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泥沙浮沉关乎水库寿命
泥沙浮沉关乎水库寿命
众所周知,水库泥沙是一个世界普遍存在的共性问题,
也是关乎水库使用寿命的一个难题。
对此,本刊围绕着有关水库泥沙淤积的问题,专访了国际大坝委员会水库泥沙专委会主席,同时也是黄河水利科学研究院的副院长、水利部黄河泥沙重点实验室的主任江恩惠。
记者:
请介绍一下国外水库泥沙淤积状况以及在处理水
库泥沙淤积问题的措施。
江恩惠:
从全球范围来看,国外多沙河流大致分布在:
美国的中部和西南部,非洲北部的阿尔及利亚和埃及,亚洲南部的印度和巴基斯坦。
近年来,由于土壤侵蚀、水土流失造成水库的严重淤积,带来水库库容的损失和对环境的影响越来越明显。
譬如说,美国在20世纪20年代以后开始修建的综合利用水库,如田纳西河流域各垦务局在美国西部、以及工程兵团在密苏里河、阿肯色河等处修建的各种水库工程,总库容约5000亿立方米。
每年淤积损失库容12亿立方米,约占原库容的0.2%。
据统计1935年以前修建的水库中,10%
已经完全淤废,14%的水库库容损失已达原库容的1/2~3/4,
33%的水库损失库容1/4~1/2。
俄罗斯1970年统计,已建水库总库容11000亿立方米,
其中库容大于1亿立方米的水库150座。
一些大水库位于北方,来沙量小,库容大,淤积问题不严重,主要是水库塌岸问题,如顿河齐姆良水库,蓄水后3年内塌岸土方就达0.3
亿立方米。
在中亚细亚及高加索地区,气候干燥,有的处于半沙漠地区,河流含沙量较高,如锡尔河年输沙量0.33亿吨,
1948年在该河上建成法尔哈德水库,库容2.5亿立方米,运行12年,库容损失达87%。
1956年在其上游修建了克拉克柯姆水库,库容41.6亿立方米,这是中亚细亚多沙河流最大
1~3
的一座水库,淤积比较严重。
据统计该地区41座灌溉及发电水库,坝高6米以下的灌溉引水枢纽,淤满年限一般年。
坝高7~30米的发电、灌溉引水枢纽,淤满年限3~13年。
年调节水库库容1~10亿立方米的设计运用年限约50~200年。
库容10亿立方米以上的为200年。
不少水库不得不采用水力冲洗或汛期低水位运用以减少水库的淤积。
阿尔及利亚气候干旱,雨量很少,暴雨强度极大,土壤
流失严重。
阿尔及利亚正在运行的大型水库共57座,年淤积量为4500万立方米,相当于每年损失0.65%的总库容,应该说淤积的影响程度相当严重。
截至2006年,水库淤积泥沙11亿立方米,损失总库容的16%。
不过,淤积的严重性
在阿尔及利亚似乎不应夸大其辞,年淤积率为0.65%意味着
许多大型水库无需干预,其使用年限仍可达140年。
印度是土壤流失很严重的国家之一。
大约有13亿亩土
地侵蚀较严重,沟道切割严重的面积达0.5亿亩。
实测的流域年产沙量的数字常比原设计数字大2~3倍。
据1969年统计,大于10亿立方米的水库共21座,蓄水量总计1260亿立方米,由于泥沙淤积,每年库容的损失率平均为0.5%~1.0%,
有的可达2.0%。
最大的巴克拉水库,总库容98.6亿立方米,运行6年后由于泥沙淤积,损失库容3.5%。
193万立
日本河流流程短,比降陡,水量充沛,输沙量并不大,
如最大的利根川,年输沙量316万立方米,石狩川方米。
水库多但库容不大,一般只有几百万到几千万立方米,总库容不过100亿立方米。
由于库容小,相对淤积速率较快。
据统计(1912~1972年)库容大于100万立方米、坝高15
米以上的水库265处,因淤积平均已损失库容20.63%,有5
座水库已淤满。
初期人们对水库泥沙淤积认识很少。
上世纪40年代以
后,在防治流域土壤侵蚀、控制进库泥沙,清淤和排沙等方面进行了试验和研究,特别是各国开展了水库泥沙的现场观测,几十年积累了一定数量的野外观测资料,对于研究和解决水库泥沙问题起了一些作用。
美国在土壤侵蚀方面,日本在修建拦沙堰控制粗沙入库方面,俄罗斯在水库降水冲刷和水库塌岸方面,法国和阿尔及利亚在水库清淤排沙方面都积累了许多宝贵的经验。
记者:
如何认识和应对水库泥沙难题?
江恩惠:
处理水库泥沙,延长水库使用寿命,是众多学
者关注的重大科学技术问题。
国内外由于各水库的自然地理条件不同,以及社会制度的差异,处理水库泥沙问题的对策和措施的侧重点也不一样。
总的说来有以下几个方面:
是防止土壤流失,减少泥沙人库。
在流域范围内开展
水土保持工作,从源头截住或控制住泥沙,是一个治本的措施。
对于流域面积小的水库,减淤效果比较显著。
例如美国纽曼水库,流域面积3.6平方公里,在流域内植树造林,并
修建沟道控制工程,土壤侵蚀速度减少了约60%。
美国对于
坡面土壤侵蚀进行了较长期的研究,建立了著名估算土壤侵蚀的方程(USLE。
可以具体估算各种不同的耕作方法和各种控制侵蚀措施的效果,用以指导土地利用。
对于沟蚀也有人作了大量探索性的工作。
在我国以黄河为例,淤地坝是黄土高原地区人民群众在
长期同水土流失斗争实践中独创的一种行之有效的水土保持工程措施。
它既能拦截泥沙、保持水土,又能淤地造田、增产粮食,在黄河流域已有几百年的发展历史。
近年来,为进一步保证淤地坝的运行安全和充分发挥整体效益,在全面
总结淤地坝建设经验的基础上,经过反复的科学试验和研究,型淤地坝相配套,建设沟道坝系”的建坝思路,特别是近些年国家“退耕还林”政策的实施,对减少水土流失和入库泥沙效果明显。
是增加库容拦沙,延长水库寿命。
美国在初期对水库
淤积的基本对策是“弃旧建新”,并认为水库库容损失达
15%~40%就有必要采取增加库容的措施。
为了延长水库使用
年限,规划时普遍采用多留所谓堆沙库容,相应加大总库容的办法。
事实上,加大库容后,水库的拦沙率也相应增加。
在一定条件下,加大库容并不能相应地同倍比延长水库的使用期限。
此外,分期增加库容时新增单位库容造价很高。
根据美
倍,而且还有一系列复杂的技术问题。
因此,靠“弃旧建新或增加库容延长水库泥沙淤积年限的办法是很不经济的。
三是汛期降低水位排沙减淤。
大多数河流汛期来沙所占
比重很大,且往往集中在汛期几场洪水。
因此在汛期降低水库运用水位,提高库内流速可以使一部分或大部分泥沙排出库外,达到减淤的目的。
汛期降低水位运行,是国内外普遍运用的水库减淤措施。
如:
俄罗斯乌切一库尔甘水库蓄水运行6年,淤损有效库容55%,后改为汛期降低水位3~6米运
行,库内基本上不再淤积;美国葛恩赛水库采用降低水位运库刚建成蓄水时,仅一年半的时间,水库就淤了15亿吨泥沙,潼关高程一下子抬高了4.5米,改建以后,采用汛期降
低水位运行,水库基本保持冲淤平衡;青铜峡水库1972年
万吨,恢复了部分库容。
四是定期泄空冲刷恢复库容。
水库定期泄空进行冲刷是
早已实行的一种减淤方法。
主要适用于季节性使用的水库。
早期在阿尔及利亚的一些水库就使用了这种方法。
在俄罗斯的低水头枢纽、美国和奥地利的某些水库也曾采用。
根据淤积情况和冲刷强度,水力冲刷的周期可以2~3年一次,多的每年1~2次,每次冲刷的持续时间几天至十几天不等。
国内许多水库采用泄空冲刷受到很好效果,黑松林水库1970年泄空冲沙4.28万吨,1971年冲沙4.43万吨;洗马林水库泄空后,库区冲刷出长500米、底宽20米、上口宽60米、最深处达8米的深槽,出库含沙量达718千克每立方米。
但同时,对于通航河道在冲刷时段内停止通航及由
此带来的其他经济损失也必须考虑。
但是,一般地,水库淤积所造成的损失是远大于冲刷的耗费。
如切尔由尔塔水电站水库未实施水库冲淤拉沙,至1968年汛期,由于库容不足以进行日调节,电站被迫转入基荷工作。
五是机械清淤。
水库机械清淤一般认为成本较大,未见
大规模使用,而且清出的泥沙要组织强大的运输力量把它运走。
但在小型水库中不失为泥沙处理的措施之一。
机械清淤方法不外乎挖泥机、吸泥泵、吸泥船等。
日本、阿尔及利亚、
瑞士较普遍地应用了挖泥船及虹吸挖泥的方法。
我国较多采用水力吸泥机械装置,依靠水力和机械作用
把库内泥沙局部冲搅起,利用大坝上下游水头差,将高浓度泥水用虹吸管排出库外。
山西省田家湾水库、渠河水库,陕西的陇河水库、小华山水库都开展机械清淤工作,收到一定成效。
六是异重流排沙。
在多沙河流上蓄水拦沙的水库,异重
流排沙是水库减淤的一种重要方法,当水库形成异重流后,
层为含沙量高的异重流,上层为清水,打开底部泄洪孔排出浑水,保留上部清水,可以做到既排沙又蓄水。
通过多个水库异重流排沙数据分析,一次异重流排沙比可达40%~90%,
多次异重流平均排沙比可达30%~60%,排沙效果也相当可观。
国外,异重流排沙应用较少,阿尔及利亚的伊利昂达水
库利用异重流排沙,5年排出入库泥沙的53%。
国内利用异
重流排沙较为普遍,刘家峡水库利用洮河库区易形成异重流次大洪水排沙比达87%,3天排出水库沙量达1100万吨。
在此,必须提到的是,黄河调水调沙,不仅排出了小浪
底水库大量对下游河道危害不大(有时甚至是有利的)的细颗粒泥沙,一定程度地改善了淤积部位,对水库长期有效库容的保持非常有利,也冲刷了下游河道,使平滩流量大幅增加。
七是建设排沙洞排沙。
这一措施在较多坡度较大的高山
水库用的。
如在瑞士,在水库建设初期没考虑水库泥沙淤积问题,通过一段时间的运行后,水库泥沙的淤积导致库容减少,通过在水库一侧山体建设旁路(bypass)实现了对库区
淤积泥沙的冲刷。
记者:
我国水库泥沙现状如何?
它对环境、社会有何影
响?
江恩惠:
我国已成为世界上拥有水库数量最多的国家。
据统计,我国七大江河的年输沙量高达23亿吨,特别是西北、华北地区的一些河流,含沙量非常高,实际测到的最大含沙量可达1600千克每立方米。
即使是长江,含沙量虽然不算高,仅0.54千克每立方米,但由于水量丰沛,年沙量也近5亿吨。
在河流上修建水库后,由于水位抬高,流速减小,必然造成泥沙在水库中的淤积。
水库泥沙问题对环境、社会的影响是多方面的。
比如,
直接地,由于泥沙淤积造成库容损失,影响水量调节和利用;随着泥沙淤积,一些化学物质也将在水库内沉淀;更由于泥沙与水体中某些化学物质的离子交换作用,将使水库水质发生改变,并影响到水生生物的生长。
再如,在库首淤积体向库区推进的同时,也向上游延伸,因而抬高上游水位,特别是高含沙河流。
水库下游则将由于水沙条件的改变而引起河床变形,特别是清水河流,下游河道多强烈冲刷,有可能引起严重的碍航事故。
水库上下游河道的这些变化对周围地区的生产又将带来诸如河流水文特性、水质、生物多样性、泛洪区环境、移民等其他的问题。
记者:
我国在处理水库泥沙方面进行了哪些探索?
有何
经验与教训?
江恩惠:
多年来,随着人与自然环境协调发展、河流伦
理等理念的不断深入,我国在水库泥沙处理方面开展了大量的工作,取得了一系列的研究成果,并成功地提出了能在多沙河流上长期保持水库有效库容的“蓄清排浑”运行模式,这些举世瞩目的成就得到了国际同行的公认。
在处理我国水库泥沙具体技术方面,加强了水库淤积观
测和分析,建立了非均匀悬移质不平衡输沙理论,完善了泥沙运动统计理论体系,给出了天然河流高低含沙量统一的水流输沙能力公式,研究了水库淤积形态、水库排沙及运行方式、变动回水区的冲淤、下游河道的冲淤变形。
高含沙水流作为我国黄河干支流上特有的一种运动现象,对其运动规律的研究取得突破性进展,通过对其运动规律的认识来指导高含沙河流与水库的治理,在黄河上取得了很好的效果。
其中,在水库排沙及运行方式方面,我国利用水库淤积
和排沙规律,摸索出了一套使水库淤积大大减缓,甚至不再
淤积的行之有效的运行模式,即“蓄清排浑”。
其中较典型的有对闹德海、红领巾、黑松林、直峪、恒山等水库的研究。
这些多为中小型灌溉水库,有颇为有利的排沙条件,坡陡,库短。
大型水库的特点是库长、坡缓而且常年蓄水。
这些不利排沙的因素,限制了中小型灌溉水库排沙经验的照搬。
从
20世纪60年代开始,唐日长、林一山根据闹德海水库和黑松林水库的成功经验,提出了水库长期使用的设想和概念,在三门峡水库1973年改建完成前的1964~1966年,就预见了它能做到水库的长期使用,后来韩其为院士进一步从理论
阐述了水库长期使用的原理和根据。
与此同时,黄科院、中国水利水电科学研究院、清华大学等单位也开始对三门峡水库保持有效库容的问题进行了探索。
三门峡水库改建并运行成功,从实践上证实了大型水库长期使用的可能性。
黄河上的一些大型水库如青铜峡等,在采取这种运行方式后水库淤积也得到了控制。
至此,在我国泥沙界,对水库的长期使用,无论在理论上或实践上均获得了共识。
长江三峡水库淤积控制的研究,使水库长期使用的研究进一步深入,提出了长期使用水库的造床特点和建立平衡的过程、相对平衡纵横剖面的塑造、第一第二造床流量的确定等。
我国水利工作者经过长期探索所创造的水库长期使用的运行模式,无论在理论上和实践上都已颇为成熟。
正因为如此,对于我国在这方面的成就,加拿大专家在三峡工程可行性研究报告中写道
指出这一点是非常重要的,平衡坡降和水库长期使用库容的理论在中国已发展为一种成熟的技术,三峡工程处理全部
泥沙的策略就是建立在这个基础之上。
世界上没有一个国家像中国一样在水库设计中有那样多的经验,以致使调节库容和防洪库容能长期保持。
”
经过多年在水库泥沙淤积规律研究方面的系统研究,我
国在水库泥沙理论及工程泥沙的控制与处理方面积累了富经验,总体处于国际领先水平。
数学模型和实体模型的应用已经解决了长江三峡、三门峡和黄河小浪底等大量水库的工程泥沙问题。
当然,水库泥沙方面的教训也是惨重的。
如黄河三门峡
水库是1955年批准通过的黄河综合规划选定的第一期工程,原规划目标是以防洪为主综合利用的大型水利枢纽工程。
工程建成后,按照清水河流的方式进行蓄水调节运用,很快暴露出一系列问题,水库被迫改变运用方式,降低水位滞洪排沙。
该工程出现的问题,引起中共中央和国务院及各方面的极大关注,为此,曾多次召开三门峡水库技术讨论会,进行广泛探讨,三门峡大坝也进行大改建,水库的运用方式也进行了多次调整。
应该承认,三门峡水库的建设与运用为水库泥沙的研究、泥沙学科的发展、引起人们对黄河泥沙问题的高度重视等,立下了汗马功劳,也为水库调度运用技术的提高奠定了基础。
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