建壩河流生態(tài)喂沙理念與技術(shù)

Ecological sediment feeding concept and technology for dammed rivers

曹慧群2，畢勝2，楊文俊

（1.水利部長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，430010，武漢；2.流域水資源與生態(tài)環(huán)境科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，430010，武漢）

摘要：河流建壩后普遍面臨泥沙淤積問(wèn)題，不僅減少水庫(kù)使用壽命，同時(shí)也改變了河流自然連續(xù)的水沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移過(guò)程，其中庫(kù)區(qū)截留泥沙與營(yíng)養(yǎng)鹽導(dǎo)致富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)加大，而下游泥沙急劇減少帶來(lái)營(yíng)養(yǎng)失衡和生態(tài)退化等風(fēng)險(xiǎn)，目前尚無(wú)很好的解決方法。針對(duì)水庫(kù)泥沙淤積帶來(lái)的效益損失及上下游河段生態(tài)環(huán)境影響，本文創(chuàng)新性提出建壩河流生態(tài)喂沙理念，基于水庫(kù)流速垂向分布特征自主研發(fā)生態(tài)喂沙智能機(jī)器人，將庫(kù)區(qū)淤積細(xì)沙持續(xù)不斷地輸移至水庫(kù)下游河道，以同時(shí)滿足水庫(kù)減淤與下游河道生態(tài)補(bǔ)沙需求，盡可能恢復(fù)泥沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移的連續(xù)性。該機(jī)器人由庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置與水下機(jī)器人平臺(tái)組成，具有水下自主移動(dòng)作業(yè)和清淤位置精準(zhǔn)控制功能。針對(duì)典型河道型水庫(kù)設(shè)置生態(tài)喂沙方案，每年可使水庫(kù)泥沙淤積量減少5%，下游年輸沙量可增加3.5倍，尤其是非汛期輸沙量有望恢復(fù)至建庫(kù)前水平。生態(tài)喂沙理念與技術(shù)具有普適性，可推廣至國(guó)內(nèi)外水庫(kù)，為緩解水庫(kù)淤積及生態(tài)環(huán)境影響提供一種科學(xué)有效的方法，從而為推動(dòng)筑壩河流水沙過(guò)程近自然重建和流域生態(tài)保護(hù)提供可行技術(shù)措施與裝備。

關(guān)鍵詞：水庫(kù)淤積；氣動(dòng)揚(yáng)沙；生態(tài)喂沙；水下機(jī)器人；水沙連續(xù)輸移

作者簡(jiǎn)介：曹慧群，水力學(xué)研究所副所長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事環(huán)境生態(tài)水力學(xué)研究工作。

通信作者：楊文俊，副院長(zhǎng)，正高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)水利相關(guān)研究。E-mail：yangwj@mail.crsri.cn

基金項(xiàng)目：中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（CKSF20241022/SL）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（52130903）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2026.03.007

天然河流從源頭至河口沿程輸送水、泥沙等各種物質(zhì)，形成流域水環(huán)境與水生態(tài)系統(tǒng)。其中，水沙作為河流系統(tǒng)最基本的要素，是河床形態(tài)塑造的基礎(chǔ)，同時(shí)也是河流中氮、磷、碳等各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移的重要載體。自然河流的水沙輸送具有流域性和連續(xù)性特點(diǎn)，從而保證營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的連續(xù)輸移，一方面塑造出浮游生物、底棲生物、魚類等各級(jí)水生生物所需的生境，另一方面通過(guò)食物鏈為一級(jí)級(jí)水生生物提供重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，是河流生態(tài)系統(tǒng)保持結(jié)構(gòu)與功能完整性的重要保障。

在河流上修建大壩改變了河流的天然特征，大壩蓄水運(yùn)用后由于水位抬高，水流流速減緩，挾沙能力下降，必然會(huì)使水流所挾帶的泥沙在水庫(kù)內(nèi)淤積，同時(shí)下游泥沙將顯著減少，給河流生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。我國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)量最多、總庫(kù)容最大的國(guó)家，現(xiàn)有水庫(kù)近9.5萬(wàn)座，總庫(kù)容近1萬(wàn)億m。當(dāng)前我國(guó)水庫(kù)淤積問(wèn)題較為普遍，約一半水庫(kù)庫(kù)容淤損率超過(guò)11%，截至2024年年底長(zhǎng)江三峽水庫(kù)淤積泥沙達(dá)21.296億t，黃河小浪底水庫(kù)淤積泥沙為35.613億m。水庫(kù)淤積截留了泥沙及其所挾帶的氮磷營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)，導(dǎo)致庫(kù)區(qū)富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)加大，同時(shí)下游河道長(zhǎng)距離沖刷顯著，帶來(lái)河道營(yíng)養(yǎng)失衡和生態(tài)退化等風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)大壩阻斷河流泥沙連續(xù)輸移帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境影響，本文創(chuàng)新提出建壩河流生態(tài)喂沙理念，并自主研發(fā)生態(tài)喂沙智能機(jī)器人，以期將庫(kù)區(qū)淤積細(xì)沙輸移至水庫(kù)下游河道，探索兼顧庫(kù)區(qū)減淤與下游生態(tài)補(bǔ)沙的新途徑，盡可能恢復(fù)泥沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移的連續(xù)性，為保障水庫(kù)長(zhǎng)期運(yùn)行和生態(tài)系統(tǒng)安全提供切實(shí)有效的技術(shù)支撐。

建壩河流泥沙情勢(shì)變化及影響

河流干流及其支流水庫(kù)大壩的建設(shè)運(yùn)行，人為阻斷了河流的連續(xù)性，同時(shí)改變了庫(kù)區(qū)與下游河段的水沙過(guò)程及營(yíng)養(yǎng)輸移過(guò)程，進(jìn)一步對(duì)河流生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。水庫(kù)調(diào)度通常采用汛期降低水位防洪、汛后抬高水位蓄水的運(yùn)行方式，對(duì)于水體來(lái)說(shuō)，主要改變了年內(nèi)徑流過(guò)程，而總年徑流量變化不大；對(duì)于泥沙來(lái)說(shuō)，總輸沙量、年內(nèi)過(guò)程、泥沙粒徑均發(fā)生顯著變化。而且，河流泥沙過(guò)程對(duì)于河流地貌、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的維持起著至關(guān)重要的作用，因此本文重點(diǎn)分析建壩河流泥沙的變化及其生態(tài)環(huán)境影響。

1.庫(kù)區(qū)泥沙變化及影響

水庫(kù)運(yùn)行后，庫(kù)區(qū)河道沿程過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u增大、流速逐漸降低，導(dǎo)致泥沙沿程落淤，一方面水體中含沙量大幅度降低，懸沙粒徑逐漸細(xì)化，到壩前易發(fā)生泥沙絮凝沉降現(xiàn)象；另一方面庫(kù)底泥沙大量淤積、河床逐漸抬高，淤積泥沙的粒徑也呈現(xiàn)庫(kù)尾至壩前逐漸減小的規(guī)律。

對(duì)于庫(kù)區(qū)，細(xì)顆粒泥沙絮凝沉降加劇了潛在污染物的累積。研究表明，泥沙尤其是黏性細(xì)顆粒泥沙具有復(fù)雜的表面形貌和較大的比表面積，能夠有效吸附營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。當(dāng)泥沙顆粒較細(xì)時(shí)，單位泥沙表面積營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸附能力大，單位質(zhì)量泥沙營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸附量大。因此水庫(kù)細(xì)顆粒泥沙的淤積，會(huì)導(dǎo)致營(yíng)養(yǎng)鹽、有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)在庫(kù)區(qū)大量沉積滯留。在水體流動(dòng)性下降、水庫(kù)底泥缺氧環(huán)境和厭氧微生物的共同作用下，底泥中的內(nèi)源物質(zhì)易解吸至上覆水體中，進(jìn)而改變庫(kù)區(qū)水體營(yíng)養(yǎng)物水平，帶來(lái)水體富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)氣候條件適宜時(shí)，水庫(kù)庫(kù)灣及支流河口易發(fā)生藻類水華現(xiàn)象。

2.水庫(kù)下游泥沙變化及影響

由于大壩的攔截作用，下游河道水體中泥沙含量急劇減少。同時(shí)，清水下泄將導(dǎo)致長(zhǎng)距離范圍內(nèi)的河床沖刷，改變了河道的斷面形態(tài)，河床下切對(duì)沿江涉水建筑物的基礎(chǔ)穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅，水位下降導(dǎo)致岸邊已有取水口高于水面而失效，會(huì)影響當(dāng)?shù)赜盟踩敖?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。此外，河流下游通常為平原地帶，若連通湖泊，自然條件下河湖之間會(huì)保持平衡的水沙交換關(guān)系，而水庫(kù)運(yùn)行后河流下游河床和水位均下降，會(huì)明顯改變湖泊的吞吐能力，進(jìn)而使河湖連通關(guān)系發(fā)生顯著變化。

下游河道泥沙減少和河床斷面變化，將對(duì)水環(huán)境和水生態(tài)帶來(lái)復(fù)雜且深遠(yuǎn)的影響。一方面，水體泥沙的減少改變了水體的渾濁度和透明度，并通過(guò)對(duì)氮磷的吸附解吸改變下游平原河流的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)通量格局，導(dǎo)致氮磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量失衡、有機(jī)質(zhì)減少，對(duì)整個(gè)下游河道的水體初級(jí)生產(chǎn)力產(chǎn)生影響，進(jìn)而直接影響藻類等浮游生物的生長(zhǎng)繁殖；另一方面，河漫灘、邊灘、心灘等河床的主要地貌組成單元是河流生物的重要棲息地，其形態(tài)、面積、基質(zhì)等因素都直接決定著棲息地的質(zhì)量以及各種生物的生命過(guò)程，下游河道沖刷將導(dǎo)致河流地貌發(fā)生演變，同時(shí)河床粗化、床面細(xì)顆粒泥沙含量減少將導(dǎo)致床面有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)鹽含量降低且難以累積，底棲生物的物理?xiàng)h(huán)境和食物來(lái)源遭受破壞。對(duì)浮游和底棲等餌料生物的長(zhǎng)期影響將會(huì)通過(guò)食物鏈影響整個(gè)下游河道的生態(tài)系統(tǒng)。

建壩河流生態(tài)喂沙理念

1.生態(tài)喂沙理念含義

河流建壩顯著地改變了泥沙過(guò)程，從而對(duì)庫(kù)區(qū)及整個(gè)下游的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。通過(guò)泥沙調(diào)控恢復(fù)河流的連續(xù)性也逐漸被認(rèn)為是修復(fù)河流生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要措施。國(guó)際上，德國(guó)為解決萊茵河河道渠化導(dǎo)致河床持續(xù)沖刷的問(wèn)題，自1978年開始每年往河里投放約20萬(wàn)t配制好的砂卵石；美國(guó)密西西比河將渾水調(diào)往河口三角洲來(lái)緩解河口淤積量減少、濕地面積萎縮問(wèn)題，加利福尼亞州對(duì)13條河流通過(guò)人工拋沙修復(fù)大馬哈魚的棲息地。在國(guó)內(nèi)，針對(duì)黃河提出“管道輸沙”“氣動(dòng)沖沙法”等水沙關(guān)系修復(fù)方法；針對(duì)長(zhǎng)江提出在三峽水庫(kù)固定河段人工挖沙后拋入下游河段的方法，以減輕庫(kù)區(qū)淤積和下游沖刷，協(xié)調(diào)下游營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比例，恢復(fù)下游濁度。

建壩河流生態(tài)喂沙指天然河流修筑大壩后，以水庫(kù)原有的調(diào)度方式為基礎(chǔ)，通過(guò)工程措施將庫(kù)區(qū)淤積泥沙輸送至大壩下游河段，進(jìn)行生態(tài)喂沙，主要目的是恢復(fù)下游水體泥沙含量，補(bǔ)充下游氮磷營(yíng)養(yǎng)物和有機(jī)質(zhì)，協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比例，并緩解下游沖刷，修復(fù)河道地貌與水生生物棲息地。因此，生態(tài)喂沙是基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的河流人工補(bǔ)沙技術(shù)。

2.指導(dǎo)思想和原則

建壩河流生態(tài)喂沙理念以習(xí)近平生態(tài)文明思想為指導(dǎo)。黨的二十大報(bào)告指出，尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然，是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的內(nèi)在要求。中國(guó)式現(xiàn)代化是人與自然和諧共生的現(xiàn)代化，人與自然是生命共同體，要堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先、保護(hù)優(yōu)先、自然恢復(fù)為主的方針。2025年6月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)《關(guān)于全面推進(jìn)江河保護(hù)治理的意見》，要求“恢復(fù)河流連通性，加大水生生物保護(hù)力度”。2026年全國(guó)水利工作會(huì)議提出，要全面建設(shè)安瀾江河、生命江河、幸福江河保護(hù)治理體系，持續(xù)提升江河系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)人與江河和諧共生。天然河流建壩后，為了盡可能降低由于大壩攔截泥沙對(duì)庫(kù)區(qū)及下游河道的水生態(tài)環(huán)境影響，按照自然恢復(fù)為主的方針，通過(guò)生態(tài)喂沙促進(jìn)泥沙過(guò)壩，在較大程度上恢復(fù)河流的連續(xù)性，重建近自然狀態(tài)下的河流水沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移過(guò)程。

生態(tài)喂沙的基本原則是盡量恢復(fù)水庫(kù)下游河道自然的泥沙輸移過(guò)程。天然河流在長(zhǎng)期演變過(guò)程中一般形成穩(wěn)定平衡的輸沙過(guò)程，包括河道中的泥沙總量、沿程分布、汛期和非汛期的時(shí)間過(guò)程、泥沙粒徑與級(jí)配組成等關(guān)鍵要素。因此生態(tài)喂沙應(yīng)以恢復(fù)水庫(kù)下游近自然狀態(tài)下的輸沙過(guò)程為目標(biāo)，通過(guò)工程措施來(lái)促進(jìn)庫(kù)區(qū)落淤的泥沙按不同時(shí)間分布連續(xù)輸移至水庫(kù)下游河道，盡可能恢復(fù)泥沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的連續(xù)性，從而促進(jìn)河庫(kù)系統(tǒng)生態(tài)復(fù)蘇。

生態(tài)喂沙技術(shù)思路

根據(jù)河道型水庫(kù)水動(dòng)力空間分布特征，本文創(chuàng)新性地提出一種庫(kù)底揚(yáng)沙技術(shù)，將壩前河段庫(kù)底淤積細(xì)沙輸送至水庫(kù)下游，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)喂沙。

1.技術(shù)方法概述

對(duì)于河道型水庫(kù)，基于水庫(kù)運(yùn)用時(shí)壩前河段垂向“上大下小”的流速分布特征，在庫(kù)底淤積床面上放置可移動(dòng)的生態(tài)喂沙智能機(jī)器人，利用氣力產(chǎn)生羽流技術(shù)，將庫(kù)底淤積細(xì)沙擇機(jī)提升至水體高流速剪切層并在水流挾帶下排至壩前，然后在泄洪或排沙等水庫(kù)調(diào)度的作用下，由水流挾帶經(jīng)壩體孔洞排至水庫(kù)下游，從而實(shí)現(xiàn)生態(tài)喂沙。

水庫(kù)生態(tài)喂沙技術(shù)方法示意

2.技術(shù)原理及適用條件

生態(tài)喂沙技術(shù)的作用主要是實(shí)現(xiàn)水庫(kù)淤積泥沙的揚(yáng)起和過(guò)壩，其技術(shù)原理涉及三個(gè)方面。

①水庫(kù)壩前淤積泥沙粒徑較小，呈現(xiàn)沖瀉質(zhì)的特點(diǎn)，易被揚(yáng)起和輸送。水庫(kù)泥沙一般呈現(xiàn)分選落淤的特征，即淤積泥沙粒徑從庫(kù)尾到壩前呈現(xiàn)由粗到細(xì)的規(guī)律。隨著河流梯級(jí)水庫(kù)的建設(shè)運(yùn)行，一級(jí)級(jí)水庫(kù)對(duì)粗顆粒泥沙的攔截導(dǎo)致下游水庫(kù)淤積泥沙通常為細(xì)顆粒泥沙，并且在泥沙分選落淤的規(guī)律下，水庫(kù)壩前淤積泥沙通常為極細(xì)泥沙，具有沖瀉質(zhì)的性質(zhì)。

②庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置的氣力羽流作用可使庫(kù)底淤沙揚(yáng)至較大流速層。庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置通過(guò)進(jìn)氣管道在集沙箱體底部注入高壓空氣，高壓氣體通過(guò)噴管射向河床，從而沖起河床上淤積的極細(xì)泥沙。箱體內(nèi)沖起的泥沙與水、空氣充分混合，在密度差的作用下形成螺旋上升的混合流。螺旋混合流被導(dǎo)入排沙囪道并進(jìn)入流速相對(duì)較大的剪切層。

③水庫(kù)壩前河段流速具有“上大下小”的垂向分布特征，因此中上部的大流速水體可將旋流揚(yáng)起的淤沙輸送至下游。與天然河道相比，水庫(kù)壩前河段水深較大，在庫(kù)底河床的邊壁作用下，垂向流速呈現(xiàn)“上大下小”對(duì)數(shù)分布規(guī)律。下圖顯示了三峽水庫(kù)概化條件下距壩10km和距壩35km斷面處的垂向流速分布，發(fā)現(xiàn)將庫(kù)底淤沙向上旋流提升5~10m即可進(jìn)入大流速剪切層。

水庫(kù)壩前河段典型斷面垂向流速分布

生態(tài)喂沙技術(shù)主要適用于河道型水庫(kù)，以保證庫(kù)區(qū)的水流有一定流速可帶動(dòng)揚(yáng)起的泥沙。同時(shí)，為保證揚(yáng)起的泥沙具有沖瀉質(zhì)的性質(zhì)，適用揚(yáng)起的淤積泥沙粒徑建議不大于0.05mm。

3.技術(shù)核心裝備

實(shí)現(xiàn)水庫(kù)生態(tài)喂沙的核心裝備是生態(tài)喂沙智能機(jī)器人，由庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置和水下機(jī)器人平臺(tái)組成。

庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置由圓形集沙箱體和排沙囪道組成，均采用耐深水高壓材料制造。集沙箱體采用中空式，內(nèi)圈布置進(jìn)氣管道和多個(gè)噴管。整個(gè)裝置的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括揚(yáng)沙動(dòng)力特征參數(shù)（如噴管尺寸，噴射速度、角度及頻率，離地距離等）和結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（如箱體尺寸、形狀，噴管布置，揚(yáng)沙管徑和高度等）等，主要根據(jù)氣動(dòng)揚(yáng)沙過(guò)程中的多相流運(yùn)動(dòng)特性和揚(yáng)沙效能需求確定。

庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置結(jié)構(gòu)示意

為減輕揚(yáng)沙裝置噴管磨損和堵塞問(wèn)題，優(yōu)先采用耐磨合金（如高鉻鑄鐵、2205雙相不銹鋼）或高分子耐磨材料（如超高分子量聚乙烯UHMWPE），噴管內(nèi)壁噴涂陶瓷涂層，提升耐磨性能；在噴管入口加裝不銹鋼濾網(wǎng)，防止大顆粒泥沙堵塞，與主管路通過(guò)可拆卸構(gòu)件連接，方便清理。揚(yáng)沙裝置長(zhǎng)期連續(xù)作業(yè)時(shí)需要定期維護(hù)，每周監(jiān)測(cè)空壓機(jī)運(yùn)行參數(shù)，每月拆解檢查噴管噴口，清理殘留泥沙與結(jié)垢，每季度對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行全面保養(yǎng)，對(duì)布?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行整體沖洗，清除管路內(nèi)長(zhǎng)期沉積的泥沙。

水下機(jī)器人平臺(tái)主要用于搭載庫(kù)底氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置。水下機(jī)器人具備自動(dòng)感知、主動(dòng)避障及遙控指令下的自適應(yīng)調(diào)整功能，以及實(shí)時(shí)定位導(dǎo)航、速度及位置精確控制功能。氣動(dòng)揚(yáng)沙裝置搭載于水下機(jī)器人平臺(tái)，組裝成為一體化的生態(tài)喂沙智能機(jī)器人，該機(jī)器人可按照設(shè)定的線路走航作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)水下自主移動(dòng)作業(yè)和清淤位置精準(zhǔn)控制。此外，可根據(jù)水庫(kù)下游生態(tài)喂沙需求，在機(jī)器人中集成自動(dòng)控制算法（如PID控制器），根據(jù)出庫(kù)沙量和下游河道增沙需求，動(dòng)態(tài)控制機(jī)器人移動(dòng)速度和揚(yáng)沙裝置進(jìn)氣量、進(jìn)氣速度等動(dòng)力參數(shù)，實(shí)現(xiàn)揚(yáng)沙強(qiáng)度與范圍的自適應(yīng)智能調(diào)整。

關(guān)于生態(tài)喂沙智能機(jī)器人的供電，可借鑒目前油電混動(dòng)汽車的供能系統(tǒng)，采用高密度蓄電池疊加柴油機(jī)發(fā)電的方式。其中柴油機(jī)搭載在水面工作船上，通過(guò)電纜連接電池，動(dòng)力電池存儲(chǔ)容量可超過(guò)300kW·h，釋放功率超過(guò)100kW，基本滿足機(jī)器人水下?lián)P沙作業(yè)續(xù)航需求。當(dāng)作業(yè)時(shí)間較短時(shí)，可單獨(dú)采用蓄電池供電；當(dāng)作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，后續(xù)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)給電池補(bǔ)充電量。未來(lái)隨著蓄電池技術(shù)的不斷提升，可逐漸升級(jí)為只采用蓄電池的無(wú)纜方案。

4.同類技術(shù)對(duì)比探討

現(xiàn)有泥沙連續(xù)性調(diào)控技術(shù)中，人工拋沙技術(shù)在物料開采、運(yùn)輸及投放方面成本較高，長(zhǎng)期持續(xù)投入難度較大，且人工投放的砂卵石在粒徑、級(jí)配等方面難以完全匹配自然河床的原生狀態(tài)，可能影響原有底棲生物的棲息環(huán)境；渾水調(diào)蓄技術(shù)主要依賴上游來(lái)水來(lái)沙條件，受沙峰與洪峰異步傳播特性影響，通常易出現(xiàn)泥沙負(fù)載小、排沙效率不高、棄水量大等問(wèn)題；傳統(tǒng)機(jī)械式抽吸泥沙和管道輸沙的方式，需借助大型專用船只和長(zhǎng)距離輸沙管道，對(duì)高壩深庫(kù)的適應(yīng)性不足，作業(yè)施工成本較高。本文提出的生態(tài)喂沙技術(shù)基于順應(yīng)自然、保護(hù)自然理念，本質(zhì)是充分利用水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律增大水庫(kù)輸沙能力，通過(guò)庫(kù)底揚(yáng)沙起到“四兩撥千斤”生態(tài)喂沙效果，不需要配備大型作業(yè)船只和輸沙管道，具有水庫(kù)適應(yīng)性強(qiáng)、生態(tài)環(huán)保、高效經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。初步估算，除去裝備研發(fā)和制造費(fèi)用，庫(kù)底淤沙過(guò)壩運(yùn)行成本綜合單價(jià)不超過(guò)15元/m，遠(yuǎn)低于目前一般水庫(kù)清淤成本（30~60元/m）。

典型建壩河流生態(tài)喂沙方案

長(zhǎng)江是我國(guó)第一大河，擁有獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，是我國(guó)重要的生態(tài)寶庫(kù)。當(dāng)前和今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期，要把修復(fù)長(zhǎng)江生態(tài)環(huán)境擺在壓倒性位置，共抓大保護(hù)，不搞大開發(fā)。2020年12月長(zhǎng)江保護(hù)法頒布，進(jìn)一步明確了長(zhǎng)江保護(hù)的要求。三峽水庫(kù)為長(zhǎng)江干流水庫(kù)群中最重要的控制性水庫(kù)，在防洪、供水、發(fā)電、航運(yùn)等方面發(fā)揮著重要的作用，與此同時(shí)也改變了長(zhǎng)江干流泥沙過(guò)程，帶來(lái)一定生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。本文以長(zhǎng)江三峽水庫(kù)為例，以其作為長(zhǎng)江干流生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的主控節(jié)點(diǎn)，開展生態(tài)喂沙技術(shù)方案設(shè)計(jì)，以期通過(guò)生態(tài)喂沙增加庫(kù)區(qū)泥沙輸移到下游河道的占比，對(duì)長(zhǎng)江干流恢復(fù)水沙過(guò)程與增強(qiáng)連通性具有重要意義。

1.三峽水庫(kù)及下游泥沙變化情況

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2003年6月蓄水運(yùn)行至2024年12月，三峽水庫(kù)淤積泥沙21.296億t，近似年均淤積泥沙0.987億t，水庫(kù)排沙比23.2%。三峽水庫(kù)泥沙淤積主要集中在涪陵以下的常年回水區(qū)，空間上呈“藕節(jié)狀”主槽淤積態(tài)勢(shì)，其中壩前10km范圍內(nèi)淤積厚度達(dá)到13~67m，距壩30~50km河段的淤積厚度達(dá)到10~30m。庫(kù)區(qū)淤積物粒徑總體呈沿程下降的趨勢(shì)，至壩前段淤積物中值粒徑在0.01mm以下，極細(xì)顆粒泥沙發(fā)生絮凝沉降現(xiàn)象，絮團(tuán)挾帶的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素和有機(jī)質(zhì)也淤積于庫(kù)底。

隨著庫(kù)區(qū)泥沙的淤積，三峽水庫(kù)出庫(kù)泥沙大大減少，宜昌站年均輸沙量由4.94億t（1950—2002年平均）下降到0.297億t（2003—2024年平均），下降幅度達(dá)到94%，導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游河道營(yíng)養(yǎng)鹽和有機(jī)質(zhì)輸移改變，影響了河流的初級(jí)生產(chǎn)力。此外，出庫(kù)沙量的急劇減少也導(dǎo)致下游宜昌—大通河段長(zhǎng)距離沖刷，對(duì)長(zhǎng)江中下游的水生生物棲息地產(chǎn)生影響。

2.生態(tài)喂沙方案設(shè)置

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)泥沙淤積空間分布情況，目前淤積厚度較大的區(qū)域分別在距壩10km和距壩35km處，因此初步考慮如下兩個(gè)揚(yáng)沙河段。

三峽大壩壩前河段深泓縱剖面發(fā)展過(guò)程

揚(yáng)沙河段一：距壩7～12km范圍內(nèi)，河段長(zhǎng)5km，累積淤積體積為3343萬(wàn)m

揚(yáng)沙河段二：距壩31.5～37.5km范圍內(nèi)，河段長(zhǎng)6km，累積淤積體積為5413萬(wàn)m

根據(jù)數(shù)學(xué)模型模擬估算，單臺(tái)揚(yáng)沙機(jī)器人平均揚(yáng)沙能力為4000m/h，大致按揚(yáng)沙能力的1/4計(jì)算泥沙過(guò)壩量，單臺(tái)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)泥沙過(guò)壩能力1000m/h，1個(gè)月可實(shí)現(xiàn)泥沙過(guò)壩量72萬(wàn)m，約108萬(wàn)t。

三峽水庫(kù)于2003年開始運(yùn)行，根據(jù)水庫(kù)運(yùn)行前后宜昌站多年平均輸沙量選擇水庫(kù)運(yùn)行前后典型年，其中1962年代表水庫(kù)運(yùn)行前典型年，當(dāng)年輸沙量為4.94億t；2013年代表水庫(kù)運(yùn)行后典型年，當(dāng)年輸沙量為0.3億t。以盡量恢復(fù)水庫(kù)下游河道自然的泥沙輸移過(guò)程為原則，在上述兩個(gè)揚(yáng)沙河段布置揚(yáng)沙機(jī)器人，在一年共設(shè)置97臺(tái)月的情況下（月均約8臺(tái)），可使宜昌站年輸沙量增加至1.35億t。

生態(tài)喂沙實(shí)施前后宜昌站逐月輸沙量的變化

3.生態(tài)喂沙效益分析

根據(jù)上述生態(tài)喂沙方案設(shè)置，在兩個(gè)揚(yáng)沙河段共設(shè)置97臺(tái)月生態(tài)喂沙智能機(jī)器人的情況下，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)泥沙淤積減少和下游河道輸沙量的增加。對(duì)于庫(kù)區(qū)，可使水庫(kù)泥沙淤積量減少超過(guò)1億t，約占水庫(kù)運(yùn)行21年總累積淤積量的5%，且基本與水庫(kù)每年平均淤積量相等，對(duì)減少水庫(kù)泥沙淤積及營(yíng)養(yǎng)富集具有重要作用；對(duì)于水庫(kù)下游，宜昌站年輸沙量由0.3億t增加至1.35億t，增加了3.5倍，使水庫(kù)運(yùn)行前后出庫(kù)年輸沙量下降比例由94%下降至73%，從年內(nèi)分布來(lái)看，非汛期（11月至次年5月）輸沙量有望恢復(fù)至建庫(kù)前水平，對(duì)于補(bǔ)充下游河道沙量具有重要作用，從而盡可能地恢復(fù)河流自然水沙過(guò)程和連續(xù)性，進(jìn)一步補(bǔ)充下游河道初級(jí)生產(chǎn)力，促進(jìn)底棲生境恢復(fù)，保障河流持續(xù)發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)河流建壩攔截泥沙帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境影響，本文創(chuàng)新性地提出生態(tài)喂沙理念，通過(guò)生態(tài)喂沙智能機(jī)器人將庫(kù)區(qū)淤積細(xì)沙持續(xù)不斷地輸移至水庫(kù)下游河道，通過(guò)工程措施盡可能恢復(fù)泥沙及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸移的連續(xù)性，促進(jìn)河庫(kù)系統(tǒng)生態(tài)復(fù)蘇。

水庫(kù)泥沙淤積為共性問(wèn)題及世界難題，本文探索的基于生態(tài)喂沙理念的智能機(jī)器人屬于重大關(guān)鍵技術(shù)及裝備，該技術(shù)具有普適性，可推廣至國(guó)內(nèi)外河道型水庫(kù)，對(duì)于我國(guó)梯級(jí)水庫(kù)群的極細(xì)泥沙淤積情況尤其適用，為緩解水庫(kù)淤積及生態(tài)環(huán)境影響提供一種科學(xué)有效的方法。下一步，為推動(dòng)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，一是通過(guò)物理模型試驗(yàn)和流體力學(xué)數(shù)值模擬，充分探明設(shè)備的效率，研發(fā)原型樣機(jī)并在水庫(kù)中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；二是全面分析實(shí)際作業(yè)中遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)，考慮極端水文事件下的設(shè)備安全保護(hù)措施、超細(xì)軟泥沙的防淤陷技術(shù)等；三是深入探析水庫(kù)補(bǔ)沙后對(duì)下游水生生物群落的具體影響，以期為推動(dòng)筑壩河流水沙過(guò)程近自然重建和流域生態(tài)保護(hù)提供可行技術(shù)措施與裝備。

Abstract: River damming generally results in sediment deposition, which not only reduces the reservoir lifespan but also disrupts the natural and continuous transport of water, sediment, and nutrients. Sediment and nutrient retention in reservoirs increases eutrophication risks, while the sharp decline in downstream sediment brings about risks such as nutrient imbalance and ecological degradation. Currently, there is still no effective solution to the above problems. To deal with the economic losses and ecological influence of reservoir sediment deposition on upstream and downstream river sections, this study innovatively proposes the concept of ecological sediment feeding for dammed rivers. An intelligent robot for ecological sediment feeding is independently developed based on the vertical flow velocity distribution characteristics of reservoirs. Therefore, fine sediment from the reservoirs could be continuously transported to downstream channels to meet the demands for reservoir deposition reduction and downstream ecological sediment replenishment simultaneously, and restore the continuity of sediment and nutrient transport as much as possible. The robot comprises a bottom pneumatic sediment lifting device and an underwater robotic platform, and is capable of autonomous underwater movement and precise dredging positioning. For a typical channel-type reservoir, implementing this ecological sediment feeding scheme can reduce annual reservoir deposition by 5% and increase downstream annual sediment transport by 3.5 times, with non-flood season sediment transport potentially restored to pre-damming levels. The concept and technology of ecological sediment feeding are universally applicable and can be extended to reservoirs globally, providing a scientific and effective approach for alleviating reservoir deposition and ecological environment influence. Then, these feasible technical measures and equipment are provided for promoting near-natural restoration of water-sediment processes in dammed rivers and supporting large-scale watershed ecological conservation.

Keywords: reservoir deposition; pneumatic sediment lifting; ecological sediment feeding; underwater robot; continuous water-sediment transport

本文引用格式：

曹慧群，畢勝，楊文俊.建壩河流生態(tài)喂沙理念與技術(shù)[J].中國(guó)水利，2026（3）：39-45.

責(zé)編呂彩霞

校對(duì)李盧祎

審核｜張瑜洪

監(jiān)制｜楊軼

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