水库具有防洪、发电、灌溉、供水等多种功能,泥沙淤积造成库容损失,使水库的功能、安全和综合效益受到影响。此外,被淤满的水库可能面临拆坝问题,造成较大的经济损失。
对水库泥沙进行管理,保持和恢复已建水库的功能,成为解决水资源短缺、洪涝灾害严重问题的重要手段,也是当前人们关注的热点问题。
开展水库泥沙淤积管理研究,就是采用先进的管理理念,综合运用工程和非工程措施,实现如下目标:(1)保持水库库容,实现水库功能的可持续利用;(2)减轻大坝荷载,改善大坝安全状况;(3)降低库尾高程,提高防洪效益;(4)疏浚库尾河段航道,提高航运效益;(5)减轻库区淹没,缓解移民问题;(6)减少有机物在泥沙上的吸附,改善库区水质。
对于水库泥沙淤积管理,管理理念是思想基石,泥沙淤积研究提供技术理论支持,防治措施是具体工程手段,管理评价通过对工程措施进行评价,寻求合理防治方案。开展泥沙淤积研究、提出新的防治措施和开发管理评价模型,都应在管理理念指导下进行,从而保证各环节的逻辑一致性;各环节的执行结果作为管理理念的反馈,可促进管理理念的改进和更新。
水库泥沙淤积管理理念
1.“设计寿命”管理理念
“设计寿命”管理理念是指在工程的寿命周期内,实现工程的规划、设计、建设、运行和维护,完成工程既定的各项任务。工程的寿命一旦确定(50年、75年或是100年),规划、设计、建设、运行和维护就限于这个时段内进行。
“设计寿命”管理理念有如下特点:(1)工程的寿命期确定,工程管理是有限的线性过程;(2)水库建设、运行与维护的约束条件是规划或设计时所考虑的外部因素;(3)随着工程老化、水库不断淤积,工程逐步丧失各项功能;(4)工程寿命末期,报废或降等处理造成的环境和社会影响由后代承担。这种管理理念在水库设计与运行管理中已得到广泛应用。
在这种管理理念指导下,为实现水库的各项功能,需要根据外部因素和建设目的,确定水库设计与运行管理的关键要素,包括水库寿命和水库运行调度方式。同时,由于水库运行与维护的需要,应对水库进行安全管理,并进行相应的经济评价。运行期间,若外部条件发生变化,尤其是来水来沙条件变化,一些水库库容会不断减少,甚至被淤满。
2.生命周期管理理念
针对“设计寿命”管理理念中存在的问题,2003年世界银行提出了水库可持续管理的生命周期管理理念,包含的元素与“设计寿命”管理方法基本一致,但以循环的形式进行组织,循环是水库泥沙淤积管理得以实现的关键。
该理念的根本目标是通过积极地管理和维护,实现大坝主要功能的长久维持。当工程老化不可避免时,大坝允许报废,同时每年定期拿出工程的部分收益成立报废基金,以此提供大坝报废所需的经费。在该方法下,从大坝获益的每代人都将为报废做出应有的贡献,代际公平得以维持。
由于生命周期管理理念要求水库管理者积极采取泥沙淤积管理以维持水库的可持续利用,因此,不仅需要对各种管理技术进行经济分析,更需要对其环境影响和社会影响进行评估,以寻求最优的管理方案。泥沙淤积管理效益和成本的识别与计算,影响决策者对方案的选择。全面、正确地识别和计算效益、成本,做到不重不漏,是水库可持续利用、实现代际公平的关键。
3.两种管理理念的比较
两种管理理念对水库泥沙淤积管理的要求不尽相同。“设计寿命”管理理念下,在工程规划和设计阶段,结合初期已有资料来规划和设计泥沙淤积防治措施,在运行维护阶段则按部就班地根据规划和设计好的措施定期实施管理,不能充分根据外部因素的变化对水库泥沙淤积防治措施进行调整,致使水库泥沙淤积问题难以得到充分解决。而生命周期管理理念要求管理者不仅在规划和设计阶段利用当期资料充分考虑泥沙淤积防治,还要考虑外部因素发生变化时,调整泥沙淤积管理措施,确保水库库容长久维持。
两种管理理念的管理结果大相径庭。“设计寿命”管理理念下,伴随大坝的报废或降等,水库对环境、社会产生的很多影响无法得到解决,甚至还会造成残存工程对社会与环境的影响无法消除、自然资源不能充分利用、社会需求不能充分满足等严重后果。而在生命周期管理理念下,由于持续地根据外部因素的变化调整工程的设计规划和运行方式,工程的效益能够长久维持,并且还建立了相应的报废基金,上述问题能够得到很好地控制和解决。
水库泥沙淤积研究成果
泥沙淤积研究揭示水库泥沙淤积规律,为泥沙淤积防治和管理评价提供技术支撑。
利用水库淤积和排沙规律,我国摸索出一套使水库淤积减缓、甚至不淤积的运行模式,即“蓄清排浑”。利用三门峡水库泥沙淤积资料,吴保生等对库区河床演变及水库泥沙淤积的滞后响应现象进行了研究,建立了滞后响应模型,为三门峡水库在2003年后制定合理运用方式提供了参考。
对大型水库淤积控制的研究,林一山提出水库长期使用的设想和概念;韩其为从理论上阐述了水库长期使用的原理和根据,并提出了长期保留库容的计算方法;周建军等以三峡水库为例,初步提出在大型河道型或径流水库上布置固定河段挖粗沙进行淤积控制研究。
现有水库淤积数学模型主要通过研究水流运动和泥沙运动规律,对河道或水库进行冲淤计算,重点关注淤积量计算、淤积形态、河床变形和边岸坍塌等。国际上比较著名的有GSTARS模型、FLUVIAL模型、HEC-6模型、SSIM模型、MIKE11模型和RESSASS模型。国内应用较广泛的模型有张启舜模型、黄委设计院模型、韩其为模型、长江科学院模型、王仕强模型、王新宏模型、曲少军模型和张俊华模型等。
水库泥沙淤积防治措施
1.拦减水库上游来沙
在水库集水范围内开展水土保持,最大限度减少水土流失,是防治水库淤积的根本途径。在水土流失特别严重的地区,还可因地制宜采取坝库联合运用、绕库排浑、引洪放淤和渠道外蓄水等措施,防止泥沙入库。
2.利用泄洪排沙设施排沙
利用水库泄洪排沙设施,选择合理的水库运行调度方式可进行排沙。根据对入库水沙的控制程度,水库运行方式可分为蓄洪拦沙、滞洪排沙和蓄清排浑3类。
3.利用机械设备挖除水库泥沙
利用机械设备将已经落淤或进入水库的泥沙清除出库,包括挖泥船挖沙、水力虹吸抽沙清淤、气力泵清淤、射流泵清淤和空库干挖等。其优点在于耗水量小,对环境影响相对较小,缺点是需要消耗外部能量,清淤能力与范围有限,清淤成本高,且挖出的泥沙处置困难。
4.出库泥沙的有效利用
出库的含沙浑水应尽可能地利用,不仅能充分利用水资源,降低清淤成本,还可以减少下游河道及水库的泥沙负担。出库泥沙的处理可分为3类:泥沙回归下游河道或上游侵蚀区;引浑放淤,缓解用水矛盾,改善土壤;用作建筑材料。
水库泥沙淤积管理评价
目前对水库泥沙淤积管理经济评价和社会环境影响评价方面的研究不少,包括水库可持续利用和代际公平研究、水库经济和环境影响制约因素及影响计算研究、水库功能开发研究、水库生态特征及可持续发展分析探讨等。
世界银行于1999年启动了RESCON(REServoirCONservation)研究项目,提出水库可持续利用的评估方法,并开发了RESCON模型。模型从泥沙淤积管理角度,考虑了多种水库清淤技术,采用经验关系计算各技术的清淤能力,从经济、环境和社会角度评估各清淤方案。模型在巴基斯坦、伊朗、印度、瑞士、日本的多个水库得到应用,取得了较好的效果。
对于RESCON模型,尚需要进行以下几个方面的改进:利用实测数据进一步对模型进行验证,识别模型的错误和局限;将洪水控制功能加入模型中;将其他泥沙淤积管理方法纳入模型中,如异重流排沙、泄沙和水库绕流等;使模型具备模拟梯级水库的能力;拓展模型模拟季节性水流的能力,以识别更适合冲沙的水文条件;可设置下泄水流的含沙量上限,作为下游环境约束的一部分;可计算每种方案的环境成本。
在RESCON模型基础上,结合中国水库的淤积特点,一些学者对水库功能评价指标体系和模型框架进行了研究,可快速评估泥沙淤积对水库防洪、发电、灌溉、供水、航运、生态等方面的影响程度,为决策者进行水库泥沙淤积管理决策提供初步依据。一些学者还依据已有的清淤能力经验公式和最优控制方法,在RESCON模型的基础上扩充水库效益计算模块,增加泥沙淤积管理措施,可确定最优的清淤措施和清淤过程,为决策者选择水库清淤方案提供初步的依据。
总体上看,国外虽然在水库泥沙淤积管理评价方面开展了一些研究,理念、理论和方法都比较超前,但对水库泥沙淤积防治措施研究得还不多。我国在水库泥沙淤积防治方面的工程经验世界领先,但对水库泥沙淤积管理的评价研究和实践还比较薄弱。近几年,我国逐步重视这一问题,对一些重点水库的泥沙淤积处理开展分析和评价等工作,与国外相比,我国还存在系统理论缺乏、评价方法不确定、经济社会和环境的综合评价缺乏等不足。