第1章　绪论

1.1　研究背景及意义

1.1.1　研究背景

我国是一个水资源相对缺乏的国家，随着人口增多，人类对水资源的索取越来越多，同时对水资源的污染、浪费也越来越多，如何充分、合理地开发利用有限的水资源是关系到国民经济可持续发展的一个迫切问题。大江大河一直是人类繁衍生息、赖以生存的场所，也是陆地淡水资源的主要来源地及水资源开发的主要位置，但是，近年来，我国大江大河水资源紧缺问题日益突出，黄河水断流天数逐年增加（崔树兵，1997；庞进，2001），2001年长江主汛期水位较正常年份偏低，出现近几十年罕见的枯水位，给长江航运、水利工程及两岸抗旱带来不利影响。如何采取多种途径，缓解水资源短缺已成为人们关注的焦点（裘苗根，2000）。

同时，我国水资源的时空分布上有南多北少、汛多枯少的特点，这种情况造成水资源的利用率严重不足，大量的水资源白白浪费。洪水径流集中发生在汛期，往往造成洪涝灾害。

水库的修建，是改变水资源时空分布不均的有效手段，是减少洪涝灾害、充分开发利用水资源系统的重要组成部分。新中国成立以来，我国在大江大河及其支流上修建了大量水库。这对保障人民生命财产安全，促进社会经济发展起到了极为重要的作用。据统计，截至1975年年底，全国已建库容10万m3以上的水库73651座（不包括台湾），总库容达3624亿m3（陕西省水利科学研究所河渠研究室等，1979）。截至1979年年底，10万m3以上的水库总数达86000多座（水利部西北水利科学研究所等，1983）。2002年，世界上在建60m以上大坝中，中国占约1/4（贾金生等，2004）。可见现阶段我国水电开发速度是较快的。然而，发达国家水电平均开发程度在60%以上，目前我国水电开发约为17%左右，潜力还很大。

水库的修建打破河流本身已有的冲淤平衡，必然引起库区泥沙的淤积。在全球范围，每年泥沙淤积所引起的水库库容损失率接近1%，相当于500亿m3的年库容损失率（Mahmood K，1987）。美国年平均库容损失率约0.22%，津巴布韦超过0.5%，摩洛哥约为0.7%，土耳其约为1.2%（Morris and Fan，1997）。其他国家或多或少都存在水库泥沙淤积问题。

我国许多河流都富含泥沙（戴定中，1991）。新中国成立初期，在这些富含泥沙的河流上兴建的一批水库，由于对淤积问题认识不足和缺乏可供参考的现成经验，泥沙淤积及产生的问题非常严重，主要表现在淤积数量大，淤积速度快。陕西省1973年统计库容在100万m3以上水库192座，总库容15亿m3，已被泥沙淤积4.7亿m3，占总库容的31.6%，其中43座水库已完全淤满，比较严重的延安和榆林地区，损失库容竟占总库容的88.6%和74.6%（程永华，1983）。表1.1列出了我国部分水库淤积情况。可见，无论大、中、小水库，淤积速度都非常惊人。

水库淤积不仅直接影响水库效益的发挥，还会产生一系列危害（中国水利学会泥沙专业委员会，1989），主要表现在以下方面：①淤积使水库兴利库容和防洪库容减少，导致水库综合效益降低甚至丧失；②淤积和回水上延，可能会造成城市、工厂、农田以及交通干线、旅游景点、历史文物等的淹没；③变动回水区的冲淤对航道有所影响，其中个别浅滩可能在短时期内有所恶化，此外，变动回水区中下段的边滩淤积可能对港口和船舶停靠不利；④坝前建筑物的泥沙问题，如船闸和引航道淤积、水轮机进口及渠道引水口进沙等；⑤坝下游河床冲刷及变形，对防洪、航运、两岸引水等均有一定影响；⑥对调节系数较大的水库，淤积在一定程度上可能加剧水库水质污染等。

此外，根据钱宁等（1987）的研究，尚有由于淤积推进粗颗粒泥沙对水轮机的磨损；由于水中悬移质泥沙增多，改变了水中溶解氧含量，可能会对生物正常生长不利；淤积上延增加上游地区淹没范围，加重洪灾损失和引起土地盐碱化等。陕西省乾陵水库在1970年8月的一场洪水中，因没有及时开闸泄流排沙，致使进水压力洞被堵死（徐国宾，1994）。碧口水库1995年也曾发生排沙洞被淤堵的事件（于广林，1999）。据Morris（1997）介绍，苏丹的Khasm水库由于泥沙淤积，位于库区的某取水口被堵死。永定河官厅水库淤积末端向上延伸近10km，造成当地地下水位抬高3～4m，使两岸盐碱地面积扩大14倍（姜乃森等，1997）。官厅水库的淤积造成水库防洪标准降低、供水缺乏保证、库周淹没损失逐年扩大等一系列问题（胡春宏等，2004）。另外，黄河上修建水库甚至加剧了河道断流（潘鸿雷等，2003）。

由此可见水库泥沙淤积问题的严重性。随着水资源的开发利用、大量水库的建设，水库泥沙以及泥沙淤积问题逐渐突出，尤其是一些多沙河流上修建的水库，淤积速率相当惊人，严重威胁水库综合效益的发挥，缩短水库的使用寿命，加速水库报废，水库泥沙问题越来越引起人们的关注和重视，成为水库建设和管理运用中一个不可忽视的重要问题。

水库淤积严重影响水库功能的发挥，也缩短了水库的寿命。水库淤积形态与水库调度密切相关，不同淤积形态情况下水库排沙情况、淤积部位及库容损失明显不同（韩其为，2003）。对于已建水库而言，水库运用方式是决定水库淤积最重要的因素。水库泥沙调度是目前我国泥沙淤积控制的主要手段（朱鉴远，1997）。

水库运用方式是多种多样的，大体上分为蓄洪运用、蓄清排浑运用、自由滞洪与控制缓洪运用、多库联合运用等，各种运用方式根据实际调度过程的差别还可以进一步细分（水库淤积，1979）。

由于运用方式选择的失误而引起水库淤积形态的变化，可能导致在仍有大量可淤库容的情况下水库防洪、发电、航运等大部分功能或全部功能丧失，提前结束水库的使用寿命，严重影响水库的综合效益。例如，泥沙在变动回水区大量淤积，将导致回水不断上延，可能引起上游地区淹没、浸没、盐碱化以及洪水位抬高、通航条件恶化等问题（陕西省水利科学研究所河渠研究室、清华大学水利工程系泥沙研究室，1979）；对库区有支流入汇的水库，不同形态的泥沙淤积可能造成支流河口淤堵，不仅减少了干流库区的防洪和兴利库容，而且相当于在支流河口建了一座拦河坝，使坝顶高程以下的支流库容不能起到调节作用而成为死库容，对水库综合效益造成巨大损失（胡春宏，2004）。我国众多大中型水库如三门峡、官厅等水库的初期运用中，注重对径流过程的调节，对泥沙淤积形态的调控考虑不足，造成了水库效益的重大损失，并给上游地区带来严重危害（陕西省水利科学研究所河渠研究室、清华大学水利工程系泥沙研究室，1979）。

科研人员在解决三门峡等淤积严重水库的问题的过程中（谭伟民等，1988；杨赉斐，1985；三门峡水利枢纽运用经验总结项目组，1994），在总结多沙河流水库运行经验的基础上提出了“蓄清排浑”的水库运用方式。蓄清排浑是指水库在来沙较多的汛期降低水位排沙，在汛末来沙较少时蓄水兴利的运用模式。实践证明，这是处理水库泥沙问题的有效调度模式（水利部西北水利科学研究所等，1983）。黑松林水库采用不同运用方式的淤积比较见表1.2。可见，在1963年洪峰流量比1961年小，入库水量也较少的条件下，采用蓄清排浑比蓄洪运用淤积量大大减少。三门峡水库从1973年采用蓄清排浑运用方式以来，潼关以下库区淤积量基本得到控制，330.00m高程以下槽库容部分得到恢复，如图1.1所示（程龙渊等，1999；Wang G Q et al.，2005）。同期其他水库如闹德海、红领巾、黑松林、直峪等水库在改为蓄清排浑运行方式以后，也都取得了较好的减淤效果（韩其为，2003）。部分水库不同运用方式淤积比较参见表1.3（陕西省水利科学研究所河渠研究室等，1979）。

以上资料显示，蓄清排浑是一种控制水库泥沙淤积、发挥水库长期效益的有效方式，是我国泥沙工作者在探索水库减淤调度中做出的重要贡献。

1.1.2　研究意义

近些年，我国设计建设的水库都吸取了已有水库的经验教训，充分考虑了调度方式对水库淤积的影响，如葛洲坝、丹江口等。三峡水库作为举世瞩目的特大型水利工程，在设计之初就把蓄清排浑减淤作为水库运用的基本方式。

多沙河流上修建水库，泥沙淤积是危及水库可持续利用的主要原因。在目前蓄清排浑运行方式下，水库淤积虽然能够得到相当程度的控制，但仍不能确保主要防洪和兴利库容的长期使用，对泥沙调度仍有相当大的优化空间和进一步减淤的必要性（童思陈，2006）。

水库调度方式关系到水库防洪、发电、航运等各个方面。其中，水库的淤积是制约水库兴利效益发挥的重要因素，包括水库的淤积形态、淤积时空分布及最终的淤积平衡。在上游来流一定的条件下，水库的调度方式对水库的淤积形态、淤积时空分布及最终的淤积平衡具有决定作用。

在三峡水库论证过程中，为了进一步兴利避害或者在无害的基础上尽可能兴利，众多学者结合防洪、发电、航运、生态等多方面因素对水库具体的运用过程进行了深入研究，提出了许多针对调度方式改进的方法，如双汛限、多汛限方案、汛后推迟落水、汛后提前蓄水等。这些调度方式的改变，必然对水库的淤积产生影响。

因此，面对现阶段水电开发的快速发展以及对水库效益最大限度发挥的迫切需要，研究水库调度方式与淤积发展关系的基本规律不仅对规划中水库调度方式的制定起到指导作用，而且对现有水库调度方式的优化具有重要的参考价值。