長江流域水庫清淤及淤積物利用研究

摘要：近年來長江流域水庫泥沙淤積，造成有效庫容減小，防洪能力下降，影響通航安全；污染物附著在淤積物上，造成水體富營養(yǎng)化，影響水生態(tài)環(huán)境；同時由于水庫的攔沙作用，造成下游砂石供需矛盾劇增。水庫清淤及淤積物資源化利用已成為日益關(guān)注的焦點。通過收集長江流域三峽水庫、葛洲壩水庫、丹江口水庫的監(jiān)測資料，對長江流域3個大型水庫進(jìn)行分析研究，并提出適用清淤方案和淤積物資源化利用途徑。結(jié)果表明：大排沙量集中在汛期，隨著徑流增大而增大，泥沙入庫量大，出庫量小，泥沙淤積;水庫清淤需要采用上、中、下游綜合治理，上游防沙固土，中游分流挾沙水流，下游機(jī)械清淤與水力清淤相結(jié)合;淤積物可資源化利用，補(bǔ)充土壤，進(jìn)行耕地改良、土方填埋，以及可作為磚、水泥等建筑材料使用;研究成果可供相關(guān)水庫清淤工程借鑒。

關(guān) 鍵 詞：水庫清淤；淤積物；泥沙；資源化利用；長江流域

中圖法分類號：X524 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.007

0 引言

在河流上建造水庫后，水流流速變緩，挾沙能力減弱，泥沙便會在水庫中淤積。一方面，淤積物導(dǎo)致水庫有效庫容消減，對水庫防洪、供水、發(fā)電、航運、水生態(tài)環(huán)境均有一定影響，降低了水庫功能性、安全性和綜合效益，成為制約水資源綜合利用和加劇水環(huán)境惡化的主要原因。另一方面，由于水庫攔沙影響，導(dǎo)致下游泥沙減少，加劇砂石資源供需矛盾^［1-3］。長江流域上游水庫年均攔沙量約4億t，導(dǎo)致中下游沙量急劇減少，砂石供需矛盾凸顯，砂石價格飆升。

因此，開展水庫清淤及淤積物利用研究，促進(jìn)淤積物資源化利用，對保障水庫功能、落實生態(tài)文明建設(shè)、發(fā)揮水庫綜合效益具有重要意義。本文主要對長江流域幾個大型水庫進(jìn)行分析研究，并提出適用清淤方案和淤積物資源化利用途徑，為水庫清淤及淤積物資源化利用提供參考。

1 長江流域水庫淤積現(xiàn)狀分析

1.1 三峽水庫

三峽水庫正常蓄水位高程為175.00 m，總庫容393億m³。如圖1所示，水庫自江津至涪陵段為變動回水區(qū)，以沖刷為主，干流累計沖刷0.702億m³；自涪陵至三峽大壩段，為常年回水區(qū)，干流累計淤積泥沙18.38億t。

截至2022年底，三峽水庫干支流控制站入庫懸移質(zhì)泥沙26.943億t，出庫懸移質(zhì)泥沙6.350億t，水庫淤積泥沙20.593億t，年均淤積泥沙1.052億t^［4］。三峽水庫淤積物以泥沙為主，其中粒徑小于0.1 mm的占比約96%，大于0.1 mm的占比約4%。三峽水庫2020～2022年月均水庫淤積量統(tǒng)計如圖2所示。由圖2可以看出每年6～10月，淤積量居多。

1.2 葛洲壩水庫

葛洲壩水庫設(shè)計庫容15.8億m³，三峽大壩建成后，兩壩間庫容減小到8.5億m³，正常蓄水位高程為45.00 m。葛洲壩位于宜昌上游6 km和三峽大壩下游38 km處，是長江上第一個大型水利樞紐，葛洲壩與三峽大壩共同組成梯級水庫。由于三峽大壩對上游淤沙的攔截作用，截至2022年，葛洲壩水庫年輸沙量365萬t，年淤積泥沙100萬t，其中粒徑小于0.1 mm的占比約87%，粒徑大于0.1 mm的粗砂、礫石等約占13%。

三峽-葛洲壩梯級水庫來沙主要受寸灘控制站以上氣候變化等影響，從宜昌控制站排出，因此選取寸灘控制站為參考站，宜昌控制站為目標(biāo)站^［5］，寸灘站及宜昌站2022年逐月徑流量及輸沙量統(tǒng)計如圖3～4所示。其中受10月初嘉陵江強(qiáng)降雨影響，長江干流寸灘站發(fā)生較大洪水，形成最大輸沙過程?？梢钥闯?，輸沙量隨著徑流量的增加而增大，徑流量與輸沙量接近正比；上游輸沙量較大，下游排沙量較少，水庫淤積泥沙較多。

1.3 丹江口水庫

丹江口水庫位于湖北省漢江中上游，初期工程于1973年底建成，2014年12月丹江口水利樞紐正式向北方通水^［6］，是長江流域的重要水源工程。丹江口水庫庫容為290.5億m³，正常蓄水高程170.00 m。如圖5所示，丹江口水庫分為丹江庫區(qū)和漢江庫區(qū)，截至2022年，丹江口水庫累計淤積泥沙21.38億t，漢江庫區(qū)淤積占全庫淤積的85%，丹江庫區(qū)淤積占全庫區(qū)的15%。2021年丹江口水庫淤積2 560萬t，年均輸沙量為34.4萬t；2022年丹江口水庫淤積約200萬t，水庫排沙近似為0^［7］。丹江口水庫排沙量比較小，幾乎無排沙。

1.4 水庫淤積現(xiàn)狀分析

根據(jù)上述長江流域水庫數(shù)據(jù)可以得到淤積情況對比關(guān)系，如表1所列。

由表1可知，徑流量最大的三峽水庫年淤積量最大；由于受上游三峽水庫影響，徑流量最小的葛洲壩水庫年淤積量最??；淤積物造成的庫容損失平均約占4.6%，泥沙粒徑小于等于0.1 mm的平均占比約91%。

長江流域水庫淤積物侵占水庫防洪庫容約4.6%，削減了防洪功能；大顆粒淤積物及水面漂浮物通過大壩水電站影響發(fā)電機(jī)組正常工作，造成發(fā)電效率降低；常年淤積物沉積可能造成河型轉(zhuǎn)化，對航運造成不利影響；河流污染物易附著在小顆粒泥沙中，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化^［8］，影響水生態(tài)環(huán)境；由于大壩對砂石的攔截作用，下游砂石資源缺乏，砂石資源供需矛盾激增。因此，開展長江流域水庫清淤及淤積物資源化利用，可有效保障水庫有效庫容，保障水電站正常運行，保證通航安全，改善水生態(tài)環(huán)境，緩解砂石供應(yīng)壓力。

2 清淤方案分析

長江流域水庫主要分為淺水區(qū)及深水區(qū)。淺水區(qū)以變動回水區(qū)為主，流速較快，主要表現(xiàn)為沖刷；深水區(qū)以常年回水區(qū)為主，流速較慢，主要表現(xiàn)為淤積。每年汛期5～10月，徑流較大，輸沙量較大，由于大壩對淤積物攔阻作用，排沙量較小，在此期間淤積較多。水庫淤積物主要分為泥沙和漂浮物。不同地形及淤積物類型需采用不同清淤方案進(jìn)行治理。

2.1 水庫漂浮物清理

水庫漂浮物清理宜采用水庫清漂船集中清理，打撈樹枝、樹木及各類水面漂浮垃圾，同時將垃圾卸載至裝載船等設(shè)備上。清漂船具有收集范圍大、操作靈活等優(yōu)點，水庫清漂船如圖6所示。

水庫清淤施工過程中需要采用保護(hù)措施，降低清淤施工造成的水質(zhì)污染，保障水庫供水的安全，可采用環(huán)保清淤圍擋技術(shù)，在水面上設(shè)置浮筒，下端通過鐵墜沉至庫底，在庫底1 m高度范圍內(nèi)加土工布進(jìn)行圍擋，攔阻因清淤施工引起的懸浮泥沙，上部允許水流通過，保證水庫正常蓄水。環(huán)保清淤圍擋如圖7所示。

2.2 水庫泥沙清淤

水庫泥沙清淤可分為上游水土流失治理、中游挾沙水流控制和下游深水清淤^［9］，應(yīng)全面考慮庫區(qū)情況，采取綜合治理手段。

（1）上游水土流失治理。上游是水庫泥沙的主要來源，由于人為破壞、地質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)和自然災(zāi)害影響，容易發(fā)生泥土流失，造成大量泥沙進(jìn)入河流。龐啟航等^［10］通過對水土流失問題進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)缺乏植被及水力侵蝕是造成水土流失的主要因素。上游宜采取退耕還林，植被固土，渠道侵蝕控制^［10］等措施。大力推進(jìn)林業(yè)發(fā)展，可以有效起到防沙固土的作用；加大渠道侵蝕控制技術(shù)研究，定期檢查渠道情況，實施土壤管理，可有效控制沉積物產(chǎn)量。如三峽水庫上游寸灘站、丹江口水庫丹江上游均可采用種植植被，對山體土壤進(jìn)行加固等措施。

（2）中游挾沙水流控制。中游挾沙水流可通過修建干流外小型水庫（副庫）、建造泄洪道或排沙隧洞^［11］進(jìn)行控制。修建干流外小型水庫（副庫），可分流挾沙水流，有效阻攔泥沙進(jìn)入主蓄水庫。待枯水期排干副庫，可直接通過挖掘和運輸機(jī)械進(jìn)行清淤。建造泄洪道和排沙隧洞，配合副庫，進(jìn)行引清排洪，可將清水分流至主蓄水庫，渾水通過泄洪道分流至排沙隧洞。有效減小挾沙水流直接進(jìn)入主蓄水庫。如三峽水庫可在嘉陵江入水口下游、涪陵上游支流處建造小型分流水庫和排沙隧洞進(jìn)行引清排洪。

（3）下游深水清淤。下游深水清淤宜采用機(jī)械清淤和水力清淤相結(jié)合的方式?？菟?，水面較為平穩(wěn)，水流較慢，可采用機(jī)械清淤，不同清淤機(jī)械方式的比較如表2所列。在小于50 m水深處，可采用機(jī)械式清淤船或絞吸式清淤船，進(jìn)行泥沙及礫石雜物清淤，施工泥漿濃度較小，造成的水污染較??；在大于50 m水深處，可采用氣力泵清淤。利用壓縮空氣進(jìn)行吸排泥漿，泥漿濃度較高，需要配合采取水環(huán)境保護(hù)措施，阻止泥漿擴(kuò)散。在汛期，徑流加大，水流較快，輸沙量較大，水力清淤是有效手段，可配合射流式船將底泥沖起，形成渾水異重流^［12-13］，隨水流由泄洪口排出。射流式清淤船工作原理如圖8所示。

3 淤積物資源化利用

3.1 漂浮物分類處理

水面漂浮物主要由樹枝、樹木及各類水面漂浮垃圾組成，可將樹木及塑料等分類回收再利用，其他垃圾進(jìn)行填埋或焚燒處理。

3.2 泥沙資源化利用

淤積泥沙利用及處理涉及工程、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生物和美學(xué)等眾多領(lǐng)域^［14］。清淤泥沙資源化利用在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。

（1）補(bǔ)充土壤，改良耕地。將疏浚底泥脫水固化后，補(bǔ)充進(jìn)耕地，由于泥沙中含有碳、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)，且符合最低污染標(biāo)準(zhǔn)，可有效改善土壤，增加耕地肥力，有助于農(nóng)作物生長。

（2）土方填埋。泥沙脫水固化后，可作為填方材料，進(jìn)行建筑填方、礦山修復(fù)、堤防加固工程，有效減少工程上對土方的需求。

（3）細(xì)沙制磚或作為建筑材料。淤積物中主要成分細(xì)沙可作為建筑材料使用，經(jīng)過燒制，可制作成建筑用磚或水泥，將淤積泥沙轉(zhuǎn)化為建筑材料，可有效減輕砂石供需矛盾。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)長江流域三大水庫淤積現(xiàn)狀，可知水庫主要排沙量集中在汛期5～10月期間，隨著徑流量增大而增大。由于水庫阻擋，懸移質(zhì)泥沙入庫多，出庫少，造成泥沙淤積，降低了水庫有效庫容，減弱了水庫功能，并造成了一定水環(huán)境生態(tài)影響。

（2）通過水庫清淤分析，可以得出長江流域水庫清淤需要因地制宜，采取綜合治理的手段。水面漂浮物采用清漂船治理，泥沙清理需分為上、中、下游進(jìn)行處理，上游主要采取植樹固沙固土策略，中游采取副庫修建、泄洪道修建來減少挾沙水流，下游淺水區(qū)采取機(jī)械式清淤船清淤。

（3）根據(jù)淤積物資源化利用分析，可以得到漂浮物可分類回收處理，泥沙可作為填方材料進(jìn)行建筑填方，或作為富營養(yǎng)土壤進(jìn)行土壤改良，或作為細(xì)沙投入市場燒制成磚、水泥等建筑材料進(jìn)行使用。

（4）長江流域水庫清淤及淤積物利用，一方面可以有效改善水庫庫容，保障水庫功能性，另一方面可以轉(zhuǎn)化為可利用資源投入市場，改善泥土供需矛盾，對生態(tài)文明建設(shè)、發(fā)揮水庫綜合效益具有重要意義。

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（編輯：謝玲嫻）