多沙河流水库减淤兴利运用关键技术/黄河水沙调控与生态治理丛书

第1章概述 1.1多沙河流水库概述 多沙河流尚未有统一的定义，一般而言可依据含沙量、输沙量或者来沙系数等指标进行确定。但根据行业普遍认识，多沙和少沙河流可用含沙量或者输沙量多少作为标准进行划分，因此，可将多年平均含沙量大于10kg/m3或者多年平均输沙量超过1亿t的河流称为多沙河流。 统计资料表明，世界各国年输沙量超过1亿t的河流有13条，见表1.1-1。这些多沙河流的泥沙分别来自：中国西北的黄土高原、嘉陵江上游的陇南山区，南亚的印度和巴基斯坦，中亚和高加索地区，美国的中部和西南部，北非的阿尔及利亚和埃及等。各个地区的产沙强度相差甚远，每年每平方千米产沙量为数十吨到一万多吨。 表1.1-1世界主要河流水沙情况（按年输沙量顺序排列） 我国乃至世界上*为典型的多沙河流当数黄河。黄河是中华民族的母亲河，发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、山西、陕西、河南、山东九省（区），在山东东营市垦利区注入渤海。干流全长5464km，总落差4830m，流域面积75.2万km2。黄河流域的大部分处于半干旱和干旱地区，平均年雨量只有466mm，产生的径流量极为贫乏，和流域面积极不相称。黄河多年平均径流量为580亿m3，多年平均输沙量为16.0亿t，干流*高含沙量达到920kg/m3，平均含沙量为35.00kg/m3。黄河是世界第五长河，年径流量小，仅约为长江的1/17，然而输沙量、含沙量均为世界之*，是一条举世闻名的高含沙河流，在世界大江大河中是绝无仅有的。 天然状态下，无论是一般的冲积性河流还是多沙河流，在长期演变过程中均会达到与其自身来水来沙条件相适应的相对均衡稳定状态。但是随着人类社会的不断进步，在人类活动影响下，河流的调整适应过程往往与人类的生存发展需求产生矛盾，从而产生了河流治理开发的问题。多沙河流治理面临的问题尤为突出，主要体现在防洪、减淤、生态等多个方面。 （1）水沙关系不协调。“水少沙多、水沙关系不协调”是多沙河流普遍存在的问题，也是造成河道淤积抬升、主槽过流能力下降等一系列问题的根本原因。以黄河为例，黄河的多年平均径流量为580亿m3，仅约为长江的1/17，而输沙量、含沙量均为世界之*。黄河水沙年内与年际分配极不平衡，汛期水量占全年水量的60%，但汛期沙量占全年的85%以上，且常常集中于几场暴雨洪水中。从年际变化看，实测*大沙量为1933年的39.10亿t，而该年水量仅为561.0亿m3；实测*小沙量为1987年的3.30亿t，而该年水量仍达204.0亿m3。另外，黄河水流含沙量高且空间差异显著。黄河干流三门峡水文站1977 年8 月出现了含沙量高达911.0kg/m3的洪水。头道拐至潼关河段，实测的含沙量沿程呈快速上升的趋势，汛期平均含沙量从头道拐的7.4kg/m3增加到龙门的44.4kg/m3、潼关的49.5kg/m3。 （2）河道淤积。水沙关系不协调，造成多沙河流河道淤积萎缩。例如，不协调的水沙关系导致黄河下游河道严重淤积，使河道日益高悬。根据实测资料分析，1950～1999年黄河下游河道共淤积泥沙约93亿t，与20世纪50年代相比，河床普遍抬高2～4m。目前河床高出背河地面4～6m，局部河段在10m以上，“96.8”洪水花园口站洪峰流量7860m3/s的洪水位，比1958年22 300m3/s流量的水位还高0.91m，堤防相同设计洪水位的河道过流量大幅度降低[1]。 自然情况下，黄河下游河道淤积严重，但滩槽几乎同步升高。由于水沙关系的逐步恶化，加上生产堤限制了洪水的漫滩沉沙范围，下游河道在严重淤积的同时，中水河槽淤积量加大，河床形态恶化。黄河下游各时期水沙特征和年均冲淤量见表1.1-2，主要断面不同时期主槽过水面积见表1.1-3。 从黄河下游各时期水沙特征和年均冲淤量来看，1986年以前除1964年11月至1973年10月三门峡水库滞洪排沙特殊运用时期外，下游河道滩和槽的淤积比分别约为70%和30%，或主槽发生冲刷，滩槽面积变化基本相当，滩槽几乎同步淤积升高，基本保持中水河槽具有5000m3/s以上的过流能力。1986年至小浪底水库下闸蓄水前，进入黄河下游的年水量和汛期水量均大幅度减少，且由于来自上游的低含沙洪水被削减，黄河下游中常洪水出现的频率和持续时间大幅度减少，汛期2000～4000m3/s流量级年均出现的天数比1950～1960年少约40d，大于4000m3/s的天数少17.7d，且1000m3/s以上流量级的水流含沙量大幅度增加，黄河下游河道中水河槽淤积严重，1985年11月至1999年10月年均淤积2.23亿t，其中河槽年均淤积量为1.61亿t，与天然情况下（1950年以前）相比，淤积量占来沙量的比例由23%增加到29%，且主槽淤积比由23%增加至72%。随着黄河下游主槽过流断面持续萎缩，平滩流量明显减小，1999 年汛前孙口以上河道*小平滩流量已降至2500～3000m3/s，2002年汛前高村河段*小平滩流量一度减小到1800m3/s。 解决多沙河流的主要问题要从多种措施入手，开展水土保持工作可以从源头上改善水沙关系不协调的状况，开展堤防建设、河道疏浚等河道整治工程可以增强对洪水灾害的抵御能力，而从见效速度、综合效益等方面考虑，修建水利枢纽工程仍然是解决多沙河流问题的主要措施。多沙河流水库的开发任务主要有如下两个方面。 （1）防洪减淤。在河床持续淤积抬高的河流上，防洪是突出的问题，河流防洪和减淤问题联系在一起。水库防洪库容是有限的，只有抑制下游河道河床淤积抬高发展，才能发挥水库对下游河道防洪运用的作用，否则要不断地加高下游河道堤防，而这是十分困难的。所以在这样的河流上修建拦蓄洪水的水库，只能是以防洪减淤为主要开发任务，兼顾兴利综合利用。水库发挥防洪减淤作用，主要是通过拦沙和调水调沙，协调进入水库下游的水沙关系，提高下游河道输沙能力，减缓下游河道淤积抬升，维持适宜中水河槽。 （2）兴利综合利用。利用枢纽筑坝建库形成的水头，承担电网的调峰发电、调频、事故备用等任务。通过调节径流，为沿岸工农业生产和城乡生活提供水源保障，保证下游断面的生态基流，改善下游水生态环境。相对于少沙河流水库，多沙河流水库在承担兴利综合利用任务时，对于发电、供水、灌溉设施有更多的泥沙处理要求。 在世界范围内，大型水库超过了4万座。然而，由于泥沙的淤积，每年损失的库容占总库容的0.5%～1.0%。资料显示，美国在20世纪20年代以后开始修建的综合利用水库总库容为5000亿m3，每年淤积损失达12亿m3；截至1953年，1935年以前修建在水土流失地区的水库，已有10%完全淤废，有14%已损失原库容的50%～75%，有23%已损失原库容的25%～50%。日本对本国256座库容大于100万m3的水库淤积情况的调查结果表明，全部淤满的有5座，占水库总数的2%；淤积导致库容损失已达原库容80%以上的有26座，占10%；库容损失50%～80%的有56座，占22%；在剩余的169座中，除去5座淤积甚微外，其余水库淤积都在10%以上，这256座水库的平均寿命仅有53年。至于气候干旱、暴雨强度大、水土流失较严重的国家和地区，水库泥沙淤积问题就更加严重了。 多沙河流水库主要有以下三个问题。 （1）库容损失。泥沙淤积将侵占调节库容，降低水库的调节能力，减少工程的效益。此外，泥沙淤积后还将侵占部分防洪库容，影响水库对下游的防洪作用和大坝自身的防洪安全。 （2）淤积上延。水库蓄水后，泥沙淤积会引起库区水位抬高，造成周边土地被淹没和浸没，又因泥沙淤积与回水的相互影响，淤积末端向上游发展，进一步扩大水库淹没、浸没的范围，造成淤积上延的“翘尾巴”现象。例如，黄河三门峡水库建成蓄水后，淤积严重，河床迅速抬高，扩大了土地被淹没、浸没的范围，如不控制任其发展将影响西安市的安全，为此被迫对工程进行了两次改建，并改变水库运用方式。又如，山西省镇子梁水库因建库后淤积不断上延，实际回水范围超过原设计值，不得不多次增加移民和土地淹没赔偿费。 （3）坝前泥沙问题。坝前的建筑物，包括船闸和引航道、水轮机进口、渠道引水口等，都有泥沙问题。泥沙（特别是粗沙）进入水轮机会引起磨损，水草进入拦污栅则会造成堵塞，从而增加停机抢修和降低出力。例如，盐锅峡水库在刘家峡水库投入运用以前，因拦污栅堵塞而停机和降低出力，从而造成了损失。粗、中沙进入渠道，会发生淤积，影响输水能力；但是粉沙和土粒如能通过渠道被带至农田灌淤，则会增加土壤的肥力。 1.2多沙河流水库运用及其面临的新形势与挑战 1.2.1多沙河流水库运用方式 我国大量多沙河流水库运用的实践表明，多沙河流水库在运用方式上不仅要调水，而且还要调沙，通过选择正确的水库运用方式，尽可能减少水库淤积，保持水库长期有效库容，并减轻下游河道的淤积[2]。以黄河为例，作为世界上*为复杂难治的河流，水少沙多、水沙关系不协调是根本症结所在。水库作为水沙调控体系的主要组成部分，是调节水沙关系、实现黄河长治久安、筑牢黄淮海平原生态安全屏障的关键所在。目前，多沙河流水库的运用方式主要有以下几种类型。 1）蓄洪运用这种运用方式的特点是水库不仅在非汛期含沙量较低时蓄水，还在汛期含沙量较高时拦洪蓄水。按径流调节和泥沙处理程度、处理方式不同，又可将其细分为蓄洪拦沙和蓄洪排沙两种运用方式。 （1）蓄洪拦沙运用。蓄洪拦沙运用方式在运用过程中完全不考虑排沙，以一定的库容拦蓄泥沙，水库蓄水、放水调度完全根据兴利部门的要求确定。水库不仅在年内调节汛期、非汛期来水，还可能进行年际调节，拦蓄丰水年来水，供平水、枯水年之用。这种运用方式，径流调节程度高，但如果来沙量较大，水库淤积速率会很快，库容损失率也大，虽然水库近期效益较高，但远期效益随水库库容淤积损失而大幅度降低。官厅水库、三门峡水库运用初期曾采用这种运用方式，水库淤积严重。这种运用方式一般适合相对于库容来沙量不大的水库，经过长期蓄水拦沙，水库仍有较大库容满足各种兴利调度要求。 （2）蓄洪排沙运用。蓄洪排沙运用方式是指水库在来水来沙的主要季节，只拦蓄一部分洪水，而汛期限制水位主要由泥沙制约的运用方式。汛期限制水位多指排沙限制水位，一般情况下，库水位超过该限制水位时，水库弃水。刘家峡、冯家山、石泉等水库采用此类运用方式，水库达到年调节和不完全多年调节，在汛期可以利用异重流或浑水水库排出一部分泥沙，或通过控制水位运用，限制水库泥沙淤积在某一高程以下，长期保持一定的有效库容用于兴利调度。 2）蓄清排浑运用 蓄清排浑运用是指水库在少沙期拦蓄低含沙量的水流蓄水兴利，当汛期洪水含沙量较高时不予拦蓄，尽量排出库外，以减轻水库淤积。此类运用方式的特点在于年内运用中有明显的排沙期，既调水又调沙，大幅度减轻水库淤积，使水库年内或一定时期内冲淤基本平衡，从而达到长期保持一定有效库容的目的。目前，我国多沙河流水库广泛采用这种运用方式，根据水库运用对泥沙调节形式的不同，又可以将其细分为汛期滞洪运用、汛期控制低水位运用和汛期控制蓄洪运用等形式[3]。 （1）汛期滞洪运用。汛期滞洪运用是指采取空库迎洪、滞洪排沙的方式，水库对洪水按泄洪能力自然滞洪，仅起到缓滞作用，洪水过后随即泄空，将前期蓄水和滞洪期间淤积的泥沙排出库外。这种运用方式排沙效果较好，能大大减少水库的淤积，黑松林、红领巾、洗马林等水库均采用此运用方式。 （2）汛期控制低水位运用。汛期控制低水位运用即汛期水库不泄空，而限制一定的低水位进行控制运用的方式，这个水位一般为排沙限制水位。当洪水到来时，库水位限制在这一水位运行，大部分洪水排沙出库，因排走汛期大部分泥沙，依靠年际来水的丰枯过程，可以基本控制水库淤积。青铜峡水库和改建后的三门峡水库采用的运用方式属于此类型。 （3）汛期