泥沙淤积是水库持续利用的严重威胁。泥沙淤积造成水库有效库容减少,影响水资源调节能力;“翘尾巴”淤积还造成了库尾处水位升高,抬高了入库河流水位与地下水位,加剧了河流尾闾处的洪涝灾害,土地沼泽化与盐碱化,高含沙水流还模式水轮机组与水工管道与闸门为减缓水库淤积,我国经过几十年的研究和实践,已经积累了丰富的与水库沙害做斗争的经验与技术,总结起来有以下几种,加高大坝、水库排沙、减少沙源。
(一)加高大坝
加高大坝,增加库容是一种“拖”的办法,虽然可以恢复水库的蓄水功能,但是这要以增加水库淹没损失为代价,同时“库容有限、泥沙无穷”终不是长久之策,但是可以为控制沙源、综合治理水库沙害赢得时间。同时在峡谷水电站建设分期加高大坝,可以提早受益、减少资金占压,未尝不是一种选择。
(二)水库排沙
水库排沙是减少水库沙害最主要的方法,但也是一种治标的方法,只能减少泥沙的危害,但不能防患于未然。水库排沙主要有水力排沙和机械挖沙两种形式。
1> 水力排沙
水力排沙主要是根据流体力学原理,利用水流将泥沙输送出库,水力排沙必需要消耗一定量的水资源,这与水库的蓄水兴利作用存在着一定的矛盾。水力排沙主要采用四种形式即:敞泄排沙、溯源冲沙、延程冲刷以及异重流排沙。这四种方法综合应用就构成了非均匀输沙技术体系。非均匀输沙有以下优点。
调水调沙,“拦粗排细”,通过调整洪峰流量、泥沙颗粒级配,来塑造与下游河道输沙能力相适应的水沙结构,减少下游河道淤积淤积,提高输沙用水效率。洪水过程中泥沙输移不是均匀的,水库调度可以调节下泄水流的含沙量,从而拦蓄对下游河道有害的高含沙小洪峰,利用适宜的洪峰流量集中输沙,从而提高了输沙用水的利用效率。泥沙随洪水进入水库后,由于流速下降,开始下沉,首先下沉的是粒径较大的粗沙,随敞泄排沙或异重流排沙带出库外的主要是是不易在河流下游沉积的细沙,这样水库就实现了“拦粗排细”减少下游河道淤积的作用。泥沙在水库尾部的淤积可能抬高入库河流水位,使河流排水不畅,但是非平衡排沙技术可以在有利的水沙条件下使水库发生延程冲刷,将淤积在库尾的泥沙转移到坝前死库容内,恢复部分有效库容,降低库尾水位抬高造成的不利影响。
协调年内与年际水沙关系,在保持蓄水能力稳定的前提下,通过丰水(年、季节)多泄(水)多排(沙)、枯水(年、季节)少泄(水)少排(沙)实现水库冲淤动态平衡,协调蓄水与排沙之间的矛盾。河流水沙组合有水大沙多、水小沙多、水大沙小与水小沙少四类,不均衡输沙的关键是就是利用有利的水沙组合,冲刷水库,将前期的淤积物冲走恢复库容避免对下游河道造成淤积。
非平衡排沙技术对生态环境的干扰在于使河流泥沙输送更为集中,“大水大沙”、“小水小沙”的现象更为突出,下游河道发生更为频繁的冲淤变形,对沉水植物与底栖动物都产生一定的影响。但是河流输沙过程本身都是不均匀的,河流生物对河流含沙量变化与河道变形的干扰都有一定的适应能力,而人工调度产生的干扰一般都不会超过天然情况下的最大干扰。
敞泄排沙往往与“蓄清排浑”的水库调度结合起来,汛期一般不蓄水,只利用有效库容滞洪、削减洪峰,在保证下游地区防洪的前提下,尽可能快的宣泄洪水,使其携带的泥沙也随洪水一起排除水库,由于泥沙的密度较大,在随水流运动的过程中逐渐下沉,因此水库中下层水中含量较高,所以利用底孔排沙的效率要比表孔高。延程冲刷是敞泄排沙的一种特殊形式,当坝前水位较低,形成类似河道的水力环境,同时入库流量较大、含沙量较低的情况下,入库水流为不饱和流,不仅可以带走全部泥沙,还可以冲刷掉部分前期淤积物。溯源冲刷一般讯前降低水位进行,利用底孔来排水冲沙,以恢复部分库容。溯源冲刷的一种特殊形式就是排空水库,但是对多年调节的蓄水水库不适用。异重流排沙是敞泄排沙的进一步发展,是多沙河流上的水库蓄水运用时唯一能够减少库区淤积的水力排沙措施。异重流是由于密度差异而形成的一种特殊的水流形态。当洪水进入库区后,随着流速降低,当条件具备时,由于密度较大,高含沙水流就能沉入水面以下形成异重流,如异重流可以到达坝前,适时大开底孔就可以将泥沙排除库外,异重流排沙最大的优点排沙相同情况下用水量较少。但是形成异重流是有条件的,在形成过程中也会造成水库淤积。
另外还有两种比较特殊的水库排沙方法,可能只在少数条件下适用。
绕库排沙:在库尾修建节制闸与引洪闸,当发生高含沙洪水时,关闭节制闸,开启引洪闸,将洪水引入水库一侧的引洪渠中,通过引洪渠将洪水泥沙引到水库下游的河道中或进行引洪漫灌。这种方法一般只适用于平原浅丘区中小河流不承当防洪任务的水库。
在一定的地形条件下,高含沙河流还可以修建“引干入支”的水库,即在干流上建设引水工程,通过引水渠或引水隧洞将径流引入支流上的蓄水水库中,从而达到调节水源的目的。干流引水工程一般包括引水闸与冲沙闸。通过弯道环流原理,引入闸可以引河流表层含沙量较低的清水,从而减缓了水库的淤积。当河流发生高含沙洪水时,引水闸提前关闸避峰,通过排沙闸宣泄洪水与泥沙。
2>机械挖沙
机械挖沙是利用挖泥船、吸泵等清淤的水库排沙方法,一般而言规模淤效率有限,对大型水库而言是杯水车薪、无济于事,而且成本高,除少数特殊目的,如采砂做建材,可谓费宏功少,不切合实际。但是在坝前、库尾等地挖沙,改变地形,可以调整水流形态,促进水力排沙。
(三)控制沙源
控制沙源即在水库控制流域进行水土保持综合治理,减少土壤侵蚀量,控制进入水库的泥沙。这是从源头上预防水库沙害,也是治理水库沙害的根本举措。但是水土保持是面上的工作,对于大流域短时间不一定能完成。因此水土保持要和其他措施结合起来,才能保证水库正常、高效的运行。