漢江興隆水利樞紐漂浮物調(diào)查及治理措施

摘 要：興隆水利樞紐工程位于漢江下游，壩址區(qū)地勢(shì)平坦，河道斷面開闊，漂浮物種類多且組成復(fù)雜。漂浮物問題若處理不當(dāng)，會(huì)阻擾水電站正常進(jìn)流，造成發(fā)電水頭損失，降低工程運(yùn)行效率，且容易引起漢江中下游水體污染。調(diào)查分析了興隆庫區(qū)漂浮物的成因、特點(diǎn)及輸移規(guī)律，根據(jù)“攔、導(dǎo)、清”治理思路，基于水工及河工模型開展了漂浮物治理試驗(yàn)。采用攔漂排、攔污柵及清污機(jī)械等綜合治理措施進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，取得了良好的工程應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：漂浮物；輸移規(guī)律；興隆水利樞紐工程

中圖分類號(hào)：TV698.2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

受城市快速發(fā)展、水域活動(dòng)增多等因素影響，我國水電站漂浮物問題較為突出，壩前漂浮物問題已經(jīng)成為影響水電站安全生產(chǎn)運(yùn)行、污染周邊生態(tài)環(huán)境的重要問題之一[1]。數(shù)量龐大、種類復(fù)雜的漂浮物通過多種渠道進(jìn)入庫區(qū)水面并在壩前匯集堆積[2]，給清理維護(hù)工作帶來巨大壓力。漂浮物治理若進(jìn)度滯后或效果不好，往往會(huì)降低發(fā)電效率、影響水電站穩(wěn)定運(yùn)行和航道通行安全，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成水域環(huán)境污染[3-4]。植被綠化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)增強(qiáng)等都會(huì)增加漂浮物的數(shù)量，流域面積越大、水量越豐富的河流漂浮物越多[5]。為充分發(fā)揮電站發(fā)電效益，保障工程安全運(yùn)行，改善河道自然環(huán)境及航運(yùn)條件，必須采取合適的治漂方式對(duì)漂浮物進(jìn)行有效處理，提升治漂效果。如葛洲壩[6]、三峽[7]、碾盤山[8]、大藤峽[9]、梨園[10]、小浪底[11]等工程均采取了實(shí)用的治漂措施，高效安全地治理漂浮物。

興隆水利樞紐位于漢江下游湖北省潛江、天門市境內(nèi)，上距丹江口水利樞紐378.3 km，下距漢江河口273.7 km，是南水北調(diào)中線一期工程漢江中下游四項(xiàng)治理工程之一。工程主要由進(jìn)水及尾水建筑物、機(jī)組段及安裝場(chǎng)、防（排）沙及防（排）漂建筑物、防沖設(shè)施等組成。廠房布置于漢江右側(cè)主河槽內(nèi)，左側(cè)連接泄水閘門，右側(cè)緊挨船閘擋水連接段。

秋汛是漢江的特點(diǎn)[12]，汛期上游和周邊大量漂浮物匯入庫區(qū)并在壩前堆積，漂浮物組成復(fù)雜、種類多，歷時(shí)長，若漂浮物問題處理不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重降低工程效率、影響水體質(zhì)量。解決好興隆水利樞紐漂浮物治理問題，不僅能確保興隆水利樞紐安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)改善漢江下游環(huán)境質(zhì)量也具有重要意義。

1 興隆水利樞紐漂浮物調(diào)查

1.1 漂浮物來源及特點(diǎn)

興隆壩區(qū)地勢(shì)平坦，河道斷面寬闊，正常蓄水位（高程36.20 m）以下河槽寬約700 m。主河槽位于河道偏右側(cè)，左側(cè)為寬度1 400 m的低-高漫灘，右側(cè)為寬約700 m的高漫灘。從興隆壩址至上一梯級(jí)碾盤山樞紐，漢江沿岸分布著大小民垸14個(gè)。調(diào)查分析表明，壩前漂浮物（見圖1）主要來源于4個(gè)方面。

（1）野生植物及農(nóng)作物。漢江興隆樞紐江段水生植物資源豐富，以挺水植物群落植物為主，主要是蘆葦、香蒲等，沉水植物主要是狐尾藻。陸生植物主要包括邊坡雜草、灘地農(nóng)作物等。在庫區(qū)豐水期，江岸邊坡受水流浸潤軟化，土質(zhì)松動(dòng)，雜草和農(nóng)作物進(jìn)入水體形成漂浮物。特別是在夏秋汛期，在洪峰沖刷作用下，上游植物類漂浮物大量聚集，成為興隆水利樞紐壩前漂浮物的主要組成部分。這類漂浮物具有體積大、易漂浮或懸浮的特點(diǎn)，極易聚集于壩前形成阻塞，對(duì)攔污柵的破壞最大。

（2）生活垃圾排放。由于漢江沿線少數(shù)居民環(huán)保意識(shí)不足，將生活垃圾直接倒入江中，從而產(chǎn)生塑料漂浮物，或?qū)⒗S意堆放于岸坡，降雨時(shí)這些垃圾隨水體流動(dòng)，進(jìn)入江內(nèi)成為漂浮物。隨著環(huán)保理念增強(qiáng)和基礎(chǔ)設(shè)施改善，生活垃圾類漂浮物會(huì)逐漸減少。

（3）船舶通航活動(dòng)。漢江興隆段承擔(dān)較重的通航任務(wù)，過往貨運(yùn)及客運(yùn)船舶較多。部分船舶排放的生活垃圾、廢棄污物等進(jìn)入庫區(qū)水域，導(dǎo)致漂浮物產(chǎn)生。這類漂浮物可通過加強(qiáng)水上運(yùn)輸監(jiān)管予以減少。

（4）沿線水域支流匯集。興隆水利樞紐距離上游丹江口水庫378.3 km，該段支流廣泛分布，各支流產(chǎn)生的植物、垃圾等隨水體運(yùn)動(dòng)匯入漢江干流，在最下一級(jí)的興隆水電站富集，導(dǎo)致較多漂浮物產(chǎn)生。

1.2 漂浮物輸移規(guī)律及影響

興隆電站廠房位于漢江右側(cè)主河槽彎道凹岸，引水渠進(jìn)口在凹岸起始端，上游漂浮物沿漢江主流進(jìn)入電站引水渠內(nèi)。對(duì)興隆水利樞紐漂浮物進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查研究，結(jié)果表明，12—2月為冬季枯水期，江面漂浮物分布較少，以水草、秸桿為主，漂浮物分散于江面，并多沿兩側(cè)河槽順流而下，右側(cè)主河槽偏多。進(jìn)入3月后，草類植物開始迅猛生長，江面上漂浮物呈幾何倍數(shù)增加，漂浮物多隨河床右側(cè)主流行進(jìn)。漢江流域汛期歷時(shí)一般為2個(gè)月，洪峰最長歷時(shí)約為28 d，當(dāng)汛期流量超過5 000 m3/s時(shí)，河水開始上灘，裹挾著漫灘上大量雜草及農(nóng)作物漂向下游，漂浮物量較大時(shí)，遍布整個(gè)江面。如果不能及時(shí)清理漂浮物，會(huì)直接削減電站進(jìn)水口流量，造成發(fā)電水頭損失，在雜物較多超出常規(guī)清運(yùn)能力時(shí)，4#機(jī)進(jìn)水口攔污柵處堆積的漂浮物實(shí)測(cè)可影響發(fā)電水頭0.5 m以上（約為毛水頭的10%）。此外，漂浮物堆積在進(jìn)水口攔污柵也會(huì)對(duì)進(jìn)水流態(tài)造成影響，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)變大、轉(zhuǎn)輪室進(jìn)氣等不良現(xiàn)象產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)只能停機(jī)清理。

2 興隆水利樞紐漂浮物治理方案

2.1 治理思路

興隆水利樞紐漂浮物治理采用“攔、導(dǎo)、清”的綜合治理思路。主要依靠攔漂排攔截作用，將電站運(yùn)行期絕大部分漂浮物有效攔截。漢江漂浮物主要為水草及其他植物，一般都浮于水面，而攔漂排的耙齒深入水下約1 m，齒間距10 cm，采用攔漂排進(jìn)行攔截效果明顯。對(duì)比攔漂排清理及攔污柵前清理漂浮物數(shù)量，非汛期時(shí)段，攔漂排能攔截90%以上的漂浮物。攔截的漂浮物可以通過機(jī)械或人工作業(yè)清運(yùn)處理。

對(duì)于汛期來不及打撈清理的漂浮物，結(jié)合樞紐運(yùn)行調(diào)度，打開左側(cè)緊鄰廠房3#—4#機(jī)組的1#—2#泄水閘排漂孔，利用攔漂排的導(dǎo)向作用，排向下游，從而較快地處理大量漂浮物，攔漂排距1#—2#泄水閘排漂孔距離很近，船只僅需將漂浮物推行約30 m即可引導(dǎo)漂浮物隨水流往泄水閘側(cè)移動(dòng)，通過排漂孔排向下游。

停留在電站進(jìn)水口前沿的漂浮物采用門式啟閉機(jī)回轉(zhuǎn)吊操作液壓式清污抓斗和清污機(jī)進(jìn)行清除。日常漂浮物較少時(shí)懸掛式清污機(jī)可以快速轉(zhuǎn)運(yùn)攔污柵前的漂浮物，汛期雜物較多時(shí)堆積密度過大，因懸掛式清污機(jī)自重較小，無法有效抓取，一般用移動(dòng)式清污機(jī)處理。在處理大團(tuán)的水草或樹木時(shí)使用門機(jī)液壓抓斗有較好的效果。

2.2 試驗(yàn)研究

在興隆水利樞紐水工及河工模型試驗(yàn)中對(duì)樞紐建成運(yùn)行后漂浮物在壩前的運(yùn)行軌跡進(jìn)行了研究（見圖2）。結(jié)果表明，漂浮物運(yùn)行軌跡為由漢江右側(cè)主河槽進(jìn)入電站引水渠凹岸。在枯水期，機(jī)組發(fā)電流量不大，廠前流速較小，進(jìn)入電站引水渠的漂浮物數(shù)量較少，位于進(jìn)水口壩頂平臺(tái)的清污機(jī)械可及時(shí)清除漂浮物，不會(huì)影響電站流道正常取水。進(jìn)入汛期，樞紐上游流量增大，漂浮物數(shù)量逐漸增加，隨著電站引用流量增大，大量漂浮物順右側(cè)主流向電站進(jìn)水口匯集，壩頂平臺(tái)清污設(shè)備無法滿足柵前清污需求，因此在電站引水渠處增設(shè)攔漂排，以防止電站進(jìn)水口前擁塞。攔漂排軸線與壩軸線交角大于30°時(shí)，攔漂排前的漂浮物采用船只清污、人工撈取等方式及時(shí)清理。攔漂排具有一定導(dǎo)向作用，可將匯集于攔漂排前的部分漂污物導(dǎo)入1#—2#泄水閘的排漂孔，排向下游。當(dāng)流量超過4 010 m3/s時(shí)，樞紐上下游水頭差1.8 m（機(jī)組凈水頭）時(shí)機(jī)組停止運(yùn)行，電站機(jī)組全部停機(jī)后不再有水流到電站，漂浮物隨水流到泄水閘，全部通過泄水閘排向下游；上游水位超過38.0 m后，少量漂浮物能夠繞過攔漂排，經(jīng)電站引水渠右側(cè)高漫灘進(jìn)入廠前，這些漂浮物主要依靠廠房進(jìn)水口前清污設(shè)備打撈清理。

2.3 治理措施

結(jié)合“攔、導(dǎo)、清”的治理思路，對(duì)興隆水利樞紐治漂采用的綜合措施主要包括布置引水渠前沿?cái)r漂排、廠房進(jìn)水口攔污柵及清污機(jī)械等，如圖3、圖4所示。

2.3.1 攔漂排

攔漂排布置在電站引水渠內(nèi)，攔漂排左接泄水閘上右翼墻，右接引水渠漫灘邊坡，使電站進(jìn)口前引水渠在正常蓄水位以下形成封閉，以確保電站正常取水運(yùn)行。結(jié)合試驗(yàn)成果，攔漂排采用斜向布置，軸線與壩軸線成30°夾角，其近點(diǎn)上距電站進(jìn)水口前沿約45 m，總長約200 m，有效攔污水位為高程36.2～41.2 m。攔漂排左右側(cè)分別懸掛于電站引水渠兩側(cè)的1#和2#攔漂排墩上，1#、2#攔漂排墩之間設(shè)有水下鋼攬拉索，一側(cè)系于引水渠平整段外埋設(shè)的錨墩上。整個(gè)攔漂排由31節(jié)鋼浮箱和平衡浮箱、鋼格柵、系排墩、上游水底系排樁及鋼纜拉索等組成，鋼浮箱和平衡浮箱節(jié)間以鋼環(huán)連接，鋼浮箱按吃水深度0.8 m控制。

2.3.2 攔污柵及清污機(jī)械

電站每臺(tái)機(jī)組進(jìn)口為2孔，4臺(tái)機(jī)組共8孔，孔口尺寸為6.55 m×20.8 m。攔污柵設(shè)計(jì)為固定斜面格柵式，布置于檢修閘門的流道內(nèi)，與水平面成75°斜向布置。

電站采用機(jī)械清污。每年汛期漂浮物來量較多，除通過壩頂門式啟閉機(jī)回轉(zhuǎn)吊操作液壓式清污抓斗清除水面漂浮物外，另設(shè)置了1臺(tái)懸掛移動(dòng)式液壓抓斗全自動(dòng)清污機(jī)和1臺(tái)地面移動(dòng)式清污機(jī)進(jìn)行清污。

廠房進(jìn)水口壩頂平臺(tái)上布置1臺(tái)門機(jī)，設(shè)有回轉(zhuǎn)吊，用于操作清污抓斗，清除攔污柵前水域的水面漂污物，并可用于攔污柵的檢修。吸附在攔污柵上的漂污物主要通過1臺(tái)2×100 kN傾斜耙斗地面移動(dòng)式清污機(jī)和1臺(tái)懸掛耙斗（包括兩套30 kN耙斗）移動(dòng)式全自動(dòng)清污機(jī)清理。清污機(jī)安裝在高程44.7 m處廠房進(jìn)水口壩頂平臺(tái)的軌道頂面上，沿壩軸線方向運(yùn)行，上下自由活動(dòng)。

3 工程應(yīng)用效果

興隆水利樞紐工程運(yùn)行10年來的監(jiān)測(cè)情況表明，電站運(yùn)行期漂浮物仍以雜草、樹木、白色垃圾及漁網(wǎng)等雜物為主。隨著庫區(qū)上游城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，居民的生產(chǎn)、生活以及河道通航等活動(dòng)產(chǎn)生的地膜、模塊等大表面積垃圾有增多的趨勢(shì)。大量漂浮物多隨水流向電站前沿匯聚，在雨季則更為明顯。結(jié)合“攔、導(dǎo)、清”治理思路，將攔漂排、攔污柵及清污機(jī)械等綜合治理措施在興隆水利樞紐進(jìn)行了工程應(yīng)用。對(duì)于攔漂排前的漂污物，根據(jù)漂污物數(shù)量，采用清污船只與人工撈取方式在攔漂排上游江面進(jìn)行定期集中清理，水草類漂浮物采用清污船只集中清理，而汛期各類生活廢棄漂浮物較少集中在攔漂排附近，可以采用人工撈取方式清理。受攔漂排鋼絲索弧線線性曲率較大以及大風(fēng)波浪等因素影響，部分雜物穿越攔漂排至電站進(jìn)水口前，對(duì)于這類漂浮物，通過壩頂門機(jī)清污抓斗和傾斜式耙斗清污機(jī)進(jìn)行柵前清理。

2017年9月底，漢江經(jīng)歷較大秋汛，現(xiàn)場(chǎng)情況表明，經(jīng)處理后，整個(gè)汛期從引水渠右側(cè)高漫灘進(jìn)入電站前的漂污物數(shù)量較少（見圖5），基本解決了電站進(jìn)水口污物堵塞問題，提高了運(yùn)行效率，漂浮物治理效果明顯，漂浮物未對(duì)電站正常運(yùn)行造成影響。

4 結(jié)論及建議

（1）興隆水利樞紐漂浮物以野生植物和農(nóng)作物為主，其余由沿線居民活動(dòng)產(chǎn)生。漂浮物主要在汛期大量聚集，聚集部位多為水流平緩區(qū)、回流區(qū)、水勢(shì)變層區(qū)。

（2）采用布置引水渠前沿?cái)r漂排、廠房進(jìn)水口攔污柵及清污機(jī)械的綜合治理措施后，壩前漂浮物數(shù)量顯著減少，確保了電站正常運(yùn)行，可為類似工程治漂提供參考。

（3）工程運(yùn)行多年后，漂浮物治理狀況總體良好。建議后續(xù)針對(duì)部分漂浮物會(huì)直接從攔漂排兩端錨固位置的較長空缺段進(jìn)入壩前的問題進(jìn)行改進(jìn)，可考慮在護(hù)坡段采用固定式攔網(wǎng)，在導(dǎo)流墻錨固墩處加裝滑軌，在上述護(hù)坡段和導(dǎo)流墻處分別新增一節(jié)攔漂排。

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Investigation and Treatment of Floating Debris in Xinglong Hydro-junction on Hanjiang River

LIU Xiaojiang1，LI Wei2，XIE Hongbing1

（1. Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430000，China；2. Hubei Hanjiang Xinglong Hydro-junction Administration，Wuhan 430000，China）

Abstract：Xinglong Hydro-junction Project is located in the lower reaches of the Hanjiang River，with flat terrain and broad river section at the dam site. The floating debris on the river are diverse and complex. Inappropriate handling of these floating debris will block the normal inflow of hydropower station and cause power generation head loss，reduce the operation efficiency of the project，and easily lead to water pollution in the middle and lower reaches of the Hanjiang River. We investigated the causes，characteristics and transport rules of floating debris in Xinglong Reservoir area. Following the treatment idea of“blocking，guiding，and cleaning”，we conducted floating debris treatment experiment based on hydraulic and river engineering model. Comprehensive treatment measures such as float blocking，trash rack and trash-cleaning machinery were applied in practice，and favorable effects were obtained.

Key words：floating debris；transport rules；Xinglong Hydro-junction Project

作者簡介：劉小江，男，高級(jí)工程師，本科，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：liuxiaojiang@cjwsjy.com.cn