基于大壩建設和水庫運行對下游的影響

魏 靜 ，劉兆楠，丁萬峰

(1.大連市水利規劃設計院，遼寧 大連 116021;2.大連市金州新區水利管理服務中心，遼寧 大連 116021)

0 前言

筑壩的目的通常在于通過蓄水或抬高水位獲取效益的優化，因而對壩上游發生的現象更加注意，而幾乎不考慮大壩建設和運行對下游的副作用。它們通常被完全忽略——至少在它們未產生問題時是這樣。

下游影響與上游影響同樣是不可避免的，然而，當壩后水位開始上升，每個人都會立即注意到上游影響，相反在大壩完工后下游影響不是立即可見，它們逐漸發展，且僅在一定時期后才顯現其作用，時間的延后取決于水庫的運行及河流的特性。

它可能會經過數月、數年甚至數十年，直到下游影響變得明顯。盡管如此，下游影響可能與不可預料的上游影響一樣令人不快，有時甚至更加麻煩。由于它們可能會影響河流到不限定長度的范圍，而上游影響絕不會延伸到水庫以外［1］。

只有科學分析水庫、大壩下游條件變化及其產生原因，并評估其面臨后果，采取有效措施，才能避免水利工程對河道下游的不良影響。

1 大壩建設與水庫運行對下游造成的影響

大壩建設與水庫運行對下游造成的影響包括水流條件發生改變，水庫泥沙沉積和沖沙。

1.1 水流條件發生改變

水庫蓄水意味著河道的原始水流將發生改變，根據大壩和水庫的修建目的，通常會在水量充沛時將大量的水滯留，而在枯水期放出彌補用水不足，以此來調節河流水流量。

筑壩前可通過原始水流曲線來研究河流地貌特征，“主導流量”是有代表性的描述影響河流形態的水流條件的設想流量，是研究河流地貌特征的典型參數，是以水流的輸沙能力對河流地貌的改變為運算基礎的。

當泥沙開始輸移處的流速超過了界限流速，則河流的輸沙能力與水流速度成正比，即流速越大，輸沙能力就越強。

此外，輸沙時間對河流地貌也具有重要的影響。因此，輸沙率與持續時間的乘積要比單純的流速決定的輸沙能力更能準確的反應水流對河流地貌影響。因此，可將主導流量定義為輸沙能力與持續時間的乘積為最大值時的流量［2－6］。

水庫、大壩建成后，下游河流的地貌特征仍與各自原始主導流量相一致，但隨著工程的運行，下游流量會發生巨大的改變，現有的下游地貌特征已不再符合新的水流條件，河流逐漸將河床調整到新的位置。

一般而言，新的主導流量會小于原先的主導流量，因此，流過大壩的水流會面臨著變寬、變陡的河床，而為了減小坡度，河流會變得蜿蜒彎曲，這就會造成一個極易被忽視的事實:變寬的河床河岸容易發生側向侵蝕［7－10］。

如尼羅河上的阿斯旺水壩，其下游在水壩建成后就開始緩慢側向侵蝕，至今已極大的改變了下游河流面貌。

1.2 水庫泥沙沉積

筑壩后，水利工程上游的水流條件發生了巨大的改變，在回流影響的區域，流速明顯減慢，水流輸沙能力也隨之降低，大量隨水流進入庫區的泥沙也被攔截沉積在水庫中。

攔截的泥沙淤積量與水庫攔沙效率有關，而攔沙效率則可通過多種方式來計算。從大壩泄放流往下游的水流，攜沙量已大為減少，或完全消除了泥沙，水流需從河床卷起新的物質來彌補挾沙能力的空缺，結果即河床開始逐漸下降，且慢慢向下游推進。

河床下切機理應為:

首先，河床上的細微顆粒被水流卷起，而較粗的顆粒仍留在原地，最終，這種有選擇的挾沙將使得河床頂部逐漸粗化，形成自然抗沖床面。

在更下游的河段，較粗的顆粒已經不可能再被水流帶動，水中的泥沙在與河床內的泥沙緩慢交換的同時，粗顆粒也在逐漸淤積，這就意味著河床下游會緩慢的粗化，而水流阻力也會逐漸增大。

1.3 沖沙

隨著筑壩時間的增加，水庫內淤積的泥沙會越來越多，水庫庫容也會因此產生一些損失，很多水庫都建有損失庫容補救措施，由于這種措施會在短時間內清除大量淤積物而不會釋放大量的水，因而會導致壩下游在短期內經受高含沙量水流的沖擊。

通常，沖沙行動越有效，對下游造成的副作用也就越大，如果有污染性淤積物在沖擊中被活化或帶到下游，甚至會產生難以預料的影響。

2 大壩建設與水庫運行對下游的危害

筑壩對下游的影響是必然會發生的，但我們也要看到，筑壩對下游的影響并非都是消極的，也有很多本身就是筑壩目的，如控制洪峰，枯水期調節水量可避免河水斷流現象發生，但即便如此，筑壩仍可能會對下游造成很多危險性后果。詳見表1。

3 對下游影響的控制措施

表1 展示了筑壩對下游河道的潛在危害，因此，應及時設計補救措施。根據工程順序與技術手段的不同，控制措施可分為3 類，即整治河道、穩定河床和運行規則。

3.1 整治河道

整治河道對改善河流地貌隱含的潛在威脅具有最為有效，因而將其放在控制措施的首位。河道整治的直接目的在于改變河勢和水流流態，其具體工作也是將某些有代表性的河流參數如河道坡降、寬度、深度、走向、水流流速等調節至符合要求的標準，具體措施可采取以下3 點:

1)建立丁壩、護岸、挑流堤，避免河道發生偏移，穩定現有河勢。

2)為避免河岸侵蝕，要加強對河岸超常應力作用處(如彎曲的凹形河岸)的河岸保護。

3)可改變下游河床的走向，將其變為一條新的、具有反復微彎與坡降段的受約束的河道，從而適應筑壩后新的水流條件，避免河道發生偏移、侵蝕與淤積。

3.2 穩定河床

河床刷深是筑壩后下游面臨的重要問題，河床刷深不僅是高水頭大壩下游的常見現象，也是低水頭徑流式水電站下游河段常見的問題。

河床的穩定問題可以考慮3個方面:增大河床阻力、削弱水流牽引力、補償泥沙不足。具體方案可考慮以下3 種:

1)使用強度足夠抵擋進一步侵蝕的大顆粒物質覆蓋河床，使河床粗化進而增強其抗刷深能力。

2)設堰和潛壩壅水，增強回流影響，減慢水流速度。

3)投放與水流輸沙能力相一致的泥沙。

表1 筑壩、水庫對下游的潛在危害

以上方案基本都能達到預期目的，但也存在一定的缺陷，不少實踐表明:人工粗化總會受到河段長度的限制，也可能會造成意料之外的環境影響;人工投沙雖然效果頗佳，但只是緩解措施，長期執行較為繁瑣;與前兩種方案相比，設堰與潛壩增強回水影響是更加經濟有效的措施。

3.3 運行規則

文中所述的兩種方法能有效的改善下游因筑壩而發生的潛在威脅。但是，因沖沙活動引起的災害卻很難被真正治理，除非定時進行河道整治。因泥沙含量過高而引起的副作用，只能依靠對壩下游懸浮泥沙與有害泥沙的控制來降低其影響。

可見，要想最大限度的避免沖沙行為造成的危害，還須靠加強水庫運行管理來實現，而非單純依靠工程措施。以下兩點可作為管理準則:

1)因沖沙而導致的高含沙量不得超過歷史洪水事件測得的含沙量上限，一旦超過此上限，則要立即減少沖沙量。

2)一旦檢測出水庫中含有污染性泥沙，則應放棄沖殺，而是改用挖泥技術，并對挖出的泥沙進行專門處理。

4 結語

綜上所述，在河流上筑壩會對下游河道產生相當大的副作用，雖然大多數副作用并不會在短期內爆發，但我們也應將其應對措施納入到工程設計預算當中。

在大壩建成后，要仔細監察河道下游的變化，盡快制定有針對性的治理措施，盡量減少潛在威脅，保證流于生態環境的穩定。

［1］郭愷麗.大壩建設和水庫運行對下游的影響［J］.水利水電快報，1996，17(24):5－9.

［2］肖建紅.水壩對河流生態系統服務功能影響及其評價研究［D］.南京:河海大學，2007.

［3］包廣靜.大壩建設生態環境影響國外研究回顧［J］.生態經濟.2008(03):145－148.

［4］祁繼英，阮曉紅.大壩對河流生態系統的環境影響分析［J］.河海大學學報:自然科學版，2005，33(01):37－40.

［5］趙惠君，張樂.關注大壩對流域環境的影響［J］.長江職工大學學報，2002，19(01):4－8.

［6］汪恕誠.論大壩與生態［J］.水力發電，2004，30(04):1－4.

［7］毛戰坡，彭文啟，周懷東.大壩的河流生態效應及對策研究［J］.中國水利，2004(15):43－45.

［8］趙曉云.大壩建設與生態環境保護［J］.西北水力發電，2004，20(04):71－73.

［9］汪恕誠.論大壩建設與生態環保的關系［J］.中國三峽建設，2004(06):4－5.

［10］竹內邦良，袁少軍.大壩建設的爭論焦點［J］.水利水電快報，1997，18(15):31－33.