长江流域水库清淤初探

郭超 金中武 闫霞 周银军 王军

摘要：当前长江流域水库泥沙淤积现象较为普遍，大量泥沙淤积在库区影响水库功能的正常发挥，同时长江流域经济建设的快速发展与砂石资源短缺的矛盾日益突出，因此在长江流域开展水库清淤及淤沙资源化利用研究具有重要的现实意义和应用价值。采用资料收集和分析的方法，从长江流域水库淤积实际情况出发，初步分析了水库淤积的影响以及开展水库清淤的可行性。分析表明，现阶段推进开展水库清淤十分必要，在社会、经济和环境效益等多方面是基本可行的。提出了水库清淤在技术和应用方面存在的不足与展望。

关键词：水库淤积;清淤技术;淤沙资源化利用;长江流域

中图法分类号：TV697.3文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.010

1 研究背景

近几十年来，随着水土保持、大坝修建以及大规模调水等工程的实施，人类活动对河流泥沙输运的影响越来越大，世界范围内主要河流的泥沙都发生了显著减少，例如长江、密西西比河和印度河等，入海泥沙通量减小幅度均高达60%～90%[1]。在引起河流输沙减少的众多因素中，水库拦沙起着关键作用，并且随着高密度梯级水库的开发建设，水库拦沙在人类活动对河流泥沙影响中所占比重越来越大[2-3]。水库泥沙淤积一直是水库运行管理中的一大难题，据统计，每年由于泥沙淤积造成的全球大型水库总库容损失约为0.8%，相当于损失接近600亿m3库容，而我国的年平均库容损失率更是达到2.3%，远高于世界平均水平[4]。一方面，水库的拦沙淤积制约水库防洪、发电、灌溉、供水等功能的正常发挥，使水库长期运行受到影响;另一方面，水库清淤以及淤沙的资源化利用可以取得良好的综合效益并有效减少河道采砂以及缓解经济发展过程中砂石资源供需矛盾问题。因此，水库清淤及其淤沙资源化利用研究具有重要的现实意义和应用价值。

2 长江流域水库淤积概况

水库的建设会改变和破坏河流的天然连续状态，同时抬高库区水位，减小水库河段上游河道水面坡降，导致库区水流流速和挟沙能力的降低，从而引起泥沙淤积。水库泥沙淤积过程及特征主要受到水沙动力条件、泥沙特性、水库特征以及水库运行方式等因素的作用[5]。我国大部分水库淤积发生在汛期，淤积量及淤积速率与汛期较大的来水来沙量相对应，通常来说，推移质和悬移质中较粗的部分主要沉积在库尾河段，而悬移質中较细颗粒则主要沉积于库区深水河段 [6]。

我国大量水库兴建于20世纪50～70年代，大多已运行半个世纪以上，由于冲排沙措施不足和输沙能力有限等因素，普遍存在不同程度的淤积，很多水库的调蓄能力早已达不到当初的设计要求，甚至淤损报废，从而制约了水库功能的发挥并显著降低了水库对水资源的调控能力。20世纪80年代，对水利部直接管理的20座水库的调查资料表明，多数水库运行不足20 a，淤积量占原设计总库容的比例接近20%[7]。通过对代表性水库淤积计算结果的分析，田海涛等[8]推算得到中国内地水库平均淤积比例约为20%。截止到2012年，山西省731座水库淤积量共计约16.20亿m3，占总库容的34%;陕西省1 019座水库每年减少蓄水约17亿m3，淤积率为34%;江西省和贵州省约有2/3的水库存在淤积问题，淤积总量分别约为8.93亿m3和1.10亿m3，淤积率为3%～4%，低于北方的山西省和陕西省，但是水库淤积程度差异较大，部分水库淤积严重，例如贵州新桥水库（总库容1 290万m3）淤积率高达80.0%[9]。表1为长江流域部分大型水库淤积情况。从表1可以看到，大渡河龚嘴水库运行37 a后，水库淤积率为66.3%，兴利库容减少18%（1 800万m3）;乌江乌江渡水电站运用10 a淤积超过2亿m3，达到水库泥沙设计50 a的淤积状况;嘉陵江碧口水库运行38 a，库区泥沙淤积达3.05亿m3，库容损失占总库容的58.5%，有效库容损失34.4%，目前年淤积量约为571万m3;汉江石泉水库在1973～2011年间淤积1.96亿m3，淤积率41.7%，并且损失了28.5%（8 300万m3）的兴利库容。

目前大量出现的水库淤积现象，已明显影响了我国水利工程的水资源调控能力，水库清淤为恢复水库调控能力提供了新的途径。据初步统计，仅针对长江上游干支流典型水库进行清淤，即可恢复和新增兴利库容60亿m3，增加灌溉供水量57.83亿m3，提高大中城市、农村饮水和灌溉农业的供水保证率。

3 水库淤积的影响

在全国各大流域中，长江流域各类型水库数量最多，累计总库容、兴利库容等最大，为我国最重要的水电能源基地，且目前仍在迅速发展过程中，在防洪、抗旱、发电、灌溉、引调水和长江经济带、黄金水道建设等工作中，发挥了举足轻重的作用。据2013年完成的第一次全国水利普查数据[10]，长江流域已建和在建水库51 643座，总库容为3 606.89亿m3，兴利库容为1 799.91亿m3，防洪库容为765.82亿m3。因为气候变化、水土保持和水库拦沙等因素，长江泥沙分布发生了重大变化，以水库拦沙作用为例，大量泥沙不再输往下游，而淤积在上游各水库库区中。长江上游控制性水文站宜昌站的来沙量减幅十分显著，三峡水库蓄水运用以来（2003～2017年）来沙量大幅减小，为蓄水前的7.3%，约3 584万t，2017年宜昌站输沙量更是减小到仅为331万t。金沙江向家坝水库运行后其下游输沙量由过去的年均接近2亿t急剧减小至300万t左右。因长江上游水库群库容巨大，其拦沙效应将长期存在，将对流域泥沙分布、泥沙资源分配、水库库区水环境以及中下游的防洪航运及河势稳定带来持续而深远的影响[11]。

水库淤积主要会带来3方面的不利影响：①制约水库功能的正常发挥，包括水库的防洪、供水、灌溉、发电和航运等功能，例如当水库淤积量超过死库容后，不仅侵占兴利库容，甚至侵占防洪库容，减少水库综合利用效益并影响防洪安全;在水库回水变动区泥沙淤积，易抬高河床，可能导致宽浅河段主流摆动或移位，破坏航运条件;坝前的泥沙淤积妨碍船闸及取水口正常运行，进入电站泥沙的增加将加剧发电设备的磨损，降低水电站的发电能力[12-13]。②大量泥沙淤积于坝前会增大作用于水工建筑物上的压力，特别是锥体淤积，可能会对部分枢纽的安全产生威胁，并且淤积会导致水库维护成本不断增加，水库的淤满报废更是会造成严重损失[7]。③颗粒态污染物会随着泥沙淤积在水库底泥中富集，影响水库水质和水体生态环境，由于泥沙是水体重金属离子和有机污染物等重要输运载体，特别是表面积较大的细颗粒泥沙，吸附在泥沙表面的污染物会随着泥沙在库区的淤积而沉淀，污染水质并影响水生生物的生长[9， 14]。

4 水库清淤可行性及效益分析

水库淤积一直是水库运用和管理的难点和热点问题，对水库淤积恢复的研究也一直受到重视。经过大量研究，已经逐步形成了多种水库淤积库容恢复技术，主要包括机械清淤和水力清淤两种方式[15]。机械清淤包括干挖和挖泥船清淤两种，对于能够排空的水库可以采用排空干挖进行快速清淤，而不能排空的则可以采用挖泥船或吸泥泵。随着深水清淤技术的研发与发展，大型水库的清淤也成为可能，例如：气动式疏浚船最大挖深可达120 m，使得机械式清淤朝着大规模运用方向发展。清淤成本也逐渐降低，清淤恢复库容直接投资一般不足15元/m3，显著低于清淤后水库功能恢复和淤沙资源化利用能够产生的综合效益。水力清淤技术则包括泄空冲沙、自吸式管道清淤。经过几十年的研究和实践，我国在处理多沙河流水库淤积问题上取得了重要进展，总结出初期采用拦沙和调水调沙运用，后期采用蓄清排浑和调水调沙运用等有效减少泥沙淤积的水库运用方式。

除了水库清淤技术的进步，清淤泥沙资源化利用方式的发展也为水库清淤的实施奠定了良好基础。泥沙资源属性越来越受到人们的重视，并在国民经济建设中发挥着重要作用。目前疏浚泥沙主要用于两个方面：①利用清淤泥沙转化为建筑材料[16]，包括直接用于建筑砂石料、利用清淤粗泥沙与白灰和其他添加剂等压制灰砖、利用清淤细泥沙烧制砖瓦以及利用淤沙熔制高级饰面玻璃等;②利用底泥中含有大量的有机质和植物生长所需的营养物质，当作肥料用于农田菜地和城市绿化等。鉴于长江流域当前经济社会的发展需求，水库及河道疏浚泥沙用来制作建筑材料的处置方式具有良好的发展潜力和应用前景。

同时，水库清淤还具有良好社会效益、经济效益和环境效益。水库是我国水利基础设施与防洪保安工程体系的重要组成部分，特别在发展社会经济、改善民生、保障安全等方面起着不可替代的重要作用。通过清淤增加水库调蓄及防洪减灾能力，并延长水库使用寿命，确保水库安全、公共安全及水资源的高效利用，可产生巨大的社会效益。通过清淤恢复淤损库容，充分挖掘现有水库的蓄水潜力，延长其使用寿命，可保障水库按设计发挥灌溉、供水、发电等综合效益，而且还可减少新建水库带来的征地赔偿、移民安置、生态环境影响等诸多问题，经济效益极其显著。对水库淤积物进行资源化利用，化害为利、变废为宝，对于促进循环经济的发展和水生态环境保护具有重要意义，其生态环境效益也是巨大的。

5 存在的问题及展望

随着社会经济的快速发展和大量水利枢纽工程的实施，目前可供建设水库的新坝址越来越少，并且受制于水利枢纽工程对水环境和水生态的不利影响，新水库的修建愈发困难，而对水资源的管理与配置需求与日俱增，因此恢复已建水库淤损库容，促进水库功能的发挥是一条可持续发展的绿色之路[15]。经过几十年的研究与实践，在水库清淤技术及后续淤沙资源化处置方面已有长足进步，但仍存在如下方面的问题。

（1）清淤技术有待加强和完善。挖沙船的能力已有较大提升，但是清淤精细化程度不够，缺少精确的水下疏浚控制系统，也缺乏针对不同淤积物特性的清淤技术和装置，从而导致清淤效率较低和后期清淤泥处理成本较高。

（2）环保型机械疏浚设备研发相对滞后。近年来水库水环境问题越来越受到重视，特别是大型水库，往往是区域重要的水源地，因此必须研发环保型疏浚设备，避免疏浚过程中底泥污染物悬扬扩散对水体的污染以及疏浚泥转移过程中引起的二次污染。

（3）泥沙资源化利用程度仍十分不足。对泥沙资源属性的认识以及开发利用刚刚起步，在泥沙资源调控与配置、利用方向，技术设备以及利用平台创建等方面还应继续加强研究和探索实践。

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（编辑：李 慧）