论文快递｜谢遵党等：流域全局视角下多沙河流水库库容再生技术新探索

水库是流域防洪工程体系的重要组成部分，是国家水网重要节点，是保障国家水安全的重要基础设施，事关工程、防洪和供水安全。我国是世界上水库数量最多的国家，现有近10 万座库容10 万m3 以上的水库，总库容9 323.13 亿m3，水库在防洪减灾和区域水资源配置等方面发挥着不可替代的作用。但我国水库绝大多数存在不同程度的淤积，尤其是修建在多沙河流上的水库，淤积问题更加突出，我国水库平均淤损率11.28%，其中黄河流域水库淤损最为严重，淤损率高达37%［1］。黄河干流玛曲至花园口河段已建梯级水库31 座，根据已收集到13 座水库的淤积数据，累计淤积约100 亿m3。1960 年9 月建成运行并在1968 年8月和1971 年10 月两次改建的三门峡水库在非汛期运用水位318 m 以下可调库容约为6 亿m3，汛期运用水位305 m 以下可调库容仅为0.5 亿m3，累计淤损库容25.11 亿m3；1969 年投产的刘家峡水库，截至2018 年10 月，累计淤损库容17.07 亿m3；2003 年投产的万家寨水库，2018 年5 月测得980 m 高程以下库容为4.2亿m3，截至2022 年10 月累计淤损库容3.172 亿m3；2000 年投产的小浪底水库，2022 年底275 m 高程以下库容降至93 亿m3，整体淤积量达到35 亿m3；2010 年投产的班多水电站，设计库容1 534 万m3，截至2022 年仅剩598 万m3，累计淤损库容936 万m3。

水库的修建改变了天然河流的自流特征，蓄水运用后库区水流减缓，导致水流挟沙能力降低，其挟带的泥沙在库区落淤减小库容，尤其在高含沙河流水库，大量泥沙淤积严重侵占兴利库容，直接影响水库在防洪、供水及发电等方面的综合效益［2］；同时，水库淤积也会导致上游支流水位抬升，加大上游区域防洪压力。一方面，近年来极端天气频发，抵御超标准洪水和大旱时期保供水等需求愈发强烈，已建水库库容淤损给水库调度运用及设计功能的发挥带来的挑战更加严峻；另一方面，新建水库可供选择的优良坝址资源越来越少，且常面临建设周期长、生态环境制约多、移民投资大等不利因素［3］。综上所述，为确保已建水库长久稳定发挥其设计效益，探索已淤损库容高效经济再生技术异常迫切且必要。多沙河流水库库容再生技术是恢复水库兴利库容、确保设计功能正常发挥、提高流域水资源调配能力、增强水沙调控动力的重要举措，同时也能够为完善已建水库，尤其是黄河流域大型水库的治理体系提供技术支撑，并为拟建水库的排沙减淤设计提供理论指导。

目前，水库泥沙淤积与淤损库容再生等问题已引起国家相关部门的高度重视。2021 年10 月8 日，中共中央、国务院印发的《黄河流域生态保护和高质量发展规划纲要》中提出：“科学把握泥沙含量合理区间和中长期水沙调控总体思路，采取‘拦、调、排、放、挖’综合处理泥沙。”2022 年1 月12 日，水利部发布的《“十四五”水安全保障规划》中提出：“推进有条件的水库实施清淤疏浚或加高扩容，提升工程效益的整体发挥。”2023 年4 月1 日颁布的《中华人民共和国黄河保护法》中提出：“实施重点水库和河段清淤疏浚、滩区放淤，提高河道行洪输沙能力，塑造河道主槽，维持河势稳定，保障防洪安全。”2023 年11 月28 日，水利部部务会议指出：“要科学推进水库减淤和清淤工作，持续保障水库调节库容和调节功能。”上述法规文件等为多沙河流水库库容再生技术的探索提供了政策保障。

当前，机械清淤成本高，清出泥沙的堆存、利用数量有限，很难解决数亿立方米级的库容淤损问题。虽然调水调沙技术在大量排沙入海的同时做到了减淤塑槽，但是对淤积在库区、河道宽滩区的泥沙仍无能为力。本研究在前人研究的基础上［4－18］，从流域全局统筹考虑，进一步提出将库区宽滩淤沙“冲淤过槽、驱沙入海”的多沙河流水库库容再生新构想，即在水力清淤技术的基础上，探索借助工程措施及模块化装配式的装备分隔控导库区水流，增强水流自身动力和挟沙能力，实施冲淤过槽和滩槽协同治理，将高滩淤沙冲入主槽和坝前排沙漏斗，通过调水调沙带出水库，最终实现驱沙入海的目标，为系统解决多沙河流已建水库淤积难题和拟建水库冲淤设计提供理论和技术支撑。

我国绝大多数水库修建于20 世纪50 至70 年代，设计时未充分考虑水库淤积问题且大多数河流泥沙含量较高，导致水库淤积问题严重［19］。目前，水库淤积治理思路主要集中在如何抑增量和去存量方面，抑增量重点在减少上游的产沙量与中游的入库沙量，去存量重点在下游水库及河道淤积治理。在流域上游实施水利水保措施防治水土流失，如黄河上中游地区大量建造的淤地坝［20－22］、生态护岸、退耕还林还草等工程［23］，显著减少了黄土高原地区的产沙量，此外，通过修建排沙隧洞等方式绕库排沙，以减少水库淤积［24］。在流域下游通过水库清淤解决泥沙淤积问题，通常采用水力清淤与机械清淤两种方式：水力清淤包括异重流排沙和通过空库或降低水位迎洪实现滞洪冲沙及水力冲沙；机械清淤根据是否涉水作业，分为空库干挖和疏浚清淤，其中疏浚清淤依据动力方式可分为机械式、虹吸式及气力式等［25］。

1.1  水力清淤

水力清淤主要是借助水力作用达到清除淤沙的目的，与水库的地形特征、淤积情势、清淤时机、调度运用方式等关系密切。常用的水力清淤措施主要有以下几种。

1）异重流排沙。异重流是两种或两种以上密度接近的流体在接触时，因密度差异而产生的一种相对运动。当洪水挟带大量泥沙入库后，浑水就会潜入库底形成异重流，而浑水异重流的密度高于周围水体，在密度差的作用下开始向坝前运动，根据其运动特征及时打开水库泄洪排沙底孔闸门，即可将高含沙水体排出库外，达到清除坝前库区淤沙的目的［26－28］。异重流排沙是水库清淤措施中有效且经济的一种措施，其特点是挟沙能力强、可连续输送泥沙，适用于回水短、坡降大的中小型水库及常年蓄水运行、没有降低水位排沙条件的水库。异重流排沙在刘家峡、三门峡、小浪底、官厅水库等工程中得到了普遍应用。

2）滞洪排沙。滞洪排沙是指在汛期利用低水位或空库运行提高水流流速，高速水流在泥沙淤积前将细颗粒泥沙排出水库的一种排沙方式。汛期对多沙河流的水库实施滞洪排沙，有效减少库内泥沙淤积，是国内外普遍运用的水库减淤措施。实施滞洪排沙时，洪水初期排沙效率最高，但该方式弃水量大，应尽可能地将滞洪排沙过程与下游水资源利用结合起来。

3）水力冲沙。水力冲沙是利用自然或人工水力条件扰动库内淤沙并排出水库的清淤方式，主要包括泄空冲沙和横向冲蚀［29－30］两种方式。泄空冲沙利用水库泄空过程形成的沿程冲刷和溯源冲刷带走淤积在水库中的泥沙，其优点是汛期水沙集中、排沙效果好，缺点是适用范围窄且耗水量大、仅适用于季调节利用的水库；横向冲蚀是指在水库两侧适当高程开挖高渠，或利用滩槽高差开挖小沟槽，引入上游水流，依靠水流的水力冲刷和重力侵蚀作用对淤沙进行剥离和输移，适用于水资源相对匮乏的中小型水库。

1.2  机械清淤

1）空库干挖。空库干挖是指在非汛期低水位或空库运行时采用挖掘机械对水库淤积物进行清理的一种措施，其优点是耗水量小、清淤量可控、清淤彻底，缺点是清淤作业期间，水库必须停止运行，清淤成本高且仅适用于小型水库。

2）疏浚清淤。疏浚清淤依据动力方式可分为机械式（绞吸式、铲斗式、抓斗式、斗轮式、反铲式）、虹吸式及气力式等，其特点是耗水量小、机动性强、受水库调度的影响小，但成本较高。机械式效率高、适应性较强，但清淤量存在限制，且需解决泥沙处置占地及耗能问题；虹吸式利用水库上下游水位差产生的虹吸作用进行清淤，适用于坝前小规模清淤，具有成本低、设备可拆卸、易运输等优点，缺点是管道易阻塞且清淤范围有限；气力式利用气力提升库底淤沙，但效率低、适用范围小。

水力清淤的时机有限、弃水量大，机械清淤的上岸淤沙消纳能力不足，因此常用的两种清淤方式均不能完全满足多沙河流水库海量淤沙的清淤需求。鉴于此，从全局治理多沙河流水库淤积的角度出发，提出“冲淤过槽、驱沙入海”的淤积水库治理策略，在水力清淤和机械清淤的基础上，结合多沙河流水库淤积的实际情况，合理布设工程措施及装备，提高水流自身的挟沙能力，将库区河道淤沙经下游河道输送至大海，不仅可解决多沙河流水库大量淤沙的归宿问题，而且可有效改善河口三角洲的蚀退现状。

只有充分利用水流自身的能量和挟沙能力，才能降低清淤成本，消纳海量淤沙，进而确保多沙河流淤沙的可持续处理。“冲淤过槽、驱沙入海”的核心思想是借用工程措施及装备充分激发水流自身的挟沙潜力，最大限度利用水流自身能量，将出库淤沙经由河道主槽这个稳定的输沙通道，接力输送至大海。“冲淤过槽、驱沙入海”技术体系的工程布置示意详见图1（图中：1 为两岸滩地，2 为河道主槽，3、4 为清淤工程装备，下同）。

2.2.1 冲淤过槽

基于束水攻沙与横向冲蚀原理，利用水沙流动规律，辅以清淤工程装备增加水流冲击动能，改变水流冲击方向，将滩地淤积泥沙冲至主槽和冲沙漏斗中，实现宽滩区淤损库容的再生。图2 所示的是立轴双向旋转闸门装置，其作用是根据来水流量，控制过水面积、束水攻沙，提高水流流速，调整出流方向，将滩地淤沙冲刷到主河槽并输送到下游，恢复淤损库容。图3 是针对近坝库区滩地开发的清淤工程装备，即浮箱式多排流道滩槽冲淤装置，此装置通过充放水实现下沉和上浮并通过内置阀门调节过流面积和过流位置，将宽滩淤沙冲到下游。小水时进入主槽或排沙漏斗的泥沙，即使暂时淤积也能通过水库调水调沙排出库外。实现宽滩束水攻沙方式的类似工程措施还有多种，通过这种方式可将河道及水库宽滩区淤沙排到下游，再借助河流挟沙能力将泥沙输送至入海口。

2.2.2 驱沙入海

驱沙入海的核心是充分借助水流自身能量，同时辅以工程措施将坝前库区及河道淤沙输送至大海，也是以最低代价、最大容量、最可持续消纳海量淤沙的最有效途径。以黄河流域为例进行阐述，2002—2023 年小浪底共计调水调沙26 次，利津站多年平均来水量172.32 亿m3，累计输沙入海32.5 亿t，可知黄河下游河道具有较强驱沙能力［31］；同时，根据不同方法，预估黄河流域2050 水平年来沙量为8 亿t 左右（不同科研团队预测黄河未来来沙量预测为3 亿～11 亿t）［32－34］，黄河流域天然来沙量明显减少，在入海水量减幅不大的情况下，河道水流仍蕴含巨大的挟沙潜力。

入海口附近海岸线的蚀退和淤进与陆域来沙量直接相关，黄河口陆域来水来沙是海岸造陆的基础，来水来沙量越大，造陆面积越大，而黄河口海岸的蚀退将直接造成国土资源流失、生态环境恶化，严重威胁黄河三角洲的可持续发展，必须加以控制［35］。自1976 年黄河行水清水沟后，神仙沟—刁口河流路因缺少泥沙补给，故其海岸线处于蚀退状态，其中1976—1996 年快速蚀退，年平均蚀退9.03 km2，刁口河流路范围陆地面积由1976 年1 159 km2蚀退至2020 年的909 km2，减少250 km2；1996 年清8 改汊前陆向来沙充足，入海口附近海岸线呈向海淤进趋势，2015—2017 年来沙量极少，海岸线则明显蚀退［36］。随着黄河沙量减少，黄河口海岸蚀退存在直接造成国土资源流失的风险，驱沙入海一定程度上能够抑制黄河口海岸线蚀退，有利于海岸造陆发育［37］。综上，黄河中下游河道水流具有驱沙入海的潜能，黄河河口具有容沙造陆的需求，多沙河流水库“冲淤过槽、驱沙入海”库容再生新策略具有较强的科学研究价值与工程实践需求。

为提高现有水力清淤技术的清淤质量和效率，基于低投资、易施工、重复利用、便维护的原则，提出了采用模块化装配式结构的清淤工程装备来配合水力清淤技术的新策略。为实现冲淤过槽、滩槽同治、驱沙入海的目标，目前针对性地研发了立轴双向旋转闸门装置［38］和浮箱式多排流道滩槽冲淤装置［39］。

基于束水攻沙原理，将装配式立轴双向旋转闸门（见图4）采用船舶运输到库区上游河道适当位置后再安装，通过双向旋转闸门结构可增大水流势能，亦可改变水流冲击方向，再采用高能量水流对新淤泥沙进行冲击，即可将淤积在主槽附近的淤沙（见图5，其中ABCD 为河道稳定主槽，ABF 和DCE 为新淤沙部分）及主槽内的淤沙冲到下游，最后再借助河道主槽水流自身的挟沙能力将冲起的淤沙逐级带到下游，直至入海。

基于束水攻沙原理，研发了一种浮箱式多排流道滩槽冲淤装置（见图6），该装置主要包括浮箱结构、多排闸门结构、启闭设备、锚固结构、过水流道、充排水设备等。首先，将该浮箱式多排流道滩槽冲淤装置放置在河道适宜位置；然后，采用锚链对其固定，一方面通过缩小过水断面面积、增大河道断面底层的流速，使河道淤沙起动，另一方面通过控制闸门结构，依次开启或关闭垂直水流方向的竖排闸门结构，进而达到改变整个过流断面水流方向及增大水流能量的目的，在高能量水流作用下将河道断面及其下游一定范围内的淤沙冲到主槽；最后，同样借助河道主槽水流自身的挟沙能力将淤沙逐级带到下游，直至入海。冲淤后河道断面如图7 所示，图7 中ABCD 为冲淤前河道稳定主槽，FGHE 为冲淤后河道主槽，通过增大坝前库区河道主槽的槽库容，达到增加水库兴利库容的目的。

“冲淤过槽、驱沙入海”为系统性解决多沙河流水库库容淤损问题提供了方案，但面临技术复杂、环境风险等挑战，需要水利、生态、交通等部门紧密合作。在实际应用中，必须综合考虑工程技术、生态保护和政策支持等因素，确保库容再生策略的经济性与可持续性。未来工作重点是构建工程措施与水力共同作用的清淤技术体系，基于多沙河流水库及河道的淤积规律，借鉴前人的研究成果，采用理论分析、数值模拟和模型试验等方法，联合相关单位共同研发清淤工程措施及装备。

基于“冲淤过槽、驱沙入海”理念的创新库容再生技术体系将为黄河流域的生态保护和高质量发展提供关键支撑。首先，应用前景方面，库容再生技术能够快速有效地恢复多沙河流水库的有效库容，充分发挥水库设计时的防洪能力、供水保障能力并提高发电效益。其次，社会效益方面，库容再生技术体系能够破解桃花峪水库论证最为核心的工程制约，并“一揽子”置换北金堤滞洪区和伊洛夹滩、温孟滩等相关滩区的滞洪库容，避免因启用蓄滞洪区而付出巨大代价，能够获取宝贵的国土资源空间与社会经济发展空间。最后，生态效益方面，库容再生技术可以提升水流挟沙能力，节约输沙用水；通过驱沙入海补给河口三角洲泥沙资源，减缓入海口蚀退，抑制海水倒灌，维持三角洲生态系统健康发展。