一种混合方法用于评估大型水坝中的沉积现象：以埃塞俄比亚大复兴大坝和跨越青尼罗河的罗塞雷斯大坝为案例研究

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：A hybrid approach to evaluate sedimentation in large dams: case study of the Grand Ethiopian Renaissance Dam and Roseires Dam across the Blue Nile

泥沙截留效率、水动力模型、多目标调度、库容损失、尼罗河流域、水库寿命评估、经验公式、河流形态变化、生态影响、泥沙管理

　　### 蓝尼罗河水库沉积物拦截对下游影响的评估

在非洲，蓝尼罗河上的复兴大坝（GERD）建成后将成为最大的水力发电大坝。这一工程对下游蓝尼罗河的沉积物输送量的减少，可能会对农业产出、河流形态以及下游水库的管理产生影响。复兴大坝的建设地点靠近索丹的Roseires大坝，因此后者预计会受到最大的影响。本研究评估了复兴大坝的沉积物沉降过程及其对Roseires大坝的影响。为了提高评估的准确性，采用了一种新的方法，将二维水动力模型（Delft3D）的流速数据与Churchill和Tan的实测拦截效率（TE）公式相结合。同时，研究中还考虑了两个大坝的操作规则对TE计算的影响。研究结果通过Roseires水库的水下地形测量进行了验证。为了估算蓝尼罗河的沉积物负荷，研究利用了1981年至2022年的历史流量和沉积物浓度数据，并结合数据驱动模型（ANN）来填补缺失的沉积物记录。

### 项目背景

水坝的建设被认为是全球河流沉积物负荷减少的主要原因之一。随着水坝拦截大量沉积物，它们显著改变了下游的沉积物输送，从而影响河流形态和生态系统。沉积物浓度的下降可能带来多种正面和负面的影响，包括延长下游水坝的运行寿命、促进下游河段的侵蚀、降低土壤肥力，以及对生活在浑浊水环境中的水生生物生存构成威胁。此外，水库中沉积物的积累也显著影响水坝的运行性能和使用寿命。因此，近年来对水库沉积过程的研究日益深入，以帮助评估水坝项目的可持续性。

### 蓝尼罗河简介

蓝尼罗河起源于埃塞俄比亚的Tana湖，流域面积达311,548平方公里，河流全长约1530公里，最终在喀土穆与白尼罗河汇合。蓝尼罗河的坡度变化较大，从Tana湖至埃塞俄比亚-苏丹边境的上段坡度为1.5米/公里，而从边境至喀土穆的下段坡度仅为0.18米/公里。该流域的多变海拔造就了不同的气候带和降水模式。上段蓝尼罗河的平均年降雨量为1423毫米（1960至2002年）。降雨季节分为两个阶段：雨季从6月至9月，贡献了全年降雨量的74%；旱季从11月至4月。蓝尼罗河的年均流量在埃塞俄比亚和苏丹交界处的El-Deim站测量为49.29十亿立方米/年，这一数据基于1912年至2010年的观测结果。研究还指出，蓝尼罗河的流量数据中，洪水季节占年总流量的80%以上，且这一趋势在过去的几十年中有所增加。例如，从1980至1992年的沉积物负荷为91百万吨/年，而从1993至2009年的沉积物负荷增加至147百万吨/年。

### 复兴大坝的描述

复兴大坝位于埃塞俄比亚-苏丹边境上游约15公里处，由三个结构组成：（1）145米高的碾压混凝土重力坝；（2）50米高的岩石填充鞍形坝；（3）位于左岸624.9米海拔的闸门溢洪道。重力坝建在两条山丘之间，包括两个位于河流右岸和左岸的发电厂房，以及位于中间的一个未闸门溢洪道，位于640米海拔。发电系统由11台涡轮机组成，预计在项目完成后开始运行，其中较低的闸门涡轮机在大坝建设期间就开始使用，其进水口位于578.5米海拔。此外，还有两个位于542.2米海拔的底部出水口，主要用于在水库水位低于最低运行水位（595米海拔）时释放环境流量。复兴大坝缺乏深水闸门，这在一定程度上限制了通过放水或冲洗来减少沉积物的可行性。尽管这些较低的闸门在功能上有所作用，但它们位于水库底部40米以上，预计对水库内部的沉积过程影响较小。

### Roseires水库的描述

Roseires大坝建于1966年，位于苏丹的蓝尼罗河上，总高度为68米，总容量为3329亿立方米。它位于复兴大坝下游约115公里处，具有五个位于435.5米海拔的深水闸门和一个位于463.7米海拔的溢洪道，配有十个径向闸门。2010年至2012年间，Roseires大坝进行了10米的高度提升，使得水库的总储水能力增加到6598亿立方米。Roseires水库对苏丹至关重要，因为它是一个多功能水坝，支持大型灌溉项目，如Gezira、Rahad和Suki。它的运行与苏丹的五个其他水坝紧密相关，共同满足灌溉、水力发电和饮用水需求。

### 数据收集

为了评估水库的沉积物沉降过程，研究首先需要估算河流流域的沉积物产量。本研究使用了蓝尼罗河的实测悬浮沉积物浓度和流量数据来估算沉积物进入水库的量。苏丹水利与水资源部提供了El-Deim和Famaka两个水文站的流量和沉积物数据，时间为1979年至2022年。其中，El-Deim站的数据覆盖了1912年至2010年，而Famaka站位于El-Deim下游约19公里处，数据用于填补缺失的沉积物记录。研究指出，El-Deim站的沉积物浓度数据仅覆盖洪水季节，因此研究假设旱季的沉积物贡献较小，并将其忽略。然而，自复兴大坝开始蓄水以来，El-Deim站的数据不再能准确代表复兴大坝的流入情况。因此，研究采用了由Ali等人（2023）提供的雨-径流模型结果来估算复兴大坝的沉积物输入。

### 数据处理

研究中，El-Deim站的流量数据缺失，因此排除了1997年至1999年的数据，仅使用1979年至1997年和2000年至2020年的数据。由于沉积物数据的时间分辨率和质量有限，研究采用了人工神经网络（ANN）模型来预测悬浮沉积物负荷。通过将CHIRPS降水数据、El-Deim站的流量数据和沉积物负荷数据合并为10天的间隔，研究得到了116个数据点。这些数据被随机分为70%用于模型训练（校准），30%用于模型测试（验证）。模型训练过程中，调整了隐藏层中的神经元数量、学习率和正则化参数（alpha），以提高模型的泛化能力。模型的性能通过纳什-苏特cliffe效率（NSE）和相关系数进行评估。最终，ANN模型被用于估算缺失沉积物浓度数据的年沉积物负荷，生成了37年的沉积物时间序列。测试数据集的R2值为0.95，NSE值为0.90，而训练数据集的R2值为0.82，NSE值为0.68。研究还指出，模型在1980年代初期由于训练数据范围之外的流量较低，产生了五个负值，这些负值被替换为最小记录的沉积物负荷，因为它们仅占数据的不到0.9%。

### 模型与方法

研究中采用了两种不同的实测拦截效率（TE）公式来估算水库的沉积物沉降过程。首先是Churchill（1948）提出的沉积物沉降指数方法。该方法将TE与水库的水力条件联系起来，考虑了沉积物滞留时间和平均流速，这一特点被Efthymiou等人（2017）指出。Churchill曲线在估算水库沉积物拦截效率方面具有较高的可靠性，已被多项研究验证，包括Borland（1971）、Trimble和Bube（1990）以及Espinosa-Villegas和Schnoor（2009）的研究。在本研究中，Churchill公式用于计算TE，其公式来源于Efthymiou等人（2017）的研究，并呈现为公式（3）。

另一个公式是Tan等人（2019）提出的，因其在超出参数范围时较少产生误差，因此被选用。该公式基于20个水库的数据，包括两个与复兴大坝容量相似的水库。Tan的公式在验证18个大型水库的数据时显示出最小的平均误差（4.1%），相较于其他实测公式更为准确。公式（4）中，C表示活跃的水库储水容量，W表示流域面积，D_m表示沉积物颗粒的中位粒径，ω表示沉积物的沉降速度。D_m和ω被假设在整个研究期间保持不变，它们的值在表1中给出。

为了研究沉积物沉降过程，研究使用了Delft3D构建的二维水动力模型，以获得复兴大坝内部的流速数据。流速被用作Churchill公式的输入，以提高TE估算的准确性。此外，复兴大坝的储水容量和操作规则也被纳入模型中，以分析其对TE的影响。

### 结果与讨论

研究通过将模型预测的储水体积与Roseires水库的实测水下地形数据进行比较，验证了模型的有效性。在1981至1992年和2000至2016年的两个验证期间，模型预测的误差范围在0%至12%之间。研究指出，模型在早期（1980年代和1990年代）的预测误差较高，这可能与当时生成的沉积物数据存在较大不确定性有关。Churchill和Tan公式在结果上表现出不同的趋势，这可能是因为它们考虑了不同的参数。例如，Tan公式考虑了流域面积、中位粒径和沉降速度，而Churchill公式则未包含这些参数。此外，研究发现，Churchill公式估算的TE值较高，长期平均值为97%，而Tan公式估算的TE值为92%。这一差异可能与模型对参数变化的敏感性有关，其中Churchill公式对流量变化更为敏感，而Tan公式对储水容量变化更为敏感。

在复兴大坝的TE分析中，研究发现，TE在年度和季节内都有显著的变化。特别是在洪水季节，TE的变化更为明显。Churchill公式估算的季节性TE范围为81%至97%，而Tan公式估算的季节性TE范围为94%至100%。长期平均TE分别为97%和92%。这些变化主要受到流量波动、操作策略和储水容量变化的影响。研究还指出，复兴大坝的年度储水损失率估算为0.28%（189亿立方米/年），而Roseires水库在复兴大坝建成前的年度储水损失率为0.26%，预计在复兴大坝建成后会显著下降至0.01%。

在复兴大坝的各个舱室中，沉积物的分布也显示出不同的趋势。根据Churchill和Tan公式，约85%和76%的总沉积物沉积在活跃储水区，这与这些舱室的地形特征和流速有关。此外，研究还指出，复兴大坝的储水容量和操作规则的变化会影响其对下游Roseires水库的沉积物输送。在没有复兴大坝的情况下，Roseires水库的沉积物沉积量估计为1484亿立方米（Churchill公式）和1073亿立方米（Tan公式）。而在复兴大坝运行的情况下，沉积物沉积量分别降至51亿立方米（Churchill公式）和102亿立方米（Tan公式）。由于Tan公式对复兴大坝的TE估算较低，因此导致Roseires水库的沉积物输入较高，进而使得沉积物沉积量增加。相反，Churchill公式预测的沉积物沉积量较低，表明其对复兴大坝的拦截效率估计较高。

### 研究局限性

本研究存在一些局限性。首先，仅考虑了一种操作场景，即最大化水力发电的场景。虽然Churchill和Tan公式是储水容量依赖型的，但采用不同的操作策略可能会影响季节性拦截效率（TE）的值。此外，复兴大坝的溢洪道和底部出水口的设计限制了沉积物放水或冲洗操作的可能性。研究中还假设水流和沉积物均从上游进入水库，这可能无法完全反映沉积物输送的复杂性。此外，研究假设大坝的寿命期间，年均沉积物损失率保持不变，但实际上，许多水库的沉积物损失率会随着时间的推移而下降。由于缺乏床沙数据，研究采用了一个固定的15%床沙和85%悬浮沙的比例，并假设这两种沉积物的拦截效率相同。同时，由于缺乏旱季的悬浮沉积物数据，研究假设旱季的沉积物贡献较小，并将其忽略。此外，研究中未考虑蒸发作用，因为缺乏相关数据。

### 结论

本研究采用了一种新颖且简单的方法，评估了复兴大坝的沉积物拦截效率及其对下游Roseires水库的影响。研究还考虑了复兴大坝的操作场景以及Roseires水库高度提升后的操作规则变化。分析结果表明，复兴大坝的TE在年度和季节内均有显著变化，特别是在洪水期间。根据Tan公式，季节性TE范围为81%至97%，而根据Churchill公式，季节性TE范围为94%至100%，长期平均值分别为97%和92%。这些变化主要受到流量波动、操作策略和储水容量变化的影响。研究还指出，复兴大坝的年均储水损失率为0.28%，低于全球平均年均储水损失率0.36%。如果缺乏沉积物管理措施，复兴大坝的使用寿命可能约为357年。在没有复兴大坝的情况下，Roseires水库的储水损失率预计为0.26%每年，而在复兴大坝建成后，这一损失率将显著下降至0.01%每年，从而延长其使用寿命至约10,000年。

研究还指出，复兴大坝的建成将显著减少蓝尼罗河下游的沉积物输送，可能对下游河流形态和生态系统产生深远影响。例如，下游河段的侵蚀、河岸的破坏以及水生生物的生存环境变化。此外，这一变化可能对苏丹的农业生产和砖石产业造成影响，可能需要未来的缓解措施。研究的作者还指出了各自在项目中的贡献，包括撰写、软件开发、方法设计和概念化等。