1.2　研究现状

1.2.1　水库泥沙研究的发展过程及处理措施

水库泥沙的研究是在实际过程中不断得到认识和发展的。从20世纪50年代初仅估算死库容淤满年限（Шамов，1954；Гончаров，1962；），到后来认识到水库呈三角洲、锥体、带状等淤积形态，用三角洲法和平衡比降法进行水库冲淤计算（姜乃森，1963；张威，1964）。20世纪70年代以来，先后建立了饱和、非饱和输沙计算法（韩其为，1980），在分析实测资料的基础上，建立了水库泥沙冲淤过程的物理图形和计算方法（张启舜，1982）。20世纪80年代以后，随着人们认识水平的提高和计算机的发展，水沙数学模型成为研究水流泥沙运动及河床演变的有力工具，并越来越得到广泛应用。

对水库泥沙的处理措施也是伴随着人们对水库泥沙运动规律的认识不断完善的。从20世纪50年代初以拦为主采取预留死库容或堆沙库容的办法，到20世纪60年代以后以排为主，即将泥沙往下淤，尽量使泥沙淤积在死库容，以确保水库的兴利库容，延长水库使用寿命。针对河流来水、来沙特点及水流、泥沙运动规律，已总结出自由滞洪、拦蓄洪水、蓄清排浑等不同类型水库的调水、调沙方式，取得了大量的研究、观测成果和一定的成功经验。

1.2.2　水库泥沙研究的主要途径

研究水库冲淤问题，常常采用三种途径：与类似水库的原型资料对比分析、水库冲淤计算及物理模型试验（中国水利学会泥沙专业委员会，1989）。对具体水库冲淤的研究，大部分都是预报性质的，即解答在规划设计阶段或运用阶段的问题，因此，第一种研究途径适合于对研究问题得出一些基本概念性的认识和规律（关系），物理模型试验多用于研究重要水库重点库段的冲淤情况，而水库冲淤计算是目前预报水库淤积特别是全水库淤积的一种有效方法，常用于大型的规划设计。

1.类比分析法

与类似水库的原型资料对比分析，亦称为类比分析法，是根据河段实测地形和水文、泥沙资料进行河床演变分析，掌握河床演变的规律及其影响因素，从而推断本河段或相邻河段可能发生的冲淤变化。对于正在规划设计中的水库，在不可能获得实测资料的情况下，对与其类似水库的泥沙淤积情况进行调查和分析，找到一些规律性的东西，不失为一种比较理想的方法。如在研究三峡水库变动回水区航道问题时，韩其为（1986）通过对新安江、西津、黄龙滩以及丹江口四个水库泥沙淤积、回水末端、河势及变动回水区航道内出现和存在问题的调查研究，分析了水库建成后变动回水区的航道问题及其成因，并根据三峡水库的特点，对三峡水库变动回水区航道问题进行了估计。

2.水库冲淤计算

水库泥沙冲淤计算方法中，有水文学和水力学两种不同的计算途径。

（1）水文学方法，亦称为统计法。它是以大量实测资料为基础，找出水库泥沙冲淤规律，在此基础上，针对水库的具体运用条件，运用数理统计方法，建立适用于该水库冲淤计算的经验关系式和分析计算方法，以预报该水库的冲淤发展。这种方法是针对生产上的实际需要而建立的，将各种冲淤现象的数量和部位等按各自总结的方法，分别进行计算或确定。这种方法一般用于计算短时段，如一次洪峰或一个汛期的淤积情况。近年来，为制定我国多沙河流上淤积严重的滞洪排沙水库的调度计算方法，需要预知一场洪峰过程的冲淤情况，常常采用这种方法。如张启舜（1982）根据国内外各种水库资料，建立了壅水情况下水库排沙比η与壅水程度（以水库库容V与出流量Q之比为衡量指标）的经验关系式，即η＝－Alg＋B（式中A、B为常数），并将其成功地应用于三门峡水库的壅水淤积计算。陕西省水利科学研究所、清华大学（1979）通过对黑松林、红领巾、直峪等中小型水库一场洪水中排沙比与排水比的统计，建立了水库排沙比η与排水比ηw的经验关系式。值得注意的是，由于该方法缺乏一定的物理基础，不能深入揭示过程的内在机制，其结果是通过对大量实测资料进行统计分析的基础上得出的泥沙冲淤关系，这使得其应用性受到一定限制。在将经验关系从一个水库应用到另一个水库时，应根据实际情况，修改其中若干参数。对于设计中的水库缺乏其自身测量资料时，该方法并不适用。

（2）水力学方法，亦称为解析法。它是以水流、泥沙运动力学和河床演变基本规律为基础，由质量守恒定律和动量守恒定律建立有关的方程式，再按边界条件和起始条件，求方程式数值解的途径。早在20世纪50年代初期，苏联罗辛斯基和库兹明已广泛运用一维数学模型对大型水库的泥沙冲淤进行了长时期和长距离的河床变形计算（Леви，1984），我国也于20世纪50年代后期运用一维数学模型进行水库淤积计算（水利水电科学研究院，1959）。近40年，随着计算机和计算方法的发展，泥沙数学模型也得到迅速发展。由于该方法可以将各种冲淤现象的数量和部位结合在一起，并考虑了泥沙冲淤的物理基础，能够比较深入地揭示泥沙冲淤过程的内在机理，尽管模型中需要确定一些待定参数，仍在实际中得到广泛应用。由于水库冲淤过程属于典型的不平衡输沙，要比较合理地模拟水库冲淤，计算模式必须基于不平衡输沙理论。为此，水库悬移质不平衡输沙的研究得到重视并取得较多成果（韩其为，1979，1980）。不平衡输沙理论在此后的水库冲淤计算中得到广泛应用，发展出一大批水库一维泥沙数学模型。目前在长河段、长时段的库区泥沙冲淤计算中应用较多的是理论比较成熟、应用范围比较广泛的一维不平衡输沙数学模型，如韩其为等人研制的水库淤积与河床演变数学模型（Han QiWei，1987；韩其为等，1987），美国陆军工程兵团的HEC－6数学模型[1]，杨国录SUSBED1、SUSBED2数学模型（杨国录，1989，1993，1994；李如钢，1998）、长江科学院水库冲淤计算模型（韩其为，1977；黄煜龄，1993），另外还有曲少军等（1994）、巨江等（1995）、周建军等（1998）、汤立群等（1998）、Huang（2001）、赵克玉等（2003）、李义天等（2006）建立的水库淤积计算模型，这些模型已成功地应用于我国一些水库的设计中。由于水库深水泥沙运动具有与河道泥沙运动不同的运动特性，除一维模型以外，尚有部分水库二维水沙模型（Ziegler等，1995；陈界仁等，1998，2000）和三维水沙模型（Fang，2000）仍处于研究阶段。

3.物理模型试验

物理模型试验是利用水流和泥沙运动力学相似原理，复制与原型相似的边界条件和动力条件，通过试验来预测河床冲淤变形变化。根据水平比尺与垂直比尺是否相等，物理模型可分为正态模型和变态模型。由于被模拟的河段一般较长，受试验场地限制，为保持模型中必要的流速和水深，物理模型中的水平比尺与垂直比尺往往不能一致，称为变态模型。根据研究内容和要求不同，可以将模型做成定床或动床。定床河工模型一般用水泥砂浆塑造河床形态，适宜于研究河道水流流速和流态变化、汊道的分流比以及悬沙淤积变形等问题。如需研究水流作用下发生的河床冲淤变形，一般采用模型沙塑造河床形态的动床河工模型。为满足模型与天然河流中泥沙运动的相似条件，模型沙一般选用密度小于天然泥沙的轻质粒状材料，常见的有煤粉、电木粉、木屑、塑料沙及煤灰等。此外，在研究河流自然演变为主的试验中，还有让水流在平整的模型沙面上流动，由水流塑造出模型河槽的方法，称为自然模型法。

物理模型的实际运用可以追溯到100年以前。1870年，弗劳德进行船舶试验，提出了著名的弗劳德相似律；1885年，雷诺运用弗劳德相似律进行默西河模型试验；1914年，白金汉提出用于一般相似准则的π定理，为物理模型相似理论的进一步发展奠定了基础。随着相似理论的发展，加上物理模型具有直观、具体、可以模拟复杂水流泥沙三维运动的优点，对某些复杂问题的解决，如局部急变流、复杂边界条件问题、三维问题等，进行物理模型试验一直是研究这些问题的重要和有效方法之一，在实验中长期得到应用和发展。近年来，国内外水利工作者对定床、动床河工模型进行了研究，取得了丰硕的成果。如张友龄（1973）、窦国仁（1990）、张红武（1990）分别对动床变态模型的河床糙率从河床泥沙中值粒径、平均粒径等方面进行了研究；李保如（1991）对模型要求的水流雷诺数Re、模型表面波速等进行了研究；为保证模型水流处于阻力平方区，模型水深不能太小，李昌华（1981）、窦国仁（1978）等给出了模型最小水深比尺判据；在几何变态问题上，谢鉴衡（1988）曾经进行过系统论述，不少学者也对此进行过专门的研究，如张瑞谨和段文忠等（1983）结合试验发现水力半径对模型变态非常敏感，并提出表达河道水流二度性的模型变态指标；窦国仁（1977）在变率问题上考虑控制变态模型边壁阻力与河底阻力的比值；张红武、李保如（1989）提出了模型二维流区“相对保证率”的概念，得到一定保证率下的顺直型河道模型变率的限制条件。

物理模型的局限性在于：进行模型试验往往要占用巨大的试验场地，耗费大量设备、材料和人力，费用高；实物模型的建造难以满足模型在外界条件变化时的多方案比较的要求，即使是设法改建模型进行多方案的比较，其周期也相当长。另外，为了满足场地要求，模型一般做成变态模型，而变态模型在比尺选取上存在很多问题至今仍未解决。

1.2.3　水库运用方式与淤积关系研究进展

水库泥沙淤积与水库运用方式关系密切，多年来人们对水库调度方式与泥沙淤积的关系一直非常关注。不同运用方式的水库泥沙淤积各有特点。某些特殊运用方式如泄空冲刷等有时也作为辅助调度手段。另外，水库调度方式引起的泥沙淤积上延也比较普遍。部分有关研究成果如下。

我国早期修建的水库，由于对排沙考虑相对较少，导致水库淤积严重，大部分为了减缓水库的淤积速度，对水库进行改造并对水库调度方式进行改进。三门峡水库由于泥沙淤积严重，两次大改建主要目的就是扩大泄流排沙规模（程龙渊等，1999）。水电部第十一工程局勘测设计研究院（1978）通过对北方多沙河流水库泥沙淤积与运用方式的研究，也提出水库减淤不仅需要合理的运用方式，还需要泄流规模配合。内蒙古红领巾水库管理所等（1978）通过对红领巾水库水沙调节方式的探讨，认为要增大水库排沙能力，必须打通导流底孔，降低底孔高程。姜乃森等（1990）对红山水库淤积进行的研究表明，即便采用泄空冲刷，效果也极为有限，主要原因就是现有泄流设施不能满足排沙需要。张毅（1999）对盐锅峡水库淤积的分析表明，由于水库没有考虑排沙设施，运用仅3年库容损失达70%以上。刘书榜等（2002）对鱼岭水库淤积的分析发现，由于建坝时没有设置排沙设施，造成引水洞前淤积面高出洞口12m的严重局面。李贵生等（2001）对刘家峡水库泥沙淤积分析后指出，洮河口沙坎淤积造成阻水；过机含沙量增大致使发电机组磨损严重；泄水建筑物门前的淤积已严重影响闸门正常使用，威胁水库安全度汛，建议立即增建洮河口排沙洞，扩大泄流排沙能力。金宝琛等（1999）认为白石水库泄流规模及底孔高程是水库排沙调度得以实施的重要条件。杨方社等对新桥水库（2003）淤积的分析指出，水库工程泥沙设计的关键是泄流排沙设施的安排。这些对实际水库的研究表明，在水库设计过程中，泄流排沙设施是不容忽视的，因其对水库的淤积量及长期运用有重要影响。

同时，在水库淤积上延问题的研究中，赵宝信（1980）认为淤积洲面不断抬高，促使回水也相应抬高；二者相互作用是红山水库淤积上延的重要原因。陈文彪（1984）认为泄流设施及其规模对淤积上延有重大影响，而水库运用方式可能是淤积上延的决定因素。姜乃森（1985）对官厅水库淤积上延问题的研究表明，河道整治工程使过水面积缩窄可能是淤积上延的主要原因。因此，要控制淤积上延，既要安排足够的泄流排沙设施，也要采取合理的调度方式。

张振秋等（1984）对以礼河空库冲刷的研究显示，虽然减淤效果良好，但由于会消耗大量上游水库清水，代价昂贵。彭润泽等（1985）对东方红水库运用的分析说明，空库冲刷不但严重影响水库发电效益，而且下泄水流含沙量远大于天然情况（最大达700倍以上），引起下游河道淤积严重。李天全（1998）对青铜峡水库空库冲刷研究表明，下泄水流含沙量可以达到来沙的200倍左右。大江、大河的水库常由于发电或航运等限制实际并不允许有空库的条件，因此，多沙河流水库在日常调度中应及时采取有效调度方式减淤，避免淤积恶化出现空库冲刷。

长江流域规划办公室丹江水文总站（1978）针对丹江口水库滞洪运用期有关特性进行讨论，得到坝前壅水高度与水库淤积量的关系。水利部黄河水利委员会兰州水文总站等（1978）对巴家嘴水库采用不同运用方式排沙效果进行了分析，得出在采用蓄水运用、滞洪运用和小河槽（出现滩槽）运用时排沙比分别为14.9%、52.0%和91.5%，说明在库区初步形成高滩深槽对增大水库排沙比、减少淤积非常重要。陕西省石门水库1972—2000年29年间，一直采用拦洪蓄水运用，只调节径流，不调节泥沙，夏迈定（2002）分析以后认为，这种只顾眼前利益、不顾长远利益的运用方式必然导致泥沙淤积严重。为延长水库寿命，采用蓄清排浑运用方式刻不容缓。

即便是采用蓄清排浑运用方式的部分水库，水库淤积问题仍然突出。王敏生（1983）、蔡承德（1994）和顾大勤（1995）等对龚嘴水库进行的研究表明，在水库纵向淤积三角洲发展到坝前以后，兴利库容损失仍然很快；库尾河床和水位抬升趋势并没有减缓。

以上研究均为已建水库运用过程中遇到泥沙淤积严重问题时采取有针对性的改进措施，如增加排沙设施及改变调度方式设置排沙期等，对蓄清排浑运用方式与水库淤积关系的基本规律研究不多。

蓄清排浑运用方式是我国科研工作者利用水库淤积和排沙规律摸索出的一套使水库淤积大大减缓，甚至不再淤积的行之有效的运用方式。其中较典型的有对闹德海、红领巾、黑松林、直峪、恒山等水库的研究。与此同时，从理论上研究大型水库的淤积控制也在一些研究者中间展开。从20世纪60年代开始，唐日长、林一山根据闹德海水库和黑松林水库的成功经验，提出了水库长期使用的设想和概念（唐日长，1964；林一山，1978）。后来韩其为进一步从理论上阐述了水库长期使用的原理和根据，并给出了保留库容的计算方法（韩其为，1971）。与此同时，一些单位也开始对三门峡水库保持有效库容的问题进行了探索。韩其为（1978）从理论上详细论证了水库长期使用的根据、技术上的可行性和经济上的合理性以及最终保留形态的确定。三门峡水库改建并运行成功，从实践上证实了大型水库长期使用的可能性。黄河上的一些大型水库如青铜峡、三盛公等，在采取这种运用方式后水库淤积也得到了控制。至此，在我国泥沙界，对水库的长期使用，无论在理论上或实践上均获得了共识。20世纪70年代，长江科学院在以往研究的基础上对水库长期使用的平衡形态及冲淤变形计算进行了研究，编写了报告（韩其为，1978）。报告中对水库淤积过程和相对平衡的阶段，以及悬移质泥沙淤积平衡纵剖面、横剖面、保留库容、推移质泥沙淤积纵剖面、水库淤积平衡后年内冲淤变化等问题进行了研究，提出了计算方法。三峡水库淤积控制的研究，使水库长期使用的研究进一步深入，韩其为（1993）给出了长期使用水库的造床特点和建立平衡的过程，相对平衡纵横剖面的塑造，第一、第二造床流量的确定等。我国水利工作者经过长期探索所创造的水库长期使用的运用方式，无论在理论上还是在解决实际问题上都已颇为成熟。水库长期运用方式的研究使我们对蓄清排浑运用方式的认识进一步深入。

现阶段，我国修建的多目标运用的大中型水库都吸取了以往水库运用的经验教训，从水库的长期使用出发，采用蓄清排浑运用方式。同时，为了进一步发挥水库的效益或者减小水库的淤积及回水上延，众多学者对各个水库具体的蓄清排浑方式进行优化研究，主要从以下两个方面进行：

第一，对特征水位选择的研究。这些研究主要是在水库设计初期结合防洪、发电、水库淤积、航运以及生态等诸多方面进行的或者在水库运行过程中根据实际运用的需要而进行的。例如，三峡水库在设计论证阶段正常蓄水位曾经提出过150.00m、160.00m、170.00m及180.00m方案，汛限水位曾经提出过135.00m、140.00m及150.00m等，并从防洪、发电、航运等方面进行论证，对于泥沙淤积的研究主要是不同方案情况下的淤积分布、变动回水区泥沙冲淤及回水影响（长江水利委员会，1997）。三门峡等水库在运行过程中根据实际工程需要也对特征水位进行调整，对泥沙淤积产生明显的影响（张翠萍，李文学，2004；段敬望，王海军等，2004；袁峥，2005；姜乃迁，2004）。

第二，对特征水位部分变动的研究。为了减小水库淤积或者充分发挥水库效益，众多学者对调度方案进行了优化研究，并对其中的泥沙淤积问题进行了分析。王士强认为，适当提高三门峡水库3—5月库水位，利用桃汛后期洪水将库水位从315.00m抬至319.00m，则在净增加三门峡和小浪底两库总发电量的同时，对潼关河床高程在丰水年比目前水平低的情况下仍无不利影响。在三峡水库论证初期，为了减小和减缓水库的淤积，多家单位对推迟蓄水方案进行了论证（长江科学院，1993；水利水电科学研究院，1993）。在水库长期使用的研究中，周建军等（2000，2002）针对三峡水库后期淤积仍然突出的问题，提出“双汛限”与“多汛限”运用方案，建议在汛期大流量时采用143.00m低水位运行，在汛期一般流量情况下采用148.00～151.00m水位运行，可以增大防洪库容，减少水库淤积，有利于增加发电量和改善航运。为了进一步发挥水库的综合效益，李义天等（2004）建议在不影响防洪的情况下在三峡水库施行汛后提前蓄水，结果表明，提前蓄水可以增加发电量，并不会对防洪产生太大影响，仅改变了水库的淤积速率，其航运补偿不大，是完全可行的。

以上对蓄清排浑运用方式的研究基本上综合考虑了防洪、发电及航运的影响，对水库淤积及航运的影响研究侧重于具体运用方式情况下的结果阐述。童思陈（2006）采用一维不平衡泥沙数学模型，以溪洛渡水库为案例，从汛后蓄水时间和汛期限制水位两个方面对水库淤积过程、三角洲推进、横断面发展和排沙比变化等淤积特性的影响进行了分析，总结了其中表现出来的变化规律。

众所周知，水库淤积是坝前水位变化后与上游来水来沙及本地河床边界综合作用的结果，其淤积过程及淤积平衡都受到坝前水位及上游来水、来沙的影响，在这两个因素中，坝前水位是可以人为控制的。对调度方式与水库淤积关系的研究仅从淤积发展表现出的现象来总结规律是不够的，有必要结合调度方式特点以及水沙变化过程对蓄清排浑运用方式下淤积发展特点、特征水位变化与水库淤积发展之间的相互关系、内在机理等规律性的内容做进一步的研究分析。