蔡瑩 黃國兵 劉圣凡

摘要：三峽庫區(qū)漂浮物對水面環(huán)境及工程運(yùn)行造成多方面影響，現(xiàn)有人力船只清漂方式對漂浮物爆發(fā)規(guī)律適應(yīng)性不強(qiáng)，難以獲得長期穩(wěn)定的治理效果。三峽庫區(qū)清漂應(yīng)充分發(fā)揮河流動(dòng)力作用。經(jīng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究及實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)，因勢利導(dǎo)一體化攔截、強(qiáng)化引導(dǎo)漂浮物，可構(gòu)建長效治理漂浮物樞紐，為工程及關(guān)鍵水域提供安防屏障，有利于促進(jìn)治漂專業(yè)化發(fā)展，河道型水庫及水利工程均具有水力一體化綜合治漂的條件。

關(guān)鍵詞：漂浮物治理;水力一體化;長效可控;三峽庫區(qū)

中圖法分類號：X52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.011

文章編號：1006-0081（2020）01-0062-05

1 概述

三峽庫區(qū)漂浮物對樞紐調(diào)度、泄洪、發(fā)電、航運(yùn)、水質(zhì)、環(huán)境等均會(huì)造成影響，大型失控漂浮物還會(huì)威脅樞紐安全運(yùn)行。為確保三峽庫區(qū)水面清潔，2003年在水庫初期蓄水時(shí)，國家制定了《三峽庫區(qū)水面漂浮物清理方案》，要求庫區(qū)沿岸市縣以及三峽樞紐管理單位對管轄水域開展清漂工作;之后在三峽后續(xù)工作規(guī)劃中也制定了庫區(qū)沿途漂浮物清理措施。三峽庫區(qū)漂浮物量大、組成復(fù)雜，治理要求嚴(yán)格、難度大。自工程運(yùn)行以來，庫區(qū)每年都投人大量人力物力清漂，但受條件限制，壩前還是經(jīng)常出現(xiàn)大面積漂浮物聚集，影響工程整體觀感。

當(dāng)前水利工程采取的攔漂、人力船只清漂方式對河道漂浮物規(guī)律特性適應(yīng)性不強(qiáng)，存在安全性差、可控性差、低效、管理困難等諸多實(shí)際問題，難以形成長期穩(wěn)定的治理效果。根據(jù)河道型水庫特點(diǎn)，利用水力學(xué)原理因勢利導(dǎo)在過程中發(fā)揮水力作用，一體化攔截、引導(dǎo)、聚集（臨時(shí)）、集中清（運(yùn)）漂浮物，經(jīng)實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)可高效治理漂浮物，為樞紐及關(guān)鍵水域構(gòu)建安防屏障，且設(shè)施不影響航道通航。

2 三峽庫區(qū)清漂情況

為了解三峽庫區(qū)清漂實(shí)際情況，研究完善清漂方式，長江科學(xué)院水力學(xué)研究所多次對庫區(qū)漂浮物進(jìn)行實(shí)地調(diào)研。2018年7月長江1號，2號洪水期間，結(jié)合國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等相關(guān)項(xiàng)目研究工作，再次組織專業(yè)人員對重慶以下的庫區(qū)漂浮物及清漂現(xiàn)狀進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，見圖1和圖2。

三峽庫區(qū)漂浮物爆發(fā)與洪水關(guān)系密切，漂浮物數(shù)量多、漂浮時(shí)間長，清漂工作路線長、作業(yè)點(diǎn)多面廣，清漂任務(wù)艱巨，管理困難。庫區(qū)沿途干支流上眾多清漂單位主要采用船只、人力在江面分散打撈漂浮物。突擊清漂時(shí)，數(shù)百條船只、上千人在庫區(qū)沿途作業(yè)，主要集中在回水區(qū)、碼頭等集漂區(qū)、漂浮物聚集帶清漂，打撈上船的漂浮物運(yùn)送到清漂碼頭，再轉(zhuǎn)運(yùn)至其他地方上岸處理。漂浮物爆發(fā)期間，水文、氣象等自然條件惡劣，各類船只在江面和碼頭間穿梭作業(yè)存在安全隱患。人員和船只在流動(dòng)水面清漂效果有限、難以對其職責(zé)進(jìn)行明確劃分，夜晚、霧天、風(fēng)雨等情況下無法操作，且1d內(nèi)有效打撈時(shí)間有限，實(shí)際清理量占過境量的比例較小。盡管庫區(qū)不斷提高清漂能力建設(shè)，但仍未能改變當(dāng)前局面。

經(jīng)對庫區(qū)多處集中清漂河段實(shí)地調(diào)研了解到，庫區(qū)各地興建碼頭、船只等清漂基礎(chǔ)設(shè)施，每處年清漂量約10000～40000m³，平均直接清漂費(fèi)約200元/m³，三峽水庫蓄水以來，庫區(qū)累計(jì)清漂費(fèi)用巨大。據(jù)估算，三峽庫區(qū)年漂浮物量至少數(shù)十萬m³，為確保庫區(qū)水面清潔，每年都需要持續(xù)投人大量資金。

3 治理措施存在的問題

工程實(shí)踐中治理漂浮物包括攔、導(dǎo)、集、清、抓、排、運(yùn)等多個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)工程特點(diǎn)與需要采取組合方案[1]。

3.1 攔污柵與清污機(jī)組合清漂

為減輕漂浮物的影響，通常在電站、泵站的進(jìn)水口設(shè)置攔污柵，采用配套機(jī)械清污。受氣象、水文、技術(shù)等條件限制，在水流湍急的柵前狹窄通道清漂，清漂進(jìn)度不及污物聚集速度，增加了清理難度;加之過流斷面減小，導(dǎo)致下層過流對表層漂浮物的吸漂能力增強(qiáng)，加重?cái)r污柵全斷面堵塞，加大清理難度。攔污柵嚴(yán)重堵塞后，清污抓斗、齒把入水抓漂困難，操作故障都會(huì)影響工作效率?；剞D(zhuǎn)式清污機(jī)不適應(yīng)清理水深、量大、復(fù)雜的漂浮物。

汛期是工程發(fā)揮效益的關(guān)鍵期，漂浮物爆發(fā)期間在柵前搶險(xiǎn)清污強(qiáng)度大，咽喉部位堵塞對工程運(yùn)行影響重大。三峽電站是高水頭電站，漂浮物造成攔污柵水頭損失較小，一般約0.3～0.5m，但由于工程裝機(jī)容量大，電量直接損失仍相當(dāng)大。

3.2 柔性攔漂排攔漂與樞紐排漂

工程中常采用柔性攔漂排與樞紐泄洪排漂或船只相結(jié)合的方式清漂。攔漂排形式有竹排、木排、鋼（或高分子）浮筒（箱）、圍欄等，排體兩端在岸邊定位，水面呈懸鏈線狀態(tài)。

柔性攔漂排在水流作用下呈曲線狀態(tài)，易兜集漂浮物，當(dāng)洪峰與漂峰不同步（一般漂峰滯后）時(shí)，樞紐泄水排漂吸漂作用有限。漂浮物聚集后，會(huì)引起排體上浮、翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致漂浮物泄露。排下掛網(wǎng)或設(shè)置攔污柵，容易造成堵塞，增加荷載。攔漂后需要人力船只水面清漂、轉(zhuǎn)運(yùn)，不僅效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高，且若聚集漂浮物得不到及時(shí)清理，會(huì)逐漸下沉形成潛懸物，將進(jìn)一步影響電站攔污柵清理。漂浮物爆發(fā)期間，壩前流態(tài)紊亂，荷載變化復(fù)雜，排體擺動(dòng)，穩(wěn)定性差，排體將水力荷載擴(kuò)大為軸線端點(diǎn)集中受力，限制排端升降易致排體損毀。河道斷面設(shè)置的通長排體斷航，無自身水上交通，不便于應(yīng)急處理，管理困難。

柔性攔漂排問題主要表現(xiàn)在不適應(yīng)漂浮物特性，未協(xié)調(diào)好水力關(guān)系，三峽上游隔流堤攔漂圍欄、電源電站前的攔漂浮排、葛洲壩二江電站攔漂排都存在類似間題。

3.3 人力船只清漂

在緩流和平靜水域，用人力船只清漂具有靈活、機(jī)動(dòng)的優(yōu)勢，但受氣象、流態(tài)、自身?xiàng)l件等限制，實(shí)際運(yùn)用中也存在明顯問題。在流動(dòng)水域，采用人力船只清漂無法與來漂同步，不足以應(yīng)對全天候多變、復(fù)雜、突擊清理的需要，無法及時(shí)清理大量突發(fā)漂浮物，不利于責(zé)任劃分和管理。專業(yè)大型清漂船需配置專用碼頭和運(yùn)輸船只，設(shè)施投資大，一般在汛期運(yùn)行年利用效率低，運(yùn)行費(fèi)用及維護(hù)成本高。簡單的人力船只清漂存在自身安全風(fēng)險(xiǎn)，增加漂浮物轉(zhuǎn)運(yùn)工作量。

4 漂浮物特性研究

河道漂浮物的產(chǎn)生和匯集是水動(dòng)力作用下的篩選過程，與雨洪關(guān)系密切，水庫蓄水期間漂浮物顯著增加。漂浮物具有多重特性：①漂浮。漂浮物的總體密度小于水的密度，自然流動(dòng)過程中，一般吃水深度小于0.5m。②流動(dòng)、分散、聚集。河道漂浮物運(yùn)移受水流、風(fēng)力、行船、支流等影響，受河勢及岸邊條件控制，隨主流漂移。漂浮物在有些河段偏向一側(cè)流動(dòng)，易在回水區(qū)、碼頭、壩前及攔截區(qū)聚集，聚集深度與攔截設(shè)施結(jié)構(gòu)類型、流速等有關(guān)。③組成復(fù)雜。漂浮物?；祀s各類垃圾、樹木、雜草、船只、泡沫等，裹挾石塊、金屬塊等，形狀、長短、粗細(xì)不一，成分與地域、季節(jié)有關(guān)系。④下沉、潛浮。一些漂浮物在浸泡過程中下沉懸浮，下潛特性與種類、時(shí)間、流速、流態(tài)等相關(guān)，流速超過3m/s對漂浮物參混作用較強(qiáng)。⑤纏繞、腐爛。漂浮物相互擠壓牽連纏繞，動(dòng)植物類漂浮物在水面堆積后易腐爛。

未及時(shí)清理的漂浮物吸水飽和后形成潛懸物。潛懸物密度接近水體密度，在過流斷面隨機(jī)分布，沿途沉積，流程與流速、種類等有關(guān)。水面攔截漂浮物設(shè)施對潛懸物失去攔截作用，盲目增加攔截結(jié)構(gòu)深度會(huì)出現(xiàn)新問題，工程附近潛浮物易造成攔污柵全斷面堵塞，使得水下清理愈發(fā)困難。通過觀察三峽庫區(qū)岸邊靜水區(qū)聚集漂浮物，1d自然減少約10%，7d后水面主要剩余泡沫、水浮植物等，拍打水面、擾動(dòng)或翻動(dòng)聚集漂浮物都會(huì)加速其下沉。由此可見，柔性攔漂排及攔污柵簡單攔漂、清漂都會(huì)產(chǎn)生大量潛懸物和沉積物，加劇攔污柵堵塞，沉積物累積影響工程附近水下環(huán)境，還可能堵塞附近排沙孔進(jìn)口。以往研究這些問題較少，提出的措施針對性不強(qiáng)。

漂浮物、潛懸物的發(fā)生運(yùn)行、數(shù)量組成、時(shí)空分布等方面都具有隨機(jī)性和不確定性，要求處理漂浮物的方式安全實(shí)用、長效可控、靈活便捷。

5 三峽水力一體治漂研究

現(xiàn)有治漂方式對漂浮物特性及規(guī)律認(rèn)識(shí)不足，工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理缺少規(guī)范依據(jù)，各環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，治理過程未充分發(fā)揮水力作用，過多依靠人力和機(jī)械設(shè)施，易出現(xiàn)兜漂、逃漂、漏漂、沉漂、毀壞、翻轉(zhuǎn)、卡阻、堵塞等現(xiàn)象，不能在過程中聯(lián)合運(yùn)行，不利于實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的治漂效果。漂浮物復(fù)雜特性決定治漂是系統(tǒng)工程，措施應(yīng)具有針對性，大量清漂工作不應(yīng)局限在關(guān)鍵水域或攔污柵前。

三峽庫區(qū)清漂需要采取多種模式。建立因勢利導(dǎo)水力一體化治漂樞紐，與沿途分散保潔清漂方式相結(jié)合，在過程中利用水力攔、導(dǎo)、集（臨時(shí)）、清（運(yùn)、拖、吊）一體化以點(diǎn)控線集中高效治理漂浮物，可減輕人力船只清漂壓力。

5.1 三峽庫區(qū)河勢

三峽庫區(qū)河道長約600km，自西向東彎曲，寬窄相間，穿越城鎮(zhèn)、山陵和峽谷，沿途眾多支流匯入，河流隨河道走勢時(shí)而順直時(shí)而曲折，水面流態(tài)時(shí)緩時(shí)急。河流漂浮物在水面漂移、分散、聚集、滯留、沉浮，大部分河道漂浮物遍布江面，在有些部位漂浮物則沿河道一側(cè)流動(dòng)。

為滿足三峽庫區(qū)河道多功能需求，綜合治漂盡可能避開對城鎮(zhèn)、碼頭、樞紐關(guān)鍵水域的影響，協(xié)調(diào)航運(yùn)、環(huán)境等之間的矛盾。根據(jù)漂浮物特性及治理要求，在漂浮物主要沿河道一側(cè)經(jīng)過水流狀態(tài)相對平穩(wěn)的部位設(shè)置導(dǎo)漂、聚漂、清漂工程樞紐，有利于明確清漂責(zé)任，促進(jìn)清漂工作專業(yè)化發(fā)展和資源利用。

三峽庫區(qū)支流是是漂浮物主要來源，有效控制支流漂浮物可減輕干流清漂壓力。三峽水庫蓄水后，一些支流水流減緩，也可利用河勢特征在漂浮物匯人主流前集中定位清理;在一些具有控制性水利樞紐的支流可強(qiáng)化水力作用清漂，控制漂浮物下泄。

5.2 漂浮物治理與航運(yùn)

三峽庫區(qū)是重要的航運(yùn)通道，漂浮物堵塞航道，妨礙船閘運(yùn)行，纏繞并損壞螺旋槳和航標(biāo)，治理漂浮物有助于改善航運(yùn)條件，也是航道建設(shè)的重要任務(wù)。不合理設(shè)置攔漂設(shè)施、大量使用船只清漂對航運(yùn)安全有一定的影響。三峽庫區(qū)河道寬200～1000m，根據(jù)河道特點(diǎn)以及漂浮物產(chǎn)生流動(dòng)規(guī)律，在寬河段、禁航區(qū)或非航線部位按內(nèi)河航道標(biāo)準(zhǔn)分段設(shè)置治漂工程樞紐，可在有效控制漂浮物過程中確保航運(yùn)通暢，三峽庫區(qū)蓄水后河道中可供選擇的部位較多。

5.3 水力一體治漂

攔漂、排漂是人工干預(yù)下的自然過程，對水文等條件變化較大的工程適應(yīng)性差，具體方案確定后難以改變其過程和結(jié)果。清漂是在人力、機(jī)械作用下的主動(dòng)操作，改善聚漂部位可提高清漂效果;導(dǎo)漂則是引導(dǎo)漂浮物，在攔漂過程中控制漂浮物流向指定部位，有利于可控、安全、經(jīng)濟(jì)清漂或排漂，是綜合治漂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

適應(yīng)清漂需要的攔漂、導(dǎo)漂、聚集漂浮物等措施，有利于提高工作效率，治理方式具有特殊性，水力一體治漂是優(yōu)化攔漂、導(dǎo)漂、清（排）漂等環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)布置及運(yùn)行方式。

5.3.1 水力一體治漂浮排

在河道水流狀態(tài)穩(wěn)定、流速合適、漂浮物密集經(jīng)過的部位（非回流區(qū)等自然聚漂部位），與水流方向呈一定角度設(shè)立直線型浮排。在浮排結(jié)構(gòu)、河道水力或結(jié)構(gòu)提供水力共同作用下，經(jīng)多工程不同布置形式水力學(xué)模型試驗(yàn)研究得出，在過程中將流動(dòng)、分散漂浮物引導(dǎo)至合適部位（岸邊、排漂孔等）集中處理，可獲得集成治漂效果。相關(guān)水力學(xué)模型試驗(yàn)見圖3。

為驗(yàn)證試驗(yàn)研究成果，在三峽木魚島水域進(jìn)行原型檢驗(yàn)，見圖4。三峽水力一體治漂試驗(yàn)浮排是根據(jù)水流條件及治漂實(shí)際需要，經(jīng)水力、重力、浮力平衡計(jì)算、模型試驗(yàn)，對其安全性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性進(jìn)行反復(fù)研究比較。

與柔性攔漂排相比較，水力一體治漂浮排具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[2]：

（1）適應(yīng)漂浮物規(guī)律。充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)調(diào)控作用，增強(qiáng)河流水力導(dǎo)漂能力，自然水力不足時(shí)利用自身水力導(dǎo)漂，過程中攔截、引導(dǎo)漂浮物，為集中可控清（排、運(yùn)）漂提供前提條件。

（2）結(jié)構(gòu)安全、可靠，功能實(shí)用。浮排具有一定的調(diào)節(jié)范圍和靈活處理能力，適應(yīng)水文、漂浮物變化的復(fù)雜水面環(huán)境。各節(jié)浮排由相應(yīng)水下錨獨(dú)立定位，連接錨纜直接承擔(dān)水力，排體縱向軸線受力小，適應(yīng)流速范圍較大，可實(shí)現(xiàn)及時(shí)導(dǎo)漂，避免排前聚漂，減輕漂浮物擠壓荷載。水上浮橋便于處理突發(fā)事件，可兼作監(jiān)控、檢測平臺(tái)。

（3）經(jīng)濟(jì)高效。清漂過程中充分發(fā)揮水力作用，樞紐排漂充分利用水能，減少了中間環(huán)節(jié)和人工干預(yù)，代替了人力船只清漂方式。

（4）設(shè)施構(gòu)造簡單，功能明了且實(shí)用。受環(huán)境影響小，兼顧日常保潔和應(yīng)急搶險(xiǎn)需要，運(yùn)行方便可靠，維護(hù)易行。

5.3.2 浮閘水力一體清漂網(wǎng)箱研究

根據(jù)三峽庫區(qū)水力一體治漂浮排與船只聯(lián)合運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，參照船閘運(yùn)行方式，在浮排聚集漂浮物的部位設(shè)置浮閘水力清漂網(wǎng)箱（架），漂浮物在水力作用下進(jìn)人閘室網(wǎng)內(nèi)聚集，達(dá)到一定量后關(guān)閉進(jìn)口網(wǎng)閘，由船只從水面拖運(yùn)或岸邊吊運(yùn)漂浮物，實(shí)現(xiàn)天然一體高效治漂，減輕人力船只清漂壓力。

水力治漂浮閘網(wǎng)箱具有適應(yīng)漂浮物流動(dòng)、組成復(fù)雜的特性。網(wǎng)內(nèi)聚漂可避免漂浮物下沉漏漂等問題，抽屜式集漂網(wǎng)閘（袋）運(yùn)用簡便，可一次性處理大量不同種類、不同規(guī)格的漂浮物，適合在水上集中拖運(yùn)以及上岸可減少中間繁瑣操作，減少或避免專業(yè)船只清漂。設(shè)施還可結(jié)合泄水建筑物集中排漂，減少耗水量。

三峽壩前水深較深，庫區(qū)水面寬闊，氣象、水文條件極端，漂浮物量大、組成多樣，水力一體治漂浮排運(yùn)用期間經(jīng)歷的最大來水流量達(dá)到55 000m³/s，水位總變幅約30m，最大日變幅3.8m，水面最大風(fēng)力約10級，攔截物中包括大量長度近20m的樹木、竹叢以及2艘自重約400t的失控船只等，該設(shè)施為應(yīng)急搶救提供了便利條件。經(jīng)應(yīng)用檢驗(yàn)表明，水力一體治漂浮排在攔截漂浮物過程中可為水利樞紐預(yù)防失控船只等構(gòu)建水面安全防線。

6 結(jié)語

三峽庫區(qū)清漂應(yīng)充分發(fā)揮河流動(dòng)力作用，節(jié)省人力和機(jī)械力。利用河道漂浮物特性及產(chǎn)生規(guī)律、運(yùn)動(dòng)條件，結(jié)合三峽庫區(qū)河道特點(diǎn)合理規(guī)劃以利用河勢水力，開展綜合治理研究，以點(diǎn)控線建立水力一體化治漂樞紐，輔助人力船只清漂工作，有利于改善庫區(qū)治漂方式，降低漂浮物對下游樞紐或關(guān)鍵水域的影響，保護(hù)壩前水面環(huán)境，為庫區(qū)形成長效治漂機(jī)制提供技術(shù)保障。

經(jīng)試驗(yàn)及實(shí)用檢驗(yàn)，在適當(dāng)部位合理布置水力一體治漂浮排與水力清漂浮閘箱（架）等設(shè)施，因勢利導(dǎo)利用水力一體攔、導(dǎo)、集（臨時(shí)）、清（排、運(yùn)）漂，可在過程中控制漂浮物，避免大量聚漂，減少潛懸物產(chǎn)生，運(yùn)行時(shí)減少專業(yè)人工船只清漂，漂浮物集中上岸有利于資源利用。

為改善長江中上游特大型水利工程庫區(qū)被動(dòng)、低效清漂，提升工程綜合效益，可在三峽、向家壩或其他需要長期清漂的工程庫區(qū)非航道部位、典型支流開展技術(shù)試點(diǎn)示范應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際檢驗(yàn)效果不斷改進(jìn)推廣水力一體化治漂技術(shù)和方式，可為河道、渠道、水庫、電站（包括核電站）、水閘、泵站、水廠等各類水利水電工程解決漂浮物難題提供新的高效治理方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡瑩，楊偉，黃國兵.水力一體化治漂與樞紐庫面安防系統(tǒng)研究及實(shí)施[J].水利水電技術(shù)，2017，48（11）：168-173.

[2]蔡瑩，謝學(xué)倫，黃國兵.浮橋式治漂浮排在三峽壩前的應(yīng)用研究與實(shí)踐[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2016，33（10）：63-66.

（編輯：李曉濛）

收稿日期：2019-09-30

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“長江上中游特大水利樞紐調(diào)控與安全運(yùn)行技術(shù)研究”專題“樞紐庫面攔排漂及安防技術(shù)與裝備研發(fā)”（2016YFC0401900）

作者簡介：蔡瑩，男，高級工程師，主要從事工程水力學(xué)及水力一體化漂浮物治理研究工作。E-mail：583547969@qq.com