董春英、刘长祥:水库淤积

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董春英
美国亚历桑那大学自然资源学硕士
刘长祥
美国莱斯大学生态学博士
现任德克萨士州公园与野生动物局地理信息系统研究员

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。

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及美国、印度的水库淤积资料,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. 减小旅游效益

水库可以提供新的旅游场所,但却会淹没库区原有的旅游资源;而水库淤积形成的淤泥和水面减小,将使今后水库的旅游效益也逐年减小。

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Fort Peck水库、新墨西哥州的Elephant Butte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,则可采用冲沙和疏浚手段。排泄洪水中的泥沙这一措施的主要功能是排沙,但同时也具有一定的冲沙作用;降落水位冲沙和放空冲沙在达到冲沙目的的同时,有时也具有排沙的效果。从库区排泄出去的泥沙可能有利于防止下游河道被侵蚀,但也可能淤积在下游河道或导流渠道内。因此排泄水库内淤积的泥沙时,还需要考虑到泥沙在下游的堆积会否造成新的问题。以下是几种主要的淤积泥沙处理方法。

1. 排泄洪水中的泥沙

通常,洪水期的河流含沙量较高,而泥沙的滞水时间愈长,沉沙率也愈高。所以,为了减少泥沙淤积,在洪水期间可以把水库的水位保持在较低的水平,使库尾回水范围减小,水库的滞洪时间缩短,加大库水的下泄流量,以便利用洪水的挟沙能力,排泄洪水中的泥沙。洪水期可以按洪峰前后分为涨洪段和落洪段,一般来说,涨洪段的含沙量高,可以保持水库的低水位、以排泄洪水及其挟带的泥沙;而在落洪段则可以多拦蓄较清的水,这样既能利用洪水的挟沙能力、又能减少下游的淤积。

2. 降落水位冲沙

冲沙即对淤积泥沙的再侵蚀,降落水位冲沙和上述方法一样,都是在洪水过程中排泄泥沙;不同之处是,降落水位冲沙时水库的水位比排泄洪水中的泥沙时水库的水位更低。这样,降落水位冲沙会使整个水库库区河道上形成向河水一样流动的水流,从而冲刷较大面积的已淤积的泥沙,使得下泄泥沙多于人库泥沙。

冲沙效率取决于水库的地形位置、泄水流量、泄水孔高程、入库泥沙特徵、运用方式、冲沙历时等。最近几年来,一些国家的水库排沙底孔修得越来越大,如计划修建在Kalabagh的Indus河上大坝的排沙底孔的泄水能力就超过了每秒四千立方米。一个水库如果具备以下条件,可以使用冲沙方法: 第一,库容流量比(C/I)较小,有多余的水可用于冲沙;第二,有明显的乾湿季,水库可在雨季的前期排沙,而在后期蓄水;第三,从经济效益考虑,排沙较适用于给水工程,对水电站来讲,为了冲沙而降低水位将导致发电能力下降。

以前苏联的Ouchi-Kurgan水库为例,该水库长十七公里,总库容五千六百万立方米,死库容两千万立方米,建库目的是灌溉和发电。与库容相比,年入库泥沙量很大,达到一千二至一千四百万吨,因此设计水库时就准备要降落水位冲沙,在大坝底部留有八个排沙底孔,位于电站进水口以下二十一米,在最高水头三十五米时的泄水流量为每秒三百五十立方米。该水库从1961年10月开始蓄水,1963年以后,每年洪水季节(5-8月)都把水库水位降低四至五米进行冲沙;从1963年到1967年,库内淤积的泥沙仅三万吨,而从1968年到有资料记录的1970年则没有新的淤积。

3. 放空冲沙

上述两种方法都是在洪水期采用的,放空冲沙则既可以在汛期进行、也可以在非汛期进行,特别是若在汛期期间、洪水期之前或之后进行,冲沙效果更好。放空冲沙比较适合小水库,因为小水库的大部份淤积泥沙靠近水坝或在较窄的沟道内,通过放空冲沙,可能在几周内冲走大量淤积的泥沙。

4. 异重流排沙

在许多高含沙河流中和低含沙河流上的水库里,都能观测到异重流,如中国的三门峡、刘家峡和官厅水库、美国的米德湖、Elephant Butte水库、法国的Sautet水库、前南斯拉夫的Metka和Groshnitza水库、前苏联的Nulek水库等。高含沙的异重水流进入水库后,就降到库底、并向水坝流去,同时逐渐扩散。如果把异重流排泄出库,就能减少淤积。

影响异重流排沙率的因素有库区地形(宽度差异)、入库洪峰流量、输沙量以及泥沙的特徵、排沙孔相对于库底的高度、下泄流量、库水位以及水库长度等。一般来说,水库库区较短、入库流量较大、异重流含沙量较高、细粒泥沙比例较大、排沙孔较大且高程较低的情况下,异重流排沙率就较高。例如,丰家山水库长十二至十四公里,排沙率(异重流排沙量与入库泥沙量之比)为零点二三至零点六五,三门峡水库长八十公里(1961年),排沙率为零点一八至零点二一。

以美国的米德湖水库为例,米德湖水库在科罗拉多河上,水库大坝叫胡佛坝。1935年2月闸门顶部以下的总库容为四百亿立方米,有效库容为三百四十五亿立方米,平均年入库流量约一百六十亿立方米。在上游的大峡谷,悬移质输沙量平均每年为一亿五千万吨,异重流排沙率为零点一八至零点三九。当入库水流按重量计算的含沙量小于百分之一、或细粒泥沙含量较低时,异重流无法抵达胡佛坝。如1935年5至8月,入库水流中的细粒泥沙含量小于百分之一,不能进行异重流排沙,而9至10月细粒泥沙含量在百分之二以上,就可以施行异重流排沙。

5. 疏浚

疏浚就是把水底的泥沙移到水面并送到别的地方。如果不能采用分流排沙,冲沙效果也很差,或为了节水而不能采用降落水位冲沙,又不能通过增加坝高来增大库容,这时可以考虑采用疏浚方法。通常疏浚所需的费用比较高,但如果淤积物可用于制造建材或其他有用的材料,就可以降低疏浚成本。疏浚可用于恢复小水库或沉沙库的库容,或部份恢复中等水库的库容,还可用于降低河道洪水位,改善回水区通航条件;疏浚清除出来的淤积物,有的可用于制造建材,例如日本有许多水库通过疏浚为混凝土制造业提供骨料。

以阿尔及利亚的Chearfas水库疏浚工程为例,疏浚设备是一艘铣轮式吸泥船,每月能疏浚三十四万立方米的泥沙,该吸泥船从1958年至1961年在灌溉季节为这个水库疏浚了一千万立方米的泥沙,恢复了水库的库容。

六、实例分析及教训

世界上不少国家都有水库淤积的教训,中国的黄河三门峡水库就因水库淤积而几乎报废。但是,由于种种原因,三门峡水库的教训并没有在国内得到广泛的介绍,了解这个教训的人为数极少,所以,在此作一详尽的说明。

1. 黄河三门峡水库

黄河是中国的第二大河流,长五千四百六十四公里,流域面积七十五万平方公里,流域内年平均降水量四百七十八毫米。黄河以其高含沙量闻名于世,据位于黄河中游下段的三门峡观测站的资料,黄河年径流量为四百六十四亿立方米,年输沙量为十五点六亿吨,流量较小而含沙量却很大,输沙量相当高。

黄河的泥沙来源主要是中游地区。上游(河口镇以上)地段占全流域面积的百分之四十九,径流量占全流域的百分之五十四,是黄河径流的主要来源,其产沙量仅占全流域的百分之九。而黄河的中游地区前半段(从河口镇到龙门)占全流域面积的百分之十七点五,径流量占百分之十四,产沙量却占全流域的百分之五十五,是泥沙的主要来源。黄河的中游地区后半段(从龙门到潼关),径流量占百分之二十二,产沙量占百分之三十四,是第二个主要的产沙区。黄河的径流和输沙量在年内各季及年际之间分布不均匀,洪水季节(7至10月)径流量占全年的百分之六十,输沙量占百分之八十五,而且河流中的泥沙集中地由几次主要的洪水携带。

三门峡水库恰好位于产沙量很高的黄河中游的东端。从1957年开始修建,1958年11月截流,于1960年建成大坝。按原设计方案,死水位为三百三十五米,在正常高水位的三百六十米时库容为六百三十九亿立方米;为了减少库区移民,初期建设时坝高为三百五十米,蓄水位不超过三百四十米。大坝建成后,按照设计目的,这个水库本来是被当作蓄水库来使用的,从1960年9月至1962年3月也确实如此,蓄水时最高水位曾达三百三十二点六米;但是,蓄水后不久,库区内就出现了设计时被忽略了的严重淤积,结果,只好被迫放弃水库的蓄水功能、停止蓄水,而只是利用水库滞洪。此后,泥沙淤积继续加剧,带来了一系列问题。

首先,泥沙淤积造成三门峡水库的回水区淤积迅速向上游延伸,严重影响到水库周围地区的工农业生产。大坝上游一百一十三公里处的潼关镇,是黄河的支流渭河及北洛河与黄河干流的汇流处,渭河和北洛河两岸都是重要的农业区,渭河上游距潼关一百二十公里处则是古城西安市。三门峡水库蓄水期间,潼关的黄河河床升高了四点五米,渭河下游也发生了淤积,沿河地段土地的地下水位上升,盐硷化加剧,并给上游带来了严重的洪水威胁。

其次,因为水库选址不当、设计有重大失误,因而出现了水库严重淤积,只能被迫改变水库的设计功能,拆除部份发电设备、并追加投资以增加水库的泄洪能力,使得水库的巨额投资付诸东流。三门峡水库蓄水一年半后,泥沙淤积即达十七点五亿立方米, 相当于来沙量的百分之九十三,水库库容迅速减小;从1962至1966年,又淤积了三十七点二亿立方米,大大超过水电部设计部门对该水库泥沙淤积的估计。

鉴于这样严重的局面,水电部不得不于1964年决定,放弃三门峡水库原设计的蓄水发电功能,在大坝侧面开挖了两个隧道以便增加泄洪量;同时,又放弃了原设计用于发电的四个放水管,把它们改建为泄洪排沙孔道。这样,水库的排沙率达到了百分之八十;但是,由于库区选在黄河产沙量最大地段的下游,在流域产沙量过高的情况下,水库淤积仍然很严重。于是,1970年至1973年,水电部门只好把大坝底部八个排沙孔重新打开,采用洪水中的泥沙排泄和异重流排沙等方法,加大泄洪排沙的速度。由于泄洪量加大,水库水位降低,大坝水电站只能发挥出原设计发电能力的百分之二十,建坝之初安装的高水头水轮机组无法运转,只能完全浪费了(后来,又不得不再耗费人力财力、把这些发电机组拆掉,运到湖北丹江口水电站去安装使用)。因为黄河含沙量过高,泥沙造成了水轮发电机的叶片严重磨损,结果,为了延续发电机的寿命,三门峡水电站只能在黄河含沙量最高的汛期停止发电,使得发电能力进一步下降。

放弃了三门峡水库绝大部份的发电能力之后,这个耗费巨资修建起来的水库就只能发挥调节洪峰的有限作用了。然而,即使在调节洪峰方面,它的真正价值也不很大。因为,为了防止泥沙的进一步淤积,三门峡水库曾采取了尽量少滞洪的方针,也就是说,凡是黄河下游能够通得过的洪水,三门峡水库就让它全部通过,水库不发挥滞洪功能;如果黄河洪峰过高,三门峡水库必须滞洪,则先尽量降低水库水位以排沙和冲沙。

长期的冲沙过程恢复了三门峡水库主河道上一部份被淤积的库容,但是仍然未能恢复河漫滩上的库容。当采用异重流排沙时,如果保持水库水位不升高,则排沙率可以达到零点一八至零点二一。三门峡水库在汛期大量泄洪排沙和冲沙的一个有利结果是,可以有助于控制黄河下游河道的泥沙淤积。

修建三门峡水库的失败,除了反映出当时水电部门在水库选址、判断泥沙淤积等问题上的一系列严重错误,还反映出水库的规划设计者对黄河流域治理效果的片面估计。当时,水库设计者们认为,通过黄河流域的治理可以减少产沙量。但是,由于地理条件及社会经济条件等限制,黄河流域的治理既未得到重视、也未产生预期的效果,该流域土地的侵蚀速率和产沙量仍然居高不下,使得水库淤积日益严重。

2. 美国的水库淤积

到1975年为止,美国各种较大的水库的初始库容总计约为四千九百亿立方米,淤积速率每年约为一点二亿立方米。按照建坝时的成本来计算,淤积减少库容相当于造成每年将近一亿美元的损失。

Dendy曾对美国的九百六十八座水库的泥沙淤积作了分析,他发现,淤积使库容平均每年损失约一点八五亿立方米,这个损失量相当于初始库容的百分之零点二,未超过大多数水库的设计标准;但是,初始库容小于十二万立方米的小水库,其年库容损失率则高达百分之三以上。按这种淤积速度估计,大约三十年后,这些小水库中将有五分之一的水库会损失一半库容。

一般来讲,年库容损失率随库容增大而减小。年库容损失率的差变可能很大,尤其是库容小于十二万立方米的小水库,其平均年库容损失率小的可能接近于零,大的则可能达到百分之一百。而那些库容大于一亿二千万立方米的水库的平均年库容损失率一般是小于百分之一的(仅两座除外)。水库的产沙面积是指该水库和上一级水库之间的流域面积,对河道进行梯级开发时,可以对泥沙进行分段的局部流域控制。研究发现,单位产沙面积淤积量的分布与库容损失率相似,即单位产沙面积淤积量增大,水库数量减少,将近百分之六十五的水库的单位产沙面积淤积量小于每年每平方公里四百七十六立方米,百分之四的水库大于每年每平方公里二千三百八十立方米。

美国的Elephant Butte水库是水库淤积严重的一个例子。该水库位于新墨西哥州格兰德河上,在Hot Springs以东6公里、德克萨斯州埃尔帕索以北193公里。其流域面积六万八千多平方公里,坝高九十三米,初始库容三十二点五亿立方米。1915年1月开始蓄水,1916年建成,用于灌溉和发电,灌溉面积约八百平方公里,是美国当时最大的蓄水库。其下游大部份地区的年降水量为二百五十至四百毫米,河源在较高的山地,那里年降水量达六百毫米以上。这个水库的年平均入库流量为十二点三亿立方米,水库建成二十年后泥沙淤积量达到四点五亿立方米,占总库容的百分之十三点八,平均每年损失库容百分之零点六八,到1969年为止库容损失已达百分之十九。泥沙的淤积使上游河岸抬高,在刚好位于水库回水线以上的圣马西亚尔城(San Marcial),格兰德河的河床升高约四米,再向上游去十六公里,河床则升高两米。为此,就需要加高河堤保护圣马西亚尔城,并且开挖排水系统解决渗流问题。

3. 印度的水库淤积

印度的水库库容损失速率多在百分之零点五至百分之一,有些则达到百分之二。由于印度的生态和环境遭到破坏,尤其是森林被滥伐,使得水库的淤积速度远远超过水库规划设计时的估计(见下表)。例如,Nizamsagar水库的灌溉面积为一千一百平方公里, 但仅仅四十三年就因泥沙淤积损失库容的百分之六十。如此严重的教训值得我们警惕。

印度的水库库容损失速率

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资料来源:
Pais-Cuddou, I.C.dos M. and S.N.C. Rawal. 1969. Sedimentation of Reservoirs. Journal of Irrigation and Drainage Division 95: 415-429.
Goldsmith E. and N. Hildyard. 1984 & 1986. The Social and Environmental Effects of Large Dams, Vol. 1 & 2. Wadebridge Ecological Center, Worththyvale Manor, Camelford, Cornwall, UK.

当代中国研究
MCS 1997 Issue 3

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