水庫淤積治理措施綜述

趙光宇

1 背景

水庫是開發(fā)利用水資源和防治水害的綜合工程措施之一，具有多種興利避害效益，包括防洪、發(fā)電、灌溉、供水、航運、養(yǎng)殖、旅游等。但在天然河道上筑壩建庫會破壞天然河流水沙條件與河床形態(tài)的相對平衡狀態(tài)，出現(xiàn)庫區(qū)水位壅高、水深增大、壩前侵蝕基面抬高、水面比降變緩、流速減小、水流輸沙能力顯著降低、大量泥沙淤積等問題，其結(jié)果不僅會使水庫的有效庫容逐年減小，設(shè)計的多種興利指標(biāo)不能全部實現(xiàn)，甚至將影響水庫的壽命[1]。

經(jīng)過前人的多年研究，形成了多種多樣的水庫淤積治理技術(shù)方法，下文擬對現(xiàn)行的水庫淤積治理措施進行系統(tǒng)性綜述，把種類繁多的淤積治理方法歸納為預(yù)防性處理、庫區(qū)內(nèi)清淤兩大類。對于尚未入庫的泥沙可采用分水分沙、繞庫排沙等措施進行預(yù)防性處理。對水庫已淤積泥沙治理主要是進行庫區(qū)內(nèi)清淤，現(xiàn)行水庫清淤方法有排沙、沖沙和疏浚。排沙和沖沙都是通過開啟水庫的底部排沙孔閘門、用水力來沖排。排沙措施包括泄洪排沙和異重流排沙等，沖沙包括降落水位沖沙和放空排沙等，疏浚是用機械清淤。對尚未沉積的懸移質(zhì)和推移質(zhì)泥沙采用排沙方法，而已沉積的泥沙則采用沖沙和疏浚方法。

2 控制泥沙入庫的預(yù)防性措施

2.1 水土保持

保持水土、防止流失是控制泥沙來源的重要措施，是解決泥沙淤積的根本性措施。對中小水庫而言，流域面積通常不大，水保工作規(guī)模較小，且能與治山造田等農(nóng)業(yè)措施結(jié)合起來實施。大型水庫流域面積通常很大，短期內(nèi)全面實施水保工程困難較大，通常制定水保工作計劃，分年度、分步驟地推進。

2.2 攔泥庫或攔泥堰

在水庫上游多泥沙的支流上修建攔泥庫或攔沙堰，將泥沙提前攔蓄起來，可以減少入庫的泥沙量。這種方法要求有合適的地形條件，并且需要定期處理攔蓄的泥沙。

2.3 子母水庫

在水庫上游修建一座子水庫，與母水庫上下串聯(lián)，聯(lián)合運用。上游的子水庫起攔蓄泥沙作用，可以減少下游母水庫的淤積。此外，還可利用子水庫下泄的水流沖刷母水庫淤積的泥沙，以進一步減少母水庫的泥沙淤積。該措施的實施受地形和地質(zhì)條件制約，實施難度較大，且需考慮子水庫泥沙的處理，與攔泥庫比較類似。

2.4 引洪淤地

在水庫上游選擇合適地形（如低凹地或荒灘）引洪放淤，這樣既能減少入庫泥沙、避免水庫淤積，又可淤灘造田，但該措施同樣受地形和地質(zhì)條件（滲漏問題）的制約[2]。

2.5 彎道環(huán)流分沙

彎道環(huán)流分沙水利樞紐工程主要設(shè)在河道的彎道處，利用河流的彎道環(huán)流產(chǎn)生的離心力使水沙分離，外側(cè)河道接下游河道，內(nèi)側(cè)河道接庫區(qū)。枯水期（或含沙量少時）關(guān)閉或關(guān)小外環(huán)河道，全開內(nèi)環(huán)河道使較清流水由內(nèi)環(huán)河道進入庫區(qū)；汛期（或含沙量大時）全開外環(huán)河道，關(guān)閉或關(guān)小內(nèi)環(huán)河道，使含沙量大的水流全部或大部分由外環(huán)河道排至下游。

2.6 繞庫排沙（亦稱旁引水庫）

這種方法是上游來沙到達(dá)庫尾的攔沙閘后不進入庫區(qū)，而是通過排沙閘門進入排沙渠，再通過排沙渠排到水庫下游河道。排沙渠出口水位通過排沙渠出口閘門調(diào)節(jié)，遇大水大沙時可適當(dāng)降低排沙渠出口水位，有利于上游河道及排沙渠內(nèi)泥沙的排出[3]。若排沙渠出現(xiàn)淤積，可適當(dāng)配合機械清淤等其他清淤方法，清除排沙渠內(nèi)部的淤積物。該措施最大的難點是排沙渠布置不好容易出現(xiàn)淤積，增加清淤工作量。

3 水庫清淤措施

3.1 橫向沖蝕

橫向沖蝕是排除庫內(nèi)前期淤沙的一項技術(shù)。橫向沖蝕技術(shù)是利用輔助設(shè)施截引河水至待沖蝕庫段，憑借高灘深槽形態(tài)所形成的橫向（相對于庫區(qū)正常水流方向）大比降，依靠水流的水力沖刷與重力侵蝕作用對庫區(qū)前期淤積泥沙進行破離和輸移，進而排沙出庫，恢復(fù)庫容。

橫向沖蝕技術(shù)具有以下特點：一是排淤效率很高。橫向沖蝕技術(shù)可使庫區(qū)前期淤積的泥沙被破離排出，排沙前期排沙比通常大于150%，隨著排沙的持續(xù)進行，排沙比逐漸下降，整個排沙過程排沙效率很高，庫容恢復(fù)迅速。二是可形成能夠遠(yuǎn)距離輸送的高含沙濃度水流。在橫向沖蝕過程中進行輸沙時，水流所含泥沙不至在渠道中大量淤積，形成足以將泥沙輸移出庫的高含沙濃度水流，具有很高的輸沙效率[4]。三是排沙成本低。排沙成本是衡量排沙措施經(jīng)濟效益的重要指標(biāo)。橫向沖蝕依靠水力沖刷和重力侵蝕來破離、輸移泥沙，工程設(shè)備簡單、操作方便、能耗小，成本十分低廉。

該技術(shù)適用于具有自然泄空或低水位運用機會的水庫，對我國北方地區(qū)的中小型水庫具有較大的適用性。加之近年來不少水庫已采用蓄清排渾、調(diào)水調(diào)沙的運行方式，在庫區(qū)形成了高灘深槽的淤積形態(tài)，對推廣使用高渠泄水拉淤方法十分有利。

3.2 異重流排沙

異重流是兩種或者兩種以上比重相差不大、可以相混的流體，因比重的差異而發(fā)生的相對運動。即：如果一種流體沿著交界面的方向流動，在流動過程中不與其他流體發(fā)生全局性摻混現(xiàn)象的流動。異重流的形成有兩個水量條件：一是需要有一個較大的流量過程，二是要有后續(xù)動力。

水庫異重流是黃河等高含沙河流特有的水流形式，當(dāng)高含沙水流進入水庫遇到庫區(qū)清水后，由于密度差而潛入清水下面形成一股渾水流。一般地，在非汛期，水庫庫區(qū)水深較大，加上上游來水含沙量很小，故庫區(qū)水體基本為清水。然而在汛期洪水季節(jié)，水流攜帶大量泥沙進入水庫，推移質(zhì)以及懸移質(zhì)中較粗顆粒泥沙首先在庫尾段沿程落淤，較細(xì)泥沙則隨水流繼續(xù)向前運動，這種攜帶大量細(xì)顆粒泥沙的渾水比重較大，遇水庫清水后，將潛入清水下層，以異重流的形式沿庫底向壩前運動，運動過程中還可將庫底部分原本沉積的泥沙沖刷挾卷至壩前[5]。此時若及時打開排沙閘門排泄含沙量很大的異重流，便可將一大部分泥沙排走，減少水庫淤積。據(jù)黑松林水庫利用異重流排沙的7次觀測結(jié)果顯示，平均排沙效率為61.2%，最高達(dá)91.4%[6]，排沙效率較高，排沙效果較好。

異重流排沙比（排沙效果）與洪水流速、含沙量、泥沙粒徑、排泄量、開閘時間早晚和長短、庫區(qū)地形與比降、排沙孔尺寸、排沙孔高程等因素有關(guān)[6]。洪水流速快、含沙量大、泥沙顆粒細(xì)，泥沙就不容易沉降，庫區(qū)地形平坦、比降大、泄量大、排沙孔高程低，均有利于泥沙的排出。

黃河異重流首次出現(xiàn)于三門峽水庫，2001年起小浪底水庫開始出現(xiàn)異重流。2004年7月8日，黃河水利工作者通過對萬家寨、三門峽、小浪底水庫“接力”調(diào)水在世界上首次成功塑造人工異重流[7]，排沙效果良好，實現(xiàn)了“推沙出庫”的目標(biāo)，標(biāo)志著中國水利專家在掌握異重流的生成機理和運行規(guī)律方面取得重大突破，對研究解決黃河水庫等泥沙淤積問題具有極其重要的意義。

3.3 滯洪排沙

目前我國很多水庫采取蓄清排渾的運行方式。在這種運行方式下，必須空庫或低水位迎洪，以保證水庫運行的安全性，并充分發(fā)揮其調(diào)蓄作用。當(dāng)入庫流量大于泄水流量時，庫區(qū)發(fā)生滯洪壅水，而后整個庫區(qū)洪水仍以一定的流速向壩前運動直至瀉出，運動過程中粗顆粒泥沙率先沉降淤積在庫中，部分細(xì)顆粒泥沙（包括部分前期淤積泥沙）被水流挾帶至壩前排出庫外，這就是滯洪排沙的運行機理[8]。

排沙時機選擇、滯洪歷時、洪水漫灘程度、開閘時間、泄量大小等因素均會影響滯洪排沙的效率。通常情況下，開閘越及時、泄量越大、滯洪歷時越短、洪水漫灘程度越低，排沙效率越高。在實際運行過程中，汛期（特別是洪水流量很大時）上游水庫通常會被要求滯留部分洪水，以減輕下游的排洪負(fù)擔(dān)，這在很大程度上會影響排沙效率。因此，滯洪排沙效率通常較低，容易造成淤積，這也是滯洪排沙的主要缺點，但如果調(diào)度得當(dāng)，其排沙效果也很好。

3.4 泄空排沙

泄空排沙是指在水庫泄空過程中，利用水位降落時水流對庫區(qū)淤積泥沙的沖刷，使原本已經(jīng)沉積的泥沙被沖刷挾帶出庫的排沙措施[6]。庫底通常為中間低、兩邊高的“V”字形態(tài)，因此隨水位降低水流流速逐漸增大，沖刷力也隨之提高，特別是在水庫泄空的最后階段，如果突然加大泄量，會使沖刷效果更佳。沿程沖刷主要作用于回水區(qū)末端的淤積，把泥沙挾帶到前庫；溯源沖刷又將前庫的泥沙沖排至庫外，并逐步向上游發(fā)展，逐步改變上游水力條件，使沿程沖刷能夠持續(xù)進行。由此可見，泄空排沙是沿程沖刷和溯源沖刷共同作用的結(jié)果。

泄空排沙實質(zhì)上是通過消耗水庫蓄水量換取部分庫容恢復(fù)，其主要缺點是消耗水量大，而且不適于多年調(diào)節(jié)的水庫應(yīng)用，適用范圍較窄。采用這種方式排沙需要先進行充分的經(jīng)濟技術(shù)效益論證。

3.5 基流排沙（或稱常流量排沙）

基流排沙是指在水庫泄空后繼續(xù)打開泄水閘門，依靠河道中含沙量較小的正常水流沖刷主槽，使主槽兩邊壁沉積泥沙滑塌排出，進而減少庫區(qū)淤積。

基流排沙的效果決定于常流流量、常流含沙量及庫區(qū)淤積情況。常流流量越大、含沙量越小，則排沙效果越好；否則，排沙效果較差。在基流排沙期一定時間段內(nèi)，河流常流量和含沙量通常變化較小，可視為定值。基流排沙過程中，沖沙量和水流含沙量呈由大到小并逐漸趨于穩(wěn)定排沙特點。基流沖刷可在庫底沖出一條深槽，有利于水庫的長期運行，對形成和保持長期庫容極為有利。

3.6 人工輔助排沙

在水庫泄空排沙和基流排沙期間，可通過人工輔助措施以提高水流沖刷效果。通常是在淤積灘上順?biāo)鞣较蜷_挖溝槽，在基流及小洪水的沖刷作用下，溝槽將不斷加深、拓寬。當(dāng)沖刷到一定程度后，可另開一新溝槽繼續(xù)沖沙，從而達(dá)到減少和排除灘地淤積的目的，其主要缺點是人力成本較高。

3.7 機械清淤措施

機械清淤措施指利用機械設(shè)備進行淤積清除作業(yè)的各種清淤措施。通常是利用絞刀、靶頭、吸頭、抓斗等挖取或吸取淤泥，利用泥駁、輸泥管、車輛等轉(zhuǎn)運或輸送淤泥。機械清淤動力通常由泥斗等自重、液壓機械裝置、虹吸系統(tǒng)、泵類等提供。機械清淤措施可依據(jù)其工作原理、核心動力不同分為挖泥船、虹吸吸泥裝置、空氣泵三大類。挖泥船是一種具備破土、挖掘、提升、輸送等功能的清淤工具。常見的挖泥船有抓斗式挖泥船、鏈斗式挖泥船、鏟斗式挖泥船和絞吸式挖泥船等，挖泥船機動性好，不受水庫調(diào)度影響，取料濃度大，耗水量少，可常年排沙，但售價高，清淤成本較高，不便于深水區(qū)的使用，工作效率較低，使用上受到限制。虹吸吸泥裝置是利用虹吸原理排沙清淤的工程技術(shù)方法，常用于中、小型水庫清淤工程。虹吸吸泥清淤措施具有設(shè)備簡單、操作方便、省電、省水、成本低等優(yōu)點。空氣泵是一種新型的清淤機械，利用壓縮空氣作為主要動力，具有機械磨損小、排泥濃度高、工作水深大、較挖泥船清淤經(jīng)濟、作業(yè)過程環(huán)保等優(yōu)點。

4 結(jié)語

本文將目前常用的各種水庫排沙清淤技術(shù)手段分成預(yù)防性措施、水庫清淤措施兩大類，前者主要作用是防止泥沙入庫，后者主要是清除已經(jīng)入庫的泥沙。對各種排沙清淤措施分別從技術(shù)原理、基本組成、技術(shù)特點、適用范圍等方面進行了系統(tǒng)性綜述，為以后清淤技術(shù)手段的選用提供技術(shù)參考和決策依據(jù)。

[1] 莊佳，賴冠文.水庫清淤繞庫排沙初探[J].廣東水利水電，2007（6）:1-4.

[2] 郭建勝，石紅標(biāo).加強引洪淤地發(fā)展水土保持[J].內(nèi)蒙古水利，2004（3）:34-35.

[3] 郭玉志.科研創(chuàng)新破解世界深水清淤難題[N].中國企業(yè)報，2009-03-10（18）.

[4] 夏邁定.橫向沖蝕技術(shù)在水庫清淤中的應(yīng)用[J].陜西水利，1987（4）:24-26.

[5]吳存虎.萬家寨引黃工程聯(lián)接段調(diào)節(jié)水庫泥沙沖淤分析研究[D].山西：太原理工大學(xué)，2003：1-52.

[6] 羅彩霞，張曉萍.談水庫泥沙淤積的防治措施[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2009（22）：51-52.

[7] 李珍，臺樹輝.對小浪底水庫首次人工塑造異重流的探討[J].水力發(fā)電，2006，32（2）：61-62.

[8]孟廣註.節(jié)能省水的新型清淤措施——水力吸泥[J].云南水力發(fā)電，1993（3）:57.