國際水電會議泥沙治理經(jīng)驗探討

[] G.W.

隨著全球水庫庫容的凈減少，目前人均水庫庫容量僅相當(dāng)于1965年的水平，泥沙淤積成為一個世界性難題。由于泥沙淤積而導(dǎo)致的庫容減少量要比新建水庫所增加的庫容量多。泥沙淤積造成的庫容損耗降低了水電供應(yīng)的可靠性，且氣候變化還使這種不利影響進(jìn)一步加劇。相關(guān)專業(yè)人士已經(jīng)意識到問題的重要性，在瑞士蒙特勒舉行的2016國際水電會議上所提交論文的主題范圍和數(shù)量也印證了這一點。

水吸，即利用重力來去除沉積泥沙，這一概念的成功應(yīng)用令人鼓舞。一些與會發(fā)言者引用了水吸概念的應(yīng)用實例，如沉沙池的維護(hù)和水庫80 m深處的泥沙清淤等，并進(jìn)行了討論。其他發(fā)言者則討論并證明了利用傳統(tǒng)沉沙池成功去除泥沙的技術(shù)，以及不用傳統(tǒng)沉沙池去除泥沙的替代方法。

監(jiān)測方面的論文包括空間監(jiān)測、河流泥沙地面監(jiān)測技術(shù)等。報告也涵蓋了跨邊界和環(huán)境方面的擔(dān)憂，以及排沙操作的規(guī)劃、執(zhí)行和監(jiān)測等。水電站進(jìn)水口上游除沙引發(fā)了關(guān)于設(shè)計理念的討論。

兩篇關(guān)于維爾博(Verbois)水庫排沙的文章介紹了在遵守法律和環(huán)境要求，且符合國際性協(xié)議的前提下，清除水庫淤積的大量泥沙，降低了日內(nèi)瓦遭受洪災(zāi)的風(fēng)險，取得了良好的社會效益。文章還涉及了異重流泄流的問題，表明在實際中，尤其是在某些大型水庫中，已經(jīng)得到成功應(yīng)用。目前，正在通過進(jìn)一步研究推廣該技術(shù)。

1 監(jiān)測方法

法國羅訥公司(Compagnie Nationaledu Rhone)的G.皮耶爾雷弗(G.Pierrefeu)發(fā)表了一篇題為“泥沙治理過程中羅訥河懸沙濃度的多方法監(jiān)測”的文章。2016年5月，在泥沙治理過程中,測量了羅訥河上游的懸沙濃度(SSC)。對沿法國-瑞士邊境下游100 km河段分布的14個測點的SSC值進(jìn)行了連續(xù)10 d的監(jiān)測。為了測試不同方法的性能，同時應(yīng)用了7種不同方法測量熱尼西亞(Genissiat)大壩下游出口處泥沙，包括濁度儀法、輻射密度計(X射線和γ射線)法、科氏力質(zhì)量流量計(CFDM)法、微波水分分析儀法、比重瓶法和過濾法。

從精度、維護(hù)、校準(zhǔn)要求和價格等方面對儀器進(jìn)行了比較。只有多種測量方法同時使用，才能對設(shè)備的準(zhǔn)確性和實際使用的限制進(jìn)行比較。

研究為泥沙治理的基礎(chǔ)設(shè)施操作員和其他專業(yè)人員提供了技術(shù)指導(dǎo)。在所測試的設(shè)備中，CFDM尤為出眾，能夠在所有觀測濃度范圍內(nèi)提供可靠的數(shù)據(jù)。但與其他測量設(shè)備相比，校準(zhǔn)和維護(hù)能力較差。未經(jīng)調(diào)整的連續(xù)測量精度可達(dá)±20%，最小感應(yīng)值為1 g/L。將來希望能夠根據(jù)參考數(shù)據(jù)進(jìn)行實時調(diào)整策略以提高精度，同時最大限度地減少手動測量(比重瓶、過濾法)和抽水電路監(jiān)控所需要的人力資源。

來自德國EOMAP公司的T.黑格(T.Heege)討論了“基于空間的水庫泥沙平衡和水質(zhì)監(jiān)測”，闡述了一種利用空間數(shù)據(jù)來建立水庫沉積泥沙分布的可能途徑。他使用30a以上定期記錄的歷史衛(wèi)星數(shù)據(jù)及濁度估值，預(yù)測水庫的沉沙效能。圖1為該方法預(yù)測實例之一。通過測深勘察校準(zhǔn)、沉積泥沙分布估計以及利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)對沉沙率實測值進(jìn)行校準(zhǔn)，可以進(jìn)一步完善黑格的方法。

圖1 索布拉迪紐(Sobradinho)水庫泥沙分布估計

對該方法進(jìn)行完善之后，可以得到水庫泥沙沉積導(dǎo)致庫容損失的有效信息。然而，值得注意的是濁度測量并非總能準(zhǔn)確反映含沙量。

2 國際法律、環(huán)境和社會影響

法國羅訥公司S.雷諾(S.Reynaud)發(fā)表了一篇題為“基于跨界合作的羅訥河上游泥沙淤積治理”的文章。

河流尺度的泥沙治理，特別是跨界河流，因涉及多個利益相關(guān)者而尤顯復(fù)雜。必須克服法律、行政、技術(shù)和文化上的差異，并進(jìn)行一定的妥協(xié)。歐洲羅訥河發(fā)源于瑞士，流經(jīng)日內(nèi)瓦并進(jìn)入法國，因此，代表兩國政府的CNR公司(法國)和SIG公司(瑞士)需要共同承擔(dān)責(zé)任。20世紀(jì)40～70年代末期間，兩國合作并不理想，對環(huán)境造成了諸多不利影響。1978年，惡劣的環(huán)境影響致使法國設(shè)定了最大含沙量限制并加強(qiáng)了監(jiān)測，緊接著法-瑞兩國增強(qiáng)了合作，并最終基于多準(zhǔn)則分析確定了整治方案。作為測試，2016年羅訥河利益相關(guān)者首次采用新的泥沙治理方式實施水庫減淤。2016年5月，法-瑞兩國通過聯(lián)合治理，成功清除了羅訥河上游的大量淤積泥沙，維爾博水庫排沙量達(dá)130萬t，使日內(nèi)瓦的洪水災(zāi)害風(fēng)險降低至可接受的水平。

瑞士“水-愿景”(AquaVision)公司的E. 博拉爾(E.Bollaert)做了題為“維爾博水庫加壓沖刷：環(huán)保型沖沙的首次應(yīng)用”的報告。博拉爾探討了瑞士日內(nèi)瓦下游維爾博大壩第一次實施加壓沖沙的結(jié)果，介紹了沖沙操作程序，并通過二維數(shù)值模擬水庫形態(tài)來對該方法進(jìn)行優(yōu)化運用。

通過數(shù)值模擬進(jìn)行優(yōu)化，在羅訥河下游懸沙濃度的環(huán)境限制條件下，可以達(dá)到用水量最小且沖沙量最大的理想要求。同時，將此次加壓沖刷的水沙體積和懸沙濃度測值與數(shù)值模擬預(yù)測值進(jìn)行比較。博拉爾將此次加壓沖刷與1945年以來的傳統(tǒng)無壓水流沖刷效果進(jìn)行對比，指出了加壓沖刷在水庫形態(tài)和生態(tài)影響方面的優(yōu)缺點。

3 有/無沉沙池的泥沙治理

瑞士ETH公司(ETHZurich)的C.貝克(C.Beck)提交了一篇關(guān)于巴基斯坦帕特靈(Patrind)水電項目的文章，介紹了通過物理模型方法優(yōu)化泥沙治理概念。貝克表示，如果場地條件允許，可以利用徑流式電站上游的水庫作為沉沙池，從而節(jié)省可觀的建設(shè)成本。利用一條導(dǎo)流隧道來分流入庫洪水中的泥沙。除了節(jié)省建設(shè)成本外，該方案還能長期保持興利庫容。電站布置圖(見圖2)顯示，該方案不使用沉沙池。帕特靈電站裝機(jī)容量150MW，介紹了物理模型試驗的主要結(jié)果，以及初始方案存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)。該方案旨在使水庫保持充足的防洪庫容。模型試驗表明，初始方案將使大量泥沙淤積在庫首，由于河流中存在的喜馬拉雅沉積物，其質(zhì)地可能導(dǎo)致磨損問題。

圖2 帕特靈電站布置

為了使水庫長期的興利庫容最大化，制定了合理的運行方案，包括洪水期間停止發(fā)電，水庫排水沖走大量泥沙。因此洪水期間大量泥沙通過導(dǎo)流隧洞轉(zhuǎn)移到大壩下游。模型研究表明，這一運行方案可以明顯減少泥沙淤積，保持壩上游水庫發(fā)揮較高的沉沙效能。

來自挪威Sedicon公司的T. 杰克布森(T.Jacobsen)在他題為“SediCon系統(tǒng)在厄瓜多爾的厄科卡科多-辛克雷(COCA CODO-SINCLAIR)和阿爾巴尼亞巴尼亞(Banja)大壩的應(yīng)用”一文中，提出了以重力為驅(qū)動力從沉沙池和水庫中清除淤積泥沙的方法。

厄瓜多爾的科卡科多-辛克雷水電站裝機(jī)容量1 500MW,年發(fā)電量8 631 GWh，是世界上最大的高水頭徑流式電站之一。事實上該電站沒有沉沙池，而是利用620 m的水頭和8臺除沙器(每臺長150 m，寬13 m)消淤。水流經(jīng)除沙器處理后，以222 m3/s的設(shè)計流量進(jìn)入一條長 24.79 km的引水隧洞。T.杰克布森探討了相關(guān)施工經(jīng)驗和Sedicon研發(fā)的獨特方法，處理關(guān)閉出口閘門時經(jīng)常遇到的碎屑和泥沙問題。他還介紹了監(jiān)測系統(tǒng)、操作系統(tǒng)和沖沙方面的經(jīng)驗。

瑞士泥沙技術(shù)有限公司的F.波米(F.Pomi)發(fā)表了題為“主動性泥沙治理：瑞士及世界各地60 a治理經(jīng)驗”的報告，著重介紹了在水流進(jìn)入壓力管道發(fā)電之前利用沉沙池技術(shù)排沙。波米介紹了瑞士60多年的泥沙治理經(jīng)驗。與其他系統(tǒng)相比，一個基于垂直開挖的沉沙池排沙系統(tǒng)能夠節(jié)約更多的成本。

會議期間的相關(guān)討論表明，沉沙池往往建設(shè)成本較高，可以考慮用C.貝克所推薦的系統(tǒng)作為替代。然而，實施相關(guān)的設(shè)計和操作方法需要適宜的場地條件。

4 水庫除沙

T.杰克布森探討了利用水吸裝置去除水庫淤積泥沙，這一點尤其值得關(guān)注。他認(rèn)為，SediCon疏浚系統(tǒng)使用了重力作為“燃料”(見圖3)，可以有效去除水庫深處淤積的泥沙。他還介紹了鉆管的安裝，要將HOPE吸管穿過其中，并總結(jié)了其他設(shè)計和施工方面的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用已得到廣泛認(rèn)可，尤其系統(tǒng)中特殊設(shè)計的吸頭。

圖3 SediCon疏浚系統(tǒng)的組成

來自德國DB泥沙公司的L.布魯森科特(Bolsenkotter)提交了題為“泥沙治理實踐”的文章，討論了德特林博士(Dr.Detering)多年前提出的泥沙治理概念。L.布魯森科特認(rèn)為，通過向水庫下游排泄泥沙來維持壩下游河流的水沙平衡，使含沙量控制在可以接受的范圍，以保持生物多樣性并保護(hù)河流生態(tài)，并盡可能降低對水庫運行和管理的不利影響。在連續(xù)輸沙過程中(見圖4)，將定量的泥沙轉(zhuǎn)移到下游河段。為了確定向下游河道的輸沙量，需要分析水文條件和輸沙能力，向下游排泄的泥沙不應(yīng)超過河流的輸沙能力，以避免水體中泥沙超過最高臨界含沙量。

圖4 連續(xù)輸沙過程

一些魚類在基底系統(tǒng)的孔隙中產(chǎn)卵。細(xì)顆粒泥沙的淤積會導(dǎo)致孔隙堵塞，從而對這些物種造成不利影響。通過對生態(tài)學(xué)的進(jìn)一步研究，在輸沙過程中會考慮相關(guān)物種的特性和生活習(xí)慣，以避免不利影響。水庫的淤積泥沙會不斷以特定方式輸移，并最終隨水體一起輸移至下游合適區(qū)域，同時不超過河流輸沙能力。

瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的J.N.費爾南德斯(Fernandes)討論了“兩個高原水庫水位降低時的懸沙濃度與渦輪磨損”，水庫泥沙治理考慮采用動力水道泄沙。研究預(yù)測高含沙濃度下的水輪機(jī)磨損的方法，通過監(jiān)測流經(jīng)水輪機(jī)水流的含沙量來測定轉(zhuǎn)輪磨損度。在考恩(Kaunertal)河谷和翰德克(Handeck)大壩進(jìn)行的相關(guān)測試發(fā)現(xiàn)，高含沙水流對考恩河谷大壩造成了相當(dāng)大的侵蝕，而且即使含沙量較低也會導(dǎo)致輕微破壞。

來自瑞士斯塔基(Stucky)的M.L.里貝羅(Ribeiro)做了題為“水庫泥沙治理：水庫防淤清淤實用指南”的報告。M.L.里貝羅從整體上考慮當(dāng)前的泥沙治理技術(shù)，建議了一種綜合方法，包括特殊問題的分析及一系列策略的可能應(yīng)用。他提供了防止水庫淤積以及緩解淤積的實用指南，所提出的方法取決于問題的特征和所采用的技術(shù)，同時還討論了一些難以概化的局部約束條件。他強(qiáng)調(diào)每座水庫都是一個原型問題，不存在普遍適用的治理措施，需要用明確、系統(tǒng)的方法來分析具體問題。

5 異重流排泄

瑞士EPFL-LCH公司的S.查蒙(Chamoun)做了題為“排泄異重流對水庫可持續(xù)利用的重要性”的報告。異重流是洪水期間由于密度差驅(qū)動的挾沙水流。異重流進(jìn)入水庫后，除非由進(jìn)水口或出水口排空，否則水流所含泥沙都會在水庫沉積，最終會使水庫充滿泥沙并阻塞出口結(jié)構(gòu)。因此，應(yīng)在異重流所含泥沙水庫沉積之前，對異重流進(jìn)行排泄。一般是通過底孔或發(fā)電進(jìn)水口排出異重流。如果水庫在洪水期間蓄滿了水，可通過從低水位出口釋放挾沙水流來代替溢洪道下泄清水的方式排空水庫。

查蒙明確了成功實施異重流排泄的主要參數(shù)，并簡要介紹了異重流排泄在全球的應(yīng)用情況，相關(guān)參數(shù)包括流出流量以及出口位置和高度等。查蒙還介紹了所使用的儀器設(shè)備和大壩操作人員面臨的挑戰(zhàn)。