确保蓄洪坝可持续性的关键相对通道宽度：来自日本全国性调查的见解

《Journal of Environmental Management》：Critical relative channel width to ensure reservoir sustainability in flood retention dams: Insights from a nationwide inventory in Japan

本研究通过分析日本24座防洪水库的库容损失与相对渠道宽度（RCW）的关系，发现RCW<0.20时，水库泥沙沉积显著，年均库容损失超过7%，需机械清淤维持可持续性。提出利用渠道坡度和底孔尺寸估算冲刷流量，进而快速确定RCW值，为早期规划提供依据。

　　

中村亮太

京都大学灾害预防研究所，日本京都府宇治市五胜庄6110011

摘要

蓄洪坝（FRD）通常处于干涸状态，通过河流冲刷作用减少沉积物堆积，从而保持较低的维护成本。然而，当相对河道宽度（RCW）——即冲刷河道宽度与水库底部宽度的比值——极小时，冲刷效果变得无效，导致大量沉积物堆积和较高的维护费用。尽管如此，RCW与FRD水库沉积物堆积之间的关系仍主要停留在定性描述阶段。本研究量化了RCW与水库沉积状态之间的关系，以确定需要机械清淤以实现长期水库可持续性的临界RCW水平。利用日本24个FRD的全国性数据集，我们整理了有关水库沉积状态的信息，并对其与RCW的关系进行了统计分析。结果表明，RCW小于0.20的水库会出现明显的细颗粒沉积物堆积和较大的蓄水量损失（平均超过7%），且在大洪水事件后这种损失会持续增加。基于这一关系，我们提出RCW=0.20作为长期水库可持续性的临界阈值。此外，我们证明了可以通过河道坡度和出水口尺寸计算出的冲刷流量来估算冲刷河道宽度。利用这一关系，一旦确定了坝址和出水口尺寸，就可以立即估算RCW。这一发现有助于项目相关机构在FRD规划初期进行初步决策。

引言

蓄洪坝（FRD）在减轻洪水风险的同时保护生态系统方面发挥着重要作用（Acheampong等人，2023年；Nakamura等人，2025年；Poulard等人，2010年；Scholz和Sadowski，2009年）。FRD专门用于防洪，其出水口设置在原始河床高度（图1）。通过在其通常为空的水库中暂时储存洪水，FRD可以有效降低下游城市的洪水风险（Acheampong等人，2023年；Al-Mamari等人，2023年；Poulard等人，2010年；Scholz和Sadowski，2009年；Terêncio等人，2020年）。在正常情况下，FRD不会中断水流的连续性，包括沉积物和营养物质的输送以及水生生物的迁移，从而也保护了河流生态系统（Meshkati等人，2025年；Nakamura等人，2025年；Sumi，2013年）。

FRD能够维持接近自然的沉积物状态，这为在有限的维护成本下实现水库可持续性提供了巨大潜力（Morris和Fan，1998年；Nakamura等人，2025年）。大规模洪水会携带大量沉积物进入水库，导致沉积物堆积，而含有悬浮沉积物的水则通过出水口排出。洪水消退后，水库恢复流动状态时，这些沉积物可以通过河流侵蚀并排入下游（Aoyama等人，2009年；Auel等人，2017年）。FRD水库每年仅在几次大规模洪水期间被封闭数小时到数天。相比封闭状态，流动水的持续时间更长，包括频繁的小到中等规模的洪水，这进一步侵蚀了残留的沉积物（Nakamura等人，2024年）。因此，由于FRD水库比传统水库更不易发生沉积物堆积，因此不需要频繁清淤，从而减少了维护需求。

然而，这种维持接近自然沉积状态的效果部分取决于水库的几何形状，同时许多因素（如流域条件）以复杂的方式影响沉积过程。在相对河道宽度（RCW）——即冲刷河道宽度与水库底部宽度的比值——很小的平原水库中，这种状态会崩溃，如果没有机械清淤就无法实现可持续性（Morris和Fan，1998年；Sumi，2013年；Wendt，2025年）。在蓄水水库中，偶尔会进行自由流动的冲刷作业以降低水库水位并恢复水库盆地的床面剪切应力，从而冲走沉积物（Kondolf等人，2014年）。在此过程中，宽大的水库中会形成一条明显的冲刷河道（Atkinson，1996年；Lai和Shen，1996年）。虽然这条河道能逐渐侵蚀沉积物，但河道外的沉积物不易被侵蚀。因此，在RCW较小的水库中，冲刷作业的清淤效果通常有限（Atkinson，1996年；Lai和Shen，1996年）。同样，在RCW非常小的宽型FRD水库中，河流侵蚀作用也受到限制：沉积在洪泛区的细颗粒沉积物（如沙子、淤泥和泥浆）会留在原地（Morris和Fan，1998年；Nakamura等人，2024年；Sumi，2013年）。因此，每次大洪水都会导致沉积物量增加，需要机械挖掘来维持长期蓄水量，从而增加维护成本。

虽然普遍认为RCW较小的水库更容易发生沉积物堆积，但定量分析仍然不足。特别是确定需要机械清淤以确保长期水库容量的临界RCW值对于设计可持续的FRD并降低成本至关重要。然而，这仍然具有挑战性，因为关于FRD及其水库沉积物的信息有限且分散。尽管已经建立了各种地方和全球数据库来记录大坝和水库沉积物的基本信息（ICOLD，无日期；日本大坝协会，无日期；Minocha和Hossain，2025年；Perera等人，2022年），但这些数据库并不包含识别FRD所需的关键信息（例如出水口位置或正常状态下的水库状况）。因此，尽管有一些个案报告（Nakamura等人，2024年，2025年；Wendt，2025年），但FRD水库的沉积数据尚未系统地整理。因此，首要步骤是筛选防洪坝以识别FRD并编制专门的FRD清单。然后必须利用该清单通过参考现有数据库或进行补充调查来收集和整理相应的水库沉积状态信息。

本研究量化了FRD水库沉积物与RCW之间的关系。为此，我们首先编制了日本FRD的清单并整理了它们的基本特征。基于此清单，我们尽可能全面地整理和记录了FRD水库的沉积状态。这些数据集使我们能够回答以下问题：（1）在什么临界RCW下，水库容量损失会持续增加，需要机械清淤以实现长期水库可持续性？（2）是否可以使用在项目初期就能收集到的基本参数来估算RCW？本研究的结果为相关机构在新FRD规划初期提供实用决策支持，并有助于识别存在长期可持续性挑战的现有FRD。

章节片段

日本蓄洪坝的识别与清单编制

为了全面识别日本的所有FRD，本研究首先根据FRD的定义对大约2700座现有大坝进行了筛选，编制了全国性清单。为此，采用了基于三个关键标准的定义：（1）该大坝专门用于防洪；（2）其出水口设置在上游河道的高度，且正常情况下水库为空；（3）进水口...

日本蓄洪坝清单

在2019年《大坝手册》中列出的约2700座大坝中，有861座的大坝将防洪作为其用途之一。其中，105座被归类为防洪坝，其中24座在本研究中被明确识别为运行中的蓄洪坝（FRD）（表1）。截至2025年4月，另有7座FRD处于规划或建设阶段（表S1）。在24座运行中的FRD中，有15座由农林水产省管辖...

日本蓄洪坝的发展与特征

自1957年以来，日本主要在降雨量较大的地区建造了24座FRD（表1和图2）。日本的防洪坝建设始于20世纪20年代，自战后1950年代以来其在所有大坝中的比例有所增加（Itsukushima，2023年）。1950年代至1970年代期间由农林水产省管理的FRD代表了日本防洪坝发展的早期阶段...

结论

在本研究中，我们编制了日本蓄洪坝（FRD）的清单，并整理了水库沉积状态的信息，重点关注蓄水量损失和细颗粒沉积物的情况。利用这些数据集，我们量化了相对河道宽度（RCW）与FRD水库沉积状态之间的关系，这一关系此前仅限于定性描述。我们发现，在RCW小于0.20的FRD中，细颗粒沉积物会显著堆积...

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本作品时，作者使用了DeepL、Gemini和Grammarly来润色句子和纠正语法错误。使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢日本许多大坝管理部门提供宝贵的测量数据信息和现场调查支持。我们衷心感谢京都大学的Sumi教授、Kobayashi博士和Koshiba博士的宝贵讨论和鼓励。本研究得到了JSPS KAKENHI（项目编号JP23KP1242）和The River Foundation的The River Fund（项目编号2024-5311-004）的支持。