發揮河勢水力作用 改進大型河道型水庫清漂方式

蔡瑩 溫樂天 石浩洋

摘 要：大型水利工程庫區清漂是常態任務。當前，三峽、丹江口等大型水利工程清漂主要利用人力船只在水面分散作業。大型工程漂浮物量大，水面環境復雜多變，人工打撈轉運上岸各環節獨立，管理困難，而且清漂措施對漂浮物運移規律適應不足，難以形成長期穩定效果。依據漂浮物特性規律發揮河道水力作用因勢利導，水力一體攔導集收治理漂浮物，可避免在工程關鍵部位集漂清漂，減少人力機械操作，有利于提高安全性、實用性，解決大型河道型水庫治漂短板難題。

關鍵詞：攔導集清漂；三峽；丹江口；河道型水庫；水力一體；漂浮物

中圖法分類號：TV732.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

1 概述

地表垃圾等在自然和人為因素作用下匯集于水面形成漂浮物，影響泄洪排澇、發電航運、取水調水、旅游景觀和工程形象，且污染水質，嚴重時威脅樞紐安全運行。大型綜合水利樞紐漂浮物爆發時，總量大、歷時長，對工程各方面的影響更為顯著。

水面清漂是保護工程水環境的重要措施，隨著社會對環保要求全面提升，清漂工作已逐漸成為日常任務，大型水利樞紐工程是河道清漂的關鍵部位。三峽工程蓄水初期，環保總局（現為生態環境部）提出庫區水面漂浮物清理方案，要求庫區沿途縣市對管轄河段持續開展清漂工作。丹江口水庫是南水北調水源地，為守好一庫碧水，庫區各地組織了專業清漂隊伍不間斷進行庫區清漂。2022年6月國家發改委等部門聯合發布《關于江河湖海清漂專項行動方案的通知》，要求組織開展江河湖海清漂專項行動。

當前庫區清漂主要利用人力船只在漂浮物自然聚集區分散打撈作業，轉運上岸各環節獨立。水面環境復雜多變，不可控因素多，管理困難，人工清漂難以形成長期穩定效果。漂浮物特性復雜，現有治漂方式對漂浮物運移、分布狀況及規律缺少系統研究，措施沒有充分發揮水力作用，難以滿足水利工程多方面需要，清漂是工程難題。

長江科學院對工程漂浮物治理問題進行了長期研究，依據河道工程清漂實際需要，提出利用河道河勢水力一體化攔截、引導、收集、清運漂浮物的方式，經運用檢驗，獲得主動可控治理效果，有利于改善工程痛點難點問題，河道型水庫及樞紐工程都具有運用條件。

水力一體治漂措施有攔導漂浮排、集收漂浮閘、浮槽、網柵、濾收漂網閘等實用技術設施，獲多項國家專利，并逐漸在重大工程中推廣應用，其中“水力一體攔導集收漂浮物及水面安防技術”已列入《水利部2022年水利先進實用技術重點推廣指導目錄》。

2 漂浮物特性

整體密度小于水且具有密水性的物體都有可能進入江河水體形成漂浮物，漂浮物的種類繁多。經對長江、黃河、閩江、珠江等流域漂浮物的調研表明，漂浮物規格、種類和數量與環境影響有關，漂流、聚集、分布、沉浮與流態、流速、時間等相關，在漂移過程中有些成為潛懸物，有些成為沉積物，與水相互作用過程中部分分解腐爛影響水質水環境，漂浮物對工程的影響是多種因素綜合作用的結果。

根據漂浮物產生的條件，植被綠化、社會經濟活動增強都會增加漂浮物的產量，流域面積越大、水量越豐富的河流漂浮物越多，河流水面清漂保潔是長期任務。

3 ?大型水庫清漂存在的問題

根據實際運行效果，大型水利樞紐利用人工船只打撈漂浮物，難以滿足工程和環境的需要，不能長期有效解決漂浮物問題。

三峽和丹江口庫區是典型的河道型水庫，控制流域面積廣闊，庫區路線長，漂浮物呈季節性爆發，周而復始，總量巨大。盡管三峽庫區沿途縣市與樞紐運行管理單位每年都要投入巨大人力物力清漂，仍不可避免有大量漂浮物聚集在壩前，需要進行長時間清漂，僅2020年三峽壩前清漂37.4萬m3，出動船只10 000多艘次，人員40 000多人次。同樣的問題也出現在丹江口庫區，僅2021年在庫區壩前丹江口市出動清漂人力5 200余人次、船舶3 800余艘次，清理庫區漂浮物5 800余t。近年三峽壩前清漂量見表1：

按清漂要求，庫區各地管轄河段漂浮物不過境，但在實際操作中存在困難，責任很難落實。在氣象水文條件不定的流動河道清漂難以保障效果，沿途各地一般每年清漂量約幾萬m3不等，無法確保漂浮物不過境。

漂浮物具有沉潛特性，除部分可見漂浮物被清理上岸，還有大量易忽視的下潛沉積河床。經粗略估算，每年進入三峽庫區的漂浮物總量上百萬m3，除被清理上岸可統計的外，還有一些沉積物，另外一些則通過泄洪排向下游。

人工清漂是當今社會少有的艱辛工作，清漂作業條件差，工作強度高，人員普遍老化，工作難以為繼。大型專業船只清漂需要各地重復建設專業碼頭，需要持續油料供給及各項運維保障，年運行時間有限，投資運維成本高，工作限制因素多。而且庫區長期大量人工船只分散清漂影響航道，干擾船舶通行，存在安全隱患。

針對三峽漂浮物，全國多位兩會代表多次建言獻策。2010年全國政協委員金義華呼吁重視三峽庫區漂浮物，立法保護三峽庫區及大壩；2017年全國人大代表張瓊建議盡快建立三峽庫區漂浮物打撈轉運處置及管理體系，推進漂浮物無害化處理；2019年全國政協委員童金南建議對三峽庫區漂浮物進行常態化打撈和安全處置、資源化利用；2021年全國政協委員王濟光建議健全完善長江漂浮物科學清理工作機制，及時、高效、規范地清理打撈三峽大壩壩前漂浮物，并進行資源化無害化等規范處置。

三峽和丹江口庫區地位獨特，具有相應清漂保障措施和條件，其他大多數水庫仍采用傳統低效的清理方式，急需制定合理政策并改善清漂技術。因此，有必要對當前工程清漂方式技術進行總結，尋求科學有效的綜合治理漂浮物措施。

4 水力一體治漂方式

針對當前工程清漂技術的不足，根據漂浮物的特性及運移規律，因勢利導發揮水力作用，合理設置工程設施有利于改善治理效果。長江科學院在長期研究三峽、葛洲壩等工程漂浮物治理工作中，提出水力一體攔導集（臨時）清（排運吊）治漂方式，依托國家重點研發計劃專題和長江科學院技術研轉基金項目開發“水力一體攔導排漂浮排”關鍵技術裝備，在三峽庫區木魚島水域以及黃河三門峽電站進行了實際運用檢驗，成果已在湖北漢江碾盤山水利樞紐電站和四川岷江龍溪口航電樞紐電站推廣應用。

經工程調研和水力學模型試驗研究，在河道流速適合、流態穩定部位設立水力導漂微流場，將漂浮物引導至合適的部位聚集清理，實現水力一體攔導集收治理漂浮物。與傳統的柔性攔漂排攔漂集漂清漂方式的區別在于，不是在天然直觀的漂浮物聚集區或回流區，而是在漂浮物密集經過的水域采取措施，充分發揮河流水力引導作用，實現主動可控攔導集收排清運作業一體化。實際運用中，應結合岸邊交通轉運、堆場處置等綜合規劃，河道型水庫一般都具有相應條件。

4.1 水力學模型試驗

根據水力學模型條件并結合工程實際治漂需要，開展了多方案系列水力一體治漂方式試驗研究，探索改善治漂措施。水力一體治漂技術包括浮排、浮閘、網柵、排濾收漂閘等措施，措施運用應結合工程布置、水文條件、工程調度運行、漂浮物情況和治理要求進行全面專業研究，合理組合設置（見圖1、圖2、圖3）。

4.2 技術裝備現場試驗檢驗及應用

為檢驗水力學模型試驗研究成果，從安全耐久、功能實用、經濟維護等方面進行綜合分析比較，進一步研發設計水力一體攔導漂浮排關鍵裝備，分別在長江三峽、黃河三門峽開展實際運用檢驗（見圖4、圖5）。

經檢驗，在流態穩定、流速3 m/s以內、漂浮物易集中流經的水域，設施具有預期的水力一體攔導聚收（排）漂效果，運用中減少人工干預，降低漂浮物下沉量，設施傳力方式更合理，安全系數高，兼顧了水面交通、輔助應急、工作平臺等實用功能。設施適應大水位及岸邊地形變化，具有一定的調控能力，浮排水面形態、攔導漂板深度可調節，可實現主動攔導集排漂效果，主要性能指標可測可控，可為重點水域構建水面安防屏障。

4.2.1 漢江碾盤山電站攔導漂浮排

漢江水草等漂浮物較多，已建的王甫洲、崔家營、興隆電站及引江濟漢倒虹吸等都直接受到影響，傳統清漂措施運行困難多，處理漂浮物經常需要應急搶險。依據碾盤山電站建筑物布置、水流狀態、樞紐調度、漂浮物狀況等，經綜合比較，在電站引水渠采取“水力一體攔導漂排”方式一體化攔截引導排泄漂浮物，更有利于電站安全運行。工程設施現已安裝就位投入運行（見圖6）。

碾盤山電站攔漂排在水面呈直線狀態，在攔截漂浮物過程中利用水流向泄水閘一側導漂，適時泄水發揮排漂效果。設施適應工程水流條件、漂浮物爆發、漂浮物組成等不確定性，攔漂排的形態、攔污柵吃水深度可以調節，操作靈活。根據電站枯水期、滿發期、不運行期等典型工況，可輔以人工等多種方式，為優化運行效果預留了有利條件。

4.2.2 岷江龍溪口電站攔導漂浮排與集收漂浮閘

根據岷江漂浮物特點和樞紐電站引水渠布置，經論證比較，采用水力一體攔導漂浮排和集收漂浮閘相結合的方式治理電站漂浮物，工程部分水下定位基礎現已施工完成，即將進行主體結構制造安裝（見圖7）。

設施運行過程中，利用水流和浮排共同作用，將攔截的漂浮物導向泄水閘一側的集收漂浮閘，在泄水閘不泄水期間，適時循環收集更換集收漂浮閘內的網袋，在水面將收集漂浮物的網袋拖至1#泄水閘前，經泄水閘門機將網袋起吊上壩，實現攔導集收清一體化大量高效清理作業。工程泄水期間可打開集收漂浮閘，利用泄水實現水力一體攔導排漂效果，避免在電站進流通道聚集沉漏漂浮物。措施具有多方面運用功能效果，具有一定調節能力，可與水流條件、岸邊地形變化相協調，減少了人力機械中間操作環節，整體安全性能高，節省工程投資和運行成本，易于維護。

4.3 大型庫區水力一體清漂方式

大型綜合性水利樞紐工程漂浮物多發爆發，危害工程運行，應及時高效清漂，當前清漂模式難以達到要求，根據成果進行合理規劃可有效改善樞紐壩前漂浮物狀況。三峽工程蓄水后形成長約600 km河道型水庫，在河勢、支流、風力、行船等作用下，漂浮物流動過程中在某些河段沿河道一側或靠岸漂流，在滿足內河航道標準要求前提下，利用河勢在主河道或支流水面流態穩定、流速合適的部位設置水力一體攔導集清漂樞紐，以點控線，在過程中及時處理漂浮物，可減少漏沉漂，減輕人力船只清理難度，降低運行維護成本，實現資源集中利用，為引江補漢進水口等庫區工程解決漂浮物提供更優方案。與三峽庫區相比，丹江口水庫的一些部位水面流態、流速及庫型更具有水力一體治漂優勢，結合漢江和丹江庫區以及陶岔取水口的河勢及水力條件，與適當輔助設施結合可以及時攔截和處理潛懸物，避免魚類等水生動植物從渠首進入輸水渠道。

5 結語

漂浮物影響大型水利工程多方面的功能效益，庫區水面清漂保潔是一項重要工作，社會關注程度高。三峽、丹江口等大型水利工程庫區已實現常態化清漂。目前主要是在河道及壩前的漂浮物聚集區采用傳統的人工船只機械分散打撈轉運，清漂操作難度大，限制因素多，實際效果不佳，現有處理方式與漂浮物規律特性不相適應，改進清漂方式具有重要意義。

根據研究成果，利用河勢水力條件合理設置必要的工程措施，水力一體攔截引導收集清理漂浮物，經實際運用檢驗可實現高效清理漂浮物，有利于改善水環境及通航條件，促進漂浮物資源集中利用，提高樞紐及關鍵水域安全性，具有多方面效益。

我國各類河道型水庫多，水面清漂保潔工作量大，結合已有工程運用經驗，在大型河道型水庫合適部位利用河勢水流條件建設水力一體攔截引導收集清理漂浮物設施，建設及運營成本低見效快，可為建立長效清漂機制提供有力技術支撐。

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Improving the Approach of Cleaning Floating Debris in Large Channel-type Reservoirs Based on Hydraulic Function of River Regime

CAI Ying1，WEN Letian2，SHI Haoyang1

（1.Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2. China South-to-North Water Diversion Middle Route Co.，Ltd.，Beijing 100038，China）

Abstract：Cleaning the floating debris in reservoir of large water conservancy projects is a normal task. At present，the cleaning in large projects such as the Three Gorges and Danjiangkou reservoirs mainly relies on manpower and boats on the water surface. The cleaning result is hardly long-lasting or stable because of large amount of floating debris，complex and changeable environment，and independent links of manual refloatation and transfer，and more importantly，the cleaning method does not adapt to the transport regularities of floating debris. In view of this，to make best use of the circumstances，we propose an integrated method involving blocking，hydraulic diversion，and collection of floating debris by giving full play of the rivers hydraulic characteristics. The method avoids the collection of floating debris at key parts of the project，reduces the operation of manpower and mechanical operation，improves safety and practicability，and is expected to resolve the problem of floating debris in large river-type reservoirs.

Key words：blocking，collecting and clearing of floating debris；Three Gorges；Danjiangkou；river-type reservoir；hydraulic integration；floating debris