2.2 水库淤积及水库排沙
2.2.1 水库淤积情况
（1）我国土壤侵蚀情况。
据《第一次全国水利普查水土保持情况公报》，我国土壤侵蚀总面积为294.91万km2，其中水力侵蚀129.32万km2，风力侵蚀165.59万km2。另外，全国主要江河流域土壤侵蚀量见表2.2。表中土壤侵蚀量由大江大河输沙量通过输移比推算而得到。全国1950—1995年多年平均土壤侵蚀量为49.07亿t。2013年全国土壤侵蚀量计算面积为373.34万km2，总侵蚀量为11.9949亿t。但是，土壤侵蚀量受降雨分布、地表状况等影响，年际变化较大。
表2.2 2013年全国主要江河流域土壤侵蚀量
注 表中数据来自于2013年《全国水土保持公报》。
（2）我国主要河流输沙量特征。
我国《泥沙公报》的编报范围包括长江、黄河、淮河、海河、珠江、松花江、辽河、钱塘江、闽江、塔里木河和黑河11条河流及青海湖流域。内容包括河流主要水文控制站的年径流量、年输沙量及其年内分布，重要河段的冲淤变化，重要水库的淤积和重要泥沙事件。2013年主要河流代表水文站总径流量为13040亿m3（表2.3），比多年平均年径流量13990亿m3偏小7%；代表站总输沙量为4.87亿t，比多年平均年输沙量16.0亿t偏小70%。其中，2013年长江和珠江代表站的径流量分别占代表站总径流量的60%和21%；黄河和长江代表站的输沙量分别占代表站总输沙量的63%和24%；2013年黄河和塔里木河平均含沙量较大，分别为10.0kg/m3和1.54kg/m3，其他河流代表水文站平均含沙量均小于0.70kg/m3。与2012年比较，2013年代表站总径流量减小13%、总输沙量增大14%。长江流域干流主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，直门达站实测径流量基本持平，其他站偏小7%～23%；实测输沙量偏小7%～99%。与2012年比较，2013年各站径流量减小16%～29%；年输沙量减小26%～99%。2013年三峡水库库区淤积泥沙0.940亿t，水库排沙比为26%。2008年9月至2013年10月，重庆主城区河段累积冲刷量为874.7万m3。2002年10月至2013年10月，宜昌至城陵矶河段河床持续冲刷，平滩河槽总冲刷量为8.412亿m3。1998—2011年，长江口北支河段总体以淤积萎缩为主，总淤积量为2.366亿m3。2013年长江流域继续实施国家水土保持重点工程，长江上游新增水库蓄水160亿m3。
表2.3 2013年主要河流代表水文站实测水沙特征值
黄河流域干流主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量除兰州站偏大6%外，其他站偏小3%～21%；实测输沙量偏小8%～87%。与2012年比较，2013年各站实测径流量减小13%～32%；龙门站实测输沙量基本持平，潼关站增多48%，其他站减小4%～64%。2013年黄河内蒙古河段典型断面与2012年比较，断面形态变化不大。2013年黄河下游河道总体冲刷1.280亿m3。2013年三门峡水库淤积0.314亿m3，小浪底水库淤积2.826亿m3。
淮河流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量偏小29%～81%，实测输沙量偏小93%～99.9%；与2012年比较，2013年各站径流量减小12%～70%，各站输沙量减小39%～99.9%。
海河北部水系主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量偏小46%～92%，实测输沙量偏小接近100%。与2012年比较，2013年海河海河闸站实测径流量减小55%，其他站增大14%～91%；石匣里站和张家坟站实测输沙量分别为1.810万t和0.356万t，其他站年输沙量接近于零。2013年引黄调水1.959亿m3，挟带泥沙5.79万t。
珠江流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，北江石角站和东江博罗站实测径流量分别偏大17%和22%，其他站偏小8%～60%；除石角站输沙量偏大49%外，其他站偏小9%～99.5%。与2012年比较，2013年石角站和博罗站实测径流量增大8%和51%，实测输沙量增大32%和298%；高要站实测径流量基本持平，输沙量减小11%。2013年珠江流域局部地区发生山洪地质灾害。
松花江流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量偏大82%～113%；第二松花江扶余站实测输沙量偏小4%，其他站偏大54%～776%。与2012年比较，各站实测径流量增大145%～200%，实测输沙量增大127%～579%。
辽河流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，辽河干流铁岭站和六间房站实测径流量分别偏大69%和95%，其他站偏小20%～85%；六间房站实测输沙量偏大2%，其他站偏小68%～99%。与2012年比较，各站实测径流量增大24%～116%；西拉木伦河巴林桥站实测输沙量减小6%，其他站增大81%～2627%。
钱塘江流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量偏小10%～22%；实测输沙量偏小2%～72%。闽江流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量偏小15%～31%；大樟溪永泰（清水壑）站实测输沙量基本持平，其他站偏小68%～93%。
塔里木河流域主要水文控制站2013年水沙特征值与多年平均值比较，开都河焉耆站和阿克苏河西大桥（新大河）站实测径流量分别偏小24%和2%，其他站偏大12%～52%；卡群站和同古孜洛克站实测输沙量分别偏大41%和76%，其他站偏小27%～93%。
黑河干流莺落峡站和正义峡站2013年水沙特征值与多年平均值比较，实测径流量分别偏大23%和18%；实测输沙量分别偏小36%和40%。
青海湖流域代表水文站2013年水沙特征值与多年平均值比较，布哈河布哈河口站实测径流量偏大23%，实测输沙量偏大20%；依克乌兰河刚察（二）站实测径流量偏小19%，实测输沙量偏小21%。
（3）水库泥沙淤积。
不论大、中、小型水库，水库蓄水和坝前水位升高以后，即使面对含沙量不是很高的条件，也会发生泥沙的大量淤积。产生淤积的实质，是由于水位升高，过水断面面积加大，水流减缓，从而使挟沙能力降低所致（韩其为，2003）。由于挟沙能力与流速的高次方成比例，因此过水面积的少许改变，常引起挟沙能力大幅度变化。
1）国内外水库淤积情况。美国在20世纪20年代至1935年修建的综合利用水库中，完全淤废的占10%，损失库容3/4～1/2的占14%，损失库容1/2～1/4的占33%。日本河流较短，坡降较大，含沙量虽然不大，但由于库容一般较小，淤积速率仍然较快。据统计，1912—1972年间，库容大于100万m3、坝高大于15m的265座水库中，已平均损失库容20.63%，有5座水库已经淤满。至于气候干旱、暴雨强度大、水土流失严重的国家和地区，水库淤积尤其严重。据苏联中亚地区41座灌溉及发电水库统计，坝高6m以下的灌溉用水库，淤满年限为1～3年，坝高7～30m的发电、灌溉用水库，淤满年限为3～13年。据1960年统计，阿尔及利亚的大型水库库容损失率（年淤积量比总库容）约为1.2%，中型水库（库容1000万～5000万m3）库容损失率为1.8%。据1969年统计，印度大于10亿m3库容的水库共21座，总蓄水量为1260亿m3，库容损失率平均为0.5%～1.0%，有的达到2.0%。
我国历史上主要发展堰塘和灌溉引水，兴建大中型水库的历史较短，除东北少数水库外，新中国成立以前基本是空白。由于我国黄河流域和北方一些河流含沙量很高，水库淤积颇为严重。特别是20世纪50年代和60年代初期建设运行的水库，由于缺乏控制淤积的经验，水库淤积尤其严重。如1974年山西对全省43座大中型水库进行统计，水库总库容已经损失31.5%，平均每年损失5000万m3。据陕西省1973年统计，全省100万m3以上库容的192座水库中，已损失31.6%，其中1970年以前建成的120座水库其库容已损失53.3%，有43座水库完全淤满。
2）水库淤积引起的问题。水库淤积不仅会明显影响其效益的发挥，而且还会产生一些新的问题。主要有坝前泥沙问题，即泥沙淤积对船闸、引航道、水轮机进口、渠道引水口和鱼道等坝前建筑物造成影响。淤积上延引起淹没与浸没，影响水库和河道管理的安全。淤积导致水库兴利库容和防洪库容不断损失，降低供水和洪水调节能力。水库下游河道泥沙平衡被打破，发生冲淤变化和重新调整，甚至改变下游河流与之相连的湖泊间的水力关系和生态平衡。河口泥沙来源减少造成海岸线侵蚀。吸附大量污染物质的悬移质泥沙淤积在水库极可能加重水库水体污染。
3）水库淤积的控制对策。广泛地说，水库淤积的控制对策分为三个方面，即流域来沙治理、上游梯级水库来沙调节以及水库排沙调度。流域来沙治理属于水土保持范畴，且流域水土保持减少来沙的速度较慢。而上游梯级水库自然拦沙，效果明显，但是如与本级水库联合调沙，关系十分复杂。减少水库淤积的方法可以分为利用拦沙坝、排沙旁路、山区治理和挖掘、疏浚以及水库排沙等，包括抑制流域整体的泥沙产生和流出方法、向水库下游排沙的方法以及挖掘或疏浚泥沙的方法等。
另外，根据在水库中的相对位置，也可以将水库淤积的控制对策分为：①在水库上游流域采取措施，包括绿化、流域管理、水土保持、建设拦沙坝等。很多国家采取的流域管理措施是抑制水库淤积的最有效方法，但效益和费用比较低，超出一般企业的负担能力，必须有政府和广大受益群体共同参与，实行具有流域整体性的综合流域管理和泥沙管理措施。②设置排沙旁路等在水库末端采取措施防止泥沙流入库区。③采取挖掘、疏浚、库内转移等水库内措施。库内措施目前技术上是可行的，但成本高，弃土场难以寻找，必须考虑对自然环境的影响而进行多方面的综合规划。④在坝体设置放水和冲沙闸等，是将水库泥沙排泄到水库下游的主要方法。
2.2.2 水库泥沙运动方式
进入水库的泥沙一般以推移质、悬移质和异重流等三种方式在库区内运动。推移质运动是指进入库区的卵石或沙质推移质以沿着河床表面滚动、滑动或跳跃的方式向下游运动，具有随机性和间歇性特点，运动速度远小于水流运动速度。悬移质运动是指悬浮在水流中泥沙颗粒随水流向下游运动的输移方式。悬移质泥沙颗粒运动速度等于或略小于水流速度。异重流运动是指由于挟沙水流与清水之间的密度差而引起的一种特殊的泥沙运动方式。
在河流上修建水库，初期由于挡水建筑物壅高了水位，形成壅水曲线，水深沿程加大，水流流速减小，挟沙能力减弱，水库发生淤积。在壅水流态情况下，有三种不同的输沙特征。
1）如果浑水进入壅水段后，泥沙扩散到水流的伞断面，过水断面各处均具有一定的流速和含沙量，这种输沙就是壅水明流输沙流态。
2）如果入库来水含沙量较高，细颗粒又多，进入壅水段以后，浑水可能不与壅水段中的相对清水混掺扩散，而是潜入到相对清水的下面，沿库底向下游继续运动。有的一直运行到坝前，如有下泄条件可排出库外，这种输沙流态就是异重流输沙流态。
3）当异重流行进到坝前不能排出库外，或不能完全排出库外，则异重流浑水将滞蓄在坝前相对清水库面以下，形成一个浑水水库。
相比较而言，三种输沙流态中，异重流输沙流态的输沙效果较好。
2.2.3 水库排沙方式
国内外许多水库相继开展了水库排沙，以维持有效库容、延长水库寿命。水库排沙一般分为水力排沙和机械清淤两种。水力排沙是经济、高效的排沙方法，又可以分为水库排空排沙、异重流排沙和浑水排沙等。机械清淤的方法有挖掘、疏浚和库区内转移等。
（1）水力排沙。
1）异重流排沙。水库异重流排沙的特点是开始时出库水流含沙量大，排沙效率较高，但持续一段时间洪峰过后，出库水流含沙量就会逐渐下降，排沙效率也随之降低。为提高异重流排沙效率，当异重流到达坝前时，应及时开闸，并加大出库泄量，洪峰降落后则应逐渐关闸减少出库泄量。根据一些水库的经验，异重流到达坝前时能否及时打开底孔，对异重流排沙效率影响很大。如果底孔提前打开，出库水流含沙量低，会造成水资源的浪费；如果底孔打开较迟，异重流在坝前就会受阻扩散，在水库下层形成浑水体，这部分浑水体若不能及时排走，泥沙就会落淤在坝前。由于异重流排沙不需要降低库水位，而且排沙效率高、成本低，所以国内外一些有条件的水库在汛期都尽可能地来利用异重流排沙，并研究如何进一步利用异重流提高排沙效率。
另外，异重流排沙的效果，因水库长短、形状、库底坡降、来水来沙量的大小、水库运行水位以及坝前泄流设施高程和调度情况而异。随着情况不同，排沙比会有很大变化。一般来说，当泄流设施开启恰当时，若库底坡降大，壅水长度短，水库为河道型或峡谷型，流量大，含沙量高，洪峰持续时间长，则排沙效率高，反之排沙效率低。库底坡降是所有因素中最关键的，即排沙比与库底坡降关系密切。但库底坡降除影响流速大小外，还间接反映在其他因素的大小上，例如坡降大，常常意味着库区长度较短等。
2）蓄清排浑。是指水库在汛期含沙量较高时降低水位运用或泄空水库，尽量将泥沙排出库外，以减轻水库淤积；非汛期含沙量较低时，则拦蓄径流，蓄水兴利。这种运用方式的特点是能够对水沙进行综合调节，既能调节径流，又能集中排出非汛期淤积的泥沙，大大延长了水库使用寿命。“蓄清排浑”运用方式可以灵活多样，但它们明显的标志是都具有排沙期。排沙期起止日期及长短根据各水库具体情况而定，各不相同。通过排沙，力争使水库在年内或一定时期内冲淤达到基本平衡，以便长期保持一定的有效库容。我国多沙河流水库目前已广泛采用“蓄清排浑”运用方式。根据排沙期泥沙调节的不同形式，“蓄清排浑”运用方式主要有以下几种基本形式。
a.空库迎洪运用。水库在汛期某段时间内保持空库迎洪，并利用泄空过程中坝前水位降落所引起的溯源冲刷和沿程冲刷，加大排沙力度，把前期淤积在河槽的泥沙排出库外。因此，利用汛期空库迎洪运用方式往往能得到较好的排沙效果。空库持续时间即为排沙期。空库期间，洪水穿库而过，水库对洪水仅起缓滞作用。当然，这种空库迎洪的运用方式不是所有的水库都能采取的，这种运用方式只适用于以灌溉为主的中小型水库，因为汛期多雨季节，农作物经常停灌，利用停灌期泄空水库，对灌溉影响也不太大。我国北方许多以灌溉为主的中小型水库多采用此种运用方式。另外还可结合水库放空，考虑对排出的泥沙加以利用，如引洪淤灌、淤滩造地等。
b.汛期低水位运用。水库在整个汛期降低水位控制运用，汛后恢复正常蓄水位运用。这种运用方式的排沙期为整个汛期，当汛期洪水入库后，由于库水位较低，库内水流仍具有一定的流速，能够将本次洪水携带的泥沙和前期淤积的泥沙排出库外。汛期运用水位越低，则排沙效果越好，但库水位的降低还受到各种兴利用水要求的制约。对于综合利用水库，汛期低水位的选择，不仅要考虑排沙要求，而且要考虑兴利用水要求，如发电要求保持一定的水头，灌溉引水要求一定的水位等。汛期降低水位运用会损失一部分水头和水量，造成一定的经济效益损失，但这种运用方式适用性较强，大、中、小型水库均可运用。
c.汛期控制蓄洪运用。水库在汛期仍保持正常蓄水位运用，以提高水库兴利效益，当出现含沙量较高的入库洪水时，才相机降低库水位排沙。对于调节能力低、泄流规模大、汛期来沙主要集中于几场较大洪水的水库，特别对有水沙预报条件的水库，采用这种运用方式是非常有利的。如黄河青铜峡水库1972—1976年间采取汛期低水位运行方式：非汛期库水位为1156m，汛期库水位降低至1154m运行。为了利用汛期富余水量多发电，自1977年开始转入汛期控制蓄洪运用方式，即库水位常年运行在1156m，仅在上游来较大的洪水和沙量时相机降低库水位进行排沙，另外在汛末放空水库集中拉沙。
3）浑水水库排沙。当异重流运动到坝前，泄流排沙底孔未能及时打开，或入库洪水流量超过出库洪水流量时，就会在水库清水的下层形成浑水体，这部分浑水体称为浑水水库。由于浑水中的泥沙沉速较小，浑水水库可以维持较长一段时间。若抓住此有利时机，打开泄流排沙底孔可将下层含沙量较高的浑水排出水库，这种排沙方式称为浑水水库排沙。
4）敞泄排沙。对于某些允许泄空的水库，可以在汛期将水库泄空，利用水库泄空时产生的沿程冲刷和溯源冲刷将库内淤沙冲出。敞泄排沙绝大部分是在洪水期间进行，所以又称为行洪排沙。在水库泄空过程中，回水末端将逐渐向坝前移动，因而原来淤积的泥沙也将因回水的下移而发生冲刷，特别是在水库泄空的最后阶段突然加大泄量，冲刷效果将更加显著。
（2）机械清淤。
1）挖掘。挖掘是指在岸边利用挖掘机械将淤积在库区的泥沙挖出来转移到库外的方法，是一种较为常见的水库清淤方法。在挖掘泥沙时，需在一定期间内降低水位，使作业场所处于干燥状态，所以挖掘清淤方法的适用范围受到限制，但与其他方法相比，仍具有高效和经济等优点。
2）疏浚。疏浚是指使用泵式疏浚船或抓斗疏浚船等，采集淤积在水下的泥沙，将其搬运到库外的清淤方法。一般情况下，泵式疏浚船用于淤积泥沙颗粒较小的情况，而抓斗疏浚船用于比粉砂多的泥沙。因此，必须根据淤积泥沙颗粒大小选择合适的疏浚机械。
挖泥船是集土方挖掘施工各个工艺环节于一身的施工机械。根据工作原理和输送方式，挖泥船可分为机械式和水力式两大类。机械式挖泥船又可分为链斗式、抓斗式、铲斗式、轮斗式等。水力式挖泥船主要分为吸扬式、铰吸式。
机械式挖泥船一般适用于水深较浅水库清淤。水力式挖泥船适用于水深较大的水库清淤，如现有的铰吸式挖泥船最大挖深可达150～200m。利用挖泥船清除库内淤沙，不影响水库正常运用，且机动灵活，可清除库内任何部位泥沙。
疏浚船所采集的泥沙，换装到泥沙运输船中，或者将用泥浆泵输送到水库岸边的堆沙场，再用翻斗车将其运输到指定的处理场。采用疏浚方式采集库区泥沙，不必像陆地挖掘方式那样需要调节水库水位，施工期间不受限制，但需要动用大型机械设备，一般比陆地挖掘的成本高。同时疏浚时易产生水体混沌等环境问题。近年来，随着施工技术和机械设备的进步，疏浚工程的单价逐渐降低，同时又可进一步资源化利用疏浚泥沙，因而疏浚作为排沙措施的可能性正在上升。
3）虹吸清淤。在水库库区与泄流排沙底孔之间架设一条虹吸管道，利用虹吸原理，将库内淤沙通过管道排出水库。
4）气力泵清淤。气力泵是一种以压缩空气为动力的清淤装置，主要组成部分包括气力泵、空气分配器、空气压缩机。辅助部件包括悬吊系统、移船系统、操作室、输泥管道等。利用气力泵清淤时，先将泵体下落到泥沙淤积面，开动泵体下部铰刀，在泵体周围产生高浓度泥浆，在库水压力作用下，泥浆被压入泵体，然后将压缩空气送入泵体，使泥浆通过与泵体连接的管道输送到指定地点。
5）库内转移。泥沙库区内转移，是针对水库上游淤积的泥沙，在低水位时期利用水流的夹沙作用力，或利用泵、疏浚船等机械力来人为地将其转移到水库死水位以下的库区内的方法。因为不必将泥沙运到水库外，不需要建设堆沙场，对周围环境没有影响。当死水位以下的库容有富裕时，比较容易确保水库的有效库容。