蔡 瑩，唐祥甫，蔣文秀

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

河道漂浮物對工程影響及研究現(xiàn)狀

蔡 瑩，唐祥甫，蔣文秀

（長江科學院水力學研究所，武漢 430010）

水利工程普遍存在漂浮物問題，大量漂浮物聚集，對水質(zhì)、水面景觀、供水、水產(chǎn)、航運、發(fā)電等都造成影響，加強河道漂浮物治理有利于提高工程直接效益、改善水面環(huán)境。為減輕漂浮物爆發(fā)對工程的影響，采取的主要治漂措施包括攔漂、排漂、清漂等，這些措施沒有充分發(fā)揮河流水力的優(yōu)勢，治漂能力不足、治漂效果不能滿足工程需求。水力學模型試驗研究是解決漂浮物問題的科學方法，三峽等工程過去曾開展了一些壩前治漂研究工作。河流漂浮物運移、聚集、滯留與河勢及工程布置有關，深入研究河道漂浮物特征，可獲得因勢利導治漂效果，改善目前被動治漂現(xiàn)狀。

河道；水庫；漂浮物；水環(huán)境；治漂措施

1 漂浮物問題

河道水面上的漂浮物順江而下，易于聚集在河道凹岸、攔河壩前，不僅對沿江水質(zhì)、水面景觀、供水、水產(chǎn)、航運等構(gòu)成不利影響，還會減小水電樞紐的發(fā)電效益、對樞紐運行安全構(gòu)成威脅。

1．1 漂浮物的來源

漂浮物的來源大體上分以下4個方面：一是自然垃圾，植物的根、枝、葉、雜草等受雨水沖刷后隨水流進入江河匯集于水面形成自然漂浮物；二是生活垃圾，人類生產(chǎn)活動加劇和管理失控導致生活垃圾進入河流構(gòu)成人工漂浮物；三是水生生物，水體富營養(yǎng)化造成水葫蘆、綠萍等猖獗蔓延產(chǎn)生水生植物漂浮物；四是冬季浮冰，寒冷地區(qū)冬季冰塊和冰屑等漂浮在水面也構(gòu)成水面固體漂浮物。

1．2 漂浮物的危害

漂浮物的危害主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（1）影響發(fā)電水頭、威脅運行安全。水電站前的漂浮物，在電站引流作用下易于聚集在電站進水口攔污柵前，而堵塞攔污柵、減小過流斷面、影響發(fā)電水頭、造成事故停機，不僅降低工程直接效益，而且對工程安全運行構(gòu)成威脅。如：葛洲壩二江電廠受漂浮物影響，攔污柵前后壓差一般為1～2 m，有時可達3～5 m，最大達6 m，多次造成停機發(fā)電；三門峽電站漂浮物水頭損失最大可達3 m，每年因此而損失電量約3×107kW·h；沙溪口水電站因污物造成年電能損耗達2．4×107kW·h；鹽鍋峽電站攔污柵水頭差曾高達6．93 m，壓跨攔污柵停機600 h，損失電量2×107kW·h；天橋電站攔污柵水頭差達6．0 m，柵條被壓斷進入蝸殼造成停機3個月；樂灘電站攔污柵壓差最大達5 m，損失1／4額定水頭，機組出力最大下降60 MW，電站平均每天損失電量約2×107kW·h；漫灣電站攔污柵前后水位差最高達5．4 m，為確保安全須限負荷運行［1－6］。

（2）阻礙船舶航行，威脅航運安全。航道上的漂浮物會阻礙船舶航行，漂浮物纏繞螺旋槳會影響船舶安全，增加船舶修理維護費用，加大了運輸成本。汛期大量漂浮物還會損壞、損毀航標，危及航道安全。2009年1月1日至6日因漂浮物纏繞掛壓導致83艘標志船、143盞航標燈和200個航標標體損失［7］。

（3）破壞生態(tài)環(huán)境、威脅飲水安全。漂浮物由各種自然和人工廢棄物組成，在水面堆積腐爛嚴重影響水環(huán)境和水質(zhì)，在城市和景觀水域影響市容和旅游環(huán)境。環(huán)境建設已列為國家戰(zhàn)略方針，治理水環(huán)境是環(huán)境建設的重要組成部分，有效治漂既是工程直接需要，也是治理水環(huán)境的迫切要求。

1．3 漂浮物的分布及運移特性

河道漂浮物形狀與組成多樣，具有一定的地域和季節(jié)特征，漂浮物運行狀態(tài)受河勢、地形、工程布置及運行條件、流態(tài)、支流、風力、船舶航行等多種因素影響，不同工程漂浮物的分布、滯留、運移與聚集既有共同特點，又表現(xiàn)特有的規(guī)律。

根據(jù)長江三峽、葛洲壩、黃河三門峽、大峽、八盤峽、浙江趙山渡、福建水口、廣西樂灘等電站對漂浮物的調(diào)查，漂浮物種類有雜草、樹木、秸稈、水生植物、竹子、泡沫、漁網(wǎng)、人畜尸體等組成多樣，成分比例千差萬別，形狀、尺寸、大小不一，南方電站水葫蘆、樹木根枝、竹類植物較多，北方雜草、秸稈較多，上世紀80—90年代塑料泡沫類“白色垃圾”較多。漂浮物一般多在汛期集中爆發(fā)，每年第1場洪峰數(shù)量陡增，工程蓄水期間漂浮物量大，三峽工程2003年6月至10月開始蓄水期間，壩前漂浮物的處理總量超過6．5×105m3，打撈上岸近3×104m3［1－10］。

1．4 漂浮物實例及治理現(xiàn)狀

在三峽工程蓄水前，漂浮物經(jīng)常威脅葛洲壩樞紐安全運行。2003年三峽水庫蓄水后，為減輕漂浮物對三峽工程的危害，雖然三峽庫區(qū)沿途各地均采取了漂浮物的打撈工作［8］，但因三峽庫區(qū)水域?qū)拸V、水位變幅大、漂浮物跟隨水流運移受到沿程風力、支流、行船等多種因素影響，使得人工清漂難以完全解決漂浮物對三峽工程運行的影響。漂浮物治理依然是三峽工程有待解決的技術(shù)難題之一。三峽壩前及庫區(qū)漂浮物見圖1、圖2。

圖1 三峽樞紐壩前聚集的漂浮物Fig．1 Floating debris gathered in front of TGP

圖2 三峽庫區(qū)河道漂移的漂浮物Fig．2 Floating debris in the waterway of Three Gorges reservoir area

我國南方的一些河道水庫，近些年來出現(xiàn)水葫蘆、綠萍等水生植物瘋長的現(xiàn)象，這些水生植物與水面漂浮物一樣都具有隨水流漂移的特性，大量水葫蘆聚集后會阻塞河道、妨礙行洪、影響航運、危害水質(zhì)、惡化水環(huán)境。其中，上海市黃浦江流域的水葫蘆和綠萍、福建水口電站的水葫蘆、武漢市長江及漢江河段的水葫蘆等已引起社會廣泛關注。水生植物生長速度快，爆發(fā)期持續(xù)時間長，采用化學、生物措施難以有效抑制其生長擴張，采用人工打撈受多種因素制約也很難取得長期的穩(wěn)定的治理效果。部分地方水葫蘆見圖3至圖5。

圖3 上海黃浦江水葫蘆Fig．3 W ater hyacinth in Huangpu river in Shanghai

圖4 長江武漢段水葫蘆Fig．4 W ater hyacinth in Yangtze River at W uhan

圖5 福建水口電站壩前水葫蘆Fig．5 W ater hyacinth in Shuikou reservoir in Fujian

在北方寒冷地區(qū)，冬季明渠輸水浮冰可能引起引水渠和取水口堵塞，直接影響工程效益；水電站在冰凌期發(fā)電也會受到浮冰影響。黃河浮冰見圖6。

圖6 黃河冬季浮冰Fig．6 Floating ice in the Yellow river

2 工程治漂方式及存在問題分析

2．1 工程治漂方式

電站受漂浮物危害嚴重，是河道治理漂浮物的關鍵節(jié)點?，F(xiàn)階段電站治理漂浮物的主要方式有攔漂、排漂和清漂。

設置在電站引水渠的攔（導）漂浮排是第一道攔截漂浮物防線，為獲得導漂功能將浮排軸線與主流方向形成一定夾角（見圖7）。在平靜水域，如三峽左岸電站為防止漂浮物進入上游引航道、上海黃浦江攔截水葫蘆，采用了圍油欄攔截漂浮物。設在電站進水口前的攔污柵是電站最后一道防漂措施，攔污柵攔截漂浮物后利用壩頂清污機械清漂。

圖7 湖南柘溪電站漂浮物Fig．7 Floating debris at Zhexihydropower station in Hunan

排漂是利用樞紐泄流建筑物排泄漂浮物。溢流式電站汛期利用溢流堰排漂，非溢流電站是在靠近廠房設置的排漂孔向下游排放漂浮物（見圖8），有的工程直接開啟泄洪閘排漂，近些年有些工程為了減少排漂棄水量采用帶舌瓣組合閘門排漂。導漂浮筒、液壓清污抓斗、停機反沖等［11］。這些措施大多只能發(fā)揮臨時治漂效果（見圖10）。

圖8 三峽排漂孔排漂Fig．8 Floating debris discharged by drainage holes at TGP

清漂是利用機械和人工直接打撈漂浮物。為及時清理附著在攔污柵上的漂浮物，工程須配置合適的清污機，當漂浮物大量聚集后需要使用人力或船只緊急清漂。三峽壩前裝備了包括功能先進容積達300 m3的“三峽清漂1號”等清漂船（見圖9）。

葛洲壩二江電廠為減小漂浮物影響，工程設計和運行時研究并實施過多種攔（導）漂、排漂、清漂措施，包括：排漂孔、攔漂排、斜板式攔污柵、導漂屏、

圖9 三峽清漂1號清漂Fig．9 Float clearing ship No．1 at TGP

圖10 葛洲壩壩頂清污Fig．10 Clearing floating debris on the top of Gezhouba dam

2．2 存在問題分析

攔漂排攔漂造成漂浮物聚集，導漂作用不明顯。漂浮物積聚后有些自然下沉或潛浮，在引流作用下同樣會堵塞電站攔污柵；聚集的漂浮物在引流、風力等作用下擠壓攔漂排可能損壞攔漂排，給電站運行帶來災難性的影響；在水流、風、波浪等因素的作用下，聚集的漂浮物容易越過攔漂排；在攔漂排前清理漂浮物會導致漂浮物泄漏，清漂工作存在安全隱患，難以確保工程安全運行。

在漂浮物較少的靜止水面或景觀水域，船只和人力清漂可以發(fā)揮一定的作用。河道漂浮物多暴發(fā)在雨洪期，受水流、氣候、夜晚等多種因素限制，簡單的人力清漂難以保持長期穩(wěn)定的治漂效果，也存在不安全隱患。在壩頂攔污柵前清污受到場地、清理能力等多種條件限制，清漂能力不足。

漂浮物運移、聚集形態(tài)與工程運行工況相關，電站前漂浮物聚集部位經(jīng)常變化，利用固定建筑物泄流排漂對漂浮物直接吸引范圍有限。排漂孔運行受壩前水位影響，孔口被淹沒后排漂效率更低。水力排漂水能利用率低、消耗水量大，三峽工程水位在145～155 m之間單孔排漂流量為1 000～2 000 m3／s，排漂直接減少工程發(fā)電效益，在梯級開發(fā)河流中棄水排漂將更加受到限制。將上游漂浮物直接排泄到下游，不能改善水環(huán)境，對下游工程不利。

3 水力學治漂試驗研究

現(xiàn)階段電站等工程治理漂浮物采用的攔漂、排漂、清漂方式一般是在漂浮物聚集造成影響后采取的清理措施，工程運行情況表明：這些治漂方式?jīng)]有充分發(fā)揮河流天然水力的作用，清漂能力和治漂效果不能滿足需求。

漂浮物運移和聚集與工程布置及水力因素有關，合理利用水力條件是改善治漂方式的有效途徑。水力學試驗研究是解決工程技術(shù)問題的科學手段，開展重點工程水力學模型試驗研究可為治漂工作提供技術(shù)支持。漂浮物水力學模型試驗研究是一項新的課題，已有的研究工作主要是針對具體工程治漂的需要在幾何和漂浮度相似的基礎上模擬漂浮物在水面的跟隨與聚集狀態(tài)，然后采取相應措施研究攔、聚、導、排漂浮物等方式的治理效果。

3．1 漂木、浮冰水力學試驗研究

河流漂木曾是金沙江等西南林區(qū)水運木材的一種方式，林業(yè)科研單位在漂木水力學方面開展過相關試驗研究［12］。在北方寒冷地區(qū)河流存在浮冰的問題，為解決浮冰對電站運行的影響也進行過一些水力學方面的研究工作。河道漂浮物、漂木、浮冰的運行狀態(tài)都是與水流表面動力特性相關，具有相似的運移、滯留、聚集規(guī)律。

漂浮物與漂木在幾何形態(tài)、集結(jié)與離散方式、與水體接觸邊界等都有較大的差異，木材按控制路線漂流到壩前設定區(qū)域，漂浮物則是隨水流自由分布在壩前有可能聚集的水域，這些因素決定漂浮物與漂木的模擬研究有本質(zhì)區(qū)別。浮冰構(gòu)成單一，引水式電站規(guī)模較小、引用流量小、水流狀態(tài)穩(wěn)定。因此漂浮物的水力條件及運移規(guī)律具有特殊性。

3．2 漂浮物原型觀測

收集和分析相關工程漂浮物資料是開展水力學研究前提條件，需要實地調(diào)查、測量和記錄典型工程漂浮物組成、數(shù)量等，分析運移、分布、滯留、聚集規(guī)律與水流狀態(tài)之間的關系。長江科學院在三峽、葛洲壩漂浮物爆發(fā)期間曾十多次對長江涪陵至宜昌庫區(qū)河道以及壩前漂浮物情況進行了實地調(diào)研，對武漢長江、漢江河段水葫蘆爆發(fā)情況也進行了實地踏勘考察。

經(jīng)觀測河道漂浮物種類繁多，組成不一，不同工程部位與河段其運行狀態(tài)有所不同。在葛洲壩、三峽庫區(qū)以及河道內(nèi)漂浮物大多隨主流漂移，漂移速度時緩時急，在回水區(qū)、支汊等靜水區(qū)和碼頭停泊區(qū)有漂浮物滯留。在葛洲壩樞紐前漂浮物經(jīng)過二江防淤堤后，大部分流向二江和大江電廠，在二江電廠前形成回流區(qū)，流態(tài)紊亂，漂浮物聚集在廠前水域隨回流逆時針旋轉(zhuǎn)；進入大江電廠前的漂浮物向右側(cè)漂移，經(jīng)靠近大江防淤堤的排漂孔向下游排泄。在三峽樞紐壩前漂浮物在左、右及地下電站前逐漸聚集，右電站前漂浮物緩慢向右側(cè)流動，其他部位大多呈平靜狀態(tài)；在工程蓄水前期漂浮物聚集堆積后利用大功率推漂船將其推向排漂孔向下游排泄，近些年主要使用清漂船打撈漂浮物，水位超過上游引航道隔流堤時利用圍油欄阻止漂浮物進入引航道內(nèi)。

3．3 水力學模型試驗研究

3．3．1 沙溪口水電站導漂研究

為了驗證福建沙溪口水電站導漂裝置攔截漂浮物的效果，根據(jù)沙溪口水電站庫區(qū)水流及漂浮物進行物理模型試驗，采用幾何比尺L＝70正態(tài)模型進行試驗研究，漂浮物模擬材料采用密度與漂浮物相近的泡沫塑料和木條2種模型材料，比較不同模擬材料的運動特性及堆積形態(tài)的差異，得出采用木條作為模擬材料更接近實際情況。通過建立平面二維水流數(shù)學模型計算出沙溪口漂浮物的堆積形態(tài)［4］。

3．3．2 三峽樞紐壩前治漂研究

3．3．2．1 主要研究內(nèi)容

為探究三峽樞紐壩前漂浮物的運移規(guī)律和治漂措施，長江科學院自上世紀90年代開始持續(xù)承擔了工程蓄水前后多種方案水工模型治漂試驗研究工作［13］，對三峽壩前河段漂浮物的運移與聚集規(guī)律以及壩前有可能采取的治理方式與治漂效果有較清晰的認識，提出一些研究成果。承擔試驗任務為施工期導流模型和樞紐布置正態(tài)整體模型，兩座模型均按按重力相似準則設計。主要研究內(nèi)容有：

（1）漂浮物模擬。試驗采用模擬材料包括稻草、雜草、秸稈、木屑、木條、紙屑、棉線、棉球、實心塑料小球、空心注水小球、密封空心管、塑料泡沫、石蠟等，模擬原型漂浮物的規(guī)格，將其加工成不同長短、粗細，并按原型比例混合，對植物性材料進行浸泡和化學處理，試驗前保持清潔。

（2）試驗場地及模型用水處理。漂浮物模型試驗研究與試驗場地條件、氣候、水質(zhì)清潔程度等因素有關。試驗場地超過10 000 m2，供回水系統(tǒng)路線長，試驗放水期間供水量大，最大流量約1 m3／s，蓄水池儲水量3 000 m3以上，為獲得與原型相似效果，試驗需要研究大量細致的基礎保障研究工作。

（3）試驗控制條件研究。根據(jù)試驗內(nèi)容及工程運行情況，試驗控制條件有①樞紐運行工況，包括左右廠房和地下廠房機組、深孔、表孔、排漂孔組合方式；②單項試驗工況歷時，模擬原型運行24～72 h；③試驗流量，模擬原型流量范圍15 000～70 000 m3／s；④水庫水位，原型135～175 m水位之間；漂浮物總量，原型一個來漂過程10 000～100 000 m3；⑤水庫地形邊界，施工期至運行期（70＋6）年淤積地形等。

（4）測量儀器設備及輔助工具。根據(jù)觀測指標配備的測量設備有：秒表、卷尺、臺秤、電子天平、烘干器、水準儀、攝像機、照相機、計算機、流速儀、流量計、水位計、試紙、攔漂排、導漂排、撈漂網(wǎng)兜、籮筐等。

（5）試驗觀測指標。漂移速度、軌跡、滯留時間、聚集面積、聚集密度、滯留率、排漂率、導漂率、攔漂率、干容重、飽和容重、流態(tài)、流速、流量、水位等。

（6）各種控制條件下漂浮物指標和水力參數(shù)觀測。一般同一種工況都要重復觀測，主要參數(shù)指標重復性出現(xiàn)較大差異需要再次放水試驗觀測。

3．3．2．2 主要研究成果

通過三峽工程治漂措施系統(tǒng)研究，得出以下主要成果：

（1）試驗模擬材料的水流跟隨性與原型相似，壩前聚集部位與原型基本相同，運移軌跡、聚集形態(tài)、聚集密度、滯留率、排漂率、導漂率、攔漂率有一定的隨機性，植物性模擬材料試驗過程中有部分潛浮和下沉。

（2）漂浮物順主流漂移，在兩岸回流區(qū)、靜水區(qū)滯留，壩前漂浮物運移速度、分布部位、聚集形態(tài)與工程運行工況相關，壩體攔截后主要分布在左、右電站和地下電站前區(qū)域。

（3）電站排漂孔有一定的排漂效果，不采取其他措施，工程水力導、排漂不能有效清除電站壩前漂浮物；設置攔漂排可攔截漂浮物進入電站，攔漂排設置受壩前水深及水面寬度限制。壩前治漂與工程運行相互干擾，存在嚴重環(huán)境衛(wèi)生問題。

（4）根據(jù)壩前河勢試驗提出在上游河道適當部位建立聚漂區(qū)綜合治理漂浮物，即運用河道水流動力條件并輔助必要的工程措施將漂浮物引導至岸邊區(qū)域，采取措施集中打撈處理。試驗表明及時打撈聚漂區(qū)內(nèi)的漂浮物可基本在聚漂區(qū)內(nèi)處理漂浮物。

4 工程治漂研究的幾點認識

（1）通過三峽壩前漂浮物治理試驗研究和對部分工程與河段漂浮物、水葫蘆調(diào)研及分析，認識到當前工程治漂方式簡單粗放，對河流水動力因素利用不足，治理成本大、強度高，治理效果不理想，相關問題有待深入研究。

（2）水面漂浮物運行與水流條件密切相關，河道一般都是寬窄相間、走向曲折，沿途分布有支流、凸岸、凹岸，漂浮物在水流、風力、船舶航行等多重因素共同作用下［14］，有些河段的漂浮物沿一側(cè)河岸漂移，利用河勢水力條件，采用必要的輔助措施可以在岸邊連續(xù)清理漂浮物，分段控制漂浮物提高綜合治漂效果，改變被動治漂方式，相關問題有待試驗研究。

（3）電站前沿的漂浮物在聚集過程中，數(shù)量從無到有、深度由淺入深、面積從小到大?？山梃b相關工程設施，在漂浮物聚集范圍內(nèi)，通過優(yōu)化電站進水口布置及必要的導漂措施，充分利用電站水頭這一天然水力優(yōu)勢對漂浮物運移方向產(chǎn)生控制，以避免漂浮物在壩前聚集，達到水力治漂不排漂、治漂不棄水的效果，相關內(nèi)容也需要開展必要的試驗研究。

5 結(jié) 語

河道漂浮物妨礙水利工程安全運行，對水質(zhì)、水面景觀、供水、水產(chǎn)、航運、發(fā)電等都造成不利影響。漂浮物種類多樣，數(shù)量及時空分布隨季節(jié)和地域變化，不同工程漂浮物運移具有自身規(guī)律，運行狀態(tài)受水流及工程運行條件控制。加強對河道漂浮物治理問題研究，將有助于工程運行安全、提高工程的發(fā)電效益，改善沿程河道的自然環(huán)境，對改善航運也有顯著效果。

現(xiàn)有攔污柵與清污機械組合清漂，壩前攔漂、樞紐排漂、機械和人力清漂等措施在漂浮物爆發(fā)期間具有一定的應急治漂效果，也暴露出治理能力不足。一般沒有充分發(fā)揮工程及河道天然水力優(yōu)勢，綜合效率不高，有的措施功能單一、有的技術(shù)簡單，難以形成長期穩(wěn)定的治漂機制。

水力學模型試驗研究是探索治理漂浮物措施的科學方法，為改善治漂方式、提高治漂效果提供了強有力的技術(shù)支撐。在以往治漂研究基礎上，充分利用河流天然水力特征綜合治漂，可提高效率，相關工作需要深入研究。

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［14］吳時強，童中山，周 輝，等．水電站漂浮物堆積形態(tài)模擬方法探討［J］．水利水電科技進展，2010，30（2）：24－28．（WU Shi qiang，TONG Zhong shan，ZHOU Hui，et al．Simulation Methods for Accumulation Patterns Debris in Hydropower Stations［J］．Advances in Science and Technology ofWater Resources，2010，30（2）：24－28．（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Summary of Treatment M easures for Floating Debris in River Course

CAIYing，TANG Xiang fu，JIANGWen xiu
（Hydraulics Department，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Floating debris，which is commonly seen in water projects，affects the water quality，water landscape，water supply，fisheries，shipping，and power generation．Controlling floating debris in waterway would improve the project’s direct benefitand water environment．To reduce the influence of floating debris on the projects，measures including intercepting the floating debris by trash rack，discharging the floating debris by drainage holes，cleaning the floating debris bymachinery and artificial approaches are taken．But thesemeasures do notmake full use of the river hydraulic characteristics，and the effect cannotmeet the requirements．Hydraulicmodel test is a scientific ap proach to solve the floating debris problem．In the past，researches on controlling the floating debris were carried out in downstream of TGP and other dams．The transport，gathering，and retention of floating debris are related with the river regime and project layout．By in depth research on the characteristics of floating debris，the treatment effect can be improved．

waterway；reservoir；floating debris；water environment；measures of controlling floating debris

TV698

A

1001－5485（2013）08－0084－06

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．08．019

2013，30（08）：84－89

2013－04－25；

2013－06－28

蔡 瑩（1965－），男，湖北浠水人，高級工程師，主要從事工程水力學研究，（電話）027－82828073（電子信箱）caiy0121＠163．com。