郜國明，談廣鳴，李 濤

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，湖北 武漢 430072；2.黃河水利科學(xué)研究院黃河小浪底研究中心，河南 鄭州 450003；3.水利部黃河泥沙重點實驗室，河南 鄭州 450003）

1 問題的提出

多沙河流水庫泥沙問題是水庫運用中的主要難題。水庫蓄水而必攔沙，從而帶來諸多問題。從全球范圍來看，水庫總庫容約7 000億m3，每年庫容損失占全水庫庫容的0.5%～1.0%。折合45億m3，相當(dāng)于每年需要130億美元造300座大水庫才能彌補庫容損失。據(jù)統(tǒng)計，我國七大江河的年輸沙量高達(dá)23億t［1］，中國在最近20年里，大多數(shù)水庫投入運用后損失了大約19.0%的庫容［2］。如長江三峽水庫自開始蓄水至2010年底，干流庫區(qū)共淤積泥沙11.68億t［3］。黃河小浪底自開始蓄水至2013年底，年均淤積泥沙約2.17億t［4］。

多沙河流水庫中常見的泥沙問題較多，富有代表性的有以下幾個方面：①庫容損失嚴(yán)重；②回水淤積影響上游的城鎮(zhèn)或村莊，支流口門攔門沙影響水庫運行；③壩前泥沙淤積影響泄水建筑物的使用；④泥沙淤積影響河道航運。本文主要從水庫淤積、水庫調(diào)度、水庫泥沙利用和水庫模擬研究等方面對前人研究成果進(jìn)行分析，對黃河水庫泥沙研究提出認(rèn)識和展望。

2 多沙河流水庫泥沙問題現(xiàn)狀

2.1 水庫淤積

自J.C.Steven［5］于1934年在 ASCE 上發(fā)表文章提出“泥沙問題研究 （the Silt problem）”，代表了水庫泥沙研究的開始。1950年，Einstein經(jīng)典論文 《明渠水流泥沙輸移的推移質(zhì)作用》，給研究者提供了一個完整的預(yù)測沖積河流床面顆粒運動的理論方法。水庫淤積研究包括水庫淤積和水庫沖刷研究。

2.1.1 水庫淤積研究

水庫淤積包括水庫淤積形態(tài)、壅水明流淤積、異重流淤積和渾水水庫淤積。①水庫懸移質(zhì)不平衡輸沙規(guī)律研究方面，以水庫懸移質(zhì)不平衡輸沙規(guī)律為主線進(jìn)行研究。文獻(xiàn) ［6］將這種求解的邊界條件歸納為6種。除張啟舜的成果外［7］，這些結(jié)果基本上未在水庫淤積中得到應(yīng)用。②一維不平衡輸沙方程研究方面，韓其為針對實際非均勻沙和非均勻流，通過積分二維擴(kuò)散方程得到了一維非均勻沙不平衡輸沙方程［8］，并與已得到的一維不平衡輸沙方程的結(jié)果完全一致［9］。在積分一維不平衡輸沙方程的成果方面還有王靜遠(yuǎn)、朱啟賢等的級數(shù)解［10］。韓其為、何明民［11］提出了挾沙能力級配及有效床沙級配的概念和詳細(xì)的表達(dá)式，這對非均勻沙的不平衡輸沙研究非常重要。后來，李義天等學(xué)者對挾沙能力級配概念表示認(rèn)同，但提出了較為簡單的表達(dá)式。對一維不平衡輸沙方程中的恢復(fù)飽和系數(shù)α的取值存在一些爭議［12］。

2.1.2 水庫異重流研究

水庫異重流是水庫淤積中的重要部分，對水庫異重流的潛入條件，韓其為認(rèn)為需要補充均勻流的條件，即潛入點的水深必須大于異重流正常水深，否則潛入不成功。張俊華針對水庫模型相似律的異重流相似條件開展了理論研究，并利用實體模型試驗檢驗［13］；王艷平針對紊流異重流阻力系數(shù)開展了理論計算并進(jìn)行了驗證［14］，馬懷寶、李書霞等在黃河調(diào)水調(diào)沙預(yù)案編制中開展了大量異重流排沙計算［15］，李濤等針對小浪底水庫潛入條件開展了理論探討［16］。許多文獻(xiàn)對于異重流排沙計算、異重流的倒灌及按勢流理論對異重流孔口排沙問題也進(jìn)行了研究。

2.1.3 水庫溯源沖刷研究

水庫沖刷形式包括以沿程沖刷為主與以溯源沖刷為主2種。溯源沖刷常發(fā)生在水庫泄空時的壩前以上河段或三角洲前坡以上河段。溯源沖刷主要有2種研究方法：①簡化河床變形方程方法，對挾沙能力方程和河床變形方程適當(dāng)簡化后，可將溯源沖刷的縱剖面方程化為二階常系數(shù)熱傳導(dǎo) （偏微分）方程。彭潤澤等、曹叔尤、巨江等在溯源沖刷機理研究方面也取得了一定的成果［17］。②構(gòu)造溯源沖刷縱剖面方法，在對沖刷縱剖面進(jìn)行假設(shè)的基礎(chǔ)上導(dǎo)出沖刷參數(shù)以求出沖刷量的變化等。國外美國斯坦福大學(xué)的Hsieh Wen Shen和Robert Janssen建立了沖刷寬度和流量之間的關(guān)系。此外在水庫排沙、減淤以及恢復(fù)庫容方面還有大量的研究成果［18］，其中對三門峽水庫的排沙研究最多。國外學(xué)者有代表性的是Brune和Churchill所做的工作［19］，后來大多數(shù)學(xué)者在此基礎(chǔ)上針對具體水庫開展了敏感因素分析［20］。

2.2 水庫調(diào)度

目前，多沙河流水庫調(diào)度主要涉及水庫減淤調(diào)度、水庫優(yōu)化調(diào)度、多沙河流水庫水沙聯(lián)合調(diào)度和水庫生態(tài)調(diào)度等問題。新近，國外在水庫優(yōu)化調(diào)度方法方面進(jìn)展較大，中國在水庫水沙聯(lián)合調(diào)度研究方面取得了較大進(jìn)展。

2.2.1 水庫減淤調(diào)度

①以往的減淤調(diào)度經(jīng)驗豐富。早期為農(nóng)業(yè)灌溉修建的水庫特點一是季節(jié)性蓄水，二是樞紐的泄流能力大。若水庫容積很大，入庫輸沙量相對較小，水庫可長期使用，如安徽芍陂水庫等；若水庫容積較小，入庫輸沙量相對較大，采用季節(jié)性、汛后蓄水，可解決泥沙淤積問題，如福建木蘭陂水庫、印度巴特加水庫等。②水庫調(diào)度影響庫區(qū)輸沙流態(tài)。水庫運用的結(jié)果是水位發(fā)生變動，如日調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)水庫，如長江魚子溪一級、二級水電站，南埡河三級水電站，黃河青銅峽水電站 （1976年10月以后）等。敞泄排沙的運行特點是水庫按徑流調(diào)度，尤適用于山區(qū)天然河道比降大的水庫，如山西恒山水庫 （年調(diào)節(jié)）每隔3～5a豐水期敞泄2個月。利用壩前高水位、挾沙渾水與清水存在密度差，以異重流的形式從水庫排沙。如我國黑松林水庫（庫長3km）、官廳水庫、三門峽、美國米德湖等。異重流排沙還得同其他泥沙調(diào)度方式相結(jié)合，方能達(dá)到排沙減淤目的。③ “蓄清排渾”運用方式。我國利用水庫淤積和排沙規(guī)律，摸索出了一套使水庫淤積大大減緩，甚至不再淤積的行之有效的運行模式，即 “蓄清排渾”。其中較典型的有對鬧德海、紅領(lǐng)巾、黑松林、直峪、恒山等水庫的研究。從20世紀(jì)60年代開始，唐日長、林一山、韓其為等從理論上闡述了水庫長期使用的原理和根據(jù)，為三峽、小浪底水庫的運用奠定了良好基礎(chǔ)。④多沙河流水庫群水沙聯(lián)合調(diào)度。現(xiàn)時期的水庫水沙調(diào)度則是積極主動地改變水庫的運行方式，通過水庫的調(diào)節(jié)作用，將不協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系調(diào)節(jié)成協(xié)調(diào)的水沙關(guān)系，同時，又利用最優(yōu)化原理來解決防洪、排沙和興利等多方面的矛盾。最新、最有代表性的當(dāng)屬黃河調(diào)水調(diào)沙生產(chǎn)實踐。

2.2.2 優(yōu)化調(diào)度

①單庫水庫優(yōu)化調(diào)度。水庫優(yōu)化調(diào)度的研究最早從20世紀(jì)40年代開始，近年來，對策論、存貯論、灰色理論等方法在水庫調(diào)度中得到了應(yīng)用。為適應(yīng)實際需要，多種優(yōu)化方法的組合模型也得到了較快的發(fā)展，并逐漸成為一種主流方向。②梯級水庫優(yōu)化調(diào)度。目前對于梯級水庫優(yōu)化調(diào)度的研究方法主要有確定性和隨機性2種方法，其中對水庫優(yōu)化調(diào)度的研究多采用確定性方法。在水庫中長期優(yōu)化調(diào)度中，以確定來水為依據(jù)，水庫初末狀態(tài)已知，多數(shù)以發(fā)電效益最大或發(fā)電量最大作為目標(biāo)函數(shù)。對于梯級水庫水沙聯(lián)合調(diào)節(jié)計算有概化的梯級水庫水沙聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究［21］、梯級水庫群水沙聯(lián)合調(diào)節(jié)計算［22］和黃河調(diào)水調(diào)沙過程中進(jìn)行的梯級水庫聯(lián)合運用研究［23］等。但由于水庫調(diào)度和泥沙沖淤計算是兩個性質(zhì)不同的系統(tǒng)，并且梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度和水庫泥沙淤積計算均具有各自的復(fù)雜性，所以很難將二者系統(tǒng)、緊密、有效的聯(lián)系起來。

2.2.3 水庫生態(tài)調(diào)度

近年來，“生態(tài)調(diào)度”在國內(nèi)學(xué)術(shù)界及水資源管理部門屢屢被提及，大致包括以下幾方面的內(nèi)容：大型水利工程的生態(tài)調(diào)度；水庫調(diào)度要保護(hù)河流流域生態(tài)系統(tǒng)健康；河流水質(zhì)的變化也是水庫調(diào)度必須要考慮的重要問題；水利工程調(diào)度的生態(tài)準(zhǔn)則是保證下游河道的最小生態(tài)環(huán)境需水量等［24］。

2.3 水庫泥沙處理與利用

人類對河流利用程度高，河流發(fā)生沖刷；人類對河流開發(fā)利用程度低，河流發(fā)生淤積［25］。泥沙在影響水庫使用壽命方面是一種災(zāi)害。而泥沙作為一種多元素、多成分的組合，又可以涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、置為材料、哺育萬物。從此角度來說，泥沙又是一種可以利用的資源。泥沙變“害”為 “用”，其中關(guān)鍵在于泥沙的處理方法。

2.3.1 泥沙處理技術(shù)

國外的水庫在設(shè)計階段大多未考慮設(shè)置排沙孔，在后期運用中采用機械清淤或者虹吸排沙等人工措施清除淤積，但隨著水庫使用年限延長，低含沙水庫上近年來旁通輸沙的處理技術(shù)正越來越多被世界各國采用。這類排沙技術(shù)的關(guān)鍵點在于上游攔沙堰的分沙效率和廊道的防磨蝕技術(shù)。如日本、瑞士、臺灣、美國、法國等國家或地區(qū)開展了大量的旁側(cè)隧道 （SBPT）排沙實例。法國CNR機構(gòu)針對Rhone河梯級水電站泥沙管理提出了保護(hù)河流環(huán)境生態(tài)平衡的環(huán)境友好型排沙的理念。

2.3.2 泥沙利用研究

多沙河流泥沙特點是數(shù)量多、顆粒細(xì)、吸附能力強，在河道整治、土壤改良、生態(tài)修復(fù)、置沙為料等方面，泥沙是一種資源。國外結(jié)合河道整治，將河中淤泥在灘面晾3～5d，可收集用來改良土壤。利用泥沙進(jìn)行的生態(tài)修復(fù)包括濕地過洪、掩埋或降低有毒土地毒性，以河口 “喂”沙的形式防止岸線侵蝕等。①在基礎(chǔ)研究方面，中國水利水電科學(xué)研究院開展了流域泥沙配置關(guān)鍵技術(shù)研究，給出了泥沙資源的最優(yōu)配置方案。黃科院開展了射流沖吸式排沙與庫區(qū)自吸式管道排沙技術(shù)可行性研究、水下淤沙采樣及探測技術(shù)研究等，支撐了水沙運動規(guī)律、優(yōu)化水沙搭配等相關(guān)研究。②在泥沙資源利用實踐方面，黃河水利科學(xué)研究院已開展了黃河泥沙資源化利用前景預(yù)測及管理政策研究、利用黃河泥沙制作人工防汛石料關(guān)鍵技術(shù)研究、機械化搶險替代材料應(yīng)急試驗研究等工作，同時還在利用黃河泥沙制造砌筑材料、保溫材料、裝飾材料、耐火材料、防汛材料和工業(yè)原材料等方面進(jìn)行了廣泛的探索。

2.4 水庫模擬

多沙水庫泥沙模擬技術(shù)是研究水庫泥沙運動的重要手段之一，主要包括水槽試驗、實體模型試驗和泥沙數(shù)學(xué)模型。它們既相互獨立，又相輔相成。前兩者可為數(shù)學(xué)模型提供物理參數(shù)，而后者可為前兩者提供方案比選等技術(shù)支撐。

2.4.1 水槽試驗研究

針對異重流、溯源沖刷等開展基礎(chǔ)實驗，研究不同的水力與邊界因子對水庫沖淤、水沙輸移規(guī)律的敏感程度。從水槽外型上劃分為順直型水槽和順直型水槽附加局部障礙，從水槽功能上可劃分為明流水槽和異重流水槽，從約束方向上有橫向可變寬和縱比降可調(diào)整的水槽。水槽千差萬別的精細(xì)設(shè)計是為概化水流，以減小次要因素的影響，獲得更為客觀的試驗成果。如溯源沖刷研究方面，彭潤澤、韓其為、李昆鵬等利用水槽試驗結(jié)合理論推導(dǎo)，給出了預(yù)測方法。國內(nèi)外學(xué)者利用水槽研究異重流的水力學(xué)特性，并研究了異重流的運動機理。水槽試驗分為順直無障礙和加障礙2類，第1類為順直無障礙水槽試驗。范家驊、Savage、Simpson、Parker、Lee、Bahar 等［26］、 張 小 峰等［27］開展了水槽異重流試驗研究了局部摻混、頭部流速、潛入條件、縱向運動速度修正系數(shù)等，其中未考慮阻力損失。第2類為局部加障礙水槽試驗。Johnson、Bournet、李濤等［28］開展了局部河寬變化段異重流水槽試驗研究，但未考慮底床形態(tài)變化對異重流的影響。陳嬡嬡等［29］開展了溫差分層水庫異重流試驗，利用順直水槽中放置有機玻璃隔板來模擬香溪河與長江干流的交匯，忽略了分流處的局部阻力，一定程度上影響了成果的精度。

2.4.2 物理模型試驗研究

實體模型技術(shù)的關(guān)鍵點是模型相似理論的建立。20世紀(jì)50年代初期，我國從前蘇聯(lián)引入方程分析法和愛因斯坦模型相似律。近年，張俊華等［30］針對多沙河流水庫的特點，提出了適合小浪底水庫的模型相似和異重流相似條件，并利用小浪底水庫模型，預(yù)測了小浪底水庫攔沙初期、后期庫區(qū)水沙運動規(guī)律，河床縱橫剖面形態(tài)變化，庫容變化，異重流的形成和運動以及支流口門攔門沙的形成過程［31］。

2.4.3 數(shù)學(xué)模型研究

隨著計算機技術(shù)的日新月異，數(shù)學(xué)模型研究手段的便捷性體現(xiàn)得更為突出。在異重流研究方面，Kassem和Lmran運用立面二維Navier－Stokes模型模擬了實驗室水槽異重流和加拿大Saguenay峽灣發(fā)生的異重流運動；De Cesare等使用三維Navier－Stokes模型模擬了瑞士Alps山上的Luzzone水庫異重流運動。在水庫淤積模擬方面，M.Frenette和J.C.Souriac依據(jù)實測資料從數(shù)學(xué)模型出發(fā)計算了海地Peligre水庫的淤積發(fā)展；Souza eta［32］對巴西水庫淤積形態(tài)進(jìn)行了研究。近年來，三維水流模型的計算已比較成熟［33］，但還未得到普遍應(yīng)用。水庫泥沙三維數(shù)值模擬主要針對壩區(qū)泥沙運動的研究［34］。隨著并行計算的深入，利用MPI消息傳遞實現(xiàn)小浪底水庫三維數(shù)學(xué)模型的并行編程，極大地縮短了計算時間，提高了計算準(zhǔn)確度［35］。

3 黃河水庫研究展望

隨著黃河水沙調(diào)控體系的逐步完善，水庫不同的運用階段面臨的問題也有所區(qū)別。小浪底水庫攔沙期即將結(jié)束，面臨水庫相機降水沖刷、恢復(fù)部分?jǐn)r沙庫容的任務(wù)，庫區(qū)部分支流溝口出現(xiàn)攔門沙，導(dǎo)致水庫有效庫容控制受到限制。而擬建的古賢水庫位于黃河北干流多沙粗沙來源區(qū)，沿程有眾多高含沙支流入?yún)R。復(fù)雜的干支流水沙組合與邊界條件，決定了庫區(qū)水沙輸移規(guī)律與干支流淤積形態(tài)變化過程的多樣性、隨機性與復(fù)雜性。因此，急需結(jié)合水庫泥沙問題，拓寬研究思路，為黃河健康生命維持提供技術(shù)支撐。

3.1 水庫淤積

水庫淤積的研究涉及復(fù)雜邊界條件下水庫異重流輸移規(guī)律、水庫溯源沖刷水動力學(xué)規(guī)律、干支流高含沙洪水互為倒灌與疊加效應(yīng)等。

3.2 水庫調(diào)度

水庫泥淤積問題是多沙河流水庫的核心問題。水庫優(yōu)化調(diào)度取得更多效益的同時，也帶來較大決策風(fēng)險，在目前研究水平下，水庫生態(tài)調(diào)度、水沙電等綜合調(diào)度方法還缺乏應(yīng)用基礎(chǔ)。水庫優(yōu)化調(diào)度主要研究內(nèi)容包括水沙調(diào)控理論研究、小浪底水庫攔沙后期汛限水位調(diào)整研究、小浪底與西霞院水庫水沙電綜合調(diào)度研究、考慮生態(tài)調(diào)度的小浪底水庫運用研究、基于空間數(shù)據(jù)的決策支持系統(tǒng)研究等。

3.3 水庫泥沙處理與利用

“水少沙多，水沙關(guān)系不協(xié)調(diào)”仍將是困擾治黃工作的核心問題，未來長期內(nèi)黃河下游的淤積抬升趨勢不會發(fā)生根本改變。另一方面，泥沙流失的是珍貴的土地資源。主要開展黃河泥沙處理利用專項規(guī)劃編制及專題研究、泥沙利用技術(shù)研究等。

3.4 水庫模擬

依托黃河泥沙重點實驗建設(shè)，充分利用變坡水槽、河寬變化水槽和含支流水槽開展基礎(chǔ)研究；繼續(xù)開展多沙河流水庫模型相似律研究，透析變態(tài)模型帶來的不確定性和誤差，提高實體模型模擬精度；開展實體模型局部庫段的概化試驗研究，提高實體模型模擬技術(shù)水平。在已有小浪底水庫一維水動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，完善溯源沖刷、支流異重流倒灌和異重流演進(jìn)模塊，提高小浪底水庫模擬精度，不斷擴(kuò)展小浪底水庫三維數(shù)學(xué)模型模擬范圍，提高模擬精度。

4 結(jié) 語

通過對水庫淤積、水庫調(diào)度、水庫泥沙處理與利用和水庫模擬等方面的分析，認(rèn)識到多沙河流水庫泥沙研究難點，對黃河水庫研究提出了粗淺的展望，為未來的研究拓寬了視野。

（1）水庫淤積研究方面。已有水庫淤積研究在實踐中取得了較大成果，但水庫水沙運動規(guī)律特別復(fù)雜，尤其是水庫利用溯源沖刷恢復(fù)庫容，在一定條件下利用異重流高效排沙等水庫基本運動規(guī)律需要進(jìn)一步深化。

（2）水庫調(diào)度方面。水庫洪水資源化在實踐當(dāng)中運用多以單庫為主，而從流域整體水資源綜合利用出發(fā)，梯級水庫聯(lián)調(diào)對提高水庫綜合利用效益更勝一籌，但其還存在不少問題：①對多目標(biāo)、多因素重視和研究不夠；②未充分考慮主觀人為因素；③新的風(fēng)險分析理論和方法應(yīng)用不多。

（3）水庫泥沙處理與利用方面。水庫泥沙沿程分選，近壩段蓄水深度大，泥沙顆粒細(xì)，不容易進(jìn)行泥沙輸送，流域內(nèi)泥沙數(shù)量特別巨大，泥沙利用率不盡如人意，需要尋找能夠大量消耗泥沙資源的高效用沙手段，以滿足河道其它功能的實現(xiàn)。

（4）水庫模擬研究方面。實體模型試驗研究可視性強，但成本高、投資大，一般作為推薦方案驗證。水槽試驗手段較之方便，可靈活地針對有關(guān)因素進(jìn)行單因子分析，獲得定性或定量結(jié)果。數(shù)值模擬優(yōu)點是成本低、計算速度高。三者有機結(jié)合是未來科技發(fā)展方向。

因此，在多沙河流水庫泥沙問題處理中，采用實測資料分析、實體模型試驗、水槽試驗和數(shù)值模擬等手段，深入研究水庫泥沙運動輸移規(guī)律，重點是溯源沖刷和異重流輸移規(guī)律，在摸清水庫淤積規(guī)律基礎(chǔ)上，開展水庫優(yōu)化調(diào)度研究，重點開展單庫水沙耦合優(yōu)化調(diào)度研究、梯級水庫群綜合調(diào)度研究，同時結(jié)合泥沙處理利用措施，減少水庫淤積，延長水庫使用壽命，為多沙河流水沙資源綜合效益發(fā)揮服務(wù)。

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