国际水电会议泥沙治理经验探讨

[] G.W.

随着全球水库库容的净减少，目前人均水库库容量仅相当于1965年的水平，泥沙淤积成为一个世界性难题。由于泥沙淤积而导致的库容减少量要比新建水库所增加的库容量多。泥沙淤积造成的库容损耗降低了水电供应的可靠性，且气候变化还使这种不利影响进一步加剧。相关专业人士已经意识到问题的重要性，在瑞士蒙特勒举行的2016国际水电会议上所提交论文的主题范围和数量也印证了这一点。

水吸，即利用重力来去除沉积泥沙，这一概念的成功应用令人鼓舞。一些与会发言者引用了水吸概念的应用实例，如沉沙池的维护和水库80 m深处的泥沙清淤等，并进行了讨论。其他发言者则讨论并证明了利用传统沉沙池成功去除泥沙的技术，以及不用传统沉沙池去除泥沙的替代方法。

监测方面的论文包括空间监测、河流泥沙地面监测技术等。报告也涵盖了跨边界和环境方面的担忧，以及排沙操作的规划、执行和监测等。水电站进水口上游除沙引发了关于设计理念的讨论。

两篇关于维尔博(Verbois)水库排沙的文章介绍了在遵守法律和环境要求，且符合国际性协议的前提下，清除水库淤积的大量泥沙，降低了日内瓦遭受洪灾的风险，取得了良好的社会效益。文章还涉及了异重流泄流的问题，表明在实际中，尤其是在某些大型水库中，已经得到成功应用。目前，正在通过进一步研究推广该技术。

1 监测方法

法国罗讷公司(Compagnie Nationaledu Rhone)的G.皮耶尔雷弗(G.Pierrefeu)发表了一篇题为“泥沙治理过程中罗讷河悬沙浓度的多方法监测”的文章。2016年5月，在泥沙治理过程中,测量了罗讷河上游的悬沙浓度(SSC)。对沿法国-瑞士边境下游100 km河段分布的14个测点的SSC值进行了连续10 d的监测。为了测试不同方法的性能，同时应用了7种不同方法测量热尼西亚(Genissiat)大坝下游出口处泥沙，包括浊度仪法、辐射密度计(X射线和γ射线)法、科氏力质量流量计(CFDM)法、微波水分分析仪法、比重瓶法和过滤法。

从精度、维护、校准要求和价格等方面对仪器进行了比较。只有多种测量方法同时使用，才能对设备的准确性和实际使用的限制进行比较。

研究为泥沙治理的基础设施操作员和其他专业人员提供了技术指导。在所测试的设备中，CFDM尤为出众，能够在所有观测浓度范围内提供可靠的数据。但与其他测量设备相比，校准和维护能力较差。未经调整的连续测量精度可达±20%，最小感应值为1 g/L。将来希望能够根据参考数据进行实时调整策略以提高精度，同时最大限度地减少手动测量(比重瓶、过滤法)和抽水电路监控所需要的人力资源。

来自德国EOMAP公司的T.黑格(T.Heege)讨论了“基于空间的水库泥沙平衡和水质监测”，阐述了一种利用空间数据来建立水库沉积泥沙分布的可能途径。他使用30a以上定期记录的历史卫星数据及浊度估值，预测水库的沉沙效能。图1为该方法预测实例之一。通过测深勘察校准、沉积泥沙分布估计以及利用卫星数据对沉沙率实测值进行校准，可以进一步完善黑格的方法。

图1 索布拉迪纽(Sobradinho)水库泥沙分布估计

对该方法进行完善之后，可以得到水库泥沙沉积导致库容损失的有效信息。然而，值得注意的是浊度测量并非总能准确反映含沙量。

2 国际法律、环境和社会影响

法国罗讷公司S.雷诺(S.Reynaud)发表了一篇题为“基于跨界合作的罗讷河上游泥沙淤积治理”的文章。

河流尺度的泥沙治理，特别是跨界河流，因涉及多个利益相关者而尤显复杂。必须克服法律、行政、技术和文化上的差异，并进行一定的妥协。欧洲罗讷河发源于瑞士，流经日内瓦并进入法国，因此，代表两国政府的CNR公司(法国)和SIG公司(瑞士)需要共同承担责任。20世纪40～70年代末期间，两国合作并不理想，对环境造成了诸多不利影响。1978年，恶劣的环境影响致使法国设定了最大含沙量限制并加强了监测，紧接着法-瑞两国增强了合作，并最终基于多准则分析确定了整治方案。作为测试，2016年罗讷河利益相关者首次采用新的泥沙治理方式实施水库减淤。2016年5月，法-瑞两国通过联合治理，成功清除了罗讷河上游的大量淤积泥沙，维尔博水库排沙量达130万t，使日内瓦的洪水灾害风险降低至可接受的水平。

瑞士“水-愿景”(AquaVision)公司的E. 博拉尔(E.Bollaert)做了题为“维尔博水库加压冲刷：环保型冲沙的首次应用”的报告。博拉尔探讨了瑞士日内瓦下游维尔博大坝第一次实施加压冲沙的结果，介绍了冲沙操作程序，并通过二维数值模拟水库形态来对该方法进行优化运用。

通过数值模拟进行优化，在罗讷河下游悬沙浓度的环境限制条件下，可以达到用水量最小且冲沙量最大的理想要求。同时，将此次加压冲刷的水沙体积和悬沙浓度测值与数值模拟预测值进行比较。博拉尔将此次加压冲刷与1945年以来的传统无压水流冲刷效果进行对比，指出了加压冲刷在水库形态和生态影响方面的优缺点。

3 有/无沉沙池的泥沙治理

瑞士ETH公司(ETHZurich)的C.贝克(C.Beck)提交了一篇关于巴基斯坦帕特灵(Patrind)水电项目的文章，介绍了通过物理模型方法优化泥沙治理概念。贝克表示，如果场地条件允许，可以利用径流式电站上游的水库作为沉沙池，从而节省可观的建设成本。利用一条导流隧道来分流入库洪水中的泥沙。除了节省建设成本外，该方案还能长期保持兴利库容。电站布置图(见图2)显示，该方案不使用沉沙池。帕特灵电站装机容量150MW，介绍了物理模型试验的主要结果，以及初始方案存在的问题和面临的挑战。该方案旨在使水库保持充足的防洪库容。模型试验表明，初始方案将使大量泥沙淤积在库首，由于河流中存在的喜马拉雅沉积物，其质地可能导致磨损问题。

图2 帕特灵电站布置

为了使水库长期的兴利库容最大化，制定了合理的运行方案，包括洪水期间停止发电，水库排水冲走大量泥沙。因此洪水期间大量泥沙通过导流隧洞转移到大坝下游。模型研究表明，这一运行方案可以明显减少泥沙淤积，保持坝上游水库发挥较高的沉沙效能。

来自挪威Sedicon公司的T. 杰克布森(T.Jacobsen)在他题为“SediCon系统在厄瓜多尔的厄科卡科多-辛克雷(COCA CODO-SINCLAIR)和阿尔巴尼亚巴尼亚(Banja)大坝的应用”一文中，提出了以重力为驱动力从沉沙池和水库中清除淤积泥沙的方法。

厄瓜多尔的科卡科多-辛克雷水电站装机容量1 500MW,年发电量8 631 GWh，是世界上最大的高水头径流式电站之一。事实上该电站没有沉沙池，而是利用620 m的水头和8台除沙器(每台长150 m，宽13 m)消淤。水流经除沙器处理后，以222 m3/s的设计流量进入一条长 24.79 km的引水隧洞。T.杰克布森探讨了相关施工经验和Sedicon研发的独特方法，处理关闭出口闸门时经常遇到的碎屑和泥沙问题。他还介绍了监测系统、操作系统和冲沙方面的经验。

瑞士泥沙技术有限公司的F.波米(F.Pomi)发表了题为“主动性泥沙治理：瑞士及世界各地60 a治理经验”的报告，着重介绍了在水流进入压力管道发电之前利用沉沙池技术排沙。波米介绍了瑞士60多年的泥沙治理经验。与其他系统相比，一个基于垂直开挖的沉沙池排沙系统能够节约更多的成本。

会议期间的相关讨论表明，沉沙池往往建设成本较高，可以考虑用C.贝克所推荐的系统作为替代。然而，实施相关的设计和操作方法需要适宜的场地条件。

4 水库除沙

T.杰克布森探讨了利用水吸装置去除水库淤积泥沙，这一点尤其值得关注。他认为，SediCon疏浚系统使用了重力作为“燃料”(见图3)，可以有效去除水库深处淤积的泥沙。他还介绍了钻管的安装，要将HOPE吸管穿过其中，并总结了其他设计和施工方面的细节。该系统的成功应用已得到广泛认可，尤其系统中特殊设计的吸头。

图3 SediCon疏浚系统的组成

来自德国DB泥沙公司的L.布鲁森科特(Bolsenkotter)提交了题为“泥沙治理实践”的文章，讨论了德特林博士(Dr.Detering)多年前提出的泥沙治理概念。L.布鲁森科特认为，通过向水库下游排泄泥沙来维持坝下游河流的水沙平衡，使含沙量控制在可以接受的范围，以保持生物多样性并保护河流生态，并尽可能降低对水库运行和管理的不利影响。在连续输沙过程中(见图4)，将定量的泥沙转移到下游河段。为了确定向下游河道的输沙量，需要分析水文条件和输沙能力，向下游排泄的泥沙不应超过河流的输沙能力，以避免水体中泥沙超过最高临界含沙量。

图4 连续输沙过程

一些鱼类在基底系统的孔隙中产卵。细颗粒泥沙的淤积会导致孔隙堵塞，从而对这些物种造成不利影响。通过对生态学的进一步研究，在输沙过程中会考虑相关物种的特性和生活习惯，以避免不利影响。水库的淤积泥沙会不断以特定方式输移，并最终随水体一起输移至下游合适区域，同时不超过河流输沙能力。

瑞士苏黎世联邦理工大学的J.N.费尔南德斯(Fernandes)讨论了“两个高原水库水位降低时的悬沙浓度与涡轮磨损”，水库泥沙治理考虑采用动力水道泄沙。研究预测高含沙浓度下的水轮机磨损的方法，通过监测流经水轮机水流的含沙量来测定转轮磨损度。在考恩(Kaunertal)河谷和翰德克(Handeck)大坝进行的相关测试发现，高含沙水流对考恩河谷大坝造成了相当大的侵蚀，而且即使含沙量较低也会导致轻微破坏。

来自瑞士斯塔基(Stucky)的M.L.里贝罗(Ribeiro)做了题为“水库泥沙治理：水库防淤清淤实用指南”的报告。M.L.里贝罗从整体上考虑当前的泥沙治理技术，建议了一种综合方法，包括特殊问题的分析及一系列策略的可能应用。他提供了防止水库淤积以及缓解淤积的实用指南，所提出的方法取决于问题的特征和所采用的技术，同时还讨论了一些难以概化的局部约束条件。他强调每座水库都是一个原型问题，不存在普遍适用的治理措施，需要用明确、系统的方法来分析具体问题。

5 异重流排泄

瑞士EPFL-LCH公司的S.查蒙(Chamoun)做了题为“排泄异重流对水库可持续利用的重要性”的报告。异重流是洪水期间由于密度差驱动的挟沙水流。异重流进入水库后，除非由进水口或出水口排空，否则水流所含泥沙都会在水库沉积，最终会使水库充满泥沙并阻塞出口结构。因此，应在异重流所含泥沙水库沉积之前，对异重流进行排泄。一般是通过底孔或发电进水口排出异重流。如果水库在洪水期间蓄满了水，可通过从低水位出口释放挟沙水流来代替溢洪道下泄清水的方式排空水库。

查蒙明确了成功实施异重流排泄的主要参数，并简要介绍了异重流排泄在全球的应用情况，相关参数包括流出流量以及出口位置和高度等。查蒙还介绍了所使用的仪器设备和大坝操作人员面临的挑战。