發(fā)揮河勢(shì)水力作用 改進(jìn)大型河道型水庫清漂方式

蔡瑩 溫樂天 石浩洋

摘 要：大型水利工程庫區(qū)清漂是常態(tài)任務(wù)。當(dāng)前，三峽、丹江口等大型水利工程清漂主要利用人力船只在水面分散作業(yè)。大型工程漂浮物量大，水面環(huán)境復(fù)雜多變，人工打撈轉(zhuǎn)運(yùn)上岸各環(huán)節(jié)獨(dú)立，管理困難，而且清漂措施對(duì)漂浮物運(yùn)移規(guī)律適應(yīng)不足，難以形成長(zhǎng)期穩(wěn)定效果。依據(jù)漂浮物特性規(guī)律發(fā)揮河道水力作用因勢(shì)利導(dǎo)，水力一體攔導(dǎo)集收治理漂浮物，可避免在工程關(guān)鍵部位集漂清漂，減少人力機(jī)械操作，有利于提高安全性、實(shí)用性，解決大型河道型水庫治漂短板難題。

關(guān)鍵詞：攔導(dǎo)集清漂；三峽；丹江口；河道型水庫；水力一體；漂浮物

中圖法分類號(hào)：TV732.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 概述

地表垃圾等在自然和人為因素作用下匯集于水面形成漂浮物，影響泄洪排澇、發(fā)電航運(yùn)、取水調(diào)水、旅游景觀和工程形象，且污染水質(zhì)，嚴(yán)重時(shí)威脅樞紐安全運(yùn)行。大型綜合水利樞紐漂浮物爆發(fā)時(shí)，總量大、歷時(shí)長(zhǎng)，對(duì)工程各方面的影響更為顯著。

水面清漂是保護(hù)工程水環(huán)境的重要措施，隨著社會(huì)對(duì)環(huán)保要求全面提升，清漂工作已逐漸成為日常任務(wù)，大型水利樞紐工程是河道清漂的關(guān)鍵部位。三峽工程蓄水初期，環(huán)?？偩郑ìF(xiàn)為生態(tài)環(huán)境部）提出庫區(qū)水面漂浮物清理方案，要求庫區(qū)沿途縣市對(duì)管轄河段持續(xù)開展清漂工作。丹江口水庫是南水北調(diào)水源地，為守好一庫碧水，庫區(qū)各地組織了專業(yè)清漂隊(duì)伍不間斷進(jìn)行庫區(qū)清漂。2022年6月國(guó)家發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于江河湖海清漂專項(xiàng)行動(dòng)方案的通知》，要求組織開展江河湖海清漂專項(xiàng)行動(dòng)。

當(dāng)前庫區(qū)清漂主要利用人力船只在漂浮物自然聚集區(qū)分散打撈作業(yè)，轉(zhuǎn)運(yùn)上岸各環(huán)節(jié)獨(dú)立。水面環(huán)境復(fù)雜多變，不可控因素多，管理困難，人工清漂難以形成長(zhǎng)期穩(wěn)定效果。漂浮物特性復(fù)雜，現(xiàn)有治漂方式對(duì)漂浮物運(yùn)移、分布狀況及規(guī)律缺少系統(tǒng)研究，措施沒有充分發(fā)揮水力作用，難以滿足水利工程多方面需要，清漂是工程難題。

長(zhǎng)江科學(xué)院對(duì)工程漂浮物治理問題進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，依據(jù)河道工程清漂實(shí)際需要，提出利用河道河勢(shì)水力一體化攔截、引導(dǎo)、收集、清運(yùn)漂浮物的方式，經(jīng)運(yùn)用檢驗(yàn)，獲得主動(dòng)可控治理效果，有利于改善工程痛點(diǎn)難點(diǎn)問題，河道型水庫及樞紐工程都具有運(yùn)用條件。

水力一體治漂措施有攔導(dǎo)漂浮排、集收漂浮閘、浮槽、網(wǎng)柵、濾收漂網(wǎng)閘等實(shí)用技術(shù)設(shè)施，獲多項(xiàng)國(guó)家專利，并逐漸在重大工程中推廣應(yīng)用，其中“水力一體攔導(dǎo)集收漂浮物及水面安防技術(shù)”已列入《水利部2022年水利先進(jìn)實(shí)用技術(shù)重點(diǎn)推廣指導(dǎo)目錄》。

2 漂浮物特性

整體密度小于水且具有密水性的物體都有可能進(jìn)入江河水體形成漂浮物，漂浮物的種類繁多。經(jīng)對(duì)長(zhǎng)江、黃河、閩江、珠江等流域漂浮物的調(diào)研表明，漂浮物規(guī)格、種類和數(shù)量與環(huán)境影響有關(guān)，漂流、聚集、分布、沉浮與流態(tài)、流速、時(shí)間等相關(guān)，在漂移過程中有些成為潛懸物，有些成為沉積物，與水相互作用過程中部分分解腐爛影響水質(zhì)水環(huán)境，漂浮物對(duì)工程的影響是多種因素綜合作用的結(jié)果。

根據(jù)漂浮物產(chǎn)生的條件，植被綠化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)增強(qiáng)都會(huì)增加漂浮物的產(chǎn)量，流域面積越大、水量越豐富的河流漂浮物越多，河流水面清漂保潔是長(zhǎng)期任務(wù)。

3 ?大型水庫清漂存在的問題

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行效果，大型水利樞紐利用人工船只打撈漂浮物，難以滿足工程和環(huán)境的需要，不能長(zhǎng)期有效解決漂浮物問題。

三峽和丹江口庫區(qū)是典型的河道型水庫，控制流域面積廣闊，庫區(qū)路線長(zhǎng)，漂浮物呈季節(jié)性爆發(fā)，周而復(fù)始，總量巨大。盡管三峽庫區(qū)沿途縣市與樞紐運(yùn)行管理單位每年都要投入巨大人力物力清漂，仍不可避免有大量漂浮物聚集在壩前，需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間清漂，僅2020年三峽壩前清漂37.4萬m3，出動(dòng)船只10 000多艘次，人員40 000多人次。同樣的問題也出現(xiàn)在丹江口庫區(qū)，僅2021年在庫區(qū)壩前丹江口市出動(dòng)清漂人力5 200余人次、船舶3 800余艘次，清理庫區(qū)漂浮物5 800余t。近年三峽壩前清漂量見表1：

按清漂要求，庫區(qū)各地管轄河段漂浮物不過境，但在實(shí)際操作中存在困難，責(zé)任很難落實(shí)。在氣象水文條件不定的流動(dòng)河道清漂難以保障效果，沿途各地一般每年清漂量約幾萬m3不等，無法確保漂浮物不過境。

漂浮物具有沉潛特性，除部分可見漂浮物被清理上岸，還有大量易忽視的下潛沉積河床。經(jīng)粗略估算，每年進(jìn)入三峽庫區(qū)的漂浮物總量上百萬m3，除被清理上岸可統(tǒng)計(jì)的外，還有一些沉積物，另外一些則通過泄洪排向下游。

人工清漂是當(dāng)今社會(huì)少有的艱辛工作，清漂作業(yè)條件差，工作強(qiáng)度高，人員普遍老化，工作難以為繼。大型專業(yè)船只清漂需要各地重復(fù)建設(shè)專業(yè)碼頭，需要持續(xù)油料供給及各項(xiàng)運(yùn)維保障，年運(yùn)行時(shí)間有限，投資運(yùn)維成本高，工作限制因素多。而且?guī)靺^(qū)長(zhǎng)期大量人工船只分散清漂影響航道，干擾船舶通行，存在安全隱患。

針對(duì)三峽漂浮物，全國(guó)多位兩會(huì)代表多次建言獻(xiàn)策。2010年全國(guó)政協(xié)委員金義華呼吁重視三峽庫區(qū)漂浮物，立法保護(hù)三峽庫區(qū)及大壩；2017年全國(guó)人大代表張瓊建議盡快建立三峽庫區(qū)漂浮物打撈轉(zhuǎn)運(yùn)處置及管理體系，推進(jìn)漂浮物無害化處理；2019年全國(guó)政協(xié)委員童金南建議對(duì)三峽庫區(qū)漂浮物進(jìn)行常態(tài)化打撈和安全處置、資源化利用；2021年全國(guó)政協(xié)委員王濟(jì)光建議健全完善長(zhǎng)江漂浮物科學(xué)清理工作機(jī)制，及時(shí)、高效、規(guī)范地清理打撈三峽大壩壩前漂浮物，并進(jìn)行資源化無害化等規(guī)范處置。

三峽和丹江口庫區(qū)地位獨(dú)特，具有相應(yīng)清漂保障措施和條件，其他大多數(shù)水庫仍采用傳統(tǒng)低效的清理方式，急需制定合理政策并改善清漂技術(shù)。因此，有必要對(duì)當(dāng)前工程清漂方式技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，尋求科學(xué)有效的綜合治理漂浮物措施。

4 水力一體治漂方式

針對(duì)當(dāng)前工程清漂技術(shù)的不足，根據(jù)漂浮物的特性及運(yùn)移規(guī)律，因勢(shì)利導(dǎo)發(fā)揮水力作用，合理設(shè)置工程設(shè)施有利于改善治理效果。長(zhǎng)江科學(xué)院在長(zhǎng)期研究三峽、葛洲壩等工程漂浮物治理工作中，提出水力一體攔導(dǎo)集（臨時(shí)）清（排運(yùn)吊）治漂方式，依托國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專題和長(zhǎng)江科學(xué)院技術(shù)研轉(zhuǎn)基金項(xiàng)目開發(fā)“水力一體攔導(dǎo)排漂浮排”關(guān)鍵技術(shù)裝備，在三峽庫區(qū)木魚島水域以及黃河三門峽電站進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)，成果已在湖北漢江碾盤山水利樞紐電站和四川岷江龍溪口航電樞紐電站推廣應(yīng)用。

經(jīng)工程調(diào)研和水力學(xué)模型試驗(yàn)研究，在河道流速適合、流態(tài)穩(wěn)定部位設(shè)立水力導(dǎo)漂微流場(chǎng)，將漂浮物引導(dǎo)至合適的部位聚集清理，實(shí)現(xiàn)水力一體攔導(dǎo)集收治理漂浮物。與傳統(tǒng)的柔性攔漂排攔漂集漂清漂方式的區(qū)別在于，不是在天然直觀的漂浮物聚集區(qū)或回流區(qū)，而是在漂浮物密集經(jīng)過的水域采取措施，充分發(fā)揮河流水力引導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)可控?cái)r導(dǎo)集收排清運(yùn)作業(yè)一體化。實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)結(jié)合岸邊交通轉(zhuǎn)運(yùn)、堆場(chǎng)處置等綜合規(guī)劃，河道型水庫一般都具有相應(yīng)條件。

4.1 水力學(xué)模型試驗(yàn)

根據(jù)水力學(xué)模型條件并結(jié)合工程實(shí)際治漂需要，開展了多方案系列水力一體治漂方式試驗(yàn)研究，探索改善治漂措施。水力一體治漂技術(shù)包括浮排、浮閘、網(wǎng)柵、排濾收漂閘等措施，措施運(yùn)用應(yīng)結(jié)合工程布置、水文條件、工程調(diào)度運(yùn)行、漂浮物情況和治理要求進(jìn)行全面專業(yè)研究，合理組合設(shè)置（見圖1、圖2、圖3）。

4.2 技術(shù)裝備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)及應(yīng)用

為檢驗(yàn)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究成果，從安全耐久、功能實(shí)用、經(jīng)濟(jì)維護(hù)等方面進(jìn)行綜合分析比較，進(jìn)一步研發(fā)設(shè)計(jì)水力一體攔導(dǎo)漂浮排關(guān)鍵裝備，分別在長(zhǎng)江三峽、黃河三門峽開展實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)（見圖4、圖5）。

經(jīng)檢驗(yàn)，在流態(tài)穩(wěn)定、流速3 m/s以內(nèi)、漂浮物易集中流經(jīng)的水域，設(shè)施具有預(yù)期的水力一體攔導(dǎo)聚收（排）漂效果，運(yùn)用中減少人工干預(yù)，降低漂浮物下沉量，設(shè)施傳力方式更合理，安全系數(shù)高，兼顧了水面交通、輔助應(yīng)急、工作平臺(tái)等實(shí)用功能。設(shè)施適應(yīng)大水位及岸邊地形變化，具有一定的調(diào)控能力，浮排水面形態(tài)、攔導(dǎo)漂板深度可調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)攔導(dǎo)集排漂效果，主要性能指標(biāo)可測(cè)可控，可為重點(diǎn)水域構(gòu)建水面安防屏障。

4.2.1 漢江碾盤山電站攔導(dǎo)漂浮排

漢江水草等漂浮物較多，已建的王甫洲、崔家營(yíng)、興隆電站及引江濟(jì)漢倒虹吸等都直接受到影響，傳統(tǒng)清漂措施運(yùn)行困難多，處理漂浮物經(jīng)常需要應(yīng)急搶險(xiǎn)。依據(jù)碾盤山電站建筑物布置、水流狀態(tài)、樞紐調(diào)度、漂浮物狀況等，經(jīng)綜合比較，在電站引水渠采取“水力一體攔導(dǎo)漂排”方式一體化攔截引導(dǎo)排泄漂浮物，更有利于電站安全運(yùn)行。工程設(shè)施現(xiàn)已安裝就位投入運(yùn)行（見圖6）。

碾盤山電站攔漂排在水面呈直線狀態(tài)，在攔截漂浮物過程中利用水流向泄水閘一側(cè)導(dǎo)漂，適時(shí)泄水發(fā)揮排漂效果。設(shè)施適應(yīng)工程水流條件、漂浮物爆發(fā)、漂浮物組成等不確定性，攔漂排的形態(tài)、攔污柵吃水深度可以調(diào)節(jié)，操作靈活。根據(jù)電站枯水期、滿發(fā)期、不運(yùn)行期等典型工況，可輔以人工等多種方式，為優(yōu)化運(yùn)行效果預(yù)留了有利條件。

4.2.2 岷江龍溪口電站攔導(dǎo)漂浮排與集收漂浮閘

根據(jù)岷江漂浮物特點(diǎn)和樞紐電站引水渠布置，經(jīng)論證比較，采用水力一體攔導(dǎo)漂浮排和集收漂浮閘相結(jié)合的方式治理電站漂浮物，工程部分水下定位基礎(chǔ)現(xiàn)已施工完成，即將進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)制造安裝（見圖7）。

設(shè)施運(yùn)行過程中，利用水流和浮排共同作用，將攔截的漂浮物導(dǎo)向泄水閘一側(cè)的集收漂浮閘，在泄水閘不泄水期間，適時(shí)循環(huán)收集更換集收漂浮閘內(nèi)的網(wǎng)袋，在水面將收集漂浮物的網(wǎng)袋拖至1#泄水閘前，經(jīng)泄水閘門機(jī)將網(wǎng)袋起吊上壩，實(shí)現(xiàn)攔導(dǎo)集收清一體化大量高效清理作業(yè)。工程泄水期間可打開集收漂浮閘，利用泄水實(shí)現(xiàn)水力一體攔導(dǎo)排漂效果，避免在電站進(jìn)流通道聚集沉漏漂浮物。措施具有多方面運(yùn)用功能效果，具有一定調(diào)節(jié)能力，可與水流條件、岸邊地形變化相協(xié)調(diào)，減少了人力機(jī)械中間操作環(huán)節(jié)，整體安全性能高，節(jié)省工程投資和運(yùn)行成本，易于維護(hù)。

4.3 大型庫區(qū)水力一體清漂方式

大型綜合性水利樞紐工程漂浮物多發(fā)爆發(fā)，危害工程運(yùn)行，應(yīng)及時(shí)高效清漂，當(dāng)前清漂模式難以達(dá)到要求，根據(jù)成果進(jìn)行合理規(guī)劃可有效改善樞紐壩前漂浮物狀況。三峽工程蓄水后形成長(zhǎng)約600 km河道型水庫，在河勢(shì)、支流、風(fēng)力、行船等作用下，漂浮物流動(dòng)過程中在某些河段沿河道一側(cè)或靠岸漂流，在滿足內(nèi)河航道標(biāo)準(zhǔn)要求前提下，利用河勢(shì)在主河道或支流水面流態(tài)穩(wěn)定、流速合適的部位設(shè)置水力一體攔導(dǎo)集清漂樞紐，以點(diǎn)控線，在過程中及時(shí)處理漂浮物，可減少漏沉漂，減輕人力船只清理難度，降低運(yùn)行維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)資源集中利用，為引江補(bǔ)漢進(jìn)水口等庫區(qū)工程解決漂浮物提供更優(yōu)方案。與三峽庫區(qū)相比，丹江口水庫的一些部位水面流態(tài)、流速及庫型更具有水力一體治漂優(yōu)勢(shì)，結(jié)合漢江和丹江庫區(qū)以及陶岔取水口的河勢(shì)及水力條件，與適當(dāng)輔助設(shè)施結(jié)合可以及時(shí)攔截和處理潛懸物，避免魚類等水生動(dòng)植物從渠首進(jìn)入輸水渠道。

5 結(jié)語

漂浮物影響大型水利工程多方面的功能效益，庫區(qū)水面清漂保潔是一項(xiàng)重要工作，社會(huì)關(guān)注程度高。三峽、丹江口等大型水利工程庫區(qū)已實(shí)現(xiàn)常態(tài)化清漂。目前主要是在河道及壩前的漂浮物聚集區(qū)采用傳統(tǒng)的人工船只機(jī)械分散打撈轉(zhuǎn)運(yùn)，清漂操作難度大，限制因素多，實(shí)際效果不佳，現(xiàn)有處理方式與漂浮物規(guī)律特性不相適應(yīng)，改進(jìn)清漂方式具有重要意義。

根據(jù)研究成果，利用河勢(shì)水力條件合理設(shè)置必要的工程措施，水力一體攔截引導(dǎo)收集清理漂浮物，經(jīng)實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)高效清理漂浮物，有利于改善水環(huán)境及通航條件，促進(jìn)漂浮物資源集中利用，提高樞紐及關(guān)鍵水域安全性，具有多方面效益。

我國(guó)各類河道型水庫多，水面清漂保潔工作量大，結(jié)合已有工程運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，在大型河道型水庫合適部位利用河勢(shì)水流條件建設(shè)水力一體攔截引導(dǎo)收集清理漂浮物設(shè)施，建設(shè)及運(yùn)營(yíng)成本低見效快，可為建立長(zhǎng)效清漂機(jī)制提供有力技術(shù)支撐。

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Improving the Approach of Cleaning Floating Debris in Large Channel-type Reservoirs Based on Hydraulic Function of River Regime

CAI Ying1，WEN Letian2，SHI Haoyang1

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. China South-to-North Water Diversion Middle Route Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

Abstract：Cleaning the floating debris in reservoir of large water conservancy projects is a normal task. At present，the cleaning in large projects such as the Three Gorges and Danjiangkou reservoirs mainly relies on manpower and boats on the water surface. The cleaning result is hardly long-lasting or stable because of large amount of floating debris，complex and changeable environment，and independent links of manual refloatation and transfer，and more importantly，the cleaning method does not adapt to the transport regularities of floating debris. In view of this，to make best use of the circumstances，we propose an integrated method involving blocking，hydraulic diversion，and collection of floating debris by giving full play of the rivers hydraulic characteristics. The method avoids the collection of floating debris at key parts of the project，reduces the operation of manpower and mechanical operation，improves safety and practicability，and is expected to resolve the problem of floating debris in large river-type reservoirs.

Key words：blocking，collecting and clearing of floating debris；Three Gorges；Danjiangkou；river-type reservoir；hydraulic integration；floating debris