宿鴨湖水庫清淤擴容方案及效益分析

韓術生，王昕，苗惠昌

（1河南省固始縣陳淋子鎮城鄉建設和環境保護中心；2駐馬店市宿鴨湖水庫管理局）

1 工程概況

宿鴨湖水庫是一座以防洪為主，結合灌溉、發電、養殖、旅游等多項目綜合利用的大（1）型水利樞紐工程，由于為平原水庫，庫床比降緩，庫面面積大，攔庫大壩長，上游來水進入庫區后，下泄緩慢，大量泥沙沉入庫區造成庫區的淤積。水庫淤積的出現不僅影響了水庫效益的發揮，而且也造成了庫內水質曾經長期達到劣Ⅴ類的程度。為了解宿鴨湖水庫目前淤積狀況，2015年10月，進行了水下淤積測量，獲取的宿鴨湖水庫水位現狀庫容曲線與原設計對比如圖1所示。根據測量結果，水庫總淤積量約7 710萬m3。

圖1 宿鴨湖水庫水位現狀庫容曲線與原設計對比圖

2 研究方案

2.1 淤積原因

造成宿鴨湖水庫淤積的主要原因包含自然因素、人為因素、工程設施因素以及運用條件因素等。由于水庫上游水土流失嚴重，上游河道含沙量大，當汛期雨水攜帶泥沙進入庫區后，水流速度減緩，泥沙沉積在庫區，并且由于工程缺少排（沖）沙設施，北庫至泄洪閘距離較遠，淤積的泥沙難以排出，造成淤積現象不斷嚴重。此外，水庫淤積速度與運用方式密切相關，根據計算，水庫排沙1 m3需耗水1 020 m3，而由于每年第一場洪水來臨時庫水位最低，且第一場洪水含沙量最大，導致水庫沒有足夠的水用于排沙，經年累積，淤積加劇。除了工程本身的問題以外，水庫上游及周邊地區多為村莊，耕種區域緊隨水位降落區域變化，將原有河道改為耕地，使得河道原有的植被和卵石層被破壞，引發水土流失，徑流攜帶泥沙進入水庫庫區。

2.2 清淤必要性

由于宿鴨湖水庫是汝河下游河道的補充水源，水庫水質富營養化污染嚴重，直接影響汝河下游河道的生態環境。現狀水庫水質污染嚴重，下放基流將影響下游河道生態。宿鴨湖水庫設計之初沒有城市供水任務，隨著經濟社會的發展，需水量不斷增加，缺水問題日益突出。驛城區、上蔡縣距宿鴨湖水庫上游來水年內分配不均、年際變化大，水庫來水集中在汛期6-9月，最大年徑流量是最小年徑流量的33倍。現狀水庫在滿足下放生態基流和城市供水要求后，灌區灌溉保證率為49.20%，不滿足要求；水庫不清淤，再運行50 a 后，灌溉保證率僅為12.30%，極低，將嚴重影響灌溉效益。水庫不能同時滿足灌區灌溉、下放河道生態基流和城市供水的用水要求。隨著淤積物的逐年增加，水庫的興利效益將逐漸降低。

由于上游生活污水污染、水庫周邊耕種污染、人工養殖等原因，加上水庫水深較淺、水體自凈能力較差，水庫水污染嚴重。正常蓄水位根據2016年和2017年的監測結果，雖然宿鴨湖水庫水質類別仍為劣Ⅴ類，但超標的污染指標總磷（2016年為3.80，2017年為3.30）、石油類、高錳酸鹽指數等數值在降低，說明隨著上游來水的逐步治理，庫區水質在改善，但水質污染程度的根本改變仍需要采取系統的工程及管理措施。現狀水庫水質污染嚴重，不能滿足灌溉、河道生態基流和供水對水質的要求。

2.3 清淤擴容方案

水庫50.34 m 高程修圍堰擋水后，50.34～51.84 m采用陸地法施工，50.34 m 高程以下采用水下法施工。陸地法清淤擴容施工采用2 m3挖掘機15～20 t自卸汽車運輸至規劃堆土位置堆放；水下施工采用環保式絞吸式挖泥船施工。壩后淤泥堆填區考慮分4層填筑，每層設排水砂帶。自庫區西側的濕地巡護開始，對庫內進行清淤擴挖。經挖填平衡后，其中興利庫容擴容5 311萬m3。

2.3.1 淤積測量與分析

根據2015年實測水庫淤積深度等值線圖（圖2），結合庫區地形等高線分布，計算出宿鴨湖水庫庫區實際淤積量見表1，淤積總量7 710 萬m3。興利水位以下淤積7 394 萬m3，其中死水位以下淤積量為3 834 萬m3，占淤積總量的49.73%，死水位至興利水位之間淤積3 560 萬m3，占淤積量的46.17%；興利水位以上淤積316萬m3，占淤積總量的4.10%。從宿鴨湖水庫淤積分布情況看，泥沙主要淤積在死庫容，部分淤積在興利庫容，與鄰近其它水庫的淤積分布情況類似。

2.3.2 庫區淤泥處理方案

2.3.2.1 人工島

結合宿鴨湖組團規劃，為減少土方外運，利用水庫開挖土方進行堆島，形成島體的大致輪廓，開挖料運至堆島區后需進行碾壓，以保證島體的穩定性。

人工島位置盡量避開入口河道及已有的建設，結合當地歷史文化變遷，適當考慮景觀效果，使三個人工島嶼遙相呼應。人工島高度為設計邊坡最陡處為1∶5，根據島體形態不同，設置上島道路。

堆土造島產生的主要作用效應為：堆土場地在堆土荷載作用下，可引起地基土壓縮固結，產生沉降但下伏第②層重粉質壤土及第③層粉質黏土分布穩定，巖性單一，地基土沉降為均勻沉降。同時堆島分布于庫中，周邊無任何建筑物，沉降對周邊環境影響不大。

圖2 實際兩側的水庫淤積深度等值線圖

表1 庫區實測淤積量計算表

人工島嶼共堆建3 座，堆高37 m，共堆筑土方1 222 萬m3。填筑島嶼位置盡量避開入口河道，并適當考慮景觀效果，使三個島嶼遙相呼應。

填料：人工島填筑時首先對人工島基礎進行清基。根據施工組織，填筑時應分層堆砌，將開挖出來的水上土方堆砌島基礎部分。堆島填料壓實度≥0.98。

島體排水設計：降雨時，雨水滲漏進島體，會降低堆島體土體強度指標，邊坡安全系數降低，做好堆島體排水，對邊坡穩定、工程安全尤為重要。為迅速排走雨水，保證堆島土體邊坡穩定，在島體頂部設縱向排水溝，在島體周圍每50 m設一條橫向排水溝，采用寬0.20 m、深0.30 m的預制C20混凝土U型渠，將雨水導入水庫內。

2.3.2.2 壩后淤泥堆填

根據工程總體布置，庫區清除的淤泥全部排向大壩下游，淤泥經自然固化后，結合當地規劃利用。排泥之前，先將排泥區基面腐殖土清除，并選擇合適區域臨時堆存，用于后期淤區頂部和圍堰外側邊坡綠化或復耕。為了避免壩后排泥對大壩下游導滲系統的影響，將淤區導滲溝改為暗排。為了保證宿鴨湖大壩的安全，避免淤泥對下游壩坡浸泡的影響，對下游壩坡進行處理。首先清除下游壩坡腐殖土層及草皮、植物根莖等雜物，接著鋪設土工膜。為了不影響整個工程的工期，加速淤泥固化，在淤區底部設一層中粗砂，砂層一直延伸到圍堰外側，圍堰外側砂層出露部位設碎石反濾層。

圍堰填至一定高程后即可向淤區里面抽排淤泥，自然固化后，其頂部再設一層中粗砂，砂層與圍堰內側邊坡上的排水砂帶相接，其上可再承接抽排過來的淤泥，共抽排兩次。為加快淤泥固化速度，圍堰內縱、橫向可設一根豎向的塑料排水帶，底部與砂層相接。

3 清淤擴容效益

3.1 供水效益

宿鴨湖水庫本次清淤擴容后，死水位和興利水位保持不變，在滿足農業灌溉、下放生態基流、考慮給驛城區和上蔡縣供水，且有利于防洪的基礎上，結合水庫現狀淤積情況及開挖邊坡設計，恢復了死庫容、增加了興利庫容5 448萬m3，水庫增加的基流下泄可增加下游河道供水能力，提高供水效益。根據供水效益分攤系數估算的供水效益為13 600萬元。

供水效益分攤系數表達式如下：

式（1）中：B工—多年平均供水效益（萬元）；W—多年平均凈供水量（萬m3）；q—規劃水平年當地萬元產值耗水量38 m3/萬元；S=C水/（C水+C工）—供水效益分攤系數采用S=1.60%。

3.2 生態效益

水庫淤積問題不僅嚴重影響了水庫的興利效益，同時，庫區較大一部分面積常年水深＜2 m，近年各項水質指標中五日生化需氧量及氨氮兩項超標嚴重。已有的水質成果表明庫區水體富營養化嚴重，水質較差，生態環境破壞嚴重。

根據中科院謝高地等在參照Costanza 等研究（全球生態系統服務價值和自然資本，1997 年發表在《自然雜志》，從科學意義上明確了生態系統價值評估的原理和方法）的基礎上，修正制訂的中國陸地生態系統單位面積生態服務價值系數表，見表2，來計算本次工程的生態環境效益。經計算，工程的生態環境效益為13 300萬元，清淤工程按照50%的效益計算為6 650萬元。

表2 中國不同陸地生態系統單位面積生態服務價值表單位：元/hm2·a

3.3 國民經濟評價指標及敏感性分析

國民經濟評價指標：經濟內部收益率，經濟凈現值，效益費用比。評價指標如表3。國民經濟內部收益率為7.85%，大于社會折現率6%；經濟凈現值為82 334 萬元。經濟效益費用比為1.16，＞1，國民經濟評價指標比較優越，說明工程在經濟上是合理的。

表3 國民經濟評價指標表

投資變幅±10%，效益變幅±10%，經濟內部收益率，經濟凈現值變化如表4。

表4 國民經濟評價敏感性分析表

從敏感性分析結果可看出：當各項敏感因素發生不利于工程的變化時，經濟內部收益率均＞6%，經濟凈現值均大于零，說明工程具有一定的抗風險能力。

4 結論

由于自然因素、人為因素、工程設施不足、運用條件限制等的影響，造成了宿鴨湖水庫淤積嚴重，限制了水庫效益的發揮。清淤擴容不僅恢復了水庫庫容，增大了水庫供水能力，而且清淤工程后各項經濟效益均能得到增大。