水库泥沙可持续性管理策略

崔 峰

（张掖市甘州区盈科水利管理所,甘肃 张掖 734023）

1 引言

水库淤积直接威胁水库和大坝以及下游地区的可持续性。输入水和泥沙的目的是改变水库及河流系统,实现泥沙平衡,同时最大限度地增加水库的有效储水量,并最大限度地减少泥沙对下游环境的影响[1]。泥沙管理的方法已在实践中得到实施。为平衡泥沙流入和泥沙流出,可尝试将挖掘的泥沙送回下游河流（即,泥沙补给）。与此同时,了解河道地貌对补给泥沙和有效管理、保护和修复河流,以及适应多种相互冲突的需求来说非常重要。例如,河道的改变可能会对供水、基础设施、航行和栖息地等各种需求产生影响。这种影响可能会导致河床侵蚀或沉积以及河道加宽或变窄。

如今,由于泥沙沉积作用造成的全球年平均水库库容损失已经高于新建水库所增加的库容[2]。由此可以看出,由于严重的泥沙问题,水库的可持续利用已经不能得到保障。因为许多大坝的泥沙问题比预期的严重以及设计寿命超过50年的水库数量的迅速增加,所以如何长期维护水库及其设施已经成为一个重要的政策问题。

虽然目前没有关于全世界水库泥沙沉积速率的准确数据,但人们普遍认为,全世界的水库每年大约损失1%~2%的存储容量[3]。全球地区的泥沙沉积率见图1。该图显示了二十世纪水库泥沙沉积率的演变以及所预测的未来发展趋势。

图1 全球水库泥沙沉积率

水库建设和运行会对大坝下游河道的稳定性及生态产生重大影响[4]。水库可以收集并永久储存上游输送来的泥沙,这直接导致大坝下游河流的泥沙量大大减少,以及下游峰值流量减少和低流量的可能性增加。在这种情况下,下游河流会进行调整,在河道和被输送的流量与泥沙之间重新建立平衡。可能发生的调整包括河床侵蚀或沉积、河道加宽或变窄以及河床形状的变化。下游的影响是通过下游参数梯度的不连续性产生的,例如,沉积物、水质、温度、流量和泥沙状况。泥沙不足不仅是一个环境问题,也是一个社会经济问题,例如水库容量的损失会对河道的形态产生影响,包括造成河床切口、河岸不稳定、支流上游侵蚀等,最终导致桥梁、大坝损坏。

本文主要研究如何根据水库内和下游的泥沙沉积情况,在各水库中选择合适的泥沙管理策略及探讨如何设计合适的水库泄水量。

2 水库的可持续性

可持续发展的基本概念是以保护自然资源环境为基础,以激励经济发展为条件,以改善和提高人类生活质量为目标的发展理论和战略。水库泥沙淤积管理的目标是尽量减少泥沙淤积对水库可用性的不利影响[5]。水库的可持续性应该平衡整个水库的泥沙流入和流出,同时最大化长期利益。如果对水库群进行单一的泥沙管理,那么这种去除泥沙的方法是廉价的[6]。该方法包括了减少泥沙流入、增加泥沙排放或针对粗沙和细沙综合采取不同方法的策略。因此,如何在有限的预算下对水库进行适当维护和可持续管理,以及从技术上、经济上和环境上探讨流域内多水库泥沙协调管理的对策就显得尤为重要。如图2 所示,通过提供有效的水库泥沙管理系统,整合不同的泥沙管理方法,可以延长水库寿命。

图2 延长水库使用寿命的过程

在可调节和自由流动的河流中,泥沙流动和形态动力学的综合模型是很重要的。如图2 所示,基于不同的模型,提供有效的水库泥沙管理系统,可以延长水库寿命。

水库的寿命需要用几千年的时间来衡量,这就需要新的成本和效益分析方法。基于这些原因,开发新技术来清除细沙和粗沙以保持水库的功能性,同时对相关景观进行生态修复,可以使所有类型的水库都具有经济和环境效益。

3 泥沙控制策略

控制水库沉积实际上就是控制水库内的泥沙沉积。它包括三种基本策略:（1）减少产沙量：应用侵蚀控制技术来减少支流集水区的泥沙量。（2）泥沙输送：通过部分泄水和释放浊度等技术,使流入水库的泥沙绕过或通过水库,以免在水库内堆积。（3）清除泥沙：用机械或水力技术,通过水位下降来清除积聚的泥沙。

其中减少输沙量主要有两种方法:一是采取控制全流域输沙的策略,包括修建防沙坝；二是采取在水库末端修建淤地坝强行截留泥沙的策略。在拦沙技术中,在水库末端修建一个低坝来沉积输沙,主要用于粒径较粗的推移质。除汛期外,可在陆地挖掘堆积的泥沙,清除后的泥沙可作为混凝土骨料进行有效利用。

3.1 泥沙补给技术：泥沙体积和颗粒大小

目前,通常采用挖掘疏通的方式清除堆积的粗颗粒泥沙,并对清除的泥沙进行有效利用。泥沙补给法是进行泥沙管理的新措施之一,这种方法需要对截留的泥沙进行定期挖掘,然后运输到大坝下游临时放置。该方法在某种程度上依赖于河道的输沙能力和环境条件。其过程包括4个步骤:（1）机械抽取淤地坝堆积泥沙；（2）用卡车运输至下游河流；（3）以特定形状放置泥沙；（4）监测水流、泥沙等参数。

泥沙补给量及其粒径对于建立和维持自然栖息地,水生环境和河岸生态系统来说是十分重要的。图3显示了水库的年沉积物的补给量与年水库沉积量之间的关系。其中泥沙沉积物补给的百分比非常有限,仅为每年水库泥沙的0.1%~10%。图4显示了补充泥沙的粒径分布,由于从水库取出泥沙的位置不同,每个水库的泥沙粒径分布并不相同。

图3 不同地区水库年沉积量与补给量之间的关系

图4 不同地区泥沙补充量的粒径分布

3.2 泥沙补给试验的实例研究

本文在二坝水库进行了多次不同泥沙量的泥沙补充项目试验。分析这些项目的数据有助于理解水库中泥沙的演变。具体来说,需要从泥沙补给历史、水坝流量和沉积物特征进行分析。每次沉积的泥沙量需要限制在几百立方米以内。在实施这一方法时,必须考虑到下游流域的环境问题,即浑水的出现以及河道泥沙淤积所带来的安全风险。通过实验可知二坝水库下游河道每年需要增加的沉积物补给量；补充的沉积物可以降低正常流量期间的河流浑浊度；调整泥沙顶部的高度,使泥沙在每年的几次洪水期间可以被完全淹没,所有泥沙最终会被输送到下游（图5）。

图5 泥沙输送示意图

通过监测二坝水库下游河床地形和泥沙粒度分布的演变,以及水面、流速和输沙率,可发现该处流域暴雨期间的洪峰流量为81 m3/s。当流量超过8 m3/s时,河床开始侵蚀,并可通过水流带走约40 m3的沉积物。利用卫星图像和航空照片,在大坝下方1km处对河道、岛屿、大坝和植被区域进行识别和区分。基于上述操作,可以发现大坝下游距大坝150 m处,河道结构变化最大。泥沙补给过程可以有效恢复推移质输移和恢复栖息地的生态环境。此外,还发现在距离大坝600 m距离处,形成了一个全新的沙坝。基于现场试验,这些过程是直接可见的,并可将这些实验结果用于验证数值模型。

4 泥沙管理技术的合理选择

一般来说,泥沙管理策略的流程为：首先,我们必须选择优先级较高的水坝进行泥沙管理。并考虑这些水坝的设计生命周期来计算投资成本和效益。根据过去的水库淤积记录,我们可以估计未来的预期泥沙流入量。在这里,采用考虑极端洪水事件的随机方法来评估长期产沙量和输沙过程。之后,我们应该考虑平行研究,一是设计维持大坝原有功能所需的库容和实现大坝功能所需的输沙量。二是设计良好的河流环境,设计必要的输沙量和粒径。最后,应该结合这两个需要,并选取合理的方案从大坝排放泥沙。如果不存在合适的场景,应该回到开始,重复该流程。根据提出的方案,可以从几个可能的方案中选择最佳的泥沙管理措施,如水库冲洗、泥沙补给等。

选定的泥沙管理措施应通过效益/成本分析进行评估,如果项目在经济上不可行,我们应从总体规划阶段开始修改项目。水库泥沙管理是一项非常复杂的工程,不仅影响水库的可持续性,而且影响下游河流的生态。因此,我们应该在适应性管理理念下,通过开展现场监测,逐步实施完成该策略。

5 结论

在泥沙管理中,必须根据水文、水质、河流形态、生态系统等资料,找出满足各种功能要求的水流泥沙组合。此外,在覆盖流域和沿海地区的输沙演变过程中,还应考虑综合泥沙管理方法。由于合适的泥沙补给量和粒径是设计有效泥沙管理策略的关键影响因素,因此这些数值应从水库可持续性和改善下游生态两个角度来确定。二坝水库泥沙补充试验研究属于多功能大坝泥沙综合治理。基于此,本文研究了如何维持水库的功能,以及如何通过协调运作来改善河流环境。通过分析,发现泥沙补充方法中的泥沙可以是适合鱼类栖息的沙子,这有利于人与其他生物的和谐相处。本文后续的研究方向主要是找出泥沙几何形状、体积和补充频率与大坝下方生态环境之间的关系。