淺析水庫生態(tài)清淤

何亞歌

（陜西省涇惠渠灌溉中心,陜西 三原 713800）

水庫是我國水利發(fā)展的重要工程,對攔蓄洪水、調(diào)節(jié)徑流、滯洪消峰、改變水資源時空分布不均,乃至水系連通、生態(tài)調(diào)節(jié)等具有非常重要的作用。陜西省水庫大多建于二十世紀六七十年代,大部分位于多沙粗沙區(qū),水土流失等造成水庫淤積嚴重,泥沙淤積侵占了水庫興利庫容、防洪調(diào)洪庫容,極大地降低水庫設計效益的發(fā)揮,也威脅到水庫自身安全和下游地區(qū)的防洪安全。很多水庫不具備加高大壩的條件,因此,盡快實施水庫清淤是解決泥沙淤積帶來的各種不利影響的根本出路。

1 工程概況

王瑤水庫位于陜西省安塞縣延河支流杏子河中游,控制流域面積820 km2,總庫容2.03億m3,是一座以防洪為主,兼有灌溉、供水、發(fā)電等綜合作用的大（2）型水庫。水庫下游65 km為延安市區(qū),地理位置非常重要。王瑤水庫承擔著延安市防洪任務和供水任務。

王瑤水庫于1970 年開工建設,1972 年竣工。建設之初,設計為“悶葫蘆”形式,沒有泄洪設施。泄洪洞于1974 年9 月動工,1979 年底竣工,1980年投入運行。1991 年12 月第一次進行除險加固,主要建設內(nèi)容為：壩體加固、泄洪洞進口清障消坡、輸水洞進水塔加高等。1997 年增加了延安市供水1510.4 萬m3的任務。2006 年完成第二次除險加固,主要建設內(nèi)容為：增建泄洪洞、加固處理原泄洪洞進行、更新改造金屬結構、對大壩裂縫進行灌漿處理等。

2 清淤方案

王瑤水庫位于延河一級支流杏子河,地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)。由于杏子河來沙量大,造成王瑤水庫淤積非常嚴重。2001年實測水庫泥沙淤積量為1.14 億m3。2021 年6 月,經(jīng)陜西省水利電力勘測設計研究院對水庫庫區(qū)地形實測,壩前淤積高程高達1176.70 m,相比建庫初期壩前高程1135.70 m,最大落淤厚度達40.9 m,庫區(qū)淤積總量1.42 億m3,占總庫容的70%；死庫容已全部淤完,校核洪水位以下剩余庫容6830萬m3,淤積嚴重侵占了水庫的興利庫容、調(diào)洪庫容和防洪庫容。經(jīng)復核,按照目前方式蓄水運行,2年后水庫自身防洪安全將無法滿足要求[1]。其次,王瑤水庫下游65 km是革命圣地延安、延長油田、長慶油田、蘭空軍用機場、包西鐵路、210 國道、正在建設的包西高速鐵路,以及6.5萬畝農(nóng)田和沿岸50 多萬群眾,水庫一旦潰壩,將給下游帶來毀滅性災難,造成難以估量的經(jīng)濟損失和政治影響。受庫區(qū)文物古跡秦直道等影響,水庫不具備加壩條件,因此,除增加泄洪建筑物增大泄洪規(guī)模外,清淤成了王瑤水庫解決防洪、供水等一系列問題的唯一途徑。

水庫清淤通常采用泄空排沙、人工機械清淤兩種方式。泄空排沙需要大量的水,不符合王瑤水庫嚴重缺水的實際。唯一可行的是人工機械清淤。經(jīng)陜西省水利電力勘測設計研究院研究,最終確定采用機械方式。具體方案為：為避免已清淤部位重新落淤,清淤方案采用平層清淤,先進行庫首淤泥清理,由庫首至庫尾方向采用分區(qū)清淤。水上清淤區(qū)采用1.6 m3反鏟履帶式挖掘機挖運至岸邊道路后,由20 t自卸汽車運至庫區(qū)支溝內(nèi)的馬家溝、安渠、畔溝堆泥庫及大壩下游的陳則溝堆泥庫。水下清淤區(qū)選用5 艘生產(chǎn)能力為800 m3/h的環(huán)保型絞吸式挖泥船,最大排距為3 km,每3 km設一臺接力泵站。清淤工程共布設杏子河馬家溝、安渠、岔路川畔溝及大壩下游杏子河陳則溝4 個堆泥庫,杏子河下李家溝、岔路川白莊溝、江砭3 個堆泥場[1]。安渠堆場排泥管線共設接力泵站5 座,馬家溝堆場排泥管線共設接力泵站5 座,畔溝堆場排泥管線共設接力泵站4 座,陳則溝堆場排泥管線共設接力泵站3座。設計共清淤1650 萬m3,清淤直接投資7.59億元[1]。

3 陜西省水庫淤積概況

據(jù)2003 年調(diào)查,全省水庫因泥沙淤積共淤損庫容13.18億m3,其中淤損興利庫容達7.51 億m3之多,總庫容淤損率34.2%,大型水庫總庫容淤損率最大,中型水庫興利庫容淤損率次之。從地區(qū)分類來看,陜北地區(qū)水庫的平均淤損率為43.9%,興利庫容的平均淤損率高達49.46%；關中地區(qū)水庫的平均淤損率為25.04%,興利庫容的平均淤損率為24.37%；陜南地區(qū)水庫的平均淤損率為22.06%,興利庫容平均淤損率為17.94%[2]。

4 治理淤積的對策

4.1 淤積危害

4.1.1 加速水庫報廢

全省水庫平均以每年4100 多萬m3的速度淤損,相當于每3年多即淤掉一座石頭河水庫。1978 年～1998 年的20 年間,損失和報廢水庫達573 座,其中因水毀垮壩損失水庫135座、因泥沙淤積報廢水庫438 座（中型10 座,小型428座）,淤積報廢水庫占報廢水庫總數(shù)的76.4%,占全省水庫總數(shù)的34%。另據(jù)統(tǒng)計,1992年～2002年全省共報廢水庫222座,其中陜北地區(qū)因泥沙淤積報廢179座,占報廢水庫總數(shù)的80.6%[2]。

4.1.2 降低水庫防洪能力

水庫淤積使水庫防洪能力大大降低,極易造成垮壩失事。由于淤積,王瑤水庫按目前方式運行,2年后其防洪標準就不滿足規(guī)范要求[1]。據(jù)對無定河統(tǒng)計,2003 年24 座中型水庫中,有14 座防洪標準不滿足要求,其中楊伏井、營盤山、新橋等水庫防洪標準不足10 年一遇；如遇較大洪水不但發(fā)生連鎖潰壩,危及下游地區(qū)的防洪安全,而且作為黃河粗沙區(qū)攔沙工程,水庫群40 年來攔截的50 億t泥沙將重新下泄入黃,大大加重三門峽和小浪底水庫以及黃河下游河道的淤積,使下游懸河日益加劇,嚴重危及黃河兩岸數(shù)千萬人的生命財產(chǎn)安全[2]。

4.1.3 削弱水庫效益發(fā)揮

泥沙淤積侵占了水庫興利庫容,造成工農(nóng)業(yè)及生活用水供給能力逐年降低,直接影響了水庫設計效益的發(fā)揮。據(jù)測算,全省水庫由于泥沙淤積每年減少蓄水量約17 億m3。

4.1.4 占用壩址資源

新建水庫單方庫容投資不低于50 元,大比降山區(qū)甚至超過了100 元。據(jù)調(diào)查,新建1 座小型水庫投資平均超過1 億元。陜西省新建與淤積報廢同等規(guī)模的水庫需要投資400 億元～500億元。新建水庫需要合適的壩址資源。眾所周知,壩址資源涉及地質(zhì)、地形、水文、經(jīng)濟社會發(fā)展等多種因素,具有不可再生性,并不是河流上的任何地方都可以修建大壩。據(jù)全國第一次水利普查塔基,陜西省名錄內(nèi)河流共1097 條,其中50 km2以上的1040 條,適合修建大壩的河流并不多。泥沙淤積不但加速了已建水庫的報廢,而且嚴重減少了適合建壩的資源,也就是說陜西省適合修建大壩的地方幾乎沒有了。

4.1.5 對生態(tài)環(huán)境帶來不利影響

一是庫區(qū)淤積改變了庫區(qū)生態(tài)環(huán)境,部分重金屬沉淀庫內(nèi),影響水生生物的生存。二是庫容被泥沙侵占,造成雨季洪水無法攔蓄白白流失,旱季因水庫無水調(diào)節(jié)造成下游河道斷流和生態(tài)環(huán)境惡化。

4.2 清淤方式分析

陜西省在二十世紀七八十年代開展了大量的水庫排沙減淤試驗研究工作。如在涇河流域開展引洪淤灌、泥沙旁引等減少入庫泥沙,在陜北開展水庫上游修建攔泥庫、淤地壩等減緩水庫淤積,在沋河水庫、王家崖水庫開展了機械清淤（挖泥船清淤、氣力泵清淤）、小華山水庫開展了虹吸排淤（水力吸泥）、黑松林水庫開展了高渠拉沙（橫向沖蝕）等試驗研究工作；在水庫調(diào)度運用方面開展了滯洪排沙、泄空沖刷、異重流排沙、基流沖刷等運用方式的研究。這些研究均取得了顯著的成效,一度成為全國學習的典型。直到今天,機械清淤（挖泥船清淤、氣力泵清淤）和異重流排沙一直在黃河三門峽水庫、小浪底水庫、千河馮家山水庫應用。

上述水庫清淤排沙方式,除挖泥船清淤外,均離不開水,無水則無法實施。據(jù)試驗研究和實踐經(jīng)驗,排一方沙需耗水10 m3～20 m3。但黃河流域水資源十分短缺,人均水資源1127 m3,僅為全國平均值的一半,相當于世界人均占有量的1/8。以陜西為例,在1995 年～1997 年特大干旱年間,80%的中小河流斷流,不但321 座小型水庫和1.65 萬處池溏干枯,而且很多水庫被迫由蓄清排渾運用改變?yōu)樾詈檫\用。顯然,水資源的嚴重短缺制約了水庫通過水力排沙清淤。

唯一可行的就是在盡可能少損失水量的前提下,采用挖泥船、氣力泵等將泥沙抽出,堆置在水庫之外的區(qū)域,等泥沙脫水固結后再運輸?shù)蕉涯鄨觥Ｍ醅幩畮炷壳八虏捎眠@種方式清淤,分別在大壩上游支溝設置3 個堆泥庫、下游設置1 個堆泥庫、3 個堆泥場。位于庫區(qū)的堆泥庫由于其防洪標準遠低于水庫標準,一旦發(fā)生超標準洪水,堆泥庫內(nèi)的泥沙將可能下泄到庫區(qū),造成嚴重不良后果。下游堆泥場需要占用大量土地,雖然可以治溝造地,但由于堆場內(nèi)的泥沙需要較長時間固結,復耕的周期長、土地利用效率低。

目前,南方發(fā)達地區(qū)普遍采用挖泥船清淤,經(jīng)人工脫水后,分離出重金屬等有害物質(zhì),將無害的泥沙加工成地磚、空心磚等建筑材料,或添加氮磷鉀等將其變成有機肥料,使泥沙資源化利用,既恢復了水庫庫容,又少占土地,還能將泥沙變廢為寶,減少常規(guī)建筑材料的使用,降低了常規(guī)建材更多加工環(huán)節(jié)產(chǎn)生的碳排放,實現(xiàn)生態(tài)清淤的效果。陜西省陜南和秦嶺北麓的水庫淤積物近半為砂石,可清理出來直接利用,泥沙可加工成有機肥、建材；渭河以北及陜北的水庫,水庫淤積物多為淤泥,含砂量極低,只能加工成建材和有機肥。全省水庫淤積近14億m3,規(guī)模大,具備資源化利用的條件。

4.3 對策

4.3.1 開展全省水庫淤積調(diào)查

在2003年水庫淤積調(diào)查的基礎上,結合水庫管理范圍與保護范圍劃定工作,在全省開展水庫淤積調(diào)查。

1）開展全省水庫淤積普查。開展全省水庫淤積情況調(diào)查,查清全省水庫淤積量、淤積庫容占比（其中,淤積物占死庫容比例、占興利庫容比例、占調(diào)洪庫容比例、占防洪庫容比例）,淤積對水庫原有灌溉、供水、發(fā)電、防洪效益的影響,淤積對上下游生態(tài)的影響。

2）開展典型案例調(diào)查。在陜北、關中、陜南分別選擇若干大中小型典型水庫,進一步詳細調(diào)查水庫淤積形態(tài)分布、淤積物的成分、水庫清淤工作開展情況、淤積物資源化利用情況等。

在以上工作的基礎上,查清全省水庫淤積現(xiàn)狀、清淤工作情況、淤積物資源化利用情況,形成科學詳實的水庫淤積及生態(tài)清淤調(diào)查報告。

4.3.2 學習先進地區(qū)經(jīng)驗

積極學習浙江、福建、江蘇、安徽等水庫生態(tài)清淤先進技術、投資模式、淤積物資源化利用等工作,為全省水庫生態(tài)清淤工作的開展獲取成功經(jīng)驗。

4.3.3 編制水庫生態(tài)清淤規(guī)劃

結合全省水庫淤積調(diào)查和先進經(jīng)驗學習,編制《陜西省水庫生態(tài)清淤規(guī)劃》,提出全省水庫生態(tài)清淤實施計劃。

4.3.4 推進水庫清淤政策研究

在廣泛調(diào)研和調(diào)查的基礎上,按照中央生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的總體要求和省委省政府的相關要求,研究制定水庫生態(tài)清淤的相關政策制度,明確水庫清淤的方式、范圍、淤積物的資源化利用、投入與產(chǎn)出、涉及清淤的生態(tài)保護等政策制度,使水庫生態(tài)清淤工作規(guī)范化、常態(tài)化、生態(tài)化、長效化開展。

4.3.5 制定相關技術標準

水庫清淤離不開相關技術標準的支持和管控。目前,全國尚無水庫清淤的相關技術標準,各地在編制水庫清淤實施方案時因缺乏技術標準可循,導致實施方案內(nèi)容不全面、深度無法滿足目前國家生態(tài)保護與高質(zhì)量發(fā)展的要求,純粹為采砂而清淤,在一定程度上破壞了生態(tài)環(huán)境,為社會各界所詬病。因此,急需制定《水庫清淤實施方案編制導則》,明確水庫清淤實施方案的目的、內(nèi)容、相關技術要求、相關生態(tài)保護要求等,從源頭規(guī)范水庫清淤實施工作。

其次,在全省水庫清淤工作開展的過程中,結合陜西省水庫清淤工作和先進地區(qū)經(jīng)驗,適時組織制定陜西省地方標準《水庫清淤技術規(guī)范》,使陜西省水庫清淤工作不斷升華。

5 結語

水庫生態(tài)清淤符合中央綠色發(fā)展和生態(tài)保護的要求,也符合習近平總書記“長江流域不搞大開發(fā)、共抓大保護”“重在保護、要在治理”“緊緊抓住水沙關系這個牛鼻子”等黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展重要講話精神、中央關于黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃綱要等要求,充分利用科技技術,將淤積物通過造田、制造建材、制造有機肥料等方式進行資源化利用,延長產(chǎn)業(yè)鏈,吸引社會資本投入,保護生態(tài)環(huán)境,徹底解決水庫淤積問題。