第1章 绪 论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 泥沙淤积及其危害
水库的修建会打破河流本身已有的冲淤平衡，水库建成开始蓄水后，使得河流渠道化，在库区内形成相对静止的环境，从根本上改变了天然河流的水动力条件，水深流缓，从而必然引起库区内泥沙的落淤[1]。至20世纪末，全球范围内每年泥沙淤积所引起的水库库容损失率就接近1%，相当于每年损失500亿m3的库容[2]。其中，美国自20世纪20年代以来修建的综合利用水库总库容已达5000亿m3，每年淤积损失库容达12亿m3，年平均库容损失率约为0.22%，而1935年以前兴建的水库中，完全淤废的达10%，损失库容1/2～3/4的占14%，损失库容1/4～1/2的占33%；在日本，河流一般较短，坡降较大，虽然含沙量不大，但因为库容一般较小，所以淤积速率仍然较快[3]，1912～1972年库容大于106m3、坝高在15m以上的265处水库，平均库容损失率已达20.63%，其中有5座水库已淤满[4]。在气候干旱、暴雨强度大、水土流失较为严重的国家和地区，水库淤积尤其严重。据对苏联中亚地区41座灌溉及发电水库的统计[4]，坝高在6m以下的灌溉水库，淤满年限为1～3年，坝高7～30m的发电、灌溉水库，淤满年限则为3～13年；据1960年的统计，阿尔及利亚[4]大型水库库容损失率约为1.2%，中型水库(库容0.1×108～0.5×108m3)库容损失率则为1.8%；据1969年的统计[4]，印度大于10×108m3的水库共21座，总蓄水量为1260×108m3，平均库容损失率为0.5%～1.0%，有的可达2.0%。其他国家或多或少都存在泥沙淤积的问题[5]，津巴布韦年平均库容损失率超过0.5%；摩洛哥约为0.7%，土耳其年平均库容损失率则达到了1.2%。
我国许多河流都富含泥沙[6]，从而造成我国水库泥沙淤积问题严重。截至1981年底，在全国236座有实测资料的水库中，总淤积量已达115亿m3，占统计水库总库容的14.2%，年均淤积量约8亿m3，年平均库容损失率达到了2.3%，高于世界其他各国[7]。尤其是中华人民共和国成立初期兴建的一些水库，由于当时对淤积问题认识不足和缺乏可供参考的经验，水库建成后泥沙淤积数量大、速度快，由泥沙淤积带来的问题非常严重。这一时期我国兴建的部分水库淤积情况如表1.1所示[8]。据陕西省1973年的统计[9]，1970年以前建成的120座水库损失库容已达53.3%，其中43座水库完全淤废，在比较严重的延安和榆林地区，损失库容分别占其总库容的88.6%和74.6%[10]。另据山西省对全省43座大、中型水库的统计，43座水库总库容为22.3亿m3，至1974年库容已损失31.5%，平均每年损失0.5亿m3；其中山西桑干河上的册田水库，1960～1983年总淤积量占总库容的102.5%；青铜峡水库1967年4月蓄水，至1996年12月总库容损失率近95.8%[11]；盐锅峡水库1961年蓄水，至1998年总库容损失率达85.2%，兴利水库库容损失率为50.8%[12]。
表1.1 我国部分水库淤积情况[8]
从我国各主要流域的水库淤积情况来看[13]，黄河流域截至1989年全流域共有小(Ⅰ)型以上水库601座，总库容为522.5亿m3，已淤损库容达109.0亿m3，占总库容的21%；其中黄河干流水库淤积79.9亿m3，占干流总库容的19%；支流水库淤积29.1亿m3，占支流总库容的28.5%。在长江流域，上游地区共兴建水库11931座，总库容约205亿m3，水库年淤积量为1.4亿m3，年平均库容损失率约为0.68%；其中大型水库13座，总库容97.5亿m3，年平均库容损失率为0.65%。甚至在含沙量较低的珠江流域兴建的水库也存在不同程度的淤积问题，有时也可能成为工程设计成败的关键[14]。水库泥沙淤积的严重性由此可见一斑。
水库泥沙的大量淤积，可能导致在仍有大量可淤库容的情况下严重影响水库综合效益的发挥，缩短水库使用寿命。
首先，对于有防洪任务的水库，泥沙淤积使得水库防洪库容减少，导致水库调洪能力降低，从而降低对下游防洪对象的防护能力，如山西镇子梁水库[15]到1973年汛期，已损失库容80.6%，使水库防洪标准从100年一遇的洪水降低到20年一遇的洪水；宁夏青铜峡水库[16]运用仅5年，就损失库容86.8%，水库调蓄能力大为降低。并且泥沙淤积和回水上延[17]可能会造成城市、工厂、农田以及交通干线、旅游景点、历史文物等淹没，给水库上游带来防洪风险，如内蒙古三盛公水库[18]由于泥沙淤积，水库回水范围自1962年的距坝30km上延到1971年的43km以上；山西镇子梁水库[15]淤积上延问题引起的淹没、浸没损失赔偿总额达水库建设投资的1.8倍。
其次，对于像在长江这种有通航任务的河流上修建的水库，其航运效益也受到泥沙冲淤变化的影响[19]。一方面，变动回水区的冲淤将对航道产生影响：枯水期消落冲刷时，库水位下降的速度大于河底淤积物冲刷速度，且河面较开阔，难以发展成单一的主槽或主支槽移位以及流量小等，往往使该处在一定时期内航深不够；当库水位在*低水位停留较长时间时，在回水末端及相邻下段的库面开阔段有可能产生主槽摆动不定、深槽不连通而使通航困难；变动回水区中、下段，在横剖面淤积较大河势发生改变的河段，主槽移位，原通航主槽被淤或不能通航，而新主槽中可能由于基岩、礁石过多，船只航行困难；在变动回水区中、下段，由于河道淤窄，出现大量淤积边滩，若这些边滩恰好位于港口、码头，则有可能影响船舶停靠和作业，使船只无法进港。另一方面，水库拦沙、清水下泄，引起坝下游河床冲刷[20，21]及变形，同流量情况下坝下航道水位也会随之下降，航道水深不足轻则使过往船只减载，重则引起断航，对航运会带来一系列不利影响[22]。
以上问题均是由于在运行中忽视了对泥沙的调度，仅注重对径流过程的调节，从而造成水库防洪、航运效益损失巨大，水库综合效益的发挥大受限制，其中的某些效益甚至丧失殆尽。水库淤积不仅直接影响水库效益的发挥，还可能产生一系列危害[19]。例如，坝前建筑物的泥沙问题，如船闸和引航道淤积、水轮机进口及渠道引水口进沙等，盐锅峡水库[23]在刘家峡水库投入运行以前，曾出现拦污栅堵塞，形成停机和降低出力从而造成损失；陕西省乾陵水库在1970年8月的一场洪水中，没有及时开闸泄流排沙，致使进水压力洞被堵死[24]；碧口水库1995年也曾发生排沙洞被淤堵的事件[25]；苏丹的Khasm水库由于泥沙淤积，位于库区的某取水口被堵死[5]。又如，对调节系数较大的水库，淤积在一定程度上可能会加剧水库水质污染，水中悬移质泥沙增多，改变了水中溶解氧含量，这种变化可能会对生物的正常生长不利[26]。此外还有淤积上延增加上游地区淹没范围，引起土地盐碱化的问题，永定河官厅水库淤积末端向上延伸近10km，造成当地地下水位抬高3～4m，使两岸盐碱地面积扩大14倍[27]，官厅水库的淤积造成了水库防洪标准降低、供水缺乏保证、库周淹没损失逐年扩大等一系列问题[28]。另外，黄河上修建水库甚至加剧了河道断流[29]。
由此可见，在水库规模、来水来沙一定的条件下，水库效益的发挥不仅仅由水库水量的蓄、泄方式决定，还与水库中泥沙淤积的发展过程、数量及其分布有关：泥沙淤积在防洪库容内，减少水库防洪库容，降低水库调洪能力；变动回水区碍航河段的淤积发展趋势及其与坝前水位的相互关系决定着河段是否碍航及碍航出现的时间；坝下游河段河床冲刷引起水位降低，其与下泄流量年内过程的变化共同决定了坝下游河段的航运效益。
综上所述，水库泥沙淤积问题往往决定了工程兴建的成败，水库调度方式的制定除应通过一定的排沙方式实现水库防洪库容的长期保留外，对于有航运目标的水库，由于仅靠反映蓄、泄关系的径流调度无法准确衡量水库航运效益，更应在水库设计之初就对坝上、下游典型河段航道条件随河道冲淤演变的变化进行研究，即需要进行水沙联调。因此研究水库泥沙淤积规律不但是解决水库泥沙淤积问题、实现水库长期利用的要求，也是探讨能否在满足泥沙淤积要求的基础上优化水库调度方式以及如何实现水库水沙联合优化调度的前提。
1.1.2 流域梯级水电建设
我国经济正在快速发展，但与此同时也面临着有限的化石燃料资源与更高的环境保护要求的严峻挑战[30]。坚持节能优先，提高能源效率；优化能源结构，以煤为主多元化发展；加强环境保护，开展煤清洁利用；采取综合措施，保障能源安全；依靠科技进步，开发利用新能源和可再生能源等，是我国的长期能源发展战略，也是我国建立可持续发展的能源系统的*主要政策措施[31]。水电能源作为一种可再生的资源，具有清洁廉价、便于调峰、能修复生态环境、兼有一次与二次能源双重功能等特点，能够极大地促进地区社会经济可持续发展，并且具有防洪、航运、旅游等综合效益，因而受到世界各国政府的青睐。世界各国都把水电放到了优先发展的地位，许多发达国家的水电资源都已基本开发完毕[32-37]。
我国是一个水电大国，水能资源非常丰富。例如，根据1980年的水能资源普查结果[38，39]，我国江河水能的理论蕴藏量为6.76×108kW，其中技术可开发装机容量达4.93×108kW，经济可开发容量为3.78×108kW，年发电量达24740×108kWh，因而无论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，都居世界第一位。但是与发达国家相比，我国的水力资源开发利用程度并不高，目前开发利用率仅在24%左右，大大低于发达国家50%～70%的开发利用水平。2003年我国发电装机容量为3.91×108kW，发电量为19052×108kWh，其中水电装机容量仅占24.24%，发电量占14.77%，而火电装机容量占24.03%，发电量占82.88%，我国能源结构仍以火电为主[31，32，39-42]。因此，我国水力资源开发潜力巨大，在我国的电力发展政策中，水电开发也被排在了首位[31]。
从1991年起，我国开始执行十二大水电能源基地建设计划，总装机容量为2.1亿kW，占水电可开发装机容量的55.6%；年发电量达1万亿kWh，占可发电量的52.1%。十二大水电能源基地建设完成后，将会从根本上改变我国的水电能源开发利用状况[43-46]。水库将不再是单一的个体，而是已形成梯级滚动开发的态势。大型水库群的建设必将对流域社会经济、生态环境等产生复杂深远的影响。与单个水库相比，梯级水库开发主要存在以下特点[30，47，48]。
1. 影响的群体性[WA1]
由于流域洪水时空分布的不均匀性，以及各梯级水库在容积与淹没损失等方面的差异，进行梯级水库的统一调度与综合开发，有利于发挥梯级水库群体的优势。梯级水库的累积影响，是大于单个工程的影响之和，还是小于单个工程的影响之和，应视具体情况研究而定。这就是梯级水库对环境影响的群体效应。
2. 影响的系统性
梯级开发为流域建立了一个工程群-社会-经济-自然的人类复合生态系统，这个系统相互联系、相互制约、相互影响，组成了一个具有整体功能和综合效益的集群。在这个集群中，人和工程对环境的作用大大加强了，它对环境的影响性质、影响因素、影响后果都是系统的。在这个人类复合生态系统里，若水库群规划得当，施工组织科学，环保措施得力，就能与自然相协调、相融合；反之，这个系统将是不稳定的，甚至工程群对这个系统不是带来利益，而是将造成灾难。
3. 影响的累积性
梯级水库中某一级水库的效益及对社会、环境的影响，不仅受该级水库自身运行的影响，还受到梯级中其他水库的影响，这些影响具有叠加、累积的性质。显然，水库越大或梯级越多，蓄水拦沙的累积作用越大；而在梯级水库内部，处于下游的水库也会受到上游水库的累积性影响，越是处于下游的水库，其径流过程、径流量与输沙量受到的累积性影响就越大。
4. 影
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