南水北調(diào)中線西黑山段沉藻池規(guī)模設(shè)計及運(yùn)用研究

0 引言

南水北調(diào)中線總干渠渠首至北拒馬河閘全長1 197km ，以明渠為主，光照條件好，為輸水水體中藻類生長提供了有利的環(huán)境。監(jiān)測成果顯示[1]，中線總干渠水體藻類密度總體呈自南向北不斷升高的趨勢，對中線總干渠輸水水質(zhì)和工程運(yùn)行安全造成不良影響。同時，因南水北調(diào)中線水質(zhì)保護(hù)要求，禁止采用化學(xué)方法進(jìn)行藻類和泥沙等沉積物處理，目前主要通過物理性措施對總干渠的藻類等沉積物進(jìn)行處理。針對總干渠不同部位處理措施包括： ① 退水閘附近的沉積物，采取定期大開度、大流量、短時開啟退水閘的沖刷方式進(jìn)行清理，必要時采用大流量污泥泵進(jìn)行抽排； ② 分水口管涵和泵站前池內(nèi)沉積物，通過潛水員潛入對廊道底板及壁上淤泥進(jìn)行沖洗和擾動，采用抽排方式進(jìn)行清理。然而，現(xiàn)有沉積物處理措施費(fèi)時費(fèi)力，且僅能短期內(nèi)解決局部問題，難以系統(tǒng)解決總干渠藻類沉積的問題。

結(jié)合南水北調(diào)中線總干渠實(shí)際運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗，尤其是惠南莊泵站前池藻類淤積情況，通過沉藻池工程措施進(jìn)行總干渠藻類集中沉降處理是可行的。然而，沉藻池設(shè)計涉及工程水力學(xué)、泥沙動力學(xué)、環(huán)境水力學(xué)和藻類生物學(xué)等多學(xué)科交叉，存在夾沙藻類特性復(fù)雜、輸水流量大、在線沉藻水動力學(xué)條件要求高等技術(shù)難題。目前在水利工程設(shè)計方面，針對引調(diào)水工程沉沙池的相關(guān)研究較多。吳奪等利用PTV粒子追蹤測速技術(shù)開展了南水北調(diào)中線總干渠藻類殘體顆粒的沉降特性試驗研究;陳彩旭等[3研究了在沉沙池首部加設(shè)調(diào)流板對沉沙池水流流場的調(diào)節(jié)效果；宗全利、吳均等[4-6]在沉沙池水流流場分布均勻化、調(diào)流板對水流調(diào)節(jié)作用等方面開展了優(yōu)化和改進(jìn)試驗研究；付海林等[7]針對異向流沉沙池開展了結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究；胡松可、楊文濤等[8-9]分別針對曲線型沉沙池進(jìn)行了底面坡度優(yōu)化和設(shè)計與運(yùn)行管理探討;洪振國等[10-11]探討了沉沙池幾種計算方法的應(yīng)用；職承杰等[12]通過在沉沙池進(jìn)口設(shè)置5條導(dǎo)流墻，改善進(jìn)水口流態(tài)，提高了泥沙沉降效率。然而，關(guān)于沉藻池設(shè)計和應(yīng)用的研究較少。本文結(jié)合南水北調(diào)中線雄安調(diào)蓄庫沉藻池建設(shè)，對中線總干渠西黑山斷面沉藻規(guī)模進(jìn)行預(yù)測，并提出了沉藻池運(yùn)用方案。

1 工程概況

南水北調(diào)中線工程雄安調(diào)蓄庫位于南水北調(diào)中線總干渠西黑山節(jié)制閘上游約 1km 處，緊鄰總干渠，工程主要包括調(diào)蓄上庫、調(diào)蓄下庫、抽水蓄能電站和總干渠之間的連通工程等。

連通工程主要包括沉藻池、進(jìn)口閘、出口閘等主要建筑物以及藻類泥沙處理設(shè)施，如圖1所示。在調(diào)蓄下庫建造沉藻池，將來自總干渠的北調(diào)水在沉藻池進(jìn)行集中在線沉藻，再返回南水北調(diào)總干渠，從而達(dá)到減少總干渠下游水體藻類的要求。根據(jù)區(qū)域地形地質(zhì)條件，沉藻池總體呈橢圓形，長約 1 200m ，平均寬度約400m ，中部最大寬度約 500m 。沉藻池位于中線總干渠西黑山節(jié)制閘上游約 1km 的左側(cè)灘地，通過骨料開挖形成，通過進(jìn)、出口閘與總干渠連通，進(jìn)口閘距西黑山節(jié)制閘 2100m ，出口閘距西黑山節(jié)制閘 200m ，進(jìn)、出口閘設(shè)計流量與其連通的總干渠加大流量保持一致，為 150m³/s 。

2 沉藻規(guī)模分析

2.1 概化理論計算法

2.1.1 計算思路

根據(jù)總干渠西黑山斷面輸水量和藻類含量，計算西黑山斷面多年平均輸藻量（濕藻質(zhì)量），通過自然沉降工程措施，結(jié)合沉藻池可沉降并攔截斷面輸藻量比例，計算得到每年沉降和攔截藻類的總質(zhì)量。結(jié)合淤積物中藻類含量比例，推算沉藻池淤積物總質(zhì)量，再結(jié)合淤積物的密度，計算出淤積物的總體積，即為沉藻淤積規(guī)模。

2.1.2 計算過程

根據(jù)中線一期工程 1956～1998 年長系列供水調(diào)節(jié)計算成果，西黑山斷面多年平均輸水量為26億 m³ ，年內(nèi)各月平均輸水量見表1。

根據(jù)總干渠藻類及沉積物淤積有關(guān)資料，得到

2019年 1～10 月，西黑山斷面藻類監(jiān)測成果：總干渠西黑山斷面輸水水體中浮游藻類含量為 1.1mg/L ，即總干渠輸水 1m³ ，浮游藻類濕重達(dá) _1.1g ;根據(jù)典型年總干渠藻密度年內(nèi)分布情況，估算西黑山斷面各月水體含藻量（表1），以此為依據(jù)，可計算總干渠西黑山斷面多年平均輸藻量為2856t（濕藻），根據(jù)室外試驗，沉藻池因特殊水力條件，藻類自然沉降可攔截 70% 的斷面輸藻量，則沉藻池年沉藻量為1999t（濕藻）。

根據(jù)惠南莊泵站前池沉積物監(jiān)測資料，淤積物含水量為 70% ，干物質(zhì)中藻類約占沉積物質(zhì)量的 8% ，泥沙等占淤積物質(zhì)量的 92% 。沉藻池淤積物由水、藻類、砂粒3部分組成，設(shè)沉淀物總質(zhì)量為1，根據(jù)所含物質(zhì)的質(zhì)量比例關(guān)系應(yīng)有：水體體積 V_∞=0.7/1.0 ，藻類體積 V_Z=0.024/0.5 ，砂粒體積 V_s=0.276/2.55 ；總體積 V=（0.7+0.048+0.1082）=0.8562 ;淤積物密度為 1.1679g/cm³ ，詳見表2。

總干渠年平均沉淀物藻類總質(zhì)量 W=0 .1999/0.024=8.33 萬t;年平均沉淀物總體積（含水量 70% ）

V_π;5;5=8.33/1.1679=7.13 萬 m³ 各月平均淤積質(zhì)量和體積見表3。

2.2 工程經(jīng)驗估算法

2.2.1 計算思路

總干渠惠南莊泵站前池可以平順和擴(kuò)散水流，降低流速，與沉藻池具有相似沉藻作用。根據(jù)惠南莊泵站前池運(yùn)行監(jiān)測資料，惠南莊泵站前池已成為總干渠藻類淤積的重要場所，近幾年惠南莊泵站前池已開展過幾次系統(tǒng)清淤工作以及相關(guān)專題研究，可為沉藻規(guī)模估算提供經(jīng)驗依據(jù)。

類似工程經(jīng)驗估算法是根據(jù)惠南莊泵站前池清淤量（或兩次勘測淤積體積差），以及清淤期間（或兩次勘測間隔）輸水量，建立輸水量和淤積量之間的關(guān)系，以此為據(jù)，根據(jù)西黑山斷面輸水量，估計其沉藻規(guī)模。

2.2.2惠南莊泵站前池概況

惠南莊泵站前池上游為北拒馬河暗渠，泵站出水鋼管后接大寧調(diào)壓池，泵站前池總長約 185m （其中過渡段長約 165m ，進(jìn)水池長約 20m ），進(jìn)口設(shè)4個進(jìn)水閘，單個進(jìn)水閘寬 4m ，末端為8個獨(dú)立進(jìn)水池，單個進(jìn)水池寬 10.5m 。通過擴(kuò)大泵站前池寬度和深度等，降低了輸水流速、改變了輸水流態(tài)，為總干渠藻類淤積提供了較好條件。

2.2.3基于惠南莊泵站前池規(guī)律分析

根據(jù)2016年和2017年惠南莊泵站前池實(shí)際清淤情況：2016年2月7日至3月15日和3月30日至4月8日先后完成對惠南莊泵站左右前池及進(jìn)水間的清淤，共清理淤積物1.1萬 m³ ；2017年2月24日至3月15日和3月30日至4月8日，分別完成了惠南莊泵站左右前池及進(jìn)水間的清淤，共清理淤積物1.7萬 m³ （2

兩次清淤工作時間間隔基本為一個完整年。2017年惠南莊泵站前池淤積量是由2016年輸水量中藻類沉積形成的。據(jù)統(tǒng)計，惠南莊泵站2016年累計向北京輸水量為10.32億 m³ ，則惠南莊泵站前池萬立方米輸水量截留的淤積物體積為 0.165m³ 。

2.2.4沉藻池分月沉藻量

雄安調(diào)蓄庫沉藻池長度和寬度更大，藻類沉積條件更好，藻類沉降率約是惠南莊泵站前池的2倍，則沉藻池萬立方米輸水量截留的淤積物體積為 0.33m³ 。西黑山斷面設(shè)計多年平均輸水量25.91億 m³ ，則年淤積量為8.58萬 m³ 。年內(nèi)各月淤積物體積見表4。

2.3 沉藻規(guī)模確定

根據(jù)以上兩種方法對沉藻池淤積規(guī)模進(jìn)行計算，采用概化理論計算法，沉藻池年淤積體積為7.13萬m³ ；采用惠南莊泵站前池類似工程經(jīng)驗估算法，沉藻池年淤積體積為8.58萬 m³ ，兩者接近，沉藻池設(shè)計中取較大者，即沉藻池設(shè)計年淤積物體積8.58 萬 m³ 。受氣候條件及輸水規(guī)模等因素影響，總干渠輸水水體中藻類密度和淤積體積年際差異較大；同時，考慮到新淤積的藻類物質(zhì)密度較?。ń咏w密度），體積較大；為留有裕度，其淤積容量暫按2.0倍擴(kuò)大系數(shù)確定，沉藻池年淤積量為17.2萬 m³ 。

沉藻池有效沉降面積約30萬 m² （縱向?qū)Я鞫沾矸桨杆搅魉俚陀?0.05m/s 區(qū)域面積），考慮到池內(nèi)流速和藻類等淤積物分布的不均性，淤積深度按照1m 設(shè)計，則沉藻池設(shè)計淤積容量約為30萬 m³

3 運(yùn)用研究

3.1 沉藻池運(yùn)用方式

每年總干渠藻類繁殖期（沉藻池清淤后），打開雄安調(diào)蓄庫進(jìn)水閘，關(guān)閉總干渠擋水閘，將總干渠輸水改道進(jìn)入沉藻池，通過導(dǎo)流墩將水流均勻擴(kuò)散至沉藻池較大過流斷面，降低水流流速，進(jìn)行藻類和泥沙混合物的在線沉降。當(dāng)藻類等沉積物淤積到一定高度，在入冬前，關(guān)閉沉藻池進(jìn)水閘、打開總干渠擋水閘，利用總干渠原有渠道輸水，沉藻池停正運(yùn)行，采用干地清淤與濕地清淤相結(jié)合的方式進(jìn)行沉藻池清淤處理。

3.2 沉藻池清淤周期

結(jié)合前述測算，沉藻池年淤積量為17.2萬 m³ ，設(shè)計有效淤積容量約為30萬 m³ ，約滿足2a淤積量的需要；為防止藻類長期淤積發(fā)生生化反應(yīng)，污染水體，建議一般情況下每年清淤一次。

3.3 沉藻池清淤方式

每年沉藻池清淤時間在11月上旬至次年2月底。每年進(jìn)入清淤前開啟總干渠擋水閘，關(guān)閉沉藻池與總干渠進(jìn)出口閘，恢復(fù)總干渠輸水通道，截斷總干渠與沉藻池的水力聯(lián)系，利用多功能泵站將沉藻池內(nèi)的淤積水體排向調(diào)蓄下庫或總干渠。11月上旬至次年2月底擇機(jī)清除沉藻池內(nèi)沉淀的藻類物質(zhì)。3月15號以前，完成沉藻池充水，開啟連通閘、關(guān)閉總干渠擋水閘，恢復(fù)沉藻池在線沉藻。沉藻池藻類物質(zhì)清除可采用機(jī)械清挖或污流泵吸排等直接脫水方式，本設(shè)計方案可滿足使用這兩類清淤方法的條件。

3.3.1干地清淤方案

結(jié)合沉藻池結(jié)構(gòu)檢修維護(hù)，沉藻池可在干地條件下進(jìn)行清淤工作。關(guān)閉沉藻池進(jìn)口檢修閘門，停止運(yùn)行攔藻柵設(shè)備，同時關(guān)閉沉藻池出口檢修閘門，采用水泵抽排沉藻池水體。沉藻池干地清淤方式主要為人工機(jī)械清淤。沉藻池干地清淤檢修期間，干渠擋水閘開啟，確保南水北調(diào)中線干渠輸水暢通。干地清淤易操作、可靠性好，為首選清淤方式。

3.3.2 濕地清淤方案

濕地清淤方案是指在沉藻池正常運(yùn)行的同時進(jìn)行沉藻池的清淤工序。雄安調(diào)蓄庫沉藻池水體表面約55萬 m² ，面積較大，濕地清淤推薦采用清污船配合吸污泵的組合清淤方式，考慮中線水質(zhì)保障要求，清污船動力采用綠色電力驅(qū)動，吸污泵進(jìn)口進(jìn)行特殊設(shè)計，盡量減少對水體的影響；同時結(jié)合智慧水利建設(shè)，采用智能水下清污機(jī)器人是未來重點(diǎn)研究的方案。

4結(jié)論

（1）采用概化理論計算法計算沉藻池年淤積體積為7.13萬 m³ ；采用惠南莊泵站前池類似工程經(jīng)驗估

算法，沉藻池年淤積體積為8.58萬 m³ ，考慮留有裕度，其淤積容量暫按2.0倍擴(kuò)大系數(shù)確定，沉藻池年游積量為17.2萬 m³ 。

（2）沉藻池有效沉降面積約30萬 m² ，考慮到池內(nèi)流速和藻類等淤積物分布的不均性，淤積深度按照1m 設(shè)計，則沉藻池設(shè)計游積容量約為30萬 m³ 。

（3）建議沉藻池清淤周期為1a，清淤時間為每年11月上旬至次年2月底，可采用干地清淤和濕地清淤相結(jié)合方式。

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（編輯：張爽）