中小型淤損水庫庫容恢復(fù)技術(shù)與方法

張文皎，趙連軍，王嘉儀，潘 麗

（黃河水利委員會 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 引 言

水庫在調(diào)節(jié)水資源、防洪、發(fā)電等方面具有重要作用。中國是世界上水庫數(shù)量最多的國家，水庫為我國以僅占全球6%的可更新水資源養(yǎng)育占全球20%的人口提供了重要保障。根據(jù)第一次全國水利普查公報，我國已建與在建水庫共98 002 座，總庫容9 323 億m3，其中中小型水庫數(shù)目約占水庫總數(shù)的99.2%、庫容約占總庫容的19.6%［1］。中小型水庫對我國社會、生態(tài)、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的作用。

然而，淤積與水庫相伴而生，全世界很多水庫都受淤積問題的困擾，迄今為止一直沒有找到很好的解決辦法。我國作為世界上水土流失最為嚴(yán)重的國家之一，水庫淤積問題非常嚴(yán)重。在已建水庫中，泥沙淤積情勢極為嚴(yán)峻，其中黃河流域及西北地區(qū)泥沙淤積問題最為突出［2］。據(jù)統(tǒng)計［3］，全球水庫年淤積速率為0.5%～1.0%，而我國水庫年淤積速率為1.0%～2.0%。大量的泥沙淤積，不但直接減小庫容，加快水庫壽命的耗損，還會嚴(yán)重妨礙水利樞紐的正常運行［4］。

我國中小型水庫多興建于20 世紀(jì)六七十年代，有些水庫受建設(shè)時的認(rèn)知所限，規(guī)劃設(shè)計考慮不完善，沒有布置排沙設(shè)施，使得庫區(qū)淤積之后無法利用自然水動力進行排沙，水庫有效庫容大幅度減小，興利功能無法正常發(fā)揮。即使在修建時設(shè)置了排沙設(shè)施，也大都難以滿足排沙的要求，淤積問題已經(jīng)到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度，致使很多水庫接近報廢的邊緣，大大增加了水庫的潰壩風(fēng)險。有些接近淤廢的中小型水庫為繼續(xù)發(fā)揮作用，進行壩體加高，無形中增加了防洪風(fēng)險。特別是近年來天氣異常，全國大面積的持續(xù)干旱和暴雨洪災(zāi)影響下，水庫淤積對水庫功能的正常發(fā)揮影響巨大。經(jīng)過20 世紀(jì)后期大量水利工程建設(shè)之后，我國水庫壩址資源特別是中小型水庫壩址資源已基本枯竭，通過各種庫容恢復(fù)技術(shù)有效地修復(fù)淤損水庫、延長其使用壽命已成為未來發(fā)展的大趨勢。另外，幾十年來我國經(jīng)濟高速發(fā)展的一個負(fù)面效應(yīng)，就是給環(huán)境造成了很大的污染，中小型水庫淤泥污染現(xiàn)象普遍存在。如何在清淤過程中避免淤積物對水庫環(huán)境的二次污染是值得重視的問題。

國內(nèi)外關(guān)于淤損水庫庫容恢復(fù)技術(shù)與方法的研究與實踐已經(jīng)經(jīng)歷了長期的發(fā)展［1－10］，水庫淤積泥沙處理技術(shù)主要分為水力排沙和機械清淤兩大類。由于每一個水庫的自然條件、工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)、周圍氣候和地質(zhì)因素不同，泥沙淤積原因和淤積形態(tài)不盡相同，因此采用不同的處理技術(shù)，清淤效果相差較大，對水資源利用和水環(huán)境保護產(chǎn)生的影響也各不相同。本文針對中小型淤損水庫庫容恢復(fù)，梳理近些年常用及新研發(fā)的清淤技術(shù)與方法，分析其清淤機理、適用條件、優(yōu)缺點等，以期為淤損水庫庫容恢復(fù)提供參考依據(jù)。

2 淤損水庫庫容恢復(fù)技術(shù)與方法

2.1 水力排沙技術(shù)

水力排沙即通過水庫調(diào)度將庫區(qū)淤積泥沙經(jīng)泄水排沙建筑物排出庫外，在國內(nèi)外許多水庫中都得到了應(yīng)用［11－17］，例如新西蘭芒阿豪水庫、蘇聯(lián)澤莫阿夫查爾水庫、瑞士帕拉涅德拉水庫、伊朗塞菲德路水庫［14］、美國米德湖水庫以及我國的三峽、小浪底、三門峽、萬家寨、官廳、巴家嘴、汾河、紅山、劉家峽、碧口、黑松林、官山、小道口、頭屯河水庫等［15－17］。

水力排沙主要包括異重流排沙、空庫排沙、泄洪排沙等方式。異重流的產(chǎn)生和持續(xù)運行需要有特定的邊界、水力和泥沙條件，不易形成。異重流排沙方式一般在汛前調(diào)水調(diào)沙期間和汛期上游來洪水時采用，并且排沙量大大受制于異重流的持續(xù)動力［11］。空庫排沙的水庫泥沙沖刷量與沖刷時間、沖刷流量和水庫水位下降幅度有關(guān)，適用于水資源豐沛地區(qū)或者山區(qū)天然河流比降大的水庫以及季節(jié)性利用的水庫。泄洪排沙的效率受排沙時機、滯洪歷時長短、開閘時間、總泄流量大小以及洪水漫灘等因素影響。

從排沙效果看，水力排沙有效范圍主要集中在壩前，在特定條件下排沙效果顯著，排沙過程耗水量巨大，但其排沙受水庫水文條件、上下游河床結(jié)構(gòu)等影響較大，運用條件苛刻，多適用于大型水庫。另外，水庫淤積的泥沙經(jīng)泄水排沙建筑物排至下游河道，無法實現(xiàn)泥沙資源的合理利用，發(fā)揮泥沙資源價值。

2.2 機械清淤技術(shù)

機械清淤即利用外加動力通過挖泥船、運輸設(shè)備、吸泥泵等將淤積物排出水庫，其源于歐美國家，是清除水庫淤積泥沙的一種直接、可靠且適用面廣的方法［7，10］，在世界各地均獲得極其廣泛的應(yīng)用［18－19］，機械清淤主要包含挖泥船清淤、運輸機械清淤、管道排沙等方式。各類機械清淤技術(shù)的特點及適用條件見表1。

表1 機械清淤技術(shù)特點及適用條件

挖泥船清淤是利用裝有絞刀、耙頭、吸頭、抓斗等設(shè)備的挖泥船，對水庫某一區(qū)域進行清淤，與水力排沙相比可以節(jié)約水資源，在瑞士保拉尼卡水庫、日本八久和水庫［20］、埃及阿斯旺高壩水庫［21］以及我國的官廳［22］、丹江口、鹽鍋峽、王家崖、湖漫、陳行、水槽子、石巖等水庫中均有應(yīng)用。絞吸式挖泥船是借助絞刀切割淤泥［23］，斗輪式挖泥船多適用于淤泥較厚的淤積區(qū)域。此外，在實際作業(yè)過程中，往往根據(jù)淤積物與作業(yè)環(huán)境改造挖掘機具和傳送裝置，比如利用高速水流射流造漿技術(shù)來提高工作效率［24］。目前，許多絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船、吸盤式挖泥船、射流清淤船等已配備了射流裝置。采用挖泥船清淤面臨的一個主要問題是無法阻止被攪擾的底泥在水體內(nèi)擴散，造成二次污染［25］。

運輸機械清淤是當(dāng)水庫放空后利用運輸設(shè)備清理水庫淤積泥沙。挖泥船清淤和運輸機械清淤均屬于移動式清淤，可靈活地改變清淤地點，適合小范圍作業(yè)，但清淤單價很高。

管道排沙根據(jù)排沙動力可分為泥漿泵排沙、氣力泵排沙、自吸式管道排沙等。泥漿泵排沙和氣力泵排沙借助泥漿泵或氣力泵將庫底泥沙吸入排沙管道輸移出庫，在三峽、錦屏二級、枕頭壩、小浪底、玄廟觀、王家蕩水庫均有應(yīng)用。自吸式管道排沙以水庫上下游水頭差為動力，將庫區(qū)淤積泥沙通過管道排出庫外，節(jié)省排沙的主要外加動力。

總體來說，機械清淤是清除中小型水庫淤積泥沙的有效措施，已在環(huán)保要求不高的工程疏浚中獲得了廣泛應(yīng)用。除運輸機械清淤外，機械清淤基本上可借助強大的泵力將泥沙輸送到排沙地點，實現(xiàn)遠距離輸沙和資源利用。近年來，機械清淤關(guān)鍵設(shè)備和自動化監(jiān)控技術(shù)發(fā)展迅速，清淤系統(tǒng)上開始配置先進的定位和監(jiān)控儀器，如全球定位儀、污染監(jiān)視儀等，提高了疏挖精度，減少漏挖與超挖。為了降低清淤產(chǎn)生的二次污染，科研工作者研制了環(huán)保型絞刀頭和防污屏等環(huán)保機械，取得了很好的效果。機械清淤技術(shù)正逐漸趨向大型化、高效化和智能化。

2.3 吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤技術(shù)

吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤技術(shù)是在庫區(qū)設(shè)置一種帶吸盤的水下管道排沙系統(tǒng)，把水庫自然水頭作為主要動力，將水庫內(nèi)淤積泥沙排出。該系統(tǒng)主要由吸盤、排沙管道、過壩隧洞、控制閘閥及水面工作船組成，如圖1 所示。

圖1 吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤系統(tǒng)示意

自吸管道排沙技術(shù)自提出后受到了國內(nèi)外工程界的高度關(guān)注與重視，早在20 世紀(jì)70 年代自吸管道排沙技術(shù)已在非洲一些淤積嚴(yán)重、降水沖刷無效的水庫中得到應(yīng)用，如阿爾及利亞的包吉瓦水庫（1970 年）、西迪莫汗默德水庫（1974 年）等。我國水利工作者也于20 世紀(jì)70 年代在山西、甘肅和陜西一些中小型水庫進行了初步的試驗研究，如田家灣水庫（1975年）［26］、小華山水庫（1976 年）［27］、北岔集水庫（1977年）［28］等。受當(dāng)時管材制造技術(shù)與操作控制技術(shù)限制，自吸管道排沙技術(shù)并沒有得到持續(xù)推廣應(yīng)用。黃河水利科學(xué)研究院依托公益性行業(yè)專項，針對小浪底水庫開展了“小浪底庫區(qū)管道排沙可行性研究”，提出了自吸管道排沙系統(tǒng)清淤方案［29］，但小浪底水庫排沙管道過壩技術(shù)還有待完善，制約了該方案的實施。

在前人的研究基礎(chǔ)上，趙連軍等［30－31］開展了大量的實體模型試驗與數(shù)值模擬計算，通過增設(shè)吸盤裝置，調(diào)整吸盤及高速射流噴頭的結(jié)構(gòu)樣式和組合方式、水動力條件、布設(shè)方案等，研發(fā)了環(huán)保、低消耗、高效穩(wěn)定的吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤技術(shù)，同時配置了先進的定位和監(jiān)視儀器，形成了實用化的整套清淤裝備（見圖2）。2017—2018 年，通過水利部推廣項目在新疆哈密地區(qū)小柳溝水庫進行了清淤技術(shù)示范，排出沙量3.2 萬m3，排出的泥沙充填了水庫下游500 m 處的礦坑，排出泥漿的最大含沙量達600 kg／m3，排沙效果良好。圖3 為現(xiàn)場清淤效果，圖4 為出庫泥沙下游河道淤積狀況。

圖2 吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤裝置

圖3 現(xiàn)場清淤效果

圖4 出庫泥沙下游河道淤積狀況

與常用的清淤方式相比，吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤裝備操作靈活，適宜作業(yè)水深范圍大，排沙效率高，運行成本低，且不易在庫區(qū)內(nèi)擴散造成二次污染，不影響水庫正常運行，適用于水資源短缺的山區(qū)性河流水庫清淤。

3 結(jié) 語

中小型水庫在保證我國經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定中發(fā)揮了重要作用，高效、環(huán)保的水庫庫容恢復(fù)技術(shù)可使水庫長期使用而不報廢，有力支撐并促進我國的經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。對于不同的水庫，需因地制宜、因時制宜地選擇科學(xué)合理的清淤方式，發(fā)揮其最佳的效果，保證水庫功能的持續(xù)發(fā)揮，同時降低清淤產(chǎn)生的環(huán)境污染。

與傳統(tǒng)水力排沙及機械清淤技術(shù)相比，吸盤式自吸管道水庫環(huán)保清淤技術(shù)有效彌補了傳統(tǒng)清淤技術(shù)的諸多不足，受水文地質(zhì)條件影響較小，適用性較強，不影響水庫調(diào)度，可以全天候長時間工作，排沙效率高，節(jié)約水資源，經(jīng)濟性好，節(jié)能環(huán)保，尤其適用于水資源短缺的山區(qū)性河流水庫清淤。