張文皎，趙連軍，王嘉儀，潘 麗

（黃河水利委員會(huì) 黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

1 引 言

水庫(kù)在調(diào)節(jié)水資源、防洪、發(fā)電等方面具有重要作用。中國(guó)是世界上水庫(kù)數(shù)量最多的國(guó)家，水庫(kù)為我國(guó)以僅占全球6%的可更新水資源養(yǎng)育占全球20%的人口提供了重要保障。根據(jù)第一次全國(guó)水利普查公報(bào)，我國(guó)已建與在建水庫(kù)共98 002 座，總庫(kù)容9 323 億m3，其中中小型水庫(kù)數(shù)目約占水庫(kù)總數(shù)的99.2%、庫(kù)容約占總庫(kù)容的19.6%［1］。中小型水庫(kù)對(duì)我國(guó)社會(huì)、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有極為重要的作用。

然而，淤積與水庫(kù)相伴而生，全世界很多水庫(kù)都受淤積問(wèn)題的困擾，迄今為止一直沒(méi)有找到很好的解決辦法。我國(guó)作為世界上水土流失最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，水庫(kù)淤積問(wèn)題非常嚴(yán)重。在已建水庫(kù)中，泥沙淤積情勢(shì)極為嚴(yán)峻，其中黃河流域及西北地區(qū)泥沙淤積問(wèn)題最為突出［2］。據(jù)統(tǒng)計(jì)［3］，全球水庫(kù)年淤積速率為0.5%～1.0%，而我國(guó)水庫(kù)年淤積速率為1.0%～2.0%。大量的泥沙淤積，不但直接減小庫(kù)容，加快水庫(kù)壽命的耗損，還會(huì)嚴(yán)重妨礙水利樞紐的正常運(yùn)行［4］。

我國(guó)中小型水庫(kù)多興建于20 世紀(jì)六七十年代，有些水庫(kù)受建設(shè)時(shí)的認(rèn)知所限，規(guī)劃設(shè)計(jì)考慮不完善，沒(méi)有布置排沙設(shè)施，使得庫(kù)區(qū)淤積之后無(wú)法利用自然水動(dòng)力進(jìn)行排沙，水庫(kù)有效庫(kù)容大幅度減小，興利功能無(wú)法正常發(fā)揮。即使在修建時(shí)設(shè)置了排沙設(shè)施，也大都難以滿足排沙的要求，淤積問(wèn)題已經(jīng)到了相當(dāng)嚴(yán)重的程度，致使很多水庫(kù)接近報(bào)廢的邊緣，大大增加了水庫(kù)的潰壩風(fēng)險(xiǎn)。有些接近淤?gòu)U的中小型水庫(kù)為繼續(xù)發(fā)揮作用，進(jìn)行壩體加高，無(wú)形中增加了防洪風(fēng)險(xiǎn)。特別是近年來(lái)天氣異常，全國(guó)大面積的持續(xù)干旱和暴雨洪災(zāi)影響下，水庫(kù)淤積對(duì)水庫(kù)功能的正常發(fā)揮影響巨大。經(jīng)過(guò)20 世紀(jì)后期大量水利工程建設(shè)之后，我國(guó)水庫(kù)壩址資源特別是中小型水庫(kù)壩址資源已基本枯竭，通過(guò)各種庫(kù)容恢復(fù)技術(shù)有效地修復(fù)淤損水庫(kù)、延長(zhǎng)其使用壽命已成為未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)。另外，幾十年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的一個(gè)負(fù)面效應(yīng)，就是給環(huán)境造成了很大的污染，中小型水庫(kù)淤泥污染現(xiàn)象普遍存在。如何在清淤過(guò)程中避免淤積物對(duì)水庫(kù)環(huán)境的二次污染是值得重視的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于淤損水庫(kù)庫(kù)容恢復(fù)技術(shù)與方法的研究與實(shí)踐已經(jīng)經(jīng)歷了長(zhǎng)期的發(fā)展［1－10］，水庫(kù)淤積泥沙處理技術(shù)主要分為水力排沙和機(jī)械清淤兩大類。由于每一個(gè)水庫(kù)的自然條件、工程規(guī)模、結(jié)構(gòu)、周圍氣候和地質(zhì)因素不同，泥沙淤積原因和淤積形態(tài)不盡相同，因此采用不同的處理技術(shù)，清淤效果相差較大，對(duì)水資源利用和水環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生的影響也各不相同。本文針對(duì)中小型淤損水庫(kù)庫(kù)容恢復(fù)，梳理近些年常用及新研發(fā)的清淤技術(shù)與方法，分析其清淤機(jī)理、適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)等，以期為淤損水庫(kù)庫(kù)容恢復(fù)提供參考依據(jù)。

2 淤損水庫(kù)庫(kù)容恢復(fù)技術(shù)與方法

2.1 水力排沙技術(shù)

水力排沙即通過(guò)水庫(kù)調(diào)度將庫(kù)區(qū)淤積泥沙經(jīng)泄水排沙建筑物排出庫(kù)外，在國(guó)內(nèi)外許多水庫(kù)中都得到了應(yīng)用［11－17］，例如新西蘭芒阿豪水庫(kù)、蘇聯(lián)澤莫阿夫查爾水庫(kù)、瑞士帕拉涅德拉水庫(kù)、伊朗塞菲德路水庫(kù)［14］、美國(guó)米德湖水庫(kù)以及我國(guó)的三峽、小浪底、三門峽、萬(wàn)家寨、官?gòu)d、巴家嘴、汾河、紅山、劉家峽、碧口、黑松林、官山、小道口、頭屯河水庫(kù)等［15－17］。

水力排沙主要包括異重流排沙、空庫(kù)排沙、泄洪排沙等方式。異重流的產(chǎn)生和持續(xù)運(yùn)行需要有特定的邊界、水力和泥沙條件，不易形成。異重流排沙方式一般在汛前調(diào)水調(diào)沙期間和汛期上游來(lái)洪水時(shí)采用，并且排沙量大大受制于異重流的持續(xù)動(dòng)力［11］。空庫(kù)排沙的水庫(kù)泥沙沖刷量與沖刷時(shí)間、沖刷流量和水庫(kù)水位下降幅度有關(guān)，適用于水資源豐沛地區(qū)或者山區(qū)天然河流比降大的水庫(kù)以及季節(jié)性利用的水庫(kù)。泄洪排沙的效率受排沙時(shí)機(jī)、滯洪歷時(shí)長(zhǎng)短、開(kāi)閘時(shí)間、總泄流量大小以及洪水漫灘等因素影響。

從排沙效果看，水力排沙有效范圍主要集中在壩前，在特定條件下排沙效果顯著，排沙過(guò)程耗水量巨大，但其排沙受水庫(kù)水文條件、上下游河床結(jié)構(gòu)等影響較大，運(yùn)用條件苛刻，多適用于大型水庫(kù)。另外，水庫(kù)淤積的泥沙經(jīng)泄水排沙建筑物排至下游河道，無(wú)法實(shí)現(xiàn)泥沙資源的合理利用，發(fā)揮泥沙資源價(jià)值。

2.2 機(jī)械清淤技術(shù)

機(jī)械清淤即利用外加動(dòng)力通過(guò)挖泥船、運(yùn)輸設(shè)備、吸泥泵等將淤積物排出水庫(kù)，其源于歐美國(guó)家，是清除水庫(kù)淤積泥沙的一種直接、可靠且適用面廣的方法［7，10］，在世界各地均獲得極其廣泛的應(yīng)用［18－19］，機(jī)械清淤主要包含挖泥船清淤、運(yùn)輸機(jī)械清淤、管道排沙等方式。各類機(jī)械清淤技術(shù)的特點(diǎn)及適用條件見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械清淤技術(shù)特點(diǎn)及適用條件

挖泥船清淤是利用裝有絞刀、耙頭、吸頭、抓斗等設(shè)備的挖泥船，對(duì)水庫(kù)某一區(qū)域進(jìn)行清淤，與水力排沙相比可以節(jié)約水資源，在瑞士保拉尼卡水庫(kù)、日本八久和水庫(kù)［20］、埃及阿斯旺高壩水庫(kù)［21］以及我國(guó)的官?gòu)d［22］、丹江口、鹽鍋峽、王家崖、湖漫、陳行、水槽子、石巖等水庫(kù)中均有應(yīng)用。絞吸式挖泥船是借助絞刀切割淤泥［23］，斗輪式挖泥船多適用于淤泥較厚的淤積區(qū)域。此外，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，往往根據(jù)淤積物與作業(yè)環(huán)境改造挖掘機(jī)具和傳送裝置，比如利用高速水流射流造漿技術(shù)來(lái)提高工作效率［24］。目前，許多絞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船、吸盤(pán)式挖泥船、射流清淤船等已配備了射流裝置。采用挖泥船清淤面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是無(wú)法阻止被攪擾的底泥在水體內(nèi)擴(kuò)散，造成二次污染［25］。

運(yùn)輸機(jī)械清淤是當(dāng)水庫(kù)放空后利用運(yùn)輸設(shè)備清理水庫(kù)淤積泥沙。挖泥船清淤和運(yùn)輸機(jī)械清淤均屬于移動(dòng)式清淤，可靈活地改變清淤地點(diǎn)，適合小范圍作業(yè)，但清淤單價(jià)很高。

管道排沙根據(jù)排沙動(dòng)力可分為泥漿泵排沙、氣力泵排沙、自吸式管道排沙等。泥漿泵排沙和氣力泵排沙借助泥漿泵或氣力泵將庫(kù)底泥沙吸入排沙管道輸移出庫(kù)，在三峽、錦屏二級(jí)、枕頭壩、小浪底、玄廟觀、王家蕩水庫(kù)均有應(yīng)用。自吸式管道排沙以水庫(kù)上下游水頭差為動(dòng)力，將庫(kù)區(qū)淤積泥沙通過(guò)管道排出庫(kù)外，節(jié)省排沙的主要外加動(dòng)力。

總體來(lái)說(shuō)，機(jī)械清淤是清除中小型水庫(kù)淤積泥沙的有效措施，已在環(huán)保要求不高的工程疏浚中獲得了廣泛應(yīng)用。除運(yùn)輸機(jī)械清淤外，機(jī)械清淤基本上可借助強(qiáng)大的泵力將泥沙輸送到排沙地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸沙和資源利用。近年來(lái)，機(jī)械清淤關(guān)鍵設(shè)備和自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)發(fā)展迅速，清淤系統(tǒng)上開(kāi)始配置先進(jìn)的定位和監(jiān)控儀器，如全球定位儀、污染監(jiān)視儀等，提高了疏挖精度，減少漏挖與超挖。為了降低清淤產(chǎn)生的二次污染，科研工作者研制了環(huán)保型絞刀頭和防污屏等環(huán)保機(jī)械，取得了很好的效果。機(jī)械清淤技術(shù)正逐漸趨向大型化、高效化和智能化。

2.3 吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤技術(shù)

吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤技術(shù)是在庫(kù)區(qū)設(shè)置一種帶吸盤(pán)的水下管道排沙系統(tǒng)，把水庫(kù)自然水頭作為主要?jiǎng)恿Γ瑢⑺畮?kù)內(nèi)淤積泥沙排出。該系統(tǒng)主要由吸盤(pán)、排沙管道、過(guò)壩隧洞、控制閘閥及水面工作船組成，如圖1 所示。

圖1 吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤系統(tǒng)示意

自吸管道排沙技術(shù)自提出后受到了國(guó)內(nèi)外工程界的高度關(guān)注與重視，早在20 世紀(jì)70 年代自吸管道排沙技術(shù)已在非洲一些淤積嚴(yán)重、降水沖刷無(wú)效的水庫(kù)中得到應(yīng)用，如阿爾及利亞的包吉瓦水庫(kù)（1970 年）、西迪莫汗默德水庫(kù)（1974 年）等。我國(guó)水利工作者也于20 世紀(jì)70 年代在山西、甘肅和陜西一些中小型水庫(kù)進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究，如田家灣水庫(kù)（1975年）［26］、小華山水庫(kù)（1976 年）［27］、北岔集水庫(kù)（1977年）［28］等。受當(dāng)時(shí)管材制造技術(shù)與操作控制技術(shù)限制，自吸管道排沙技術(shù)并沒(méi)有得到持續(xù)推廣應(yīng)用。黃河水利科學(xué)研究院依托公益性行業(yè)專項(xiàng)，針對(duì)小浪底水庫(kù)開(kāi)展了“小浪底庫(kù)區(qū)管道排沙可行性研究”，提出了自吸管道排沙系統(tǒng)清淤方案［29］，但小浪底水庫(kù)排沙管道過(guò)壩技術(shù)還有待完善，制約了該方案的實(shí)施。

在前人的研究基礎(chǔ)上，趙連軍等［30－31］開(kāi)展了大量的實(shí)體模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬計(jì)算，通過(guò)增設(shè)吸盤(pán)裝置，調(diào)整吸盤(pán)及高速射流噴頭的結(jié)構(gòu)樣式和組合方式、水動(dòng)力條件、布設(shè)方案等，研發(fā)了環(huán)保、低消耗、高效穩(wěn)定的吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤技術(shù)，同時(shí)配置了先進(jìn)的定位和監(jiān)視儀器，形成了實(shí)用化的整套清淤裝備（見(jiàn)圖2）。2017—2018 年，通過(guò)水利部推廣項(xiàng)目在新疆哈密地區(qū)小柳溝水庫(kù)進(jìn)行了清淤技術(shù)示范，排出沙量3.2 萬(wàn)m3，排出的泥沙充填了水庫(kù)下游500 m 處的礦坑，排出泥漿的最大含沙量達(dá)600 kg／m3，排沙效果良好。圖3 為現(xiàn)場(chǎng)清淤效果，圖4 為出庫(kù)泥沙下游河道淤積狀況。

圖2 吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤裝置

圖3 現(xiàn)場(chǎng)清淤效果

圖4 出庫(kù)泥沙下游河道淤積狀況

與常用的清淤方式相比，吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤裝備操作靈活，適宜作業(yè)水深范圍大，排沙效率高，運(yùn)行成本低，且不易在庫(kù)區(qū)內(nèi)擴(kuò)散造成二次污染，不影響水庫(kù)正常運(yùn)行，適用于水資源短缺的山區(qū)性河流水庫(kù)清淤。

3 結(jié) 語(yǔ)

中小型水庫(kù)在保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定中發(fā)揮了重要作用，高效、環(huán)保的水庫(kù)庫(kù)容恢復(fù)技術(shù)可使水庫(kù)長(zhǎng)期使用而不報(bào)廢，有力支撐并促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)。對(duì)于不同的水庫(kù)，需因地制宜、因時(shí)制宜地選擇科學(xué)合理的清淤方式，發(fā)揮其最佳的效果，保證水庫(kù)功能的持續(xù)發(fā)揮，同時(shí)降低清淤產(chǎn)生的環(huán)境污染。

與傳統(tǒng)水力排沙及機(jī)械清淤技術(shù)相比，吸盤(pán)式自吸管道水庫(kù)環(huán)保清淤技術(shù)有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)清淤技術(shù)的諸多不足，受水文地質(zhì)條件影響較小，適用性較強(qiáng)，不影響水庫(kù)調(diào)度，可以全天候長(zhǎng)時(shí)間工作，排沙效率高，節(jié)約水資源，經(jīng)濟(jì)性好，節(jié)能環(huán)保，尤其適用于水資源短缺的山區(qū)性河流水庫(kù)清淤。