國(guó)際水電會(huì)議泥沙治理經(jīng)驗(yàn)探討

[] G.W.

隨著全球水庫(kù)庫(kù)容的凈減少，目前人均水庫(kù)庫(kù)容量?jī)H相當(dāng)于1965年的水平，泥沙淤積成為一個(gè)世界性難題。由于泥沙淤積而導(dǎo)致的庫(kù)容減少量要比新建水庫(kù)所增加的庫(kù)容量多。泥沙淤積造成的庫(kù)容損耗降低了水電供應(yīng)的可靠性，且氣候變化還使這種不利影響進(jìn)一步加劇。相關(guān)專業(yè)人士已經(jīng)意識(shí)到問(wèn)題的重要性，在瑞士蒙特勒舉行的2016國(guó)際水電會(huì)議上所提交論文的主題范圍和數(shù)量也印證了這一點(diǎn)。

水吸，即利用重力來(lái)去除沉積泥沙，這一概念的成功應(yīng)用令人鼓舞。一些與會(huì)發(fā)言者引用了水吸概念的應(yīng)用實(shí)例，如沉沙池的維護(hù)和水庫(kù)80 m深處的泥沙清淤等，并進(jìn)行了討論。其他發(fā)言者則討論并證明了利用傳統(tǒng)沉沙池成功去除泥沙的技術(shù)，以及不用傳統(tǒng)沉沙池去除泥沙的替代方法。

監(jiān)測(cè)方面的論文包括空間監(jiān)測(cè)、河流泥沙地面監(jiān)測(cè)技術(shù)等。報(bào)告也涵蓋了跨邊界和環(huán)境方面的擔(dān)憂，以及排沙操作的規(guī)劃、執(zhí)行和監(jiān)測(cè)等。水電站進(jìn)水口上游除沙引發(fā)了關(guān)于設(shè)計(jì)理念的討論。

兩篇關(guān)于維爾博(Verbois)水庫(kù)排沙的文章介紹了在遵守法律和環(huán)境要求，且符合國(guó)際性協(xié)議的前提下，清除水庫(kù)淤積的大量泥沙，降低了日內(nèi)瓦遭受洪災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，取得了良好的社會(huì)效益。文章還涉及了異重流泄流的問(wèn)題，表明在實(shí)際中，尤其是在某些大型水庫(kù)中，已經(jīng)得到成功應(yīng)用。目前，正在通過(guò)進(jìn)一步研究推廣該技術(shù)。

1 監(jiān)測(cè)方法

法國(guó)羅訥公司(Compagnie Nationaledu Rhone)的G.皮耶爾雷弗(G.Pierrefeu)發(fā)表了一篇題為“泥沙治理過(guò)程中羅訥河懸沙濃度的多方法監(jiān)測(cè)”的文章。2016年5月，在泥沙治理過(guò)程中,測(cè)量了羅訥河上游的懸沙濃度(SSC)。對(duì)沿法國(guó)-瑞士邊境下游100 km河段分布的14個(gè)測(cè)點(diǎn)的SSC值進(jìn)行了連續(xù)10 d的監(jiān)測(cè)。為了測(cè)試不同方法的性能，同時(shí)應(yīng)用了7種不同方法測(cè)量熱尼西亞(Genissiat)大壩下游出口處泥沙，包括濁度儀法、輻射密度計(jì)(X射線和γ射線)法、科氏力質(zhì)量流量計(jì)(CFDM)法、微波水分分析儀法、比重瓶法和過(guò)濾法。

從精度、維護(hù)、校準(zhǔn)要求和價(jià)格等方面對(duì)儀器進(jìn)行了比較。只有多種測(cè)量方法同時(shí)使用，才能對(duì)設(shè)備的準(zhǔn)確性和實(shí)際使用的限制進(jìn)行比較。

研究為泥沙治理的基礎(chǔ)設(shè)施操作員和其他專業(yè)人員提供了技術(shù)指導(dǎo)。在所測(cè)試的設(shè)備中，CFDM尤為出眾，能夠在所有觀測(cè)濃度范圍內(nèi)提供可靠的數(shù)據(jù)。但與其他測(cè)量設(shè)備相比，校準(zhǔn)和維護(hù)能力較差。未經(jīng)調(diào)整的連續(xù)測(cè)量精度可達(dá)±20%，最小感應(yīng)值為1 g/L。將來(lái)希望能夠根據(jù)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整策略以提高精度，同時(shí)最大限度地減少手動(dòng)測(cè)量(比重瓶、過(guò)濾法)和抽水電路監(jiān)控所需要的人力資源。

來(lái)自德國(guó)EOMAP公司的T.黑格(T.Heege)討論了“基于空間的水庫(kù)泥沙平衡和水質(zhì)監(jiān)測(cè)”，闡述了一種利用空間數(shù)據(jù)來(lái)建立水庫(kù)沉積泥沙分布的可能途徑。他使用30a以上定期記錄的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)及濁度估值，預(yù)測(cè)水庫(kù)的沉沙效能。圖1為該方法預(yù)測(cè)實(shí)例之一。通過(guò)測(cè)深勘察校準(zhǔn)、沉積泥沙分布估計(jì)以及利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)沉沙率實(shí)測(cè)值進(jìn)行校準(zhǔn)，可以進(jìn)一步完善黑格的方法。

圖1 索布拉迪紐(Sobradinho)水庫(kù)泥沙分布估計(jì)

對(duì)該方法進(jìn)行完善之后，可以得到水庫(kù)泥沙沉積導(dǎo)致庫(kù)容損失的有效信息。然而，值得注意的是濁度測(cè)量并非總能準(zhǔn)確反映含沙量。

2 國(guó)際法律、環(huán)境和社會(huì)影響

法國(guó)羅訥公司S.雷諾(S.Reynaud)發(fā)表了一篇題為“基于跨界合作的羅訥河上游泥沙淤積治理”的文章。

河流尺度的泥沙治理，特別是跨界河流，因涉及多個(gè)利益相關(guān)者而尤顯復(fù)雜。必須克服法律、行政、技術(shù)和文化上的差異，并進(jìn)行一定的妥協(xié)。歐洲羅訥河發(fā)源于瑞士，流經(jīng)日內(nèi)瓦并進(jìn)入法國(guó)，因此，代表兩國(guó)政府的CNR公司(法國(guó))和SIG公司(瑞士)需要共同承擔(dān)責(zé)任。20世紀(jì)40～70年代末期間，兩國(guó)合作并不理想，對(duì)環(huán)境造成了諸多不利影響。1978年，惡劣的環(huán)境影響致使法國(guó)設(shè)定了最大含沙量限制并加強(qiáng)了監(jiān)測(cè)，緊接著法-瑞兩國(guó)增強(qiáng)了合作，并最終基于多準(zhǔn)則分析確定了整治方案。作為測(cè)試，2016年羅訥河利益相關(guān)者首次采用新的泥沙治理方式實(shí)施水庫(kù)減淤。2016年5月，法-瑞兩國(guó)通過(guò)聯(lián)合治理，成功清除了羅訥河上游的大量淤積泥沙，維爾博水庫(kù)排沙量達(dá)130萬(wàn)t，使日內(nèi)瓦的洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的水平。

瑞士“水-愿景”(AquaVision)公司的E. 博拉爾(E.Bollaert)做了題為“維爾博水庫(kù)加壓沖刷：環(huán)保型沖沙的首次應(yīng)用”的報(bào)告。博拉爾探討了瑞士日內(nèi)瓦下游維爾博大壩第一次實(shí)施加壓沖沙的結(jié)果，介紹了沖沙操作程序，并通過(guò)二維數(shù)值模擬水庫(kù)形態(tài)來(lái)對(duì)該方法進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)用。

通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化，在羅訥河下游懸沙濃度的環(huán)境限制條件下，可以達(dá)到用水量最小且沖沙量最大的理想要求。同時(shí)，將此次加壓沖刷的水沙體積和懸沙濃度測(cè)值與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。博拉爾將此次加壓沖刷與1945年以來(lái)的傳統(tǒng)無(wú)壓水流沖刷效果進(jìn)行對(duì)比，指出了加壓沖刷在水庫(kù)形態(tài)和生態(tài)影響方面的優(yōu)缺點(diǎn)。

3 有/無(wú)沉沙池的泥沙治理

瑞士ETH公司(ETHZurich)的C.貝克(C.Beck)提交了一篇關(guān)于巴基斯坦帕特靈(Patrind)水電項(xiàng)目的文章，介紹了通過(guò)物理模型方法優(yōu)化泥沙治理概念。貝克表示，如果場(chǎng)地條件允許，可以利用徑流式電站上游的水庫(kù)作為沉沙池，從而節(jié)省可觀的建設(shè)成本。利用一條導(dǎo)流隧道來(lái)分流入庫(kù)洪水中的泥沙。除了節(jié)省建設(shè)成本外，該方案還能長(zhǎng)期保持興利庫(kù)容。電站布置圖(見(jiàn)圖2)顯示，該方案不使用沉沙池。帕特靈電站裝機(jī)容量150MW，介紹了物理模型試驗(yàn)的主要結(jié)果，以及初始方案存在的問(wèn)題和面臨的挑戰(zhàn)。該方案旨在使水庫(kù)保持充足的防洪庫(kù)容。模型試驗(yàn)表明，初始方案將使大量泥沙淤積在庫(kù)首，由于河流中存在的喜馬拉雅沉積物，其質(zhì)地可能導(dǎo)致磨損問(wèn)題。

圖2 帕特靈電站布置

為了使水庫(kù)長(zhǎng)期的興利庫(kù)容最大化，制定了合理的運(yùn)行方案，包括洪水期間停止發(fā)電，水庫(kù)排水沖走大量泥沙。因此洪水期間大量泥沙通過(guò)導(dǎo)流隧洞轉(zhuǎn)移到大壩下游。模型研究表明，這一運(yùn)行方案可以明顯減少泥沙淤積，保持壩上游水庫(kù)發(fā)揮較高的沉沙效能。

來(lái)自挪威Sedicon公司的T. 杰克布森(T.Jacobsen)在他題為“SediCon系統(tǒng)在厄瓜多爾的厄科卡科多-辛克雷(COCA CODO-SINCLAIR)和阿爾巴尼亞巴尼亞(Banja)大壩的應(yīng)用”一文中，提出了以重力為驅(qū)動(dòng)力從沉沙池和水庫(kù)中清除淤積泥沙的方法。

厄瓜多爾的科卡科多-辛克雷水電站裝機(jī)容量1 500MW,年發(fā)電量8 631 GWh，是世界上最大的高水頭徑流式電站之一。事實(shí)上該電站沒(méi)有沉沙池，而是利用620 m的水頭和8臺(tái)除沙器(每臺(tái)長(zhǎng)150 m，寬13 m)消淤。水流經(jīng)除沙器處理后，以222 m3/s的設(shè)計(jì)流量進(jìn)入一條長(zhǎng) 24.79 km的引水隧洞。T.杰克布森探討了相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)和Sedicon研發(fā)的獨(dú)特方法，處理關(guān)閉出口閘門(mén)時(shí)經(jīng)常遇到的碎屑和泥沙問(wèn)題。他還介紹了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和沖沙方面的經(jīng)驗(yàn)。

瑞士泥沙技術(shù)有限公司的F.波米(F.Pomi)發(fā)表了題為“主動(dòng)性泥沙治理：瑞士及世界各地60 a治理經(jīng)驗(yàn)”的報(bào)告，著重介紹了在水流進(jìn)入壓力管道發(fā)電之前利用沉沙池技術(shù)排沙。波米介紹了瑞士60多年的泥沙治理經(jīng)驗(yàn)。與其他系統(tǒng)相比，一個(gè)基于垂直開(kāi)挖的沉沙池排沙系統(tǒng)能夠節(jié)約更多的成本。

會(huì)議期間的相關(guān)討論表明，沉沙池往往建設(shè)成本較高，可以考慮用C.貝克所推薦的系統(tǒng)作為替代。然而，實(shí)施相關(guān)的設(shè)計(jì)和操作方法需要適宜的場(chǎng)地條件。

4 水庫(kù)除沙

T.杰克布森探討了利用水吸裝置去除水庫(kù)淤積泥沙，這一點(diǎn)尤其值得關(guān)注。他認(rèn)為，SediCon疏浚系統(tǒng)使用了重力作為“燃料”(見(jiàn)圖3)，可以有效去除水庫(kù)深處淤積的泥沙。他還介紹了鉆管的安裝，要將HOPE吸管穿過(guò)其中，并總結(jié)了其他設(shè)計(jì)和施工方面的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用已得到廣泛認(rèn)可，尤其系統(tǒng)中特殊設(shè)計(jì)的吸頭。

圖3 SediCon疏浚系統(tǒng)的組成

來(lái)自德國(guó)DB泥沙公司的L.布魯森科特(Bolsenkotter)提交了題為“泥沙治理實(shí)踐”的文章，討論了德特林博士(Dr.Detering)多年前提出的泥沙治理概念。L.布魯森科特認(rèn)為，通過(guò)向水庫(kù)下游排泄泥沙來(lái)維持壩下游河流的水沙平衡，使含沙量控制在可以接受的范圍，以保持生物多樣性并保護(hù)河流生態(tài)，并盡可能降低對(duì)水庫(kù)運(yùn)行和管理的不利影響。在連續(xù)輸沙過(guò)程中(見(jiàn)圖4)，將定量的泥沙轉(zhuǎn)移到下游河段。為了確定向下游河道的輸沙量，需要分析水文條件和輸沙能力，向下游排泄的泥沙不應(yīng)超過(guò)河流的輸沙能力，以避免水體中泥沙超過(guò)最高臨界含沙量。

圖4 連續(xù)輸沙過(guò)程

一些魚(yú)類(lèi)在基底系統(tǒng)的孔隙中產(chǎn)卵。細(xì)顆粒泥沙的淤積會(huì)導(dǎo)致孔隙堵塞，從而對(duì)這些物種造成不利影響。通過(guò)對(duì)生態(tài)學(xué)的進(jìn)一步研究，在輸沙過(guò)程中會(huì)考慮相關(guān)物種的特性和生活習(xí)慣，以避免不利影響。水庫(kù)的淤積泥沙會(huì)不斷以特定方式輸移，并最終隨水體一起輸移至下游合適區(qū)域，同時(shí)不超過(guò)河流輸沙能力。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的J.N.費(fèi)爾南德斯(Fernandes)討論了“兩個(gè)高原水庫(kù)水位降低時(shí)的懸沙濃度與渦輪磨損”，水庫(kù)泥沙治理考慮采用動(dòng)力水道泄沙。研究預(yù)測(cè)高含沙濃度下的水輪機(jī)磨損的方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)流經(jīng)水輪機(jī)水流的含沙量來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)輪磨損度。在考恩(Kaunertal)河谷和翰德克(Handeck)大壩進(jìn)行的相關(guān)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，高含沙水流對(duì)考恩河谷大壩造成了相當(dāng)大的侵蝕，而且即使含沙量較低也會(huì)導(dǎo)致輕微破壞。

來(lái)自瑞士斯塔基(Stucky)的M.L.里貝羅(Ribeiro)做了題為“水庫(kù)泥沙治理：水庫(kù)防淤清淤實(shí)用指南”的報(bào)告。M.L.里貝羅從整體上考慮當(dāng)前的泥沙治理技術(shù)，建議了一種綜合方法，包括特殊問(wèn)題的分析及一系列策略的可能應(yīng)用。他提供了防止水庫(kù)淤積以及緩解淤積的實(shí)用指南，所提出的方法取決于問(wèn)題的特征和所采用的技術(shù)，同時(shí)還討論了一些難以概化的局部約束條件。他強(qiáng)調(diào)每座水庫(kù)都是一個(gè)原型問(wèn)題，不存在普遍適用的治理措施，需要用明確、系統(tǒng)的方法來(lái)分析具體問(wèn)題。

5 異重流排泄

瑞士EPFL-LCH公司的S.查蒙(Chamoun)做了題為“排泄異重流對(duì)水庫(kù)可持續(xù)利用的重要性”的報(bào)告。異重流是洪水期間由于密度差驅(qū)動(dòng)的挾沙水流。異重流進(jìn)入水庫(kù)后，除非由進(jìn)水口或出水口排空，否則水流所含泥沙都會(huì)在水庫(kù)沉積，最終會(huì)使水庫(kù)充滿泥沙并阻塞出口結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)在異重流所含泥沙水庫(kù)沉積之前，對(duì)異重流進(jìn)行排泄。一般是通過(guò)底孔或發(fā)電進(jìn)水口排出異重流。如果水庫(kù)在洪水期間蓄滿了水，可通過(guò)從低水位出口釋放挾沙水流來(lái)代替溢洪道下泄清水的方式排空水庫(kù)。

查蒙明確了成功實(shí)施異重流排泄的主要參數(shù)，并簡(jiǎn)要介紹了異重流排泄在全球的應(yīng)用情況，相關(guān)參數(shù)包括流出流量以及出口位置和高度等。查蒙還介紹了所使用的儀器設(shè)備和大壩操作人員面臨的挑戰(zhàn)。