水库淤积

水库淤积一、水库是如何淤积的?二、水库淤积带来的问题三、水库淤积速度四、水库淤积的防治措施五、水库内淤积泥沙的处理方法六、实例分析及教训水库淤积是水库设计和管理中的一个难题。在河道上兴建水库会改变河流的水流条件和泥沙运动状态，使泥沙在水库库区内淤积，从而降低水库的使用效益，甚至导致水库失效报废。因此，人类在修建水库时不能不认真考虑泥沙淤积和水库寿命问题。根据1986年的资料，世界上水库的总造价计为六千亿美元，单个水库的平均寿命约为二十二年。到该年为止，全世界各种类型水库的总库容约为四万九千亿立方米，相当于河流年径流总量的百分之十三，其中库容超过五十亿立方米的水库的总库容约为四万零五百亿立方米。这些水库的总库容因泥沙淤积每年约减少百分之一，即五百亿立方米，换言之，泥沙淤积所造成的损失平均每年相当于六十亿美元。就我国情况而言，北方河流含沙量一般较高，淤积严重，如青铜峡水库运行17年，水库淤积了总库容的87%，而旧城水库运行了11年，水库已经全部淤满；南方河流含沙较少，淤积情况轻微，如新安江水库运行16年，水库淤积仅占总库容的0.1%。水库淤积不仅会影响水库的综合效益，而且还会造成其他严重后果。在本文中，我们将先从理论上分析水库淤积的原因、后果和防治措施，然后以中国的黄河三门峡水库淤积资料，说明水库淤积可能带来的严重问题。一、水库是如何淤积的?水库淤积与许多因素有关，其中最主要的原因是，水库蓄水后，库区和回水段的水深及过水断面积都增大了，水面坡度减小，导致库水的流速减缓，输沙能力降低，其挟带的泥沙就部份或全部地在水库库底沉积下来。虽然，人们可以采取适当措施减缓淤积的速度，但是，水库淤积通常是很难根治的。河流中的泥沙运移和淤积是地球表面泥沙运动的一个组成部份。地球表面的泥沙运动可分为侵蚀、搬运和沉积三个过程，其动力有水、风、冰和重力等，泥沙运动和地球的内应力作用一起塑造着地球的外貌。当谈到泥沙运动时，侵蚀是指岩石或土壤被剥离(或溶蚀)、并被移走的过程，侵蚀所产生的土壤或岩石颗粒即称为泥沙；如果按照搬运方式来划分，泥沙有两种，悬浮在水流中运动的是悬移质泥沙，而沿河底滚动、滑动或跃移的为推移质泥沙；当泥沙由运动状态变为静止状态时称为泥沙的沉积，泥沙在水库中沉积就形成了水库淤积。泥沙在水库中淤积的过程是，当水流进入库尾时，粗沙首先沉积下来，逐渐形成三角洲；同时异重流挟带着细沙向坝前推进，并沿途不断扩散，这样细沙将沉积在整个水库范围内，其中大部份沉积在坝前；坝前主河道内的淤积物称为底积层，原河漫滩上的称河漫滩淤积。由于水库回水的影响，在水库库尾以上的河道内还会发生泥沙淤积，称为回水区淤积。水库按其功能可分为蓄水库和滞洪水库，前者是将水拦蓄下来用于水利目的，后者只用于防洪，即拦截洪水、延缓洪水下泄量、防止下游出现洪涝灾害。河水在滞洪水库中停留时间较短，而在蓄水库中则可能停留相当长的时间。水库内悬移质泥沙的沉沙率与滞水时间呈正相关，所以，滞洪水库能排走大部份悬移质泥沙，而蓄水库则无法避免泥沙沉积，如果不采取排沙措施，大部份通常淤积在库尾的悬移质就沉积下来了。水库淤积的最明显徵兆是在库尾露出水面的三角洲，它由粗沙组成、呈发瓣形，上面生长杂草灌木。三角洲的发展速度与河流流量、泥沙颗粒级配、河道纵坡和水库水位变幅等有关，美国的米德湖三角洲的发展速度在1939－1948年约为每年三百米。水库的淤积将减少水库的有效库容，水库的库容损失取决于淤积量和淤积泥沙的容重，而淤积泥沙的容重与泥沙粒径、淤积时间等有关。泥沙的颗粒径愈大，则容重愈大；淤积时间愈长，泥沙被压缩得愈紧密，则其容重也愈大；泥沙粒径愈小，容重受淤积时间的影响就愈大。所以水库库容损失率通常是逐渐降低的。水库的有效库容减少就会缩短水库的寿命，水库的寿命(又称使用年限)是指水库从开始运用到因泥沙淤积而失效的时间，通常是按水库的死库容除以年泥沙淤积量来计算，这种方法是假设淤积的泥沙先在库底最低的地方沉积，把水库的死库容先填满。但这样的计算方法不尽合理，因为淤积的泥沙不是移动到库底最低的地方沉积，因此不会在库底造成一个水平的淤积面；泥沙是从进入库区开始就沿途沉积，所以会在水库库底形成一定的坡度，通常，沉积形成的三角洲的表面坡度是原河道坡度的三分之一至二分之一。因此，尽管许多水库的死库容尚未淤满，其库尾地段的有效库容就因淤积而大大减少。例如，巴基斯坦的Tarbela水库到1980年才使用了六年，淤积在死库容区的泥沙只占死库容的百分之二十二，但淤积泥沙的百分之四十四是沉积在有效库容内，导致水库寿命缩短。又如，埃及的阿斯旺大坝的总库容为一千六百二十亿立方米，到1986年，三百一十六亿立方米的死库容内所淤积的泥沙不到二十亿立方米，而在有效库容内淤积的泥沙却超过十亿立方米。二、水库淤积带来的问题因为筑坝修库的目的不同，调度运行各异，对水库管理者来说，泥沙淤积所带来的问题也各不相同。一般而言，水库淤积会造成如下后果:1.缩短水库寿命对那些以供水或防洪为主要目的的水库来说，因为泥沙淤积减小了有效库容，所以水库的功能和效益都会受损；泥沙淤积得越快、越多，水库就报废得越早、寿命越短。而如果水库的主要目的是发电或通过抬高水源水位实施灌溉，则早期的泥沙淤积通常不会改变原水位，影响似乎较小；但一旦淤积危及进水口和出水口，水库功能的发挥就会受阻，所以淤积同样会导致水库效能下降乃至水库报废。2.破坏航运条件水库的回水变动区将出现泥沙淤积，形成三角州，抬高河床、堵塞航道，造成航运条件变坏。并且，回水区内的三角洲还可能减少过河桥下的净高，甚至在枯水季时造成通航困难。上游河段河水的含沙量越高，水库水位的变幅越大，水库回水区内形成的三角洲就越大，对航运的影响也就越严重。所以，设计水库回水区内的新建桥梁时，应考虑水库的调度运行方式及河道的可能淤高。3.降低水电站的发电能力水库淤积减少水库的有效库容，使水电站的发电能力降低。如果淤积形成的三角洲在大坝附近形成，还可能阻碍水流进入发电机，并增加进入发电机的泥沙、从而磨损涡轮机叶片和闸门座槽。涡轮机叶片的磨损与泥沙粒径有关，有的文献认为，泥沙的粒径若大于零点二五毫米(“有害粒径”)，就会磨损叶片。也有的文献认为，泥沙的粒径只要大于零点一毫米就对涡轮机叶片有害。4.提高地下水位和加剧土地盐硷化水库淤积将使水库回水区的河道水位升高，相应抬高周围地区的地下水位，这样就可能导致这些地区土地的盐渍化现象、或加剧其盐硷化。5.促进水库富营养化过程泥沙淤积会改变水库以及库尾以上河道的地形，从而改变水生生物的生存环境，可能引起水库及库区以上河道内水流的富营养化，而使下泄的清水缺乏必要的养份。6.重金属污染。河流中的重金属污染物会随着泥沙在水库富集，造成水库水质的恶化。三、水库淤积速度泥沙在水库内的淤积速度与流域产沙量、沉沙率等因素有关，因此各水库的淤积速度相差很大。如美国的米德湖水库每年库容损失仅百分之零点三；巴基斯坦的Tarbela水库的年淤积速度为百分之一点五；而巴基斯坦Kabul河上的Warsak水库坝高76米，开始使用仅一年就损失了库容的百分之十八。1.流域产沙量因侵蚀而产生的泥沙通常只有一部份被输送到流域出口，被挟带到流域出口的泥沙量就被称为流域产沙量，产沙量与侵蚀量之比即输沙率。小流域的输沙率比较大，比如，在一个集水面积仅为零点零零二平方公里的小流域内，其侵蚀速率可能和产沙量相差不大，即输沙率接近于一。一般而言，流域面积越大，输沙率越低。流域产沙量受地面坡度、土地利用、植被土壤类型、气象因素(如降雨量和降雨类型)等因素影响。黄土覆盖区(如中国的黄土高原)、东南亚和美国东南部的产沙量很高，超过每年每平方公里一百吨；在高纬度地区，降水和径流比较少，产沙量也低，小于每年每平方公里五十吨；而在中纬度(南北纬三十度至五十五度之间)和热带地区，随着植被覆盖度增加、侵蚀速率会有所减小。在有明显旱季的地区，雨季开始时侵蚀强烈，产沙量大。在热带和亚热带地区，雨季明显而且持续数月，其他月份则降雨较少，这些地区的产沙量较高或居于中间水平，为每年每平方公里五十至一百吨。2.沉沙率是指沉积泥沙重量与入库泥沙重量之比，影响沉沙率的因素有库容流量比(C/I)、库区地形、放水口的型式和水库运用方式、泥沙颗粒级配等。这里主要讨论库容流量比(C/I)。库容流量比(C/I)指的是库容与年入库流量之比，与它相关的另一个指标是库容面积比(C/A)，即库容与流域面积之比，库容面积比(C/A)除以单位面积入库流量即得到库容流量比(C/I)。库容面积比(C/A)也曾被广泛地用于沉沙率分析，但它不反映年平均泥沙人库流量，库容流量比(C/I)则与沉沙率的关系更为密切。一个水库的库容流量比(C/I)若大于一，即表明库容大于年入库流量，这样的水库被称为全蓄水库。全蓄水库如果不遇到罕见的洪水，在一般情况下，其库水除了被自然蒸发、渗漏以及被利用之外，很少会通过溢洪道下泄，因此，全蓄水库的沉沙率接近于百分之百。美国的米德湖水库、在蒙他那州密苏里河上的FortPeck水库、新墨西哥州的ElephantButte水库均属这一类。而库容流量比(C/I)小于或等于1的水库被称为季节性蓄水库。当一个季节性蓄水库的入库水流含沙量与另一个全蓄水库的入库水流含沙量相同时，前一水库的沉沙率小于后一水库。一个水库的沉沙率可能为零(如美国印第安那州的Williams水库)，也可能为百分之一百(如美国德克萨斯州的Denison水库)。Brune曾对美国四十四座蓄水库的沉沙率以及库容流量比(C/I)的关系进行了分析，他发现，当水库不采用排沙冲沙措施时，沉沙率和库容流量比(C/I)这两个数据之间存在着高相关关系，所以，也可以说，水库的寿命主要取决定于库容流量比(C/I)和入库水流含沙量。例如，如果入库水流含沙量为每升一千至四千毫克，库容流量比(C/I)大于百分之五十，则淤满水库库容的一半所需要的时间(简称“半淤年限”)一般可达数百年；当库容流量比(C/I)位于百分之五至百分之五十之间时，“半淤年限”一般为数十年，而较小的水库可能会小于二十年。四、水库淤积的防治措施1.库址选择原则上讲，水库库址应选择在来沙量较小的地方；在修建大水库时，其库址尽量不要选在航运量大、含沙量高的河流上；此外，在干流上修水库之前，要注意控制支流的泥沙。世界上修建大型水库时，通常是修建在航运量很小的河流干流上，如美国的科罗拉多河、巴基斯坦的印度河等。如果拟修建水库大坝的河流干流是通航河流，如欧洲的多瑙河、莱茵河、美国的田纳西河和哥伦比亚河下段、俄国的伏尔加河等，则需要考虑两点，第一是干流的含沙量要低，第二是泥沙能被拦截在上游或支流；具备了这两个条件，在干流上修水库时才不至于被泥沙淤积和妨碍航运等问题所困扰。例如，现在世界上最大的水电站--巴西的伊泰普(Itaipu)水电站，就是修建在巴拉那河(Parana)上，该河含沙量不高，而且在支流和干流上游已有总库容达一千三百亿立方米的水库调节径流和泥沙，这样伊泰普水电站就较少遇到泥沙淤积问题。对于小型水库来说，如果河流含沙量高、而地形条件又许可的话，可以修建河外水库。2.流域治理为了减少流域产沙量，需要进行流域治理，减少土壤被侵蚀的程度，具体措施可以包括增加林草植被、加强水土保持、改善农业技术和耕作措施、兴建田间工程以及修建拦沙坝等。通过流域治理来减少流域产沙量，在小流域(1－5平方公里)范围内，可使流域的产沙量下降百分之九十至九十五；但要在大流域范围内有效地降低产沙量，则在经济和技术上还有一定的困难。3.分流排沙在洪水季节，尤其是在乾旱、半乾旱地区的洪水季节，河流一般会挟带大量的泥沙，修建分流渠道或隧道输导这种高含沙水流，就可能避免严重淤积。五、水库内淤积泥沙的处理方法如果水库内已经有泥沙淤积，可以有三种方法来处理淤积的水库泥沙，即排沙、冲沙和疏浚。排沙和冲沙都是通过开启水库的底部闸门、用水力来冲排，排沙措施包括排泄洪水中的泥沙和异重流排沙，冲沙包括降落水位冲沙和放空沙，疏浚是用机械清淤。对尚未沉积的悬移质和推移质泥沙可以采用排沙方法；而对已沉积的泥沙，则可