宿鸭湖水库淤积现状调查与影响评价

(1.驻马店市宿鸭湖水库管理局，河南驻马店463300；2.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029)

摘 要：首先，通过对宿鸭湖水库库底地形和淤积厚度的测量，了解水库淤积现状，获得不同部位以及不同高程下的淤积量分布情况。然后在以上调查结果的基础上，结合泥沙淤积对水库影响的评价指标体系，采用层次分析法建立了适合宿鸭湖水库的评估模型，求解淤积对水库的影响程度。结果表明，通过淤积现状调查和淤积影响评价，可以了解和掌握宿鸭湖水库淤积总体分布情况，并判定其达到“中等”影响程度。

关键词：泥沙淤积；影响评价；层次分析法；宿鸭湖水库

0 引 言

已有研究表明，我国河流含沙量普遍相对较高，水库大坝的兴建使得河流流速减缓，从而引起水库内泥沙淤积，在长期运行条件下该问题不可忽视。据水利部20世纪80年代调查，在其直接管理的20座水库中，其中绝大多数在投入运行后不到20年的时间范围内，累计淤积量就达到了77.85亿m3以上，占初始设计库容的18.6%。其中，尤以黄河流域为甚，至1989年全流域内601座小(1)型以上水库，淤积损失库容109.0亿m3，占总库容522.5亿m3的21%[1]。水库淤积会产生一系列的问题，主要包括：①淤积减小了已有水库库容，而为弥补此损失需修建新的水库，新修水库可能会面临建库成本、水库淤积、水质富营养化、坝址难选等问题，从而带来生态、社会和经济等方面的负面影响；②淤积削弱水库发电、通航、灌溉等功能，引起水库功能效益的降低，此外水库淤积还严重影响了水库的自身和运行安全、防洪安全、供饮水安全和生态安全；③水库淤积的维护成本负担和危害不断加重，严重时甚至威胁到水库的使用寿命；④污染物易吸附在淤积的泥沙颗粒上，从而影响水环境和水生态[2，3]。

宿鸭湖水库作为一所大型平原水库，其淤积具有较强的代表性。本文首先通过对库底地形和淤积厚度进行测量，从而达到了解水库淤积现状的目的。在此基础上，结合泥沙淤积对水库影响的评价指标体系，建立了适合宿鸭湖水库的评估模型，求解淤积对水库的影响程度。通过对宿鸭湖水库淤积现状调查和影响评价研究，旨在建立适用于此类型水库淤积调查和影响评价的普遍性流程。

1 淤积现状调查

1.1 工程概况与淤积历史

宿鸭湖水库位于河南省驻马店市汝南县境内汝河干流上，控制流域面积4 498 km2，占汝河全流域面积的61%。水库以防洪为主，同时兼具灌溉、发电、养殖、旅游等功能，是一座多项目综合利用的大(1)型水利枢纽工程。水库建筑物主要有大坝、泄洪闸、渠首闸、输水涵闸及水电站等水工建筑物。

由于宿鸭湖为平原水库，库床比降缓，水库以下地形自西北向东南倾斜，地面坡度约为1/8 000。库面面积大，拦库大坝长，上游来水进入库区后，下泄缓慢，尤其北库至泄洪闸之间长约30 km，下泄通道过长，大量泥砂沉入库区，加之宿鸭湖水库为洼地建坝而成，不仅河道汇流，而且汛期西部大面积坡地水夹杂泥土进入库区，造成历史上水库淤积较为严重。2007年水库除险加固工程建设中，发现在泄洪闸前库区淤积已深达近3 m。对除险加固过程中实测新老库容曲线对比分析，从1958年至2007年49年来水库库容量累计减少约0.756亿m3，相当于减少一座接近于大型水库的库容量。

1.2 淤积测量

为了解宿鸭湖水库目前淤积状况，对水库库底地形进行了测量，其库底地形高程如图1所示。结合钻孔检测，推算出库底淤积物淤积厚度分布如图2所示。

图1 宿鸭湖库底地形高程分布示意

图2 宿鸭湖淤积厚度分布

由图1、图2可以看出，宿鸭湖水库水底地形总体上呈现“中间低四周高”的趋势，水库主库区中心偏向拦河坝部位淤积最厚，距离库区中心越远，淤积厚度越少。

通过比较计算，可以获得不同高程下库底淤积分布厚度如表1和表2所示。

表1 宿鸭湖水库库底淤泥淤积量

淤积厚度/m淤积量/万m3占总量百分比/%>2 0339 464 401 5～2 056 420 731 0～1 53144 4340 780 5～1 02514 7032 61<0 51655="" 7021="" 47总量7710="" 71100="">

表2 宿鸭湖水库淤积量按高程分布

特征水位淤积量/万m3占总量百分比/%死水位50 34m3834 0349 7汛限水位52 34m7041 3191 3兴利水位52 84m7394 7495 9死水位至兴利水位3560 7146 2

由表1和表2可知，①目前宿鸭湖水库泥沙淤积总量达到7 710.71万m3，较2007年时略有增加；②从淤积厚度来看，厚度主要集中在1.0～1.5 m和0.5～1.0 m两个区间内，分别占淤积总量的40.78%和32.61%；③沿高程分布情况：死水位50.34 m以下淤积3 834.03万m3，占淤积总量的49.7%；兴利水位52.84 m以下淤积 7 394.74万m3，占淤积总量的95.9%；死水位至兴利水位之间淤积3 560.71万m3，占淤积总量的46.2%。

图3 淤积对水库功能影响指标分析

2 淤积影响评价

为了量化泥沙淤积对水库的影响，在对影响领域范围和影响具体指标进行充分分析和研究的基础上，明确淤积对水库影响所包含的具体各项指标，而后以此作为依据，采用层次分析法建立淤积影响评估模型，并应用于宿鸭湖水库，量化淤积对宿鸭湖水库的影响程度。

2.1 影响指标分析

淤积对水库的影响从大的方面讲主要包括社会影响、经济影响和生态环境影响3大类，具体又包括防洪、大坝安全、河道形态、航运、灌溉、供水、旅游、发电、养殖、水质、生物多样性等若干子类以及其下的各类指标。已有研究表明，水库泥沙淤积影响评价指标如图3所示[4]。由图3可以看出，淤积对水库造成的影响指标可包含37项，淤积对水库的影响可通过上述全部或部分指标体现。

2.2 模型体系建立

在水库泥沙淤积影响评价中，可通过层次分析法来构建影响评价模型。层次分析法是一种应用较为广泛的多准则决策方法，将原本较为复杂的问题转化为若干层级结构，从而达到简化问题的目的。模型中的指标既可以是定量的，也可以是定性的，各指标的权重可采用成对比较法和九标度法构造判断矩阵来确定。由于该方法具有实用、系统、简洁等优点，因而被广泛应用于地下水环境质量评价、水库大坝安全鉴定、病险水库除险加固效果评价等工程领域中[5-7]。

淤积对水库影响的综合评价模型可通过以下步骤进行构建[8]：

(1)建立层次结构。淤积对水库的影响，自上而下可以分为4个层次，如图3所示，其中包括：①目标层A，即淤积对水库功能发挥的影响；②准则层B，主要包含社会、经济、生态环境等三个方面的因素；③领域层C，主要包括防洪、大坝安全、航运等共12个因素；④指标层D，具体包括防洪库容、多年平均防洪效益、保护范围等共37项指标。

(2)构造各层次的判断矩阵。从准则层B以下开始，对于同一层级内各个要素的权重值可采用九标度法构造判断矩阵(JM)，依次包括准则层、领域层、指标层。其中，判断矩阵(JM)可通过九标度法对各层级内元素的相对重要性作两两相互比较，建立矩阵判断矩阵JM的元素aij表示同一层级中指标i相对于指标j的重要程度，反过来指标j对指标i的重要程度即为aji=1/aij，其取值及意义如表3所示。若某个指标的影响可忽略不计，则与该指标相关的指标取值皆可为0。

表3 九标度法表中判断矩阵JM取值说明

aij取值代表意义1指标i与指标j具有相同的重要性3指标i与指标j的重要性稍强5指标i与指标j的重要性明显强7指标i与指标j的重要性非常强9指标i与指标j的重要性绝对强2，4，6，8上述两个等级之间的中间状态

(3)指标权重及一致性检验。在获得判断矩阵JM的基础上，需进行一致性检验，若通过可计算获得各元素的相对上一层级的权重，而若未通过，则需重新构造判断矩阵。在确定判断矩阵的值之后，可计算器特征值和对应的特征向量，而后对最大特征向量进行一致性检验。若最大特征向量通过一致性检，则可对其进行归一化，归一化后的特征向量各分量即为序号相应的下层指标对上层指标的权重，即

ri= (i=1，2，…，n)

(1)

式中，ri为当前层指标i对上层指标的权重；evi和evk为判断矩阵最大特征值λmax相应的特征向量EV=(ev1,ev2,…,evn)中的各元素。

(4)层次总权重，即计算指标层D中各项指标对目标层A的总权重。设某层级内指标对上一层所属指标的权重为am，而下一层中属于该指标的所属指标权重为(r1，…，rn)，则下一层指标对更上一层指标的权重为am×ri，(i=1，…，n)。如在淤积对水库影响的指标体系中，指标层D中的37个指标从属于领域层C中的12个指标，因此其判断矩阵有12个，分别记为DCi(i=1～12)；而领域层C中的这12个指标又分别从属于准则层B中的3个指标，其判断矩阵有3个，分别记为CBi(i=1～3)；准则层B中的这3个指标又从属于目标层A，其判断矩阵有1个，可记为BA。则指标层各指标对目标层的权重r可由下式计算获得：

(2)

式中，rbj为准则层B中指标j对目标层A的权重；rcj，k为领域层C中指标k对应准则层B中指标j的权重；rdj，k，i为指标层D中指标i对应领域层C中指标k的权重；ri为指标层D中的各项指标i对目标层的权重。

(5)计算指标值。在确定指标权重之后，还需计算对应的指标值。指标又包括定量指标和定性指标两种，对于前者可通过比较淤积前后其代表的水库功能改变程度计算获得。假设淤积前该功能值值为F，泥沙淤积造成的改变量为则指标值计算公式可表示为：

(3)

式中，di表示淤积对指标i的影响值，取值范围为[0，1]，值越大，表示淤积造成的影响越大，值越小，则表示造成的影响越小。除定量指标外，还有一种为定性指标，其值可通过专家打分法确定，其取值如表4所示。淤积对水库影响最终通过目标层指标A反映，其值可通过指标权重对指标值进行加权计算获得，即

(4)

式中，ri为指标层D中各项指标i对目标层A的权重；di为指标层D中指标i的指标值；A为综合指标值，即水库泥沙淤积影响值。A值越大，表明泥沙淤积对水库影响程度越大，反之越小。影响程度可参考表5中的范围进行确定。

表4 定性指标值的取值范围

影响等级描述djⅠ很小0 00～0 20Ⅱ轻度0 20～0 40Ⅲ中度0 40～0 60Ⅳ严重0 60～0 80Ⅴ非常严重0 80～1 00

表5 泥沙淤积对水库影响程度划分

A值影响程度0 00～0 20很小0 20～0 40轻度0 40～0 60中度0 60～0 80严重0 80～1 00非常严重

2.3 综合评价结果与讨论

根据此次对宿鸭湖水库淤积情况的调查，以及历年来的统计数据，同时结合工程实际，在模型指标的选区中选择了淤积对水库防洪库容(D1)、大坝结构安全变化(D5)、大坝运行安全变化(D6)以及水质等级变化(D31)的影响。根据相关专家提供的宿鸭湖水库影响评价指标的调查结果，求得各指标的权重以及指标值如表6所示。

表6 指标值及调整后各指标权重

指标权重指标值D10 5470 45D50 0880 25D60 1750 35D310 1900 40

由表6可知：①按权重大小排列，淤积对四项指标影响依次为水库防洪库容(D1)>水质等级变化(D31)>大坝运行安全变化(D6)>大坝结构安全变化(D5)。②水库防洪库容(D1)权重值相对较大，这主要是由于宿鸭湖水库淤积主要集中在汛限水位以下，如表2所示，严重影响了水库防洪效益的发挥；③水质等级变化(D31)权重值相对较大，达到0.190，主要是由于水库上游及周边地区多为村庄，水位退到哪里，附近村民耕种就跟到哪里，将原有河道改为耕地，引发水土流失，径流携带泥沙进入水库库区，同时也使得水质破坏。本次调查表明，宿鸭湖水库中氮、磷含量超标。④对大坝运行安全变化(D6)和大坝结构安全变化(D5)影响相对较小，这主要是由于靠近水库大坝侧淤积较为平缓，对大坝安全稳定影响不大，同时淤积区域距离水库输、泄水建筑物相对较远，对大坝运行影响不大。

根据指标权重和指标值的计算结果可知，考虑泥沙淤积对水库防洪库容(D1)、大坝结构安全变化(D5)、大坝运行安全变化(D6)以及水质等级变化(D31)的影响条件下，泥沙淤积对宿鸭湖水库的影响值A为0.41，达到“中度”影响。在今后的运行过程中，应注意淤积变化，同时可逐步开展清淤工作的进行。

3 结 论

提出对水库淤积进行调查的基础上，结合水库的具体情况，建立淤积对水库影响的综合评价模型，旨在分析淤积对水库造成的影响并加以量化。以宿鸭湖水库为例，对其淤积现状和影响进行了调查与研究。首先，对库底地形和淤积厚度进行测量，结果表明宿鸭湖水库泥沙淤积总量达到了7 710.71万m3，淤积厚度主要集中在0.5～1.5 m区间内，其中死水位以下淤积占总量的49.7%，兴利水位以下占淤积总量的95.9%。然后在以上测量结果的基础上，针对宿鸭湖水库的实际情况，选取了水库防洪库容(D1)、大坝结构安全变化(D5)、大坝运行安全变化(D6)以及水质等级变化(D31)等作为评价指标，建立了适合宿鸭湖水库的评估模型并进行求解，结果显示淤积对水库的影响值为0.41，判定其影响达到“中等”严重的程度。

本文采用基于层次分析法的泥沙淤积对水库影响评估模型对宿鸭湖水库进行淤积影响评价，受实际调查项目和条件所限，模型中仅选择了四项指标，难免会存在一些不足，模型体系还比较简单，因此所得到的结果可能还比较粗糙，在今后进行更进一步研究时，需要更全面的数据来进行分析。

参考文献：

[1]韩其为, 杨小庆. 我国水库泥沙淤积研究综述[J]. 中国水利水电科学研究院学报, 2003, 1(3): 169- 178．

[2]刘孝盈, 吴保生, 于琪洋, 等. 水库淤积影响及对策研究[J]. 泥沙研究, 2011(6): 37- 40．

[3]张磊, 何俊仕, 刘洋. 白石水库泥沙淤积影响因子计算分析[J]. 水电能源科学, 2012, 30(4): 87- 89．

[4]谢金明, 吴保生, 毛继新, 等. 泥沙淤积对水库影响的评估模型研究[J]. 水力发电学报, 2012, 31(6): 137- 142.

[5]杨研, 邵学军, 周刚, 等. 地表水环境质量模型评价体系的建立及应用[J]. 清华大学学报: 自然科学版, 2015(2): 155- 163．

[6]岳强, 刘福胜, 刘仲秋. 基于模糊层次分析法的平原水库健康综合评价[J]. 水利水运工程学报, 2016(2): 62- 68．

[7]王宁, 沈振中, 徐力群, 等. 基于模拟退火层次分析法的病险水库除险加固效果评价[J]. 水电能源科学, 2013(9): 65- 67．

[8]谢金明. 水库泥沙淤积管理评价研究[D]. 北京： 清华大学, 2012．

(责任编辑 王 琪)

《流域水电全生命周期数字管理平台研究与应用》项目通过鉴定

2017年7月5日，由雅砻江流域水电开发有限公司与中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司牵头，包括天津大学和北京超图软件公司参与研发的《流域水电全生命周期数字管理平台研究与应用》项目，通过中国水力发电工程学会组织的科技鉴定。鉴定认为，该项目在以上创新方面达到国际领先水平。

该项目是在国家科技支撑计划《雅砻江流域数字化平台建设及示范应用》基础上，结合雅砻江公司水电开发的业务需求开展的深化研究与应用，通过3DGIS与BIM在统一平台中的深度高效融合，实现工程建设、电力生产、梯级调度、移民环保、公共安全等动态业务监管。

项目在3年的研发过程中实现了以下3项创新：首次提出了流域水电项目全生命周期、全空间尺度、全业务信息数据模型的构建和统一编码方法，以及相应的云平台架构、资源集成和技术标准；系统提出了流域水电工程管理的信息获取技术框架，建设了雅砻江流域水电全生命周期管理数据中心，实现了流域和工程海量、多源、多维度信息全面采集、传输、集中存储和共享应用；研发了海量三维地理信息3DGIS与建筑信息模型(BIM)的高效融合技术，形成了一套多层次、跨系统、面向流域水电建设和运行管理的应用与分析技术，建立了雅砻江流域三维可视化集成展现与会商平台。

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司)

Investigation and Impact evaluation of Sedimentation in Suyahu Reservoir

DONG Changxing1, HUO Jixiang2, LI Ziyang2, MA Fuheng2
(1. Suyahu Reservoir Administration Bureau, Zhumadian 463300, Henan, China; 2. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

Abstract：Taking Suyahu Reservoir as study object, the status of reservoir sedimentation is firstly investigated through the measurement of reservoir bottom topography and sediment thickness, and the distribution of sediment in different parts and different elevation is obtained. Then on the basis of investigation results, the evaluation model for Suyahu Reservoir is built by using Analytic Hierarchy Process combined with the evaluation index system of sedimentation, and the impact degree is obtained by solving the problem. The results show that the sedimentation distribution can be understood through current situation investigation and impact evaluation. The impact of sedimentation on Suyahu Reservoir is determined as the moderate level．

Key Words：sedimentation; impact evaluation; Analytic Hierarchy Process; Suyahu Reservoir

收稿日期：2016-12-13

基金项目：国家自然科学基金项目(51139001、51409167、51609150)；中国博士后科学基金(2016M590477)；水利部公益性行业科研专项(201501033,201501036)；河南省