浅谈水利工程的泥沙影响及其补偿措施

时间：2022-02-23 16:53:45 浏览量：次

论文摘要：随着现代工程技术水平的不断提高，人类对河流进行了大规模的开发利用，兴建了一大批水库和跨流域调水工程。这些水利工程，特别是大坝一方面给社会带来了巨大的经济效益和社会利益，另一方面也不同程度地破坏了人类赖以生存的自然资源和生态环境。因此，如何趋利避害，充分发挥水库的效益，减免对环境的负面影响，是应认真考虑的问题。

本文针对水利工程建设中由于兴建大坝产生的泥沙与生态环境问题，分析探讨应对的工程措施。

论文关键词：大坝泥沙淤积生态环境工程措施

1.引言

“大坝与生态”是人与自然和谐相处中的一个重要课题。从普遍意义上讲，修建大坝可能带来的生态问题主要有移民、对泥沙和河道的影响、对大气的影响、水体变化带来的影响、对鱼类和生物物种的影响、对文物和景观的影响、地质灾害、溃坝等八个方面[1]。

对泥沙和河道的影响，这是目前讨论大坝与生态问题的文章中很少提及的。事实上，泥沙对于河势、河床、河口和整个河道的影响，从生态角度讲，是修建大坝产生的最根本的影响。在河流上建坝，阻断了天然河道，导致河道的流态发生变化，进而引发整条河流上下游和河口的水文特征发生改变，这才是建坝带来的最大生态问题，也是最令人担忧的问题。

2.泥沙淤积分析

当河道上修建了雍水建筑物之后，诸如大坝。随着库区水位的抬高，水流的过水断面增大，水力坡度变缓，纵向流速和紊动流速都大大地减小。原河道水流特性的这种改变，降低了水流的挟沙能力，也改变了原河道的泥沙运动条件，导致了部分悬移质和推移质泥沙逐渐沉淀，造成水库淤积。

水库淤积问题在多沙河流（例如黄河、永定河），水土流失严重地区（嘉陵江流域）和推移质输沙量较高的河流（如岷江）显得较为突出。黄河干流大型水库的淤积量多占水库总库容的50%以上。

水库淤积一方面降低了水库利用效果，同时，大量泥沙沿途淤积河床，影响行洪，通航，威胁着两岸人民的生产生活安全。由于生态环境遭到严重破坏，水土流失加剧，导致以洪水泥沙灾害为主的自然灾害频繁发生，且范围广，破坏力强。与此同时，另一方由于减轻了下游河道的淤积。也产生了近些年来较为关注的环境问题，比如：对下游鱼类和生物物种的影响及土壤盐碱化的问题。

最常见的水库泥沙淤积问题是河流输移含量高的悬浮泥沙或挟带的粗沙，细沙，淤泥和粘土沉积于大坝所形成的水库内，根据流域类型，面积和平均降雨量等特征，河流输移的泥沙含量变化范围可从百万分之几百到百万分之几千，河流输移的泥沙80%—90%比细沙还细，因此，这些泥沙经长距离的输移进入水库，并以颗粒沉降速率逐渐沉积下来，水库泥沙主要来自这部分粗沙沉积于库尾，形成三角洲，随着水挟带的泥沙沿河床推移，逐渐向水库中进一步推移。

坡岸不稳定且河床坡度比较陡的河流中，泥沙主要由大块石和很细的颗粒组成。通常，在这样的地区，陡的河床坡度加上气旋影响所产生的暴雨，会导致河水中的泥沙和碎石急剧增加，有时会导致河岸漫溢。泥石流或类似溃坝的情况。泥沙的主要来源是流域内的地面土壤侵蚀，某些情况下还会造成河岸严重坍塌。

另外，世界上许多地方，人类的活动导致森林大量砍伐，植被遭破坏，使侵蚀和输沙率急增，水库中的沉积泥沙也会显著增加。

3.泥沙淤积对环境的影响

3.1自然灾害频繁

自上世纪50年代起，中国在黄河干流修建了13个水坝工程，其中包括泥沙界著名的1960年建成的三门峡水库与2001年竣工的小浪底水库。在长江干流上，三峡工程正在建设，2003年已开始蓄水，2009年将全部建成。这些工程具有重大效益，也给长江，黄河的自然形态带来深刻变化。

以丹江口水库为例说明水库建设带来的泥沙淤积，并由此带来的自然灾害问题[2]。据测算，1960——1994年，丹江口水库泥沙淤积量达14137亿m3,占水库总库容的7%,而且有逐年增加之势。汉江流域年均输沙量5130万t,丹江流域年均输沙量415万t,丹江口水库每年将面临554万t的泥沙淤积。根据资料，19世纪以来，该区水涝灾害平均5年发生1次，新中国建立后平均2年1次，近10年几乎1年1次。90年代末与80年代中后期比，灾害影响范围由5121万hm2扩大到162133万hm2,扩大了31倍。灾害破坏力强，如2002年6月9日，宁陕，佛坪，镇安等地普降特大暴雨，形成洪水灾害，泥石俱下，摧毁路桥，造成数月交通瘫痪，损失严重。

3.2土地盐碱化问题

水库在修建中通过筑堤建库、疏通河道等措施，虽然保护农田免受淹没冲刷等灾害，通过拦截天然径流、调节地表径流等措施补充了土壤的水分，改善了土壤的养分和内热状况。

但是水利工程对土壤环境的影响有利有弊，它也将使下游平原的淤泥肥源减少，上壤肥力下降。同时输水渠道两岸由于渗漏使地下水抬高，造成大面积土壤的久生盐碱化和沼泽化。

以三门峡水库为例说明水库建设带来的泥沙淤积，并由此产生的土壤盐碱化的问题[3]。

水库于1960年蓄水，一年半后，15亿t泥沙全部淤在潼关——三门峡河段，潼关河床抬高4.5m淤积带延伸到上游的渭河口，形成拦门沙，两岸地下水位也随之抬高，从而造成两岸农田次生盐碱化。

三门峡工程失败的直接结果，是对黄河河流生态环境、特别是中下游流域生态环境的严重破坏：黄河三门峡至潼关的淤积泥沙至今没有解决；关中平原50多万亩农田的盐碱化；水库淹没了大量的农田；水库毁掉了文化发祥地的珍贵文化古迹；黄河航运的中断。

3.3对鱼类的影响

水利工程建设改变了库区和下游泥沙的输移和沉积模式，大量的泥沙被拦截在坝内水库中，引起下游泥沙输送量的下降，并改变泥沙的粒级组成。输水、输沙条件的变化也导致其携带的营养物人海量的变化，影响鱼类种群的数量，导致渔业产量下降。修筑堤坝后产卵场的泥沙沉积，对底层产卵鱼类而言，如鲑鱼，需要持续渗出含氧水的干净砂砾。但是修筑堤坝后降低河流流速，无论是在蓄水部分或是坝下，都会增加砂砾沉积的危险。这样减小泥沙的自然冲刷及降低水的渗透率这些因素，一起会限制产卵的成功。另外在修筑堤坝后切断了回游性鱼类的回游通道：水库深孔下泄的水温较低，影响回游鱼类的生长和繁殖：下泄清水，影响了下游鱼类的饵料；高坝溢流泄洪时，高速水流造成水中氮氧含量过于饱和，致使鱼类产生气泡病。

比如，在黄河干流上已建和在建的大型水库有10多座，按照水库调节流量的原则，这些水库应保证洪水期洪峰得到消减不产生洪水灾害，枯水期流量增大而维持正常水面和水深。但事实是，上游大坝的拦蓄及黄河的梯级开发，再加上流域降雨量减少，黄河近年来断流频繁，严重破坏了下游地区流域的生态环境条件。例如，由于黄河径流量不断减少，营养物质输人水平下降，河口水域饵料生物量降低，造成1960年后渔业资源严重减产。

此外长江虽然源远流长，水量丰沛，但在上游梯级水利工程建设、通江湖泊围垦、淤积、江湖阻隔等多重因素的作用下，长江实际可供流淌的地方比自然状态大大减少，按中水位计算中下游的洪泛平原就丧失了82%的季节性淹没区，造成天然湿地大量消失、生物洄游通道不畅，适生生境、栖息地大范围压缩，有的甚至食物链中断，引起生物多样性的变化。1998年的研究数据表明，长江口的浮游生物和底栖生物分别比1982，1983年减少69%和88.6%，中华鳃、白暨豚、胭脂鱼等国家保护种类几乎灭绝[4]。

4.工程措施探讨

4.1鱼嘴工程

鱼嘴工程是水运、水利工程建设中采用的主要整治建筑物形式之一。早在两千多年前修建的都江堰水利枢纽中，分水鱼嘴是其渠首工程的重要组成部分，对内、外江的分水分沙起着关键性的作用[7]。都江堰水利工程主要包括渠首工程和灌区工程两大部分[9]，飞沙堰具有特殊的泄洪排沙作用，将进入内江的过量洪水和水中的泥沙，翻堰排到外江，它与宝瓶口、大鱼嘴合称为都江水利三大渠首工程。

据当代实测，岷江发水、内江的流量每秒超过1000立方米时，便有40％的洪水和98％泥沙，从飞沙堰排出。当年的飞沙堰，由于技术的限制，泄洪、排沙的效果可能比不上现代，但也不会相差太远。飞沙堰所以泄洪、排沙的效果好，原因之一是离宝瓶口不远，宝瓶口有很好的控水作用，这样，洪水就在宝瓶口外形成洄流，使大量的水、沙翻过飞沙堰，排往外江。

4.1.1鱼嘴工程的作用

鱼嘴工程首先从形态上像鱼的嘴巴，前部尖细，后部较大，基本作用是分流与分沙。但在应用过程中，形式渐渐出现了一些变化，用途也逐渐扩充。因而，鱼嘴工程是河道内用于调整水流与底沙输移路线的整治工程[10]。鱼嘴工程主要有如下作用：

1.分流与分沙

鱼嘴工程最基本的作用是分流与分沙。一般前面尖细部位迎流布置，纵向部分顺水流方向，使水流自然顺势分向两边。与其他航道整治建筑物不同，丁坝一般垂直于水流方向布置，将水流挑向另一边；顺坝虽顺水流布置，但一般是阻止水流（主流）进入顺坝的另一侧；鱼嘴工程一般两侧分流分沙，对原有流态改变较小。整治中，鱼嘴工程一般用于控制两侧的分流、分沙比。

2固滩（护滩）和稳定洲头

有些沙滩、潜洲处于有利的河势，能平顺航槽的流态，有利于航深维持。但在洪水期或大水年，迎流顶冲的洲头可能冲刷，完整的沙滩可能冲出串沟分散水流。因而整治中往往要抓住有利时机，固滩，护滩，稳定洲头，保持有利的河势和滩槽格局。

3调整不利流态

有时为调整两汊的分流，或滩头、洲尾的某些不利流态（横流、斜流等）而修建鱼嘴工程，一般工程对流态有一定改变。在河流交汇处，当支流交汇角大于30°主河床中易形成涡流区，引起泥沙淤积，一般在洲尾修建鱼嘴工程（称分流坝）调整流态。

4.1.2鱼嘴工程对水流及泥沙的影响

不同形式的鱼嘴工程对整治河段的水、沙运动有着不同程度的影响。以固滩（护滩）、稳定洲头为主的鱼嘴，依原有滩头或洲头的地形进行防护，其平面线型应顺滑、水流能够平顺过渡，以减少工程对原有水、沙运动的干扰；而以分流、分沙、调整不利流态为主的鱼嘴，其方向和尺寸的选取非常关键，一般需进行河工模型试验确定最佳方案。鱼嘴对水流及泥沙的影响主要是引流防沙。因为水和沙往往是一体的，洪水期水量大，流速大，水流挟沙能力强，水体含沙量较高，所以引水时往往把泥沙一起引了进来。但水流速度与含沙量沿垂线的分布有着不同的特性，上层水体一般流速较大，而下层水体含沙量较大，且推移质泥沙均沿床面运动，这种分布特性为鱼嘴工程的引流防沙提供了可能。鱼嘴工程的迎流前部一般为低水建筑，合理的迎流方向可部分拦截并改变底沙的输移路线，而对引流量的影响相对较小。因而，鱼嘴工程的合理布置，可引流防沙，有利于航道尺度的维护。

都江堰正是利用了上述水沙沿垂线的分布特性，采用鱼嘴工程达到丰水期“内四外六”、枯水期“外四内六”的内、外江分流特点，结合弯道环流的作用，使得内江分流比大于分沙比进行取水灌溉。

4.2拦沙堰

结合水库流域地质和地貌特性，在水库上游修建拦沙堰库对减少入库泥沙，延长水库寿命是很有用的。特别是在以含沙量大闻名于世的黄河上的引黄防沙工程设施中，应用是很广泛的。

这里介绍一种引黄涵闸防沙不倒式拦沙潜堰的工作情况[11]。

不倒式拦沙潜堰是用复合材料制成的上轻下重的不倒翁单元板块，每板块上配以可调整浮力的浮子，各单元连接组成一道拦沙坎，置于引水口处所要求的位置，直立或倾斜置于水中，起拦沙作用。每单元板块有相对固定的几何形状，其竖向边可以人工调节伸缩以适应大河水位的变化。各单元间为有限的柔性联结，以防止在工作过程中有过大的不同步倾斜，又能适应较大的变形。关闸停水时，拦沙潜堰直立于引水口静水之中隔断大河与引水渠之间的水流交换，防止引水渠及引水口门的淤积。在开闸引水时，由水的流速及上下游水位差所产生的水平力的作用将拦沙潜堰推向下游倾斜置于水中，又因有浮力的作用使拦沙潜堰顶没入水面以下一定的深度，处于力的平衡状态，表层水流越堰而过，含沙大的中，底层水流被阻于大河之中顺流而下，起到拦沙作用。

4.3其他工程措施

以三峡大坝为例，大坝建成后，泥沙大约只有30%——40%能够泄入下游，特别是粗的泥沙都留到了库里。清水放下去，下游的河床就被冲了，于是导致3个问题。①葛洲坝船闸下游水位降低，造成船闸底坎和引航道水深不足。目前解决这个问题的办法是，利用三期围堰的超高蓄水，增加枯水期的流量；再就是在下游河道的关键河段进行护底工程建设，避免河道进一步冲深。还可以疏浚葛洲坝下游引航道，增加水深，但船闸底坎上的水深无法增加；另外一个办法是改进调度方法，改进船型，提高船闸通航效率。②芦家河河段是沙卵石河床，芦家河以下是沙质河床。清水一冲，沙质河床很容易冲下去，但卵石河床冲不下去，将来这地方会形成一个陡坡，进而造成碍航，需要及时加以整治。③沙市以下细沙河床的冲刷问题。三峡水库建成后，下游河道将会产生长时间长距离的冲刷，造成河床降低，水位下降，这对防洪是有利的。

但是，冲刷可能导致护岸底部淘空，进而导致护岸垮塌决口，这是很危险的。现在问题是，哪儿会被淘空？河势将会怎么变化？这些问题需要研究。

另外在三门峡的第一期改建方案中，就是在大坝左岸增建两条泄洪排沙隧洞，改建四根引水发电钢管，让被正面大坝堵住的沙和水，尽量从旁边的又新开出的隧洞和底下本来用来发电的管子流出去，以此来加大泄流排沙能力，这个“两洞四管”方案被认为是“挽救了一个接近失败的工程”。

5.结论

由于兴建水利工程而引起的环境问题已经日渐突出，而针对泥沙问题的工程措施也是举足轻重。本文探讨了一些典型的工程措施，诸如，举世闻名的都江堰中的鱼嘴工程，还有在水库防沙常用的拦沙堰以及一些大型水利工程中防沙，治沙的具体工程措施。希望能对水利工作者有所帮助。

参考文献：

[1]汪恕诚，论大坝与生态，水力发电，2004.4（4）：1-14

[2]胡春宏，我国江河治理与泥沙研究展望，水利水电技术，2001（1）：50-52

[3]许水涛，黄万里与三门峡水库，炎黄春秋，2004（8）：18-26

[4]李长安，殷鸿福，俞立中等.关于长江流域生态环境系统演变与调控研究的思考[J]1.长江流域资源与环境，2001.10(6)：550-557

[5]长江水利委员会编.三峡工程泥沙研究[M].武汉:湖北科学技术出版社,1997.

[6]潘庆焱木,杨国录,府仁寿主编.三峡工程泥沙问题研究[M].北京:中国水利水电出版社,1999.

[7]李德辛.试论都江堰鱼嘴枢纽复建的必要性[J].四川水利,2001(1):43-45.

[8]刘东,刘端直.论都江堰系统工程的生存和发展[J].系统辨证学学报,1998(4):85-88.

[9]李可可,黎沛虹.都江堰-——我国传统治水文化的璀璨明珠[J].中国水利,2004(18):75-78.

[10]范继辉,程根伟,张艳等.岷江上游水电梯级开发存在的问题及建议[J].中国水利,2005(10):47-49

[11]皇甫泽华,朱翠民,李莉,秦建法.引黄涵闸防沙设施不倒式拦沙潜堰探讨[J].水利水电科技进展，2002.22（3）：12-13.

Sediment Influence Of Hydraulic Engineering And The Compensatory Measure In Engineering

JingYan

Sediment Library, HoHai University，NanJing,210098

Abstract：With the development of modern engineering technology, people explore and utilize the river in a great extent , building a great of reservoirs and engineering for adjusting the water .One hand ,these hydraulic engineering give the society amount of economic and social benefits. On the other hand, they destroy the nature resource and ecological environment in different extent.Therefore, It is the key question how to avoid disadvantage and long for advantage, fully show the benefit of hydraulic engineering, reduce and avoid the negative influence.This thesis mainly summarize the negative influence of sediment from building of hydraulic engineering as well as discuss some engineering measure in domestic and overseas.

Keywords: Dams, Sediment Deposition, Ecological Environment, Engineering Measure

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