发挥河势水力作用改进大型河道型水库清漂方式 蔡莹 温乐天 石浩洋摘 要：大型水利工程庫区清漂是常态任务当前，三峡、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业大型工程漂浮物量大，水面环境复杂多变，人工打捞转运上岸各环节独立，管理困难，而且清漂措施对漂浮物运移规律适应不足，难以形成长期稳定效果依据漂浮物特性规律发挥河道水力作用因势利导，水力一体拦导集收治理漂浮物，可避免在工程关键部位集漂清漂，减少人力机械操作，有利于提高安全性、实用性，解决大型河道型水库治漂短板难题Key：拦导集清漂；三峡；丹江口；河道型水库；水力一体；漂浮物中图法分类号：TV732.2 文献标志码：A1 概述地表垃圾等在自然和人为因素作用下汇集于水面形成漂浮物，影响泄洪排涝、发电航运、取水调水、旅游景观和工程形象，且污染水质，严重时威胁枢纽安全运行大型综合水利枢纽漂浮物爆发时，总量大、历时长，对工程各方面的影响更为显著水面清漂是保护工程水环境的重要措施，随着社会对环保要求全面提升，清漂工作已逐渐成为日常任务，大型水利枢纽工程是河道清漂的关键部位。
三峡工程蓄水初期，环保总局（现为生态环境部）提出库区水面漂浮物清理方案，要求库区沿途县市对管辖河段持续开展清漂工作丹江口水库是南水北调水源地，为守好一库碧水，库区各地组织了专业清漂队伍不间断进行库区清漂2022年6月国家发改委等部门联合发布《关于江河湖海清漂专项行动方案的通知》，要求组织开展江河湖海清漂专项行动当前库区清漂主要利用人力船只在漂浮物自然聚集区分散打捞作业，转运上岸各环节独立水面环境复杂多变，不可控因素多，管理困难，人工清漂难以形成长期稳定效果漂浮物特性复杂，现有治漂方式对漂浮物运移、分布状况及规律缺少系统研究，措施没有充分发挥水力作用，难以满足水利工程多方面需要，清漂是工程难题长江科学院对工程漂浮物治理问题进行了长期研究，依据河道工程清漂实际需要，提出利用河道河势水力一体化拦截、引导、收集、清运漂浮物的方式，经运用检验，获得主动可控治理效果，有利于改善工程痛点难点问题，河道型水库及枢纽工程都具有运用条件水力一体治漂措施有拦导漂浮排、集收漂浮闸、浮槽、网栅、滤收漂网闸等实用技术设施，获多项国家专利，并逐渐在重大工程中推广应用，其中“水力一体拦导集收漂浮物及水面安防技术”已列入《水利部2022年水利先进实用技术重点推广指导目录》。
2 漂浮物特性整体密度小于水且具有密水性的物体都有可能进入江河水体形成漂浮物，漂浮物的种类繁多经对长江、黄河、闽江、珠江等流域漂浮物的调研表明，漂浮物规格、种类和数量与环境影响有关，漂流、聚集、分布、沉浮与流态、流速、时间等相关，在漂移过程中有些成为潜悬物，有些成为沉积物，与水相互作用过程中部分分解腐烂影响水质水环境，漂浮物对工程的影响是多种因素综合作用的结果根据漂浮物产生的条件，植被绿化、社会经济活动增强都会增加漂浮物的产量，流域面积越大、水量越丰富的河流漂浮物越多，河流水面清漂保洁是长期任务3 大型水库清漂存在的问题根据实际运行效果，大型水利枢纽利用人工船只打捞漂浮物，难以满足工程和环境的需要，不能长期有效解决漂浮物问题三峡和丹江口库区是典型的河道型水库，控制流域面积广阔，库区路线长，漂浮物呈季节性爆发，周而复始，总量巨大尽管三峡库区沿途县市与枢纽运行管理单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坝前，需要进行长时间清漂，仅2020年三峡坝前清漂37.4万m3，出动船只10 000多艘次，人员40 000多人次同样的问题也出现在丹江口库区，仅2021年在库区坝前丹江口市出动清漂人力5 200余人次、船舶3 800余艘次，清理库区漂浮物5 800余t。
近年三峡坝前清漂量见表1：按清漂要求，库区各地管辖河段漂浮物不过境，但在实际操作中存在困难，责任很难落实在气象水文条件不定的流动河道清漂难以保障效果，沿途各地一般每年清漂量约几万m3不等，无法确保漂浮物不过境漂浮物具有沉潜特性，除部分可见漂浮物被清理上岸，还有大量易忽视的下潜沉积河床经粗略估算，每年进入三峡库区的漂浮物总量上百万m3，除被清理上岸可统计的外，还有一些沉积物，另外一些则通过泄洪排向下游人工清漂是当今社会少有的艰辛工作，清漂作业条件差，工作强度高，人员普遍老化，工作难以为继大型专业船只清漂需要各地重复建设专业码头，需要持续油料供给及各项运维保障，年运行时间有限，投资运维成本高，工作限制因素多而且库区长期大量人工船只分散清漂影响航道，干扰船舶通行，存在安全隐患针对三峡漂浮物，全国多位两会代表多次建言献策2010年全国政协委员金义华呼吁重视三峡库区漂浮物，立法保护三峡库区及大坝；2017年全国人大代表张琼建议尽快建立三峡库区漂浮物打捞转运处置及管理体系，推进漂浮物无害化处理；2019年全国政协委员童金南建议对三峡库区漂浮物进行常态化打捞和安全处置、资源化利用；2021年全国政协委员王济光建议健全完善长江漂浮物科学清理工作机制，及时、高效、规范地清理打捞三峡大坝坝前漂浮物，并进行资源化无害化等规范处置。
三峡和丹江口库区地位独特，具有相应清漂保障措施和条件，其他大多数水库仍采用传统低效的清理方式，急需制定合理政策并改善清漂技术因此，有必要对当前工程清漂方式技术进行总结，寻求科学有效的综合治理漂浮物措施4 水力一體治漂方式针对当前工程清漂技术的不足，根据漂浮物的特性及运移规律，因势利导发挥水力作用，合理设置工程设施有利于改善治理效果长江科学院在长期研究三峡、葛洲坝等工程漂浮物治理工作中，提出水力一体拦导集（临时）清（排运吊）治漂方式，依托国家重点研发计划专题和长江科学院技术研转基金项目开发“水力一体拦导排漂浮排”关键技术装备，在三峡库区木鱼岛水域以及黄河三门峡电站进行了实际运用检验，成果已在湖北汉江碾盘山水利枢纽电站和四川岷江龙溪口航电枢纽电站推广应用经工程调研和水力学模型试验研究，在河道流速适合、流态稳定部位设立水力导漂微流场，将漂浮物引导至合适的部位聚集清理，实现水力一体拦导集收治理漂浮物与传统的柔性拦漂排拦漂集漂清漂方式的区别在于，不是在天然直观的漂浮物聚集区或回流区，而是在漂浮物密集经过的水域采取措施，充分发挥河流水力引导作用，实现主动可控拦导集收排清运作业一体化实际运用中，应结合岸边交通转运、堆场处置等综合规划，河道型水库一般都具有相应条件。
4.1 水力学模型试验根据水力学模型条件并结合工程实际治漂需要，开展了多方案系列水力一体治漂方式试验研究，探索改善治漂措施水力一体治漂技术包括浮排、浮闸、网栅、排滤收漂闸等措施，措施运用应结合工程布置、水文条件、工程调度运行、漂浮物情况和治理要求进行全面专业研究，合理组合设置（见图1、图2、图3）4.2 技术装备现场试验检验及应用为检验水力学模型试验研究成果，从安全耐久、功能实用、经济维护等方面进行综合分析比较，进一步研发设计水力一体拦导漂浮排关键装备，分别在长江三峡、黄河三门峡开展实际运用检验（见图4、图5）经检验，在流态稳定、流速3 m/s以内、漂浮物易集中流经的水域，设施具有预期的水力一体拦导聚收（排）漂效果，运用中减少人工干预，降低漂浮物下沉量，设施传力方式更合理，安全系数高，兼顾了水面交通、辅助应急、工作平台等实用功能设施适应大水位及岸边地形变化，具有一定的调控能力，浮排水面形态、拦导漂板深度可调节，可实现主动拦导集排漂效果，主要性能指标可测可控，可为重点水域构建水面安防屏障4.2.1 汉江碾盘山电站拦导漂浮排汉江水草等漂浮物较多，已建的王甫洲、崔家营、兴隆电站及引江济汉倒虹吸等都直接受到影响，传统清漂措施运行困难多，处理漂浮物经常需要应急抢险。
依据碾盘山电站建筑物布置、水流状态、枢纽调度、漂浮物状况等，经综合比较，在电站引水渠采取“水力一体拦导漂排”方式一体化拦截引导排泄漂浮物，更有利于电站安全运行工程设施现已安装就位投入运行（见图6）碾盘山电站拦漂排在水面呈直线状态，在拦截漂浮物过程中利用水流向泄水闸一侧导漂，适时泄水发挥排漂效果设施适应工程水流条件、漂浮物爆发、漂浮物组成等不确定性，拦漂排的形态、拦污栅吃水深度可以调节，操作灵活根据电站枯水期、满发期、不运行期等典型工况，可辅以人工等多种方式，为优化运行效果预留了有利条件4.2.2 岷江龙溪口电站拦导漂浮排与集收漂浮闸根据岷江漂浮物特点和枢纽电站引水渠布置，经论证比较，采用水力一体拦导漂浮排和集收漂浮闸相结合的方式治理电站漂浮物，工程部分水下定位基础现已施工完成，即将进行主体结构制造安装（见图7）设施运行过程中，利用水流和浮排共同作用，将拦截的漂浮物导向泄水闸一侧的集收漂浮闸，在泄水闸不泄水期间，适时循环收集更换集收漂浮闸内的网袋，在水面将收集漂浮物的网袋拖至1#泄水闸前，经泄水闸门机将网袋起吊上坝，实现拦导集收清一体化大量高效清理作业工程泄水期间可打开集收漂浮闸，利用泄水实现水力一体拦导排漂效果，避免在电站进流通道聚集沉漏漂浮物。
措施具有多方面运用功能效果，具有一定调节能力，可与水流条件、岸边地形变化相协调，减少了人力机械中间操作环节，整体安全性能高，节省工程投资和运行成本，易于维护4.3 大型库区水力一体清漂方式大型综合性水利枢纽工程漂浮物多发爆发，危害工程运行，应及时高效清漂，当前清漂模式难以达到要求，根据成果进行合理规划可有效改善枢纽坝前漂浮物状况三峡工程蓄水后形成长约600 km河道型水库，在河势、支流、风力、行船等作用下，漂浮物流动过程中在某些河段沿河道一侧或靠岸漂流，在满足内河航道标准要求前提下，利用河势在主河道或支流水面流态稳定、流速合适的部位设置水力一体拦导集清漂枢纽，以点控线，在过程中及时处理漂浮物，可减少漏沉漂，减轻人力船只清理难度，降低运行维护成本，实现资源集中利用，为引江补汉进水口等库区工程解决漂浮物提供更优方案与三峡库区相比，丹江口水库的一些部位水面流态、流速及库型更具有水力一体治漂优势，结合汉江和丹江库区以及陶岔取水口的河势及水力条件，与适当辅助设施结合可以及时拦截和处理潜悬物，避免鱼类等水生动植物从渠首进入输水渠道5 结语漂浮物影响大型水利工程多方面的功能效益，库区水面清漂保洁是一项重要工作，社会关注程度高。
三峡、丹江口等大型水利工程库区已实现常态化清漂目前主要是在河道及坝前的漂浮物聚集区采用传统的人工船只机械分散打捞转运，清漂操作难度大，限制因素多，实际效果不佳，现有处理方式与漂浮物规律特性不相适应，改进清漂方式具有重要意义根据研究成果，利用河势水力条件合理设置必要的工程措施，水力一体拦截引导收集清理漂浮物，经实际运用检验可实现高效清理漂浮物，有利于改善水环境及通航条件，促进漂浮物资源集中利用，提高枢纽及关键水域安全性，具有多方面效益我国各类河道型水库多，水面清漂保洁工作量大，结合已有工程运用经验，在大型河道型水库合适部位利用河势水流条件建设水力一体拦截引导收集清理漂浮物设施，建设及运营成本低见效快，可为建立长效清漂机制提供有力技术支撑Reference：[1]蔡 莹，唐祥甫，蒋文秀.河道漂浮物对工程影响及研究现状[J].长江科学院院报，2013，30（8）：84-89.[2]蔡 莹.水力治漂一体化技术开发及产品转化推广研发阶段总结报告[R].武汉：长江科学院，2016.[3]周建军，曾永红，蔡 莹.枢纽发电、泄洪、通航运行及联合优化调控技术[M].北京：科学出版社，2020.[4]蔡 莹，杨 伟，黄国兵.水力一体化治漂与枢纽库面安防系统研究及实施[J].水利水电技术，2017，48（11）：168-173.[5]蔡 莹，李书。