中小型淤损水库库容恢复技术与方法

2023-03-10张文皎赵连军王嘉仪

人民黄河 2023年3期

张文皎，赵连军，王嘉仪，潘丽

（黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州 450003）

1 引言

水库在调节水资源、防洪、发电等方面具有重要作用。中国是世界上水库数量最多的国家，水库为我国以仅占全球6%的可更新水资源养育占全球20%的人口提供了重要保障。根据第一次全国水利普查公报，我国已建与在建水库共98 002 座，总库容9 323 亿m3，其中中小型水库数目约占水库总数的99.2%、库容约占总库容的19.6%［1］。中小型水库对我国社会、生态、经济可持续发展具有极为重要的作用。

然而，淤积与水库相伴而生，全世界很多水库都受淤积问题的困扰，迄今为止一直没有找到很好的解决办法。我国作为世界上水土流失最为严重的国家之一，水库淤积问题非常严重。在已建水库中，泥沙淤积情势极为严峻，其中黄河流域及西北地区泥沙淤积问题最为突出［2］。据统计［3］，全球水库年淤积速率为0.5%～1.0%，而我国水库年淤积速率为1.0%～2.0%。大量的泥沙淤积，不但直接减小库容，加快水库寿命的耗损，还会严重妨碍水利枢纽的正常运行［4］。

我国中小型水库多兴建于20 世纪六七十年代，有些水库受建设时的认知所限，规划设计考虑不完善，没有布置排沙设施，使得库区淤积之后无法利用自然水动力进行排沙，水库有效库容大幅度减小，兴利功能无法正常发挥。即使在修建时设置了排沙设施，也大都难以满足排沙的要求，淤积问题已经到了相当严重的程度，致使很多水库接近报废的边缘，大大增加了水库的溃坝风险。有些接近淤废的中小型水库为继续发挥作用，进行坝体加高，无形中增加了防洪风险。特别是近年来天气异常，全国大面积的持续干旱和暴雨洪灾影响下，水库淤积对水库功能的正常发挥影响巨大。经过20 世纪后期大量水利工程建设之后，我国水库坝址资源特别是中小型水库坝址资源已基本枯竭，通过各种库容恢复技术有效地修复淤损水库、延长其使用寿命已成为未来发展的大趋势。另外，几十年来我国经济高速发展的一个负面效应，就是给环境造成了很大的污染，中小型水库淤泥污染现象普遍存在。如何在清淤过程中避免淤积物对水库环境的二次污染是值得重视的问题。

国内外关于淤损水库库容恢复技术与方法的研究与实践已经经历了长期的发展［1－10］，水库淤积泥沙处理技术主要分为水力排沙和机械清淤两大类。由于每一个水库的自然条件、工程规模、结构、周围气候和地质因素不同，泥沙淤积原因和淤积形态不尽相同，因此采用不同的处理技术，清淤效果相差较大，对水资源利用和水环境保护产生的影响也各不相同。本文针对中小型淤损水库库容恢复，梳理近些年常用及新研发的清淤技术与方法，分析其清淤机理、适用条件、优缺点等，以期为淤损水库库容恢复提供参考依据。

2 淤损水库库容恢复技术与方法

2.1 水力排沙技术

水力排沙即通过水库调度将库区淤积泥沙经泄水排沙建筑物排出库外，在国内外许多水库中都得到了应用［11－17］，例如新西兰芒阿豪水库、苏联泽莫阿夫查尔水库、瑞士帕拉涅德拉水库、伊朗塞菲德路水库［14］、美国米德湖水库以及我国的三峡、小浪底、三门峡、万家寨、官厅、巴家嘴、汾河、红山、刘家峡、碧口、黑松林、官山、小道口、头屯河水库等［15－17］。

水力排沙主要包括异重流排沙、空库排沙、泄洪排沙等方式。异重流的产生和持续运行需要有特定的边界、水力和泥沙条件，不易形成。异重流排沙方式一般在汛前调水调沙期间和汛期上游来洪水时采用，并且排沙量大大受制于异重流的持续动力［11］。空库排沙的水库泥沙冲刷量与冲刷时间、冲刷流量和水库水位下降幅度有关，适用于水资源丰沛地区或者山区天然河流比降大的水库以及季节性利用的水库。泄洪排沙的效率受排沙时机、滞洪历时长短、开闸时间、总泄流量大小以及洪水漫滩等因素影响。

从排沙效果看，水力排沙有效范围主要集中在坝前，在特定条件下排沙效果显著，排沙过程耗水量巨大，但其排沙受水库水文条件、上下游河床结构等影响较大，运用条件苛刻，多适用于大型水库。另外，水库淤积的泥沙经泄水排沙建筑物排至下游河道，无法实现泥沙资源的合理利用，发挥泥沙资源价值。

2.2 机械清淤技术

机械清淤即利用外加动力通过挖泥船、运输设备、吸泥泵等将淤积物排出水库，其源于欧美国家，是清除水库淤积泥沙的一种直接、可靠且适用面广的方法［7，10］，在世界各地均获得极其广泛的应用［18－19］，机械清淤主要包含挖泥船清淤、运输机械清淤、管道排沙等方式。各类机械清淤技术的特点及适用条件见表1。

表1 机械清淤技术特点及适用条件

挖泥船清淤是利用装有绞刀、耙头、吸头、抓斗等设备的挖泥船，对水库某一区域进行清淤，与水力排沙相比可以节约水资源，在瑞士保拉尼卡水库、日本八久和水库［20］、埃及阿斯旺高坝水库［21］以及我国的官厅［22］、丹江口、盐锅峡、王家崖、湖漫、陈行、水槽子、石岩等水库中均有应用。绞吸式挖泥船是借助绞刀切割淤泥［23］，斗轮式挖泥船多适用于淤泥较厚的淤积区域。此外，在实际作业过程中，往往根据淤积物与作业环境改造挖掘机具和传送装置，比如利用高速水流射流造浆技术来提高工作效率［24］。目前，许多绞吸式挖泥船、耙吸式挖泥船、吸盘式挖泥船、射流清淤船等已配备了射流装置。采用挖泥船清淤面临的一个主要问题是无法阻止被搅扰的底泥在水体内扩散，造成二次污染［25］。

运输机械清淤是当水库放空后利用运输设备清理水库淤积泥沙。挖泥船清淤和运输机械清淤均属于移动式清淤，可灵活地改变清淤地点，适合小范围作业，但清淤单价很高。

管道排沙根据排沙动力可分为泥浆泵排沙、气力泵排沙、自吸式管道排沙等。泥浆泵排沙和气力泵排沙借助泥浆泵或气力泵将库底泥沙吸入排沙管道输移出库，在三峡、锦屏二级、枕头坝、小浪底、玄庙观、王家荡水库均有应用。自吸式管道排沙以水库上下游水头差为动力，将库区淤积泥沙通过管道排出库外，节省排沙的主要外加动力。

总体来说，机械清淤是清除中小型水库淤积泥沙的有效措施，已在环保要求不高的工程疏浚中获得了广泛应用。除运输机械清淤外，机械清淤基本上可借助强大的泵力将泥沙输送到排沙地点，实现远距离输沙和资源利用。近年来，机械清淤关键设备和自动化监控技术发展迅速，清淤系统上开始配置先进的定位和监控仪器，如全球定位仪、污染监视仪等，提高了疏挖精度，减少漏挖与超挖。为了降低清淤产生的二次污染，科研工作者研制了环保型绞刀头和防污屏等环保机械，取得了很好的效果。机械清淤技术正逐渐趋向大型化、高效化和智能化。

2.3 吸盘式自吸管道水库环保清淤技术

吸盘式自吸管道水库环保清淤技术是在库区设置一种带吸盘的水下管道排沙系统，把水库自然水头作为主要动力，将水库内淤积泥沙排出。该系统主要由吸盘、排沙管道、过坝隧洞、控制闸阀及水面工作船组成，如图1 所示。

图1 吸盘式自吸管道水库环保清淤系统示意

自吸管道排沙技术自提出后受到了国内外工程界的高度关注与重视，早在20 世纪70 年代自吸管道排沙技术已在非洲一些淤积严重、降水冲刷无效的水库中得到应用，如阿尔及利亚的包吉瓦水库（1970 年）、西迪莫汗默德水库（1974 年）等。我国水利工作者也于20 世纪70 年代在山西、甘肃和陕西一些中小型水库进行了初步的试验研究，如田家湾水库（1975年）［26］、小华山水库（1976 年）［27］、北岔集水库（1977年）［28］等。受当时管材制造技术与操作控制技术限制，自吸管道排沙技术并没有得到持续推广应用。黄河水利科学研究院依托公益性行业专项，针对小浪底水库开展了“小浪底库区管道排沙可行性研究”，提出了自吸管道排沙系统清淤方案［29］，但小浪底水库排沙管道过坝技术还有待完善，制约了该方案的实施。

在前人的研究基础上，赵连军等［30－31］开展了大量的实体模型试验与数值模拟计算，通过增设吸盘装置，调整吸盘及高速射流喷头的结构样式和组合方式、水动力条件、布设方案等，研发了环保、低消耗、高效稳定的吸盘式自吸管道水库环保清淤技术，同时配置了先进的定位和监视仪器，形成了实用化的整套清淤装备（见图2）。2017—2018 年，通过水利部推广项目在新疆哈密地区小柳沟水库进行了清淤技术示范，排出沙量3.2 万m3，排出的泥沙充填了水库下游500 m 处的矿坑，排出泥浆的最大含沙量达600 kg／m3，排沙效果良好。图3 为现场清淤效果，图4 为出库泥沙下游河道淤积状况。