1.2 相关研究进展
1.2.1 国内外水库排沙概况
国内外许多水库相继开展了水库排沙，对维持有效库容、延长水库寿命起到了重要的作用，见表1.1。其中，比较系统连续排沙的案例包括位于日本黑部川的出平水库和宇奈月水库的联合排沙，位于法国Isère河流的Saint Egrève、Beauvoir、Saint Hilaire、Pizancon、La Vanelle和Beaumont等六座水库的联合排沙，以及中国黄河小浪底—三门峡—万家寨—陆浑—固县水库群的调水调沙试验和运行。其中，黑部川出平水库和宇奈月水库的联合排沙是每年第一场洪峰过后开始降低库水位进行排空排沙，自2001年以来，已实施了10余次联合排沙，有效减轻了水库淤积、实现了水库上下游河流泥沙的连续性，改善了下游河床颗粒级配和河口泥沙环境。在我国，黄河小浪底水库建成后，自2002年至2015年，联合上游万家寨、三门峡、陆浑和固县等水库共实施了14次调水调沙试验和运行，下游河道主槽最小过流能力由2002年汛前的1800m3/s提高到目前的4200m3/s，有效改善了下游河道的泥沙淤积状况。其中，2010年通过实施调水调沙，河口刁口河流路断流34年后全线过流，湿地生态系统淡水资源得到有效补给。因此，自小浪底水库建设运行以来，在保障黄河中下游人民生命财产安全、促进经济社会发展和防止黄河下游断流等方面发挥了重要作用。
表1.1 水库排沙案例
注 1.水库寿命表示水库库容与年平均入库泥沙量之比。
2.“—”表示无资料。
小浪底工程是黄河中游继三门峡工程之后第二座大型水利枢纽，坝址控制面积为69.42万km2，占黄河流域面积的92.3%，总库容126.5亿m3，承担着黄河下游防洪、减淤以及供水、灌溉、发电等除害兴利和综合利用的任务。工程于1999年10月25日下闸蓄水，至今已有十余年。1999年10月至2009年10月，水库拦截泥沙25.94亿m3，占总来沙量的84%，下游河道共冲刷17.6亿t泥沙。小浪底水库的重大贡献是通过十多年的运用（包括水库调水调沙），使黄河下游河道长期处于持续冲刷状态，从而扭转了20世纪末期发生的连年萎缩局面，河道得到复苏，防洪能力逐年提升。
10多年来，小浪底水库的运用以蓄水拦沙为主，其任务是防洪、调水调沙、减淤，满足生产生活用水及发电供水。每年一般6月中旬至7月上旬，因黄河防汛的需要，腾空汛期限制水位以上的库容并与三门峡、万家寨等干支流水库联合调度，适时进行调水调沙；7—10月为黄河主汛期，水库维持在汛期限制水位以下运行。2005年起，调水调沙已列入小浪底水库生产调度运行。
异重流排沙是小浪底水库主要的排沙方式。按其形成原因，有天然和人工异重流。天然异重流由上游来的洪水形成。当挟带较多泥沙的洪水进入小浪底水库以后，悬沙强烈分选，较粗的泥沙首先在回水末端沉下，细泥沙则继续下行，在一定距离后潜入原有清水底部，沿库底向坝前推进，形成异重流。其泥沙中径颗粒（d50）为0.005～0.012mm，d90则小于0.03mm。
人工异重流一般发生在小浪底水库与其上游的三门峡、万家寨水库联合调度的调水调沙运用期间。在第一阶段，用三门峡水库拦蓄的清水冲刷小浪底水库库尾的河床，冲刷产生的细颗粒泥沙潜入小浪底水库库底形成异重流。在第二阶段，万家寨水库下泄清水，冲刷万家寨以下黄河干流和三门峡及小浪底水库的库尾河床，冲刷产生的细颗粒泥沙也在小浪底水库内形成异重流。这两种异重流组成了调水调沙运用过程中人工异重流的全过程。
2001—2009年，小浪底水库共发生10次天然异重流及9次人工异重流。如以出库沙量和进库沙量的比值作为异重流的排沙比，则天然异重流进行的排沙比为0～86%，人工异重流进行的排沙比为4.4%～61.8%。影响异重流排沙比的因素有水库水位、上游水库来水来沙大小、潜入点位置、潜入点以上淤积物粒径和潜入点以下淤积体坡降等。
1.2.2 水库排沙对下游河流生态环境的影响及评价指标
水库进行水力排沙时，库区泥沙流入下游河道，流量和水质的短时间变化将引起下游河道物理、化学和生物环境的变化，可能对河流生态系统产生不利影响。瑞士、法国和日本等国家在水库排沙对下游河流生态环境的影响方面已积累了丰富的经验。其中，法国电力公司（FED）按空间和时间尺度分析水库排沙对河流生态要素的影响程度。以其系统调查的水流含沙量及其持续时间对鱼类的影响关系，作为水库排沙控制含沙量标准被法国和瑞士等国家应用。G.Merle从影响类型、影响的时空分布特点分析了水库排沙对下游河流河床地貌、水质、水生植物、底栖动物、鱼类等生态环境的影响。其中，河流流速的大幅提高和大量泥沙进入下游河道，下游河床发生较大的冲淤变化，改变坝下游河流水生生物的栖息地条件；对水质的影响主要是溶解氧下降，堵塞取水口等；对底栖动物的主要影响是个体丰度和物种组成的变化；对于鱼类影响主要包括淤堵鱼类产卵场、幼鱼被冲走、将鱼类向下游推移和水质变化影响鱼类呼吸系统等，影响范围主要靠近水库下游，持续时间较长，见表1.2。
表1.2 水库排沙对下游河流生态环境的主要影响
另外，Erich Staub指出，水库排沙对鱼类等生物影响的最大因素是缺氧化问题。因为：①水库泥沙附着物中的还原性物质消耗了水流中的氧气，是鱼类缺氧的直接原因；②高含沙水流的泥沙堵塞鱼鳃，影响鱼鳃的黏液分泌，降低鱼类从水中摄取氧气的能力从而产生间接影响。
在评价指标方面，为了评价出平水库和宇奈月水库的联合排沙对下游河流及海洋生态环境的不利影响，在排沙前、排沙中和排沙后都需进行环境调查，具体调查内容见表1.3。从表1.3可以看出，环境调查内容除了SS（含沙量）外，还有水温、pH值、BOD5、COD、DO等水质项目，鱼类、底栖生物、附着藻类等水生动植物项目以及底泥的物理化学特性。调查位置不仅包括水库下游河流，也包括河口以及海岸。
表1.3 黑部川出平水库和宇奈月水库联合排沙对下游河流生态环境的影响调查项目
1.2.3 水库排沙对鱼类的影响
瑞士、法国、加拿大和日本等国家从20世纪90年代开始，通过实测和实验等方法开展了排沙时期下游河流含沙量升高、溶解氧下降和有毒物质释放对鱼类产生的直接或间接影响方面的研究，取得了定性或定量的研究成果，部分成果已应用到工程实际运行中。
（1）含沙量变化对鱼类的影响。
水库排沙期间最显著的特点是下游河流含沙量大幅度升高，含沙量峰值及变化过程、泥沙性质等呈现与自然河流洪水过程的泥沙输送完全不同的特点。悬移质泥沙会对鱼类的鱼鳃、进食和生理指标产生影响，进而影响其生存、生长和繁殖。Erich Staub认为，高含沙水流会引起鱼类避难运动量的增加，从而增加呼吸频率和需氧量，同时容易淤堵鱼鳃，影响摄氧功能。村冈等人进行了实验研究后认为，同样的含沙量对不同鱼种的影响程度是不同的，如白斑红点鲑（Salvelinus leucomaenis）和日本樱鳟（Oncorhynchus masou）等鱼种对短时间含沙量增高的适应能力较强，但香鱼等鱼种较弱。
Petz-Glechner进行的室内实验表明，对鱼类影响而言，含沙量没有一个明确的阈值，因为这种影响是含沙量和持续时间等多种因素综合作用的结果。如含沙量50g/L、持续时间2h以内的影响小于含沙量10g/L、持续时间24h的影响，见图1.1。
图1.1 电子显微镜下的虹鳟鳃淤堵（Petz-Glechner，1999）
木下研究淤堵白斑红点鲑鱼鳃的泥沙颗粒级配，指出粒径在150μm以下的细颗粒泥沙容易堵塞鱼鳃，且泥沙颗粒越细，越容易堵塞鱼鳃，见图1.2。Erich Staub认为，小于75μm的颗粒能够穿过鱼鳃进入鳃组织的层间空隙，淤堵鱼鳃，而75～250μm的粗颗粒大到足够引起鳃的机械磨损。Crosa等研究了阿尔卑斯山河流上水库排沙对鱼类和大型无脊椎动物的影响，排沙过程中最大含沙量达70～80kg/m3，平均含沙量为4～5kg/m3，导致鱼类密度下降了73%，生物量减少了66%，尤其是幼鱼的损失比较多，会造成鱼类长期的年龄结构断层。同时底栖生物量也大幅减少，一般需要3个月的时间才能基本恢复。建议通过多次调沙降低单次含沙量浓度，类似环境下应使最高含沙量小于10kg/m3，平均含沙量小于5kg/m3。
图1.2 泥沙粒径与淤堵鱼鳃面积百分比（木下，2004）
Bilotta等归纳了以往的研究，认为需要注意悬移质泥沙的含沙量和粒径对水质和水生生物的负面影响。Kemp等回顾了以往细颗粒泥沙对不同鱼种的影响。Rowe等研究了引起新西兰淡水珍稀鱼类死亡的含沙量，选取3种易受泥沙影响的鱼类进行研究，其中两种鱼类在含沙量大于43kg/m3时24h后出现死亡；另一种鱼类在含沙量大于1kg/m3时24h后出现了死亡，在含沙量达到3kg/m3时24h后死亡率达到了50%。Lazar等利用INCA-Sed模型模拟了英国威尔士某条河流的水文、泥沙日变化过程，指出在含沙量较高的时候会对鱼鳃造成损坏。Shrimpton等通过实验研究了温度变化和含沙量增加对奇努克鲑鱼幼鱼的影响，发现在含沙量较高的实验中幼鱼鱼鳃的生物酶活性较低。Awata等研究了悬移质泥沙对野生和饲养香鱼的皮质醇的影响，通过比较试验发现暴露在含沙水体中的香鱼比清水中的香鱼皮质醇要高。Huenemann等通过实验研究了不同浑浊度的水体对大嘴黑鲈鱼在养鱼池觅食的影响，结果表明含沙量降低大嘴黑鲈鱼捕食的能力和效率。Schwartz等指出美国河流中高含沙量是造成生态完整性缺失的一个主要原因，并利用基于生态功能属性的方法将鱼类育肥、索食和产卵等17项属性与悬移质泥沙的输移指标联系起来，研究了不同含沙量造成生态损失的情况。Schwartz等提出了用于评价生态损失的含沙量、历时和频率曲线，并根据监测数据进行了拟合。Yi等利用基于栖息地适宜性原理的水文、泥沙、底质和生态学指标的模型评价葛洲坝和三峡工程对长江中华鲟产卵场的影响，指出葛洲坝下泄流量在10000～30000m3/s之间时适宜性较高。Wang等考虑水深、流速、水质、泥沙等因素，利用模糊综合评价模型评价了长江中华鲟的栖息地适宜性。
（2）溶解氧变化对鱼类的影响。
水库排沙时，库底长期沉积的部分有机物质或有毒物质等随泥沙重新起动和悬浮，在流动过程中发生生化反应，消耗水体中的部分溶解氧，导致溶解氧浓度下降而影响鱼类生存。国内外学者对泥沙与水生生境的关系及溶解氧对鱼类的影响开展了研究。Erich Staub认为，在排沙过程中至少有两种因素可能引起鱼类缺氧问题：①泥沙中的还原性物质消耗水中溶解氧，导致水体缺氧；②高浓度泥沙淤堵鱼鳃，诱导鱼鳃分泌物的增多，影响摄入氧气功能。当溶解氧浓度低于2mg/L或者含沙量超过10～30kg/m3时，溶解氧和泥沙成为影响鱼类生存的关键因素，由于溶解氧和含沙量相互作用和影响，因此究竟怎样确定具体值较困难。J.Garric以褐鳟（Salmo trutta fario）幼鱼作为对象，进行了含沙量及褐鳟幼鱼生存持续时间的实验，提出了不同溶解氧浓度和含沙量条件下，褐鳟幼鱼10%死亡率生存持续时间等时线图（图1.3），得出溶解氧的亏缺（小于2mg/L）比悬移质浓度（高于30kg/m3）更容易导致鱼类死亡的结论。董耀华等综述了有关泥沙与河流水生生境相互联系的研究，总结了与河流输沙有关的主要生境问题，如有机物与颗粒输移、水质与泥沙相互影响、河道冲淤变化等。沈旭明等测定和分析了温度、溶解氧两项理化因子对暗纹东方鲀幼鱼呼吸频率的影响，发现在温度适宜范围内暗纹东方鲀幼鱼对溶解氧要求的最佳范围为饱和度65%以上或含量5mg/L以上。
图1.3 不同持续时间10%死亡率等时线图（J.Garric，1990）
（3）污染物变化对鱼类的影响。
水库泥沙再悬浮时，底泥中的还原性物质发生氧化反应，消耗大量的溶解氧，同时产生有毒物质，对鱼类产生直接或间接的影响。当水体中缺乏游离子氧时厌氧微生物对有机物质的分解起主要作用，常常产生二氧化碳、水、氨和硫化氢等。其中，水中氨常以
和NH3的形态存在，都具有毒性，且NH3的毒性更高，当水中浓度达到0.1mg/L以上时，降低鱼类吸入溶解氧的效率，导致鱼类死亡。水中
和NH3的比例及其毒性与水温和pH值有关，水温或pH值越高，NH3的比例越高，毒性也就越高。因此，在排沙过程中需要通过控制下泄水体的酸碱度，以降低氨对鱼类的影响。
Rambaud进行了氨对鳟鱼幼鱼毒理性实验，并将鳟鱼的死亡率随时间的变化过程用Weibull模型，即式（1.1）表示，实验结果见图1.4。图1.4中，LT10、LT20和LT50分别表示10%、20%和50%死亡率的持续时间，阴影面积表明排沙调度过程中的NH3浓度。
式中：LTn为持续时间；n为死亡率；A1，A2为拟合参数；x为非离子氨（NH3）浓度，通过pH值和水温计算得到。
该公式表明，死亡率与持续时间和毒性底质浓度具有指数函数关系。
图1.4 NH3对褐鳟幼鱼的毒性阈值（Rambaud等，1988）
我国关于高含沙水流对生态环境影响方面的研究主要侧重于河流、底泥沉积物与重金属的相互作用、污染物的迁移转化及对水质的影响方面，而对生态影响方面的研究甚少。由于泥沙具有巨大的比表面积，并含有大量活性基团，是水体中重金属污染物的最主要载体，决定着重金属在水体中的化学和生物效应。张曙光通过对鱼类的累积中毒实验以及与泥沙结合的污染物对水生生物毒性毒理、生化指标、生态指标、环境效应指标影响的综合实验研究，首次提出多泥沙河流Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As等六种重金属四级水质评价标准。张仙娥采用数值模拟手段，对Bakun水电站不同叠梁高程、不同库水位的坝前库区流场分布和坝前溶解氧沿水深分布进行模拟，计算出下泄水体溶解氧的变化过程，得出各种运行工况下，下泄水流的溶解氧属于Ⅱ类水的范畴，不会对下游的鱼类繁殖、农作物生长、人畜用水造成不利影响的结论。但她的研究对象是清水下泄情况，不涉及水库大量排泄泥沙和还原性物质对水体溶解氧的消耗问题。以上研究对于水库排沙对下游河流水生态和水质影响具有一定的参考价值。
1.2.4 含沙量对鱼类影响的评价方法
评价高含沙水流对鱼类影响时，含沙量及其持续时间是两个重要的影响因素。Newcombe总结了悬浮泥沙对鱼类影响的详细数据，得出了含沙量和持续时间对鲑科鱼类影响程度的相关关系，见图1.5。
在此基础上，Newcombe根据含沙量及其持续时间乘积的自然对数值评价水库排沙对河流生态环境影响的负荷程度，提出了式（1.2）所示的SI（STRESS-INDEX）方法。
图1.5 含沙量和持续时间乘积与影响程度关系（Newcombe，1996）
式中：SS为含沙量；T为持续时间。
Newcombe指出，SI值越大，对鱼类等水生动物的影响就越大。角哲也等人对日本黑部川出平水库和宇奈月水库联合排沙期间下游河流含沙量和颗粒级配变化过程进行了详细地观测，并利用Newcombe提出的STRESS-INDEX法对悬移质泥沙进行不同颗粒级配的生态环境影响评价，得出按全泥沙评价和粒度等级评价都很重要的结论。由此可见，SI方法可以从含沙量及其持续时间的角度定量评价水库排沙对河流环境的影响程度，表明短时间的高含沙量和长时间的低含沙量都有可能对河流生态环境产生影响。
但是，需要注意的是通过这种含沙量和持续时间评价实际水库排沙对鱼类影响程度具有很大的不确定性。因为，高含沙水流对鱼类的影响除了泥沙之外，还有溶解氧、有毒物质等众多影响因素。