淤积物与混凝土和(或)土石坝将以不同的频率进行震动，这可能导致水坝溃决。2007年，台湾巴陵坝就发生了溃决，震动释放了约750万m3泥沙淤积物，所幸的是下游河谷无人居住，大部分下泄泥沙淤积于下游水库。然而，随着地区内淤废水坝的不断增多，它们就像“定时炸弹”，给未来几十年带来严重隐患。

水坝拦沙除了导致水库库容损失、公众安全风险等问题之外，还会减少坝下游泥沙供给量，引起“清水”下泄问题。下泄“清水”仍然具有挟沙能力，但由于缺失天然泥沙的供给，河流将冲刷河床和河岸以部分补给损失的输沙量。“清水”下泄的影响还包括:鲑鱼产卵所需砾石的减少、涉水建筑物基础的冲刷等。在欧洲，为了防止莱茵河干流最末端水坝下游“清水”下泄对涉水建筑物基础的破坏，莱茵河平均每年向其下游抛投了17万m3砂砾石，以供给下游输沙、维持河床高程。加州萨克拉门托河流域20多条河流上抛投的砂砾石量超过50万m3，用于恢复鲑鱼产卵栖息地。

4 可持续水库泥沙治理技术

避免水库泥沙淤积首选和最佳的治理技术是旁侧输沙与过坝排沙。旁侧输沙是将部分挟沙来流引至绕过水库的旁侧渠道，这样挟沙水流根本就不进入水库而是直接汇入坝下游河道。旁侧分流通常只在大流量、大输沙量条件下运用;含沙量一旦降低，来流将重新引入水库。旁侧输沙的理想河流平面形态是在水库中存在河弯，旁侧渠道起到裁弯取直的效果，如南非的内格尔(Nagle)坝(图1)。另一个与旁侧渠道输沙相类似的办法是修建从主河槽引水的旁侧蓄水水库，仅当河道来流相对较清时才引水至水库，以减少入库泥沙，而天然河流起到旁侧输沙的作用。日本和瑞士在采用旁道输沙技术方面处于领先地位，其中日本最早的旁侧输沙渠道建于1908年(见表2)。

图1 南非内格尔坝旁侧输沙示意

泄水排沙或降水冲沙均借助于过坝高速水流，此时水库作为河流的一部分输移泥沙。洪水来临之前降低库水位，开启水坝大流量泄流孔，让水流高速通过。这种过坝排沙技术的优点是水库泥沙淤积最小且泥沙可在河流天然输沙的洪汛期连续输移下泄。细颗粒泥沙的过坝排沙效果优于粗颗粒泥沙。基于洪水过程涨水含沙量一般高于降水含沙量的特性，利用洪水涨水过程进行泄水排沙与中国水库泥沙治理运用的“蓄清排浑”策略吻合一致。中国三峡大坝因采用这种泄水排沙运用方式而著名，通过设计延长汛初水位消落期，加大水流流速，维持泥沙输移过库，并冲起部分前期淤积泥沙;而汛末抬高水库水位蓄水，以维持枯水期的下泄流量(图2)。

图2 三峡水库水位季节性运用示意

泄水排沙的目的是让泥沙输移过库而不产生淤积，与此不同，降水冲沙则需要冲起和重新悬浮水库淤积泥沙，将其冲泄至坝下游。降水冲沙采用底孔放空水库，底孔尺寸必须足够大，以便冲沙流量自由过坝而不引起上游壅水，泄水自由水面应与底孔的下表面齐平或者更低。降水冲沙的最佳情形是形成河道型过库水流，其形成的有利条件包括:①水库河谷窄深、河岸陡峻;②水库纵比降陡峻;③水库流量维持在泥沙起动和输移临界值以上;④水坝设有底孔等。为了确保降水冲沙取得成功，水库库容与年径流之比应小于4%，这是因为库容过大，难以降低水库水位。由于降水冲沙需要底孔泄流且又不能产生明显回水，因此当来流洪水超过底孔的泄流能力时不宜采用。另外，不同于泄水排沙，由于降水冲沙的时机也不必与河流的天然洪水期一致，因此枯水期的降水冲沙可能会将大量的细颗粒泥沙带往下游，而淤积在下游河床上的沙和细沙可能对下游的河道生态带来显著影响。

异重流排沙是指当高含沙异重流通过水库时开启水坝泄流孔，让其不受扰动地通过并让其所挟带的大部分泥沙排出水库。异重流形成于很多水库之中，其定义为高含沙入库水流沿库底向水坝流动时所形成明显的、不与上层轻密度水体掺混的高密度流动。异重流排沙技术甚至可应用于水库水位无法降低的大型水库，且部分水坝的异重流排沙量可达入库沙量的一半。其应用限制条件是:异重流的流速与紊动必须足以维持泥沙颗粒的悬浮，能够以分层流的形式运动至坝前，方可排泄至坝下游。

表2 日本和瑞士典型旁侧输沙渠道的特性指标

机械清淤的价格十分昂贵。当水库可以完全放空时，可采用挖土机、弃土机或其他重型设备等清除淤积泥沙，它特别适合于每年有一段时间可以空库的水坝水库(如防洪水库)。当水库水位不能降低时，可利用船载水力取水泵，以“吸沙”方式清除淤积泥沙，一旦粘性淤泥出现“固结”，还需要配备搅拌头搅动粘性淤泥。疏浚因费用昂贵而通常仅应用于水坝取水口等特殊区域的泥沙清淤。当水坝上下游静水头差较大时，可以在泄流管道上游末端“吸取”泥沙，以虹吸管方式挟沙过坝。这种“水力吸沙”清淤的运用限制条件是:水库长度必须小于3 km，且为低水头水坝(即水头高差不得超过虹吸管允许的最大气压值)。在中国，“水力吸沙”通常与水力或机械动力联合搅动水库泥沙，利用水坝上下游水头差，将高含沙水流通过虹吸管排出水库。

除了上述水库排沙技术之外，还有各种减少流域上游入库泥沙的措施，诸如:水土保持与侵蚀调控、流域拦沙坝工程等。小型拦沙坝因水坝消能作用而减小了坝间比降，进而减少了区间比降，区间泥石流淤积与河道泥沙输移量因此而得以减少;而大型拦沙坝的修建可以拦截下游水库的入库泥沙。但它们都远非长久之计，拦沙坝一旦淤满(高产沙河流流域拦沙坝往往会迅速淤满)，势必带来淤废拦沙坝群不稳定、维护费用昂贵等一系列新问题。台湾巴陵坝就是一个典型例子，其建坝的目的是减少下游石门水库的入库泥沙，虽然该水坝被泥沙淤满并不意外，但其溃决却暴露出了拦沙坝措施的潜在缺陷。

5 可持续泥沙治理建议

虽然旁侧输沙与过坝排沙技术也许并不适合于所有水库，但是对于目前尚未且正在丧失采用可持续泥沙治理时机的大多数水库而言，它们无疑是行之有效的。在人口与可利用水资源需求持续增长的背景下，任由水库不必要地淤积泥沙是毫无意义的，在进行水坝经济效益分析时，应将水库库容视为一种宝贵的、消耗性的资源。前不久，由中国与国际资深的泥沙治理科学家与工程师组成的专委会认为:可持续泥沙治理技术应该在更多的水坝上得到应用，并敦促新建水坝在设计时就应该考虑尽可能地多排沙。虽然已建水坝通常也可通过水坝更新与优化调度排泄更多泥沙，但是如果能够在水坝选址、规划和设计阶段就考虑泥沙治理技术，其排沙效果将会更佳。

人们通常认为泥沙治理技术仅与延长水库寿命、规避水库不当运用等有关，但实际上水坝拦沙对坝下游河道的影响也是同等重要的问题。密西西比河三角洲的问题在很大程度上应归因于其主要泥沙来源密苏里河建坝拦沙的影响。湄公河三角洲恐怕也难逃人类恶运，其下游和三角洲近6000万人口依靠湄公河渔业资源生存，其中超过1600万人口生活在三角洲地区。假如拟建或在建的140多座干支流水坝按照不采用泥沙治理技术的原规划方案建成运用，将会拦截掉湄公河三角洲96%的天然来沙量。由于营养物质与细颗粒泥沙密切相关，水坝拦沙势必导致营养物质的锐减，威胁河流富饶多产的生态系统，而且一旦失去上游来沙补给，三角洲自身形态将也会因为地质下沉与海浪侵蚀而加速消亡。为了缓解和补偿湄公河三角洲的潜在影响，自然遗产协会(总部设在美国的非政府NGO组织)召集了一个专家小组，与老挝、柬埔寨和越南部长级官员们合作，正在探寻对部分主要水坝采用泥沙治理技术进行重新设计的可能性，其目的是让更多的湄公河天然泥沙可以输移至三角洲。

发展中国家大量修建新水坝的计划方兴未艾，这无疑会给建坝下游的河流生态与河道形态带来累积性的长期影响，而且这些水坝自身也面临着泥沙提前淤满问题。为了维护人类水资源供给、低碳发电，以及河流和下游三角洲的完整与生态安全，必须争取一切可能机会在水坝中推行可持续泥沙治理技术。