因勢利導水力一體化治漂在三峽庫區(qū)的應用

蔡瑩 黃國兵 劉圣凡

摘要：三峽庫區(qū)漂浮物對水面環(huán)境及工程運行造成多方面影響，現(xiàn)有人力船只清漂方式對漂浮物爆發(fā)規(guī)律適應性不強，難以獲得長期穩(wěn)定的治理效果。三峽庫區(qū)清漂應充分發(fā)揮河流動力作用。經(jīng)水力學模型試驗研究及實際運用檢驗，因勢利導一體化攔截、強化引導漂浮物，可構(gòu)建長效治理漂浮物樞紐，為工程及關(guān)鍵水域提供安防屏障，有利于促進治漂專業(yè)化發(fā)展，河道型水庫及水利工程均具有水力一體化綜合治漂的條件。

關(guān)鍵詞：漂浮物治理;水力一體化;長效可控;三峽庫區(qū)

中圖法分類號：X52文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.01.011

文章編號：1006-0081（2020）01-0062-05

1 概述

三峽庫區(qū)漂浮物對樞紐調(diào)度、泄洪、發(fā)電、航運、水質(zhì)、環(huán)境等均會造成影響，大型失控漂浮物還會威脅樞紐安全運行。為確保三峽庫區(qū)水面清潔，2003年在水庫初期蓄水時，國家制定了《三峽庫區(qū)水面漂浮物清理方案》，要求庫區(qū)沿岸市縣以及三峽樞紐管理單位對管轄水域開展清漂工作;之后在三峽后續(xù)工作規(guī)劃中也制定了庫區(qū)沿途漂浮物清理措施。三峽庫區(qū)漂浮物量大、組成復雜，治理要求嚴格、難度大。自工程運行以來，庫區(qū)每年都投人大量人力物力清漂，但受條件限制，壩前還是經(jīng)常出現(xiàn)大面積漂浮物聚集，影響工程整體觀感。

當前水利工程采取的攔漂、人力船只清漂方式對河道漂浮物規(guī)律特性適應性不強，存在安全性差、可控性差、低效、管理困難等諸多實際問題，難以形成長期穩(wěn)定的治理效果。根據(jù)河道型水庫特點，利用水力學原理因勢利導在過程中發(fā)揮水力作用，一體化攔截、引導、聚集（臨時）、集中清（運）漂浮物，經(jīng)實際運用檢驗可高效治理漂浮物，為樞紐及關(guān)鍵水域構(gòu)建安防屏障，且設施不影響航道通航。

2 三峽庫區(qū)清漂情況

為了解三峽庫區(qū)清漂實際情況，研究完善清漂方式，長江科學院水力學研究所多次對庫區(qū)漂浮物進行實地調(diào)研。2018年7月長江1號，2號洪水期間，結(jié)合國家重點研發(fā)計劃等相關(guān)項目研究工作，再次組織專業(yè)人員對重慶以下的庫區(qū)漂浮物及清漂現(xiàn)狀進行現(xiàn)場調(diào)研，見圖1和圖2。

三峽庫區(qū)漂浮物爆發(fā)與洪水關(guān)系密切，漂浮物數(shù)量多、漂浮時間長，清漂工作路線長、作業(yè)點多面廣，清漂任務艱巨，管理困難。庫區(qū)沿途干支流上眾多清漂單位主要采用船只、人力在江面分散打撈漂浮物。突擊清漂時，數(shù)百條船只、上千人在庫區(qū)沿途作業(yè)，主要集中在回水區(qū)、碼頭等集漂區(qū)、漂浮物聚集帶清漂，打撈上船的漂浮物運送到清漂碼頭，再轉(zhuǎn)運至其他地方上岸處理。漂浮物爆發(fā)期間，水文、氣象等自然條件惡劣，各類船只在江面和碼頭間穿梭作業(yè)存在安全隱患。人員和船只在流動水面清漂效果有限、難以對其職責進行明確劃分，夜晚、霧天、風雨等情況下無法操作，且1d內(nèi)有效打撈時間有限，實際清理量占過境量的比例較小。盡管庫區(qū)不斷提高清漂能力建設，但仍未能改變當前局面。

經(jīng)對庫區(qū)多處集中清漂河段實地調(diào)研了解到，庫區(qū)各地興建碼頭、船只等清漂基礎(chǔ)設施，每處年清漂量約10000～40000m³，平均直接清漂費約200元/m³，三峽水庫蓄水以來，庫區(qū)累計清漂費用巨大。據(jù)估算，三峽庫區(qū)年漂浮物量至少數(shù)十萬m³，為確保庫區(qū)水面清潔，每年都需要持續(xù)投人大量資金。

3 治理措施存在的問題

工程實踐中治理漂浮物包括攔、導、集、清、抓、排、運等多個環(huán)節(jié)，根據(jù)工程特點與需要采取組合方案[1]。

3.1 攔污柵與清污機組合清漂

為減輕漂浮物的影響，通常在電站、泵站的進水口設置攔污柵，采用配套機械清污。受氣象、水文、技術(shù)等條件限制，在水流湍急的柵前狹窄通道清漂，清漂進度不及污物聚集速度，增加了清理難度;加之過流斷面減小，導致下層過流對表層漂浮物的吸漂能力增強，加重攔污柵全斷面堵塞，加大清理難度。攔污柵嚴重堵塞后，清污抓斗、齒把入水抓漂困難，操作故障都會影響工作效率?；剞D(zhuǎn)式清污機不適應清理水深、量大、復雜的漂浮物。

汛期是工程發(fā)揮效益的關(guān)鍵期，漂浮物爆發(fā)期間在柵前搶險清污強度大，咽喉部位堵塞對工程運行影響重大。三峽電站是高水頭電站，漂浮物造成攔污柵水頭損失較小，一般約0.3～0.5m，但由于工程裝機容量大，電量直接損失仍相當大。

3.2 柔性攔漂排攔漂與樞紐排漂

工程中常采用柔性攔漂排與樞紐泄洪排漂或船只相結(jié)合的方式清漂。攔漂排形式有竹排、木排、鋼（或高分子）浮筒（箱）、圍欄等，排體兩端在岸邊定位，水面呈懸鏈線狀態(tài)。

柔性攔漂排在水流作用下呈曲線狀態(tài)，易兜集漂浮物，當洪峰與漂峰不同步（一般漂峰滯后）時，樞紐泄水排漂吸漂作用有限。漂浮物聚集后，會引起排體上浮、翻轉(zhuǎn)，導致漂浮物泄露。排下掛網(wǎng)或設置攔污柵，容易造成堵塞，增加荷載。攔漂后需要人力船只水面清漂、轉(zhuǎn)運，不僅效率低、安全風險高，且若聚集漂浮物得不到及時清理，會逐漸下沉形成潛懸物，將進一步影響電站攔污柵清理。漂浮物爆發(fā)期間，壩前流態(tài)紊亂，荷載變化復雜，排體擺動，穩(wěn)定性差，排體將水力荷載擴大為軸線端點集中受力，限制排端升降易致排體損毀。河道斷面設置的通長排體斷航，無自身水上交通，不便于應急處理，管理困難。

柔性攔漂排問題主要表現(xiàn)在不適應漂浮物特性，未協(xié)調(diào)好水力關(guān)系，三峽上游隔流堤攔漂圍欄、電源電站前的攔漂浮排、葛洲壩二江電站攔漂排都存在類似間題。

3.3 人力船只清漂

在緩流和平靜水域，用人力船只清漂具有靈活、機動的優(yōu)勢，但受氣象、流態(tài)、自身條件等限制，實際運用中也存在明顯問題。在流動水域，采用人力船只清漂無法與來漂同步，不足以應對全天候多變、復雜、突擊清理的需要，無法及時清理大量突發(fā)漂浮物，不利于責任劃分和管理。專業(yè)大型清漂船需配置專用碼頭和運輸船只，設施投資大，一般在汛期運行年利用效率低，運行費用及維護成本高。簡單的人力船只清漂存在自身安全風險，增加漂浮物轉(zhuǎn)運工作量。

4 漂浮物特性研究

河道漂浮物的產(chǎn)生和匯集是水動力作用下的篩選過程，與雨洪關(guān)系密切，水庫蓄水期間漂浮物顯著增加。漂浮物具有多重特性：①漂浮。漂浮物的總體密度小于水的密度，自然流動過程中，一般吃水深度小于0.5m。②流動、分散、聚集。河道漂浮物運移受水流、風力、行船、支流等影響，受河勢及岸邊條件控制，隨主流漂移。漂浮物在有些河段偏向一側(cè)流動，易在回水區(qū)、碼頭、壩前及攔截區(qū)聚集，聚集深度與攔截設施結(jié)構(gòu)類型、流速等有關(guān)。③組成復雜。漂浮物?；祀s各類垃圾、樹木、雜草、船只、泡沫等，裹挾石塊、金屬塊等，形狀、長短、粗細不一，成分與地域、季節(jié)有關(guān)系。④下沉、潛浮。一些漂浮物在浸泡過程中下沉懸浮，下潛特性與種類、時間、流速、流態(tài)等相關(guān)，流速超過3m/s對漂浮物參混作用較強。⑤纏繞、腐爛。漂浮物相互擠壓牽連纏繞，動植物類漂浮物在水面堆積后易腐爛。

未及時清理的漂浮物吸水飽和后形成潛懸物。潛懸物密度接近水體密度，在過流斷面隨機分布，沿途沉積，流程與流速、種類等有關(guān)。水面攔截漂浮物設施對潛懸物失去攔截作用，盲目增加攔截結(jié)構(gòu)深度會出現(xiàn)新問題，工程附近潛浮物易造成攔污柵全斷面堵塞，使得水下清理愈發(fā)困難。通過觀察三峽庫區(qū)岸邊靜水區(qū)聚集漂浮物，1d自然減少約10%，7d后水面主要剩余泡沫、水浮植物等，拍打水面、擾動或翻動聚集漂浮物都會加速其下沉。由此可見，柔性攔漂排及攔污柵簡單攔漂、清漂都會產(chǎn)生大量潛懸物和沉積物，加劇攔污柵堵塞，沉積物累積影響工程附近水下環(huán)境，還可能堵塞附近排沙孔進口。以往研究這些問題較少，提出的措施針對性不強。

漂浮物、潛懸物的發(fā)生運行、數(shù)量組成、時空分布等方面都具有隨機性和不確定性，要求處理漂浮物的方式安全實用、長效可控、靈活便捷。

5 三峽水力一體治漂研究

現(xiàn)有治漂方式對漂浮物特性及規(guī)律認識不足，工程設計和運行管理缺少規(guī)范依據(jù)，各環(huán)節(jié)相互獨立，治理過程未充分發(fā)揮水力作用，過多依靠人力和機械設施，易出現(xiàn)兜漂、逃漂、漏漂、沉漂、毀壞、翻轉(zhuǎn)、卡阻、堵塞等現(xiàn)象，不能在過程中聯(lián)合運行，不利于實現(xiàn)長期穩(wěn)定的治漂效果。漂浮物復雜特性決定治漂是系統(tǒng)工程，措施應具有針對性，大量清漂工作不應局限在關(guān)鍵水域或攔污柵前。

三峽庫區(qū)清漂需要采取多種模式。建立因勢利導水力一體化治漂樞紐，與沿途分散保潔清漂方式相結(jié)合，在過程中利用水力攔、導、集（臨時）、清（運、拖、吊）一體化以點控線集中高效治理漂浮物，可減輕人力船只清漂壓力。

5.1 三峽庫區(qū)河勢

三峽庫區(qū)河道長約600km，自西向東彎曲，寬窄相間，穿越城鎮(zhèn)、山陵和峽谷，沿途眾多支流匯入，河流隨河道走勢時而順直時而曲折，水面流態(tài)時緩時急。河流漂浮物在水面漂移、分散、聚集、滯留、沉浮，大部分河道漂浮物遍布江面，在有些部位漂浮物則沿河道一側(cè)流動。

為滿足三峽庫區(qū)河道多功能需求，綜合治漂盡可能避開對城鎮(zhèn)、碼頭、樞紐關(guān)鍵水域的影響，協(xié)調(diào)航運、環(huán)境等之間的矛盾。根據(jù)漂浮物特性及治理要求，在漂浮物主要沿河道一側(cè)經(jīng)過水流狀態(tài)相對平穩(wěn)的部位設置導漂、聚漂、清漂工程樞紐，有利于明確清漂責任，促進清漂工作專業(yè)化發(fā)展和資源利用。

三峽庫區(qū)支流是是漂浮物主要來源，有效控制支流漂浮物可減輕干流清漂壓力。三峽水庫蓄水后，一些支流水流減緩，也可利用河勢特征在漂浮物匯人主流前集中定位清理;在一些具有控制性水利樞紐的支流可強化水力作用清漂，控制漂浮物下泄。

5.2 漂浮物治理與航運

三峽庫區(qū)是重要的航運通道，漂浮物堵塞航道，妨礙船閘運行，纏繞并損壞螺旋槳和航標，治理漂浮物有助于改善航運條件，也是航道建設的重要任務。不合理設置攔漂設施、大量使用船只清漂對航運安全有一定的影響。三峽庫區(qū)河道寬200～1000m，根據(jù)河道特點以及漂浮物產(chǎn)生流動規(guī)律，在寬河段、禁航區(qū)或非航線部位按內(nèi)河航道標準分段設置治漂工程樞紐，可在有效控制漂浮物過程中確保航運通暢，三峽庫區(qū)蓄水后河道中可供選擇的部位較多。

5.3 水力一體治漂

攔漂、排漂是人工干預下的自然過程，對水文等條件變化較大的工程適應性差，具體方案確定后難以改變其過程和結(jié)果。清漂是在人力、機械作用下的主動操作，改善聚漂部位可提高清漂效果;導漂則是引導漂浮物，在攔漂過程中控制漂浮物流向指定部位，有利于可控、安全、經(jīng)濟清漂或排漂，是綜合治漂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

適應清漂需要的攔漂、導漂、聚集漂浮物等措施，有利于提高工作效率，治理方式具有特殊性，水力一體治漂是優(yōu)化攔漂、導漂、清（排）漂等環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)布置及運行方式。

5.3.1 水力一體治漂浮排

在河道水流狀態(tài)穩(wěn)定、流速合適、漂浮物密集經(jīng)過的部位（非回流區(qū)等自然聚漂部位），與水流方向呈一定角度設立直線型浮排。在浮排結(jié)構(gòu)、河道水力或結(jié)構(gòu)提供水力共同作用下，經(jīng)多工程不同布置形式水力學模型試驗研究得出，在過程中將流動、分散漂浮物引導至合適部位（岸邊、排漂孔等）集中處理，可獲得集成治漂效果。相關(guān)水力學模型試驗見圖3。

為驗證試驗研究成果，在三峽木魚島水域進行原型檢驗，見圖4。三峽水力一體治漂試驗浮排是根據(jù)水流條件及治漂實際需要，經(jīng)水力、重力、浮力平衡計算、模型試驗，對其安全性、經(jīng)濟性和實用性進行反復研究比較。

與柔性攔漂排相比較，水力一體治漂浮排具有如下技術(shù)優(yōu)點[2]：

（1）適應漂浮物規(guī)律。充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)調(diào)控作用，增強河流水力導漂能力，自然水力不足時利用自身水力導漂，過程中攔截、引導漂浮物，為集中可控清（排、運）漂提供前提條件。

（2）結(jié)構(gòu)安全、可靠，功能實用。浮排具有一定的調(diào)節(jié)范圍和靈活處理能力，適應水文、漂浮物變化的復雜水面環(huán)境。各節(jié)浮排由相應水下錨獨立定位，連接錨纜直接承擔水力，排體縱向軸線受力小，適應流速范圍較大，可實現(xiàn)及時導漂，避免排前聚漂，減輕漂浮物擠壓荷載。水上浮橋便于處理突發(fā)事件，可兼作監(jiān)控、檢測平臺。

（3）經(jīng)濟高效。清漂過程中充分發(fā)揮水力作用，樞紐排漂充分利用水能，減少了中間環(huán)節(jié)和人工干預，代替了人力船只清漂方式。

（4）設施構(gòu)造簡單，功能明了且實用。受環(huán)境影響小，兼顧日常保潔和應急搶險需要，運行方便可靠，維護易行。

5.3.2 浮閘水力一體清漂網(wǎng)箱研究

根據(jù)三峽庫區(qū)水力一體治漂浮排與船只聯(lián)合運行的經(jīng)驗，參照船閘運行方式，在浮排聚集漂浮物的部位設置浮閘水力清漂網(wǎng)箱（架），漂浮物在水力作用下進人閘室網(wǎng)內(nèi)聚集，達到一定量后關(guān)閉進口網(wǎng)閘，由船只從水面拖運或岸邊吊運漂浮物，實現(xiàn)天然一體高效治漂，減輕人力船只清漂壓力。

水力治漂浮閘網(wǎng)箱具有適應漂浮物流動、組成復雜的特性。網(wǎng)內(nèi)聚漂可避免漂浮物下沉漏漂等問題，抽屜式集漂網(wǎng)閘（袋）運用簡便，可一次性處理大量不同種類、不同規(guī)格的漂浮物，適合在水上集中拖運以及上岸可減少中間繁瑣操作，減少或避免專業(yè)船只清漂。設施還可結(jié)合泄水建筑物集中排漂，減少耗水量。

三峽壩前水深較深，庫區(qū)水面寬闊，氣象、水文條件極端，漂浮物量大、組成多樣，水力一體治漂浮排運用期間經(jīng)歷的最大來水流量達到55 000m³/s，水位總變幅約30m，最大日變幅3.8m，水面最大風力約10級，攔截物中包括大量長度近20m的樹木、竹叢以及2艘自重約400t的失控船只等，該設施為應急搶救提供了便利條件。經(jīng)應用檢驗表明，水力一體治漂浮排在攔截漂浮物過程中可為水利樞紐預防失控船只等構(gòu)建水面安全防線。

6 結(jié)語

三峽庫區(qū)清漂應充分發(fā)揮河流動力作用，節(jié)省人力和機械力。利用河道漂浮物特性及產(chǎn)生規(guī)律、運動條件，結(jié)合三峽庫區(qū)河道特點合理規(guī)劃以利用河勢水力，開展綜合治理研究，以點控線建立水力一體化治漂樞紐，輔助人力船只清漂工作，有利于改善庫區(qū)治漂方式，降低漂浮物對下游樞紐或關(guān)鍵水域的影響，保護壩前水面環(huán)境，為庫區(qū)形成長效治漂機制提供技術(shù)保障。

經(jīng)試驗及實用檢驗，在適當部位合理布置水力一體治漂浮排與水力清漂浮閘箱（架）等設施，因勢利導利用水力一體攔、導、集（臨時）、清（排、運）漂，可在過程中控制漂浮物，避免大量聚漂，減少潛懸物產(chǎn)生，運行時減少專業(yè)人工船只清漂，漂浮物集中上岸有利于資源利用。

為改善長江中上游特大型水利工程庫區(qū)被動、低效清漂，提升工程綜合效益，可在三峽、向家壩或其他需要長期清漂的工程庫區(qū)非航道部位、典型支流開展技術(shù)試點示范應用。根據(jù)實際檢驗效果不斷改進推廣水力一體化治漂技術(shù)和方式，可為河道、渠道、水庫、電站（包括核電站）、水閘、泵站、水廠等各類水利水電工程解決漂浮物難題提供新的高效治理方式。

參考文獻：

[1]蔡瑩，楊偉，黃國兵.水力一體化治漂與樞紐庫面安防系統(tǒng)研究及實施[J].水利水電技術(shù)，2017，48（11）：168-173.

[2]蔡瑩，謝學倫，黃國兵.浮橋式治漂浮排在三峽壩前的應用研究與實踐[J].長江科學院院報，2016，33（10）：63-66.

（編輯：李曉濛）

收稿日期：2019-09-30

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目“長江上中游特大水利樞紐調(diào)控與安全運行技術(shù)研究”專題“樞紐庫面攔排漂及安防技術(shù)與裝備研發(fā)”（2016YFC0401900）

作者簡介：蔡瑩，男，高級工程師，主要從事工程水力學及水力一體化漂浮物治理研究工作。E-mail：583547969@qq.com