官厅水库清淤关键技术研究

王东志，张君伟，冯 婕

（永定河流域投资有限公司，100193，北京）

官厅水库是保障北京市和永定河下游防洪安全的重器。水库控制流域面积4.3万km2，占永定河流域面积4.7 万km2的91.5%。在海河“23·7”流域性特大洪水应对中，官厅水库最大程度拦蓄上游洪水，充分发挥蓄洪削峰作用，极大缓解了下游防洪压力。洪水过后，为完善永定河流域防洪工程体系，按照北京市统筹安排，由永定河流域投资有限公司负责实施官厅水库清淤试点工程。

永定河有“小黄河”之称，上游桑干河、洋河流域内黄土丘陵分布广泛，天然植被较差，是海河水系中产沙量最多的河流，平均年产沙量9455万t，占海河流域产沙总量的58%。官厅水文站建库前径流多年平均含沙量为60.8 kg/m3，为黄河多年平均含沙量36.6 kg/m3的1.66 倍。根据2021 年海河流域水土保持公报，永定河水土流失面积1.27 万km2，占永定河流域面积的27.57%。官厅水库自蓄水运用以来，泥沙淤积问题日益加剧。根据2022 年北京市河流泥沙公报，官厅水库已累计淤积泥沙6.56 亿t。泥沙淤积不仅侵占了防洪库容，还对水库安全运行造成隐患，影响水库效益发挥和使用寿命。

官厅水库泥沙淤积同时带来污染问题。20 世纪80—90 年代，库区富营养化趋势日益明显，枯水期水质甚至劣于地表水V 类标准。1997 年5 月，官厅水库被迫退出北京市饮用水水源地。2008 年以来，随着上游洋河、桑干河流域治污工作的开展，加上2019 年以来永定河流域实施生态水量调度，外源污染逐渐好转，官厅水库入库水质日益好于库区水质。尤其是以氟为代表的污染物，库区水体含量比入库水体浓度高约20%，迫切需要治理库区内源污染，改善库区水质及生态。

一、官厅水库清淤需求分析

1.保障水库安全运行

官厅水库原476 m（大沽高程，下同）以下设计库容为10.3亿m3，现状剩余库容为5亿m3，即476 m高程以下因淤积损失了5.3 亿m3库容。476 m 高程以上的淤积不仅侵占防洪库容，且淤积末端向上游河道延伸，影响上游已建官厅八号桥湿地，同时对上游沿河两岸村镇防洪安全造成威胁。476 m高程以下的淤积造成输水泄洪洞洞口处形成近20 m深的冲刷漏斗，极易淤堵泄洪洞进而影响泄流；坝前淤积面高于电厂引水口底部近1 m，增加浑水过水轮机的机率，容易造成水轮机叶片磨损；泥沙淤积妫水河入库口形成拦门沙坎，影响妫水河库区和永定河库区的连通，致使妫水河部分库区库容无法利用。

对476 m高程以上损失的防洪库容进行完全清淤，一方面可以解决永定河入库顶托、漫溢问题，另一方面可以使官厅水库具备遭遇100年一遇洪水时下泄流量减少200 m3/s的条件，使防洪调度更为从容。对476 m高程以下影响水库安全运行的输水泄洪洞和拦门沙坎区域清淤，能够预防输水泄洪洞口门淤堵，增强永定河库区与妫水河库区连通性及区域过流能力，延长水库使用寿命。

2.增强首都水资源战略储备能力

《北京市水资源保障规划（2020 年—2035 年）》提出，力争近期2025年本地地表、地下战略储备水量总量达到40亿m3，远期2035年达到70亿m3。这就要求官厅水库在汛限水位以下具备一定战略储备库容。

根据官厅水库历史极端低水位（2007年7月）相关数据，水库死水容积为1.1亿m3，考虑到低水位供水时污染底泥可能带来现状沟渠的不稳定性，并可能引起供水水质恶化，库底存蓄死水空间按照1.2亿m3考虑。因此，官厅水库汛限水位以下需要清除1.2亿m3底泥，才能达到规划战略储备容量要求。

3.治理内源污染

根据近年相关研究，官厅水库内源污染占水库污染的9%，底泥污染释放是内源污染的主要原因。根据底泥污染物分析，库区中重度及以上污染的底泥区域面积约2300万m2，对应清淤工程量约1.15亿m3（占官厅水库污染底泥总量的24%）。完成该部分清淤工作后，每年可削减底泥释放入库污染物约1400 t，为2035年恢复官厅水库饮用水水源功能提供强有力的保障。

二、国内湖库清淤实践经验

近年，国内实施了多项湖库清淤工程，如山美水库、太湖、白洋淀清淤项目等，在水库清淤设计、施工、环境监控等方面形成系列经验。其中，福建山美水库清淤区域平均水深10.5 m，最深处19.5 m，采用深水泵吸式清淤船疏浚疏挖，通过管道将底泥输送至纳泥区，然后采用板框压滤脱水工艺处理；余水通过絮凝沉淀—吹脱法脱氮—酸碱中和调整pH值后过滤排放。太湖清淤应用环保绞吸式清淤船与多台接力泵船水上串联方式进行施工，排泥场余水采用“物理沉淀+化学混凝”组合处理技术，处理后余水中固体悬浮物浓度满足小于150 mg/L的要求。白洋淀清淤采用环保绞吸式清淤船+高浓度泥浆泵，通过管道将底泥输送到脱水场；底泥脱水采用真空预压法、土工管袋法、板框压滤法、自然晾晒等多种方式；余水采取“超磁+人工湿地”的工艺进行处理。

湖库清淤对于恢复水库正常库容，降低内源污染负荷，改善区域水环境、水生态具有显著作用。但湖库清淤受到施工区地理环境、纳泥区选址及余水排放要求等因素影响，施工工艺设计通常采取“一湖一策”“一库一策”的思路，根据项目特点具体分析。

三、官厅水库清淤方案设计

结合水库清淤需求分析，官厅水库累计清淤方量较大，综合考虑水库淤积的影响程度、紧迫度和投入等因素，计划分试点、一期、二期三个阶段实施清淤。先期实施清淤试点工程，聚焦安全运行问题迫切的入库河道、拦门沙坎和坝前泄洪洞区域，清淤方量在1000万m3左右，计划2024年启动实施。后续实施一期清淤工程，主要工程内容为清除重度污染为主的底泥，同时恢复库区西岸现状淤积滩地损失的防洪库容，清淤方量在4000 万m3以上。一期工程同时探索建立清淤良性循环和产业链，为后续完成官厅水库整体清淤任务夯实基础，计划于2027年启动实施。二期清淤工程主要着眼于恢复库区防洪能力，解决库区中度以上污染底泥清理的问题，清淤方量在1 亿m3以上，计划于2031年实施。通过以上三个阶段工程实施，官厅水库防洪库容将完全恢复，库区战略水资源储备能力达到要求。

1.探索多条清淤技术路线

在试点工程方案设计中，结合清淤工程布置和淤泥类型，分别利用环保绞吸船、深水泵吸挖泥船、水陆挖掘机等清淤装备，探索湿挖与干挖并用作业方式。采用疏浚直吹、脱水外运、直接回填等工序，脱水工艺包括真空预压、板框压滤、土工管袋等，具体技术路线见图1。

图1 官厅水库清淤试点工程技术路线

湿挖范围为拦门沙坎及附近营养盐重污染区、坝前泄洪洞区。拦门沙坎及附近营养盐重污染区选用“环保绞吸船+管道输送”的清淤方式，同时配合接力泵，实现长吹距、高扬程底泥输送。输水泄洪洞区域水深较大，采用“深水泵吸挖泥船+管道输送”的清淤方式。深水泵吸挖泥船可直接吸排原状泥、浮泥、淤泥等受污染底泥，挖泥时底泥扩散范围较小，且输送距离长，工作效率高，无二次污染。

干挖范围为永定河河道入库段淤积底泥，采用水陆两用挖掘机进行挖掘，开挖出的淤泥陆运至消纳场处理。

2.探索多种底泥资源化利用途径

底泥消纳处理是水库清淤的关键问题。官厅水库清淤试点工程坚持“综合就近利用、低碳循环经济、绿色生态修复”原则，对底泥的组分、质地及空间分布进行分析，结合周边地形、工程需求及土地资源利用情况，开展生态砖、人工骨料和绿化用土方向的研究，依托附近场地进行小体量的资源化生产，产品服务于周边工程建设。

（1）制作生态砖

官厅水库清淤底泥中黏土和淤泥含有高硅质矿物，浸水后易发生软化、泥化，塑性指数大，适宜制备免烧建材产品。原料中钙含量比较低，可在后续生产中添加高活性钙源，提高反应料中钙的含量。

底泥制作的免烧生态砖可用于人行步道、花园等场景。试点工程的生态砖规划用于官厅水库库滨带生态修复工程环湖路人行道、路缘防护，以及北京市灾后恢复重建项目。同时，底泥还可制作包括混凝土实心砖、混凝土多孔砖、混凝土空心砖、普通混凝土小型空心砌块、透水路面砖和透水路面板等建筑砌材。

（2）制作人工骨料

采用研磨－碱激发－强制搅拌技术，将清淤底泥与添加剂均匀混合制备成浆体，经中高温初步养护后，通过人工破碎获得人工骨料。产品具有坚硬、强度高、抗腐蚀等特点，可作为建材骨料，应用于路面、桥梁、隧道、坝基、渠道、港口码头、堤坝等建筑项目中。试点工程中制作的人工骨料规划用于官厅水库库滨带生态修复工程的生态护坡、道路等分项工程。同时，北京市建筑用砂石骨料年需求量较大，人工骨料可参照建筑废弃物再生粗细骨料利用，在北京市建筑市场中推广应用。

（3）制作绿化用土

官厅水库底泥大部分区域重金属生态危害指数处于轻微以下程度，营养盐大部分处于中度到重度污染状态，底泥中磷、氮含量达到营养土水平。采用好氧发酵技术对官厅水库底泥进行一定程度的改良，保留其氮、磷等营养成分，可制成适于景观植物生长的绿化种植土。产品可满足官厅水库库滨带生态修复工程绿化、生态护坡等绿化用土需求。

试点工程中主要探索底泥资源化利用路径，可消纳底泥方量有限。工程剩余底泥通过真空预压、板框压滤、土工管袋等方式脱水干化后，运送至周边填埋，可改造出集中连片的耕地或园地。

3.实施全过程监测评估

清淤实施过程中，聚焦清淤过程环节和末端资源化利用去向，全过程开展监测，积累清淤过程参数，为整体清淤工程决策提供依据。监测主要包含清淤过程中水体影响监测、脱水区监测、脱水底泥监测、底泥资源化利用监测，以及水库底泥清淤和处理处置方式评估等内容。

水体影响监测以河口、拦门沙坎、泄洪洞区为监测区域，以清淤设备挖泥区为中心，向周边辐射布设监测点位，监测清淤对水库水质的影响及影响时长和影响范围。脱水区监测主要进行结构监测，监测脱水速率、脱水时间以及对地下水、尾水等的影响。脱水底泥监测是在进一步脱水后分别开展的泥质检测，在底泥脱水前期、中期和后期分别取混合样监测，主要监测内容包含重金属、营养成分、有机和无机组分，评估底泥进行土地利用、建材利用的可行性。底泥资源化利用监测包括矿山修复利用监测、库滨带利用监测、农田利用监测、生态砖利用监测、绿化种植监测，主要监测底泥产品对周边土质、地下水等环境的影响。

四、结 论

官厅水库清淤工程充分分析各项需求，参考已有清淤工程设备选型、疏挖工艺、纳泥场选择、余水排放和底泥处置等经验，结合官厅水库水深大、清淤规模大、周边消纳场地有限等特点，制定了分期清淤实施方案。通过试点清淤工程的实施，探索不同装备、脱水工艺、资源化利用的技术路线，并加强全过程监测，积累清淤过程参数，可为北方大型水库清淤高时率、大泥量连续作业提供参考。