宿鸭湖水库清淤扩容方案及效益分析

2020-02-21韩术生王昕苗惠昌

河南水利与南水北调 2020年12期

韩术生，王昕，苗惠昌

（1河南省固始县陈淋子镇城乡建设和环境保护中心；2驻马店市宿鸭湖水库管理局）

1 工程概况

宿鸭湖水库是一座以防洪为主，结合灌溉、发电、养殖、旅游等多项目综合利用的大（1）型水利枢纽工程，由于为平原水库，库床比降缓，库面面积大，拦库大坝长，上游来水进入库区后，下泄缓慢，大量泥沙沉入库区造成库区的淤积。水库淤积的出现不仅影响了水库效益的发挥，而且也造成了库内水质曾经长期达到劣Ⅴ类的程度。为了解宿鸭湖水库目前淤积状况，2015年10月，进行了水下淤积测量，获取的宿鸭湖水库水位现状库容曲线与原设计对比如图1所示。根据测量结果，水库总淤积量约7 710万m3。

图1 宿鸭湖水库水位现状库容曲线与原设计对比图

2 研究方案

2.1 淤积原因

造成宿鸭湖水库淤积的主要原因包含自然因素、人为因素、工程设施因素以及运用条件因素等。由于水库上游水土流失严重，上游河道含沙量大，当汛期雨水携带泥沙进入库区后，水流速度减缓，泥沙沉积在库区，并且由于工程缺少排（冲）沙设施，北库至泄洪闸距离较远，淤积的泥沙难以排出，造成淤积现象不断严重。此外，水库淤积速度与运用方式密切相关，根据计算，水库排沙1 m3需耗水1 020 m3，而由于每年第一场洪水来临时库水位最低，且第一场洪水含沙量最大，导致水库没有足够的水用于排沙，经年累积，淤积加剧。除了工程本身的问题以外，水库上游及周边地区多为村庄，耕种区域紧随水位降落区域变化，将原有河道改为耕地，使得河道原有的植被和卵石层被破坏，引发水土流失，径流携带泥沙进入水库库区。

2.2 清淤必要性

由于宿鸭湖水库是汝河下游河道的补充水源，水库水质富营养化污染严重，直接影响汝河下游河道的生态环境。现状水库水质污染严重，下放基流将影响下游河道生态。宿鸭湖水库设计之初没有城市供水任务，随着经济社会的发展，需水量不断增加，缺水问题日益突出。驿城区、上蔡县距宿鸭湖水库上游来水年内分配不均、年际变化大，水库来水集中在汛期6-9月，最大年径流量是最小年径流量的33倍。现状水库在满足下放生态基流和城市供水要求后，灌区灌溉保证率为49.20%，不满足要求；水库不清淤，再运行50 a 后，灌溉保证率仅为12.30%，极低，将严重影响灌溉效益。水库不能同时满足灌区灌溉、下放河道生态基流和城市供水的用水要求。随着淤积物的逐年增加，水库的兴利效益将逐渐降低。

由于上游生活污水污染、水库周边耕种污染、人工养殖等原因，加上水库水深较浅、水体自净能力较差，水库水污染严重。正常蓄水位根据2016年和2017年的监测结果，虽然宿鸭湖水库水质类别仍为劣Ⅴ类，但超标的污染指标总磷（2016年为3.80，2017年为3.30）、石油类、高锰酸盐指数等数值在降低，说明随着上游来水的逐步治理，库区水质在改善，但水质污染程度的根本改变仍需要采取系统的工程及管理措施。现状水库水质污染严重，不能满足灌溉、河道生态基流和供水对水质的要求。

2.3 清淤扩容方案

水库50.34 m 高程修围堰挡水后，50.34～51.84 m采用陆地法施工，50.34 m 高程以下采用水下法施工。陆地法清淤扩容施工采用2 m3挖掘机15～20 t自卸汽车运输至规划堆土位置堆放；水下施工采用环保式绞吸式挖泥船施工。坝后淤泥堆填区考虑分4层填筑，每层设排水砂带。自库区西侧的湿地巡护开始，对库内进行清淤扩挖。经挖填平衡后，其中兴利库容扩容5 311万m3。

2.3.1 淤积测量与分析

根据2015年实测水库淤积深度等值线图（图2），结合库区地形等高线分布，计算出宿鸭湖水库库区实际淤积量见表1，淤积总量7 710 万m3。兴利水位以下淤积7 394 万m3，其中死水位以下淤积量为3 834 万m3，占淤积总量的49.73%，死水位至兴利水位之间淤积3 560 万m3，占淤积量的46.17%；兴利水位以上淤积316万m3，占淤积总量的4.10%。从宿鸭湖水库淤积分布情况看，泥沙主要淤积在死库容，部分淤积在兴利库容，与邻近其它水库的淤积分布情况类似。

2.3.2 库区淤泥处理方案

2.3.2.1 人工岛

结合宿鸭湖组团规划，为减少土方外运，利用水库开挖土方进行堆岛，形成岛体的大致轮廓，开挖料运至堆岛区后需进行碾压，以保证岛体的稳定性。

人工岛位置尽量避开入口河道及已有的建设，结合当地历史文化变迁，适当考虑景观效果，使三个人工岛屿遥相呼应。人工岛高度为设计边坡最陡处为1∶5，根据岛体形态不同，设置上岛道路。

堆土造岛产生的主要作用效应为：堆土场地在堆土荷载作用下，可引起地基土压缩固结，产生沉降但下伏第②层重粉质壤土及第③层粉质黏土分布稳定，岩性单一，地基土沉降为均匀沉降。同时堆岛分布于库中，周边无任何建筑物，沉降对周边环境影响不大。

图2 实际两侧的水库淤积深度等值线图

表1 库区实测淤积量计算表

人工岛屿共堆建3 座，堆高37 m，共堆筑土方1 222 万m3。填筑岛屿位置尽量避开入口河道，并适当考虑景观效果，使三个岛屿遥相呼应。

填料：人工岛填筑时首先对人工岛基础进行清基。根据施工组织，填筑时应分层堆砌，将开挖出来的水上土方堆砌岛基础部分。堆岛填料压实度≥0.98。

岛体排水设计：降雨时，雨水渗漏进岛体，会降低堆岛体土体强度指标，边坡安全系数降低，做好堆岛体排水，对边坡稳定、工程安全尤为重要。为迅速排走雨水，保证堆岛土体边坡稳定，在岛体顶部设纵向排水沟，在岛体周围每50 m设一条横向排水沟，采用宽0.20 m、深0.30 m的预制C20混凝土U型渠，将雨水导入水库内。

2.3.2.2 坝后淤泥堆填

根据工程总体布置，库区清除的淤泥全部排向大坝下游，淤泥经自然固化后，结合当地规划利用。排泥之前，先将排泥区基面腐殖土清除，并选择合适区域临时堆存，用于后期淤区顶部和围堰外侧边坡绿化或复耕。为了避免坝后排泥对大坝下游导渗系统的影响，将淤区导渗沟改为暗排。为了保证宿鸭湖大坝的安全，避免淤泥对下游坝坡浸泡的影响，对下游坝坡进行处理。首先清除下游坝坡腐殖土层及草皮、植物根茎等杂物，接着铺设土工膜。为了不影响整个工程的工期，加速淤泥固化，在淤区底部设一层中粗砂，砂层一直延伸到围堰外侧，围堰外侧砂层出露部位设碎石反滤层。

围堰填至一定高程后即可向淤区里面抽排淤泥，自然固化后，其顶部再设一层中粗砂，砂层与围堰内侧边坡上的排水砂带相接，其上可再承接抽排过来的淤泥，共抽排两次。为加快淤泥固化速度，围堰内纵、横向可设一根竖向的塑料排水带，底部与砂层相接。

3 清淤扩容效益

3.1 供水效益

宿鸭湖水库本次清淤扩容后，死水位和兴利水位保持不变，在满足农业灌溉、下放生态基流、考虑给驿城区和上蔡县供水，且有利于防洪的基础上，结合水库现状淤积情况及开挖边坡设计，恢复了死库容、增加了兴利库容5 448万m3，水库增加的基流下泄可增加下游河道供水能力，提高供水效益。根据供水效益分摊系数估算的供水效益为13 600万元。

供水效益分摊系数表达式如下：

式（1）中：B工—多年平均供水效益（万元）；W—多年平均净供水量（万m3）；q—规划水平年当地万元产值耗水量38 m3/万元；S=C水/（C水+C工）—供水效益分摊系数采用S=1.60%。

3.2 生态效益

水库淤积问题不仅严重影响了水库的兴利效益，同时，库区较大一部分面积常年水深＜2 m，近年各项水质指标中五日生化需氧量及氨氮两项超标严重。已有的水质成果表明库区水体富营养化严重，水质较差，生态环境破坏严重。

根据中科院谢高地等在参照Costanza 等研究（全球生态系统服务价值和自然资本，1997 年发表在《自然杂志》，从科学意义上明确了生态系统价值评估的原理和方法）的基础上，修正制订的中国陆地生态系统单位面积生态服务价值系数表，见表2，来计算本次工程的生态环境效益。经计算，工程的生态环境效益为13 300万元，清淤工程按照50%的效益计算为6 650万元。