三峡水库漂污物治理研究与实践效果

三峡水库漂污物治理研究与实践效果
杨文俊1,冯正鹏2,唐祥甫1,胡兴娥
2
(11长江委长江科学院,武汉　430010;
21中国长江三峡工程开发总公司枢纽建设运行管理局,湖北宜昌　443002)
摘　要:三峡水库漂污问题是三峡工程运行的关键技术之一,在工程不同设计阶段及运行阶段均有研究,提出了许多有价值成果。

本文综述国内外水库治漂现状,分析三峡水库漂源与蓄水及洪水特性的关系;系统论述三峡工程排漂设施的设计研究成果,付诸工程实践的综合治漂措施效果;同时提出了加强源头控制、完善有关法规标准,从根本上解决三峡漂浮物问题的建议。

关键词:环境水利;清漂效果;综合措施;漂浮物;排漂孔;三峡工程;设计
中图分类号:T V69712+5文献标识码:A Study and practice on eliminating flotsams on surface of the
Three G orges reservoir
Y ANG Wenjun 1,FE NG Zhengpeng 2,T ANG X iangpu 1,H U X ing 2e 2
(11Yangtze River Scientific Research Institute o f CWRC ,Wuhan 430010;
21China Changjiang Three Gorges Project Development Corperation ,Yichang ,Hubei 443002)
Abstract :Flotsam elimination is one of the key technologies for the operation of Three G orges reserv oir ,it was studied at all the project development phases from design to operation ,and s ome meaning ful results were achieved.First ,this paper gives an overview of the practices of reserv oir flotsam elimination and a case analysis for the Three G orges reserv oir focusing on the flotsam s ources and its relation with the storage level and flood characteristic.Second ,the flotsam spill study and design for the Three G orges project are summarized ,which shows that the effect of a com prehensive measure of flotsam control is quite g ood.Third ,the paper recommends the method of tackling the flotsam root cause ,such as controlling the s ources and enhancing the regulatory standards.
K ey w ords :environmental water conservancy ;flotsam elimination effect ;com prehensive measures ;flotsam ;flotsam spill outlets ;Three G orges project ;design
收稿日期:2009207210
作者简介:杨文俊(1966—),男,教授级高级工程师.E 2mail :yang wj @ 在河道上修建拦河建筑物,改变了河道水文径流条件,上游流域范围内地表植物覆盖层、垃圾场及船舶废弃物,由于降雨径流作用均将汇聚坝前形成水库漂污物。

漂污物具有以下危害[1,2]:①影响电站的出力,漂浮物吸附在电厂拦污栅栅体上,影响机组发电效益;②影响水质,漂浮物浸泡在水中,部分会慢慢腐烂变质,产生有毒物质和气体,污染水体,还会影响空气质量;③破坏水面景观,大量的水面漂浮物,特别是白色漂浮物,破坏水面景观;④影响船舶正常航行,漂浮物有时会缠绕在螺旋桨上而影响船舶航行。

鉴于此,国内外学者结合工程运用对水库漂污物治理进行了大量研究和实践。

在葛洲坝工程的设计、施工和运行过程中,曾经为解决漂污物问题而研究、试验、实施过多种措施[1,3,4],如:拦漂排、导漂屏、导漂浮筒、排漂孔、斜面拦污栅、或抓斗清漂、轮番停机冲漂等。

实践表明,这些措施各有缺陷,效果不够理想。

在葛洲坝二江电厂上游右侧建有一导漂排,于1981年建成并于当年投产使用,在1981年至1983年连续三年的汛期中,导漂排被局部冲坏,后虽采用了一些补救措施,但均无效果,后不得不于1984年拆除;岩滩、大化水电厂[5]
是位于红水河中游的梯级电站,均采用了导、拦浮排,并取得了较好的效果,大化水电厂导、拦浮排设
第28卷第6期
2009年12月水　力　发　电　学　报JOURNA L OF HY DROE LECTRIC E NGI NEERI NG V ol.28　N o.6Dec.,2009
计为两端固定式,岩滩导拦浮排则可随水位变化;赵山渡水库[6]针对漂浮物现状,提出了工程排污调度、漂浮物源
头管理等综合治理措施,但欲落实制定每项措施利于工程防洪、供水、发电、灌溉等功能效益发挥任重道远;漫湾
水电厂[7]进水口拦污栅前后水位差过大,严重影响机组安全稳定运行,漫湾水电厂经认真分析,采取了开启溢流
表孔、机组甩负荷反冲、人工水下清渣、安装水库导漂设施等一系列处理措施,并最终取得了成效。

林业专家[8]考
虑参照“羊圈工程”也提出了水库聚漂收漂的设想。

前苏联萨彦舒申斯克水电站位于叶尼塞河上,为有效拦截漂木,在上游距大坝018km 处布置了两道横向主拦漂栅,在离坝址最近的支流库湾设有4个辅助拦污栅,以便形成贮木库;主拦漂栅跨度超过1000m ,可适应水位变幅达40m ;拦漂栅为网格状托架结构,其浮体部分由圆柱形浮筒组成。

自1988年安装了拦漂排后,漂木不再进到大坝前。

1　三峡水库漂源分析
三峡坝前漂浮物为常年漂浮物和蓄水漂浮物。

常年漂浮物来源于川东和三峡地区的暴雨区及由暴雨所形成的地表径流覆盖区、上游区域沿江两岸城镇乡村和工况企业的垃圾场、沿江航行的客货轮的废弃物等。

每年第一次洪水,即“桃花汛”首先带入长江较多的漂浮物,枯水期(1～3月份),主要是一些工业垃圾和生活垃圾顺江而下;在主汛期较大的洪水带来大量的漂浮物,主要是山林植被和农作物秸杆;发生大暴雨或山洪爆发时,山上的木料、船板及动物残骸等漂浮物;非汛期漂浮物较少,主要是船舶垃圾即白色污染物和秸杆树枝等。

根据葛洲坝运行二十多年的来漂规律,三峡水库与葛洲坝上游流域面积相近,但三峡库区水位变化加大,来
漂时间相应延长;原已填埋的漂浮物在水流反复作用下,部分重新泛起,每年产生15～20万m 3漂浮物。

对首次135m 蓄水淹没区范围进行调查,重点调查为林木类、建(构)筑类、卫生类及固体废弃物类漂浮物组成及数量。

据调查结果,急增漂浮物数量宜按最不利考虑,推算135m 水位蓄水急增漂浮物方量约8～13万m 3。

2　三峡工程排漂设施的设计研究
在三峡水利枢纽初步设计中,排漂的设计原则是“以排为主,辅以坝前清漂”。

初步设计审定的设计漂浮物治理方案是采用常规排漂孔方式排漂。

211　排漂设计方案
三峡坝区漂污物的运移轨迹及在坝前各区的滞留量与坝区河势、库水位、洪水流量、枢纽调度运行情况等密切相关。

图1　三峡坝区河势及治漂措施平面布置示意图Fig.1　River regime of Three G orges dam site and sketch of eliminating flotsams measurement
21111　三峡坝区上游河段的河势及流态
美人沱至百岁溪,河宽约1600m ,北岸微凸。

南岸曲溪大弯形成大范围缓流和回流(如图1所示)。

百岁溪至太平溪,南凸(蛋子石)北凹(百岁溪、太平溪),主流复居中央,河宽800m ～1000m 。

太平溪至上航道口门,河宽约1500m 。

上段主流偏左,下段受九岭山山体和隔流堤堤头作用开始向右偏转,但大流速区仍偏左。

在口门区上游形成大范围的回流及缓流区。

上航道口门至坝线,在堤头、祠堂包挑流和枢纽泄洪的综合作用下,主流略偏右。

21112　坝前漂浮物运移规律及分布状况
永久运行期考虑右岸电站和地下电站引水渠按连通方案布置,模型试验研究主要成果如下:坝前漂浮物在水位167m 以下时,一般呈“右多左少”的分布规律,当低水位、地
下电站运行且机组不少于4台时,地下电站前可汇集大量漂浮
物,可作为漂浮物自然积聚区,便于集中打捞和处理。

但高水
位时地下电站运行的聚漂效果并不明显。

21113　坝区来流量、库水位变化对漂浮物运移规律的影响
入库流量增大使左厂前的漂浮物滞留量有所增加,但“右
多左少”的基本状态并未改变。

当流量减小,右岸电站、地下电
站前沿水域的漂浮物滞留量也略有增加;坝前水位由145m 上
升至150m 、167m 及以上水位时,基本状况为“右多左少”;坝前
水位至175m ,坝前左部漂浮物总量近60%,右区漂浮物约为总
量的40%,“右多左少”的基本分布状况有所改变。

21114　枢纽调度方式对漂浮物运移规律的影响38第6期杨文俊等:三峡水库漂污物治理研究与实践效果
一般情况下,坝前漂浮物主要分布在右区,如加大右侧泄流量,则右侧漂浮物滞留量会随之增加,左侧减少,反之,加大左侧泄量,则左侧漂浮物滞留量也会随之增加,但总体为“右多左少”的基本态势;利用地下电站和右岸电站机组泄流以及泄洪坝段右侧泄流吸引漂浮物,便于右区集中打捞和处理。

在设计洪水位175m 、来流量大于20000m 3Πs 时,漂浮物在坝前滞留仍呈“右多左少”的态势,左电厂上游滞留
量较少,一般约占5%,右电厂上游滞留量较高,一般约为25%～50%;来流量不大于20000m 3
Πs 时,则呈“左多右少”的态势,左部滞留量将达到70%。

212　排漂孔排漂效果模型试验
综合分析确定坝体设置3个排漂孔,排漂孔布置如图2所示。

在泄洪坝段两侧的左导墙坝段和右侧的纵向
围堰坝段各设一个泄洪排漂孔,进口高程133m ,孔口尺寸10m ×12m (宽×高,下同),在右岸1#非溢流坝段设1个
排漂孔,进口高程133m ,孔口尺寸7m ×12m ,排泄右岸电站前的漂浮物。

分别运用排漂孔(低水位)和表孔(高水位)进行排漂,1Π100
水工整体模型试验成果表明:图2　三峡工程排漂孔平面布置图
Fig.2　Flotsam spill outlets lay out of the Three G orges project
(1)围堰挡水发电期,水库运行水位135m ,通过导流底孔、泄洪深孔、左岸电站泄流,2#、3#排漂孔位于右岸
三期基坑内,不能运行,仅1#
排漂孔运行。

因排漂孔孔口水深小,排漂效果不佳;当水位为136m ,采取优化调度
运行方式,1#排漂孔的排漂量也只能达到漂浮物总量的30%。

(2)运行初期,在库水位138～150m 各工况,3个排漂孔可将45%～84%漂浮物排向下游;由于坝前大量漂浮物在河槽左侧,且左岸电厂左侧无排漂设施,左岸电站前滞留漂浮物多于右岸电站前漂浮物。

(3)当库水位为167m ,泄流量为56700m 3Πs 时,表孔排漂率可达80%以上,通过排漂孔或表孔排漂是可行的。

因此,设计认为库水位在158m 以上时,利用泄洪表孔排漂;库水位150m 以下时利用排漂孔排漂。

当库水位为140～145m 时,2号排漂孔排漂效果最好。

3　综合治漂对策措施研究
初步调查表明,多座已建、在建、待建的水利枢纽工程对漂污物治理问题的考虑似乎大体未偏离在厂前或坝前对漂污物进行“导、排、清”的思路,而这种“导、排、清”在多污条件下实难奏效。

另一方面,即使效果显著,也不过是将矛盾“下放”,大量漂污物势必对下游航运和环境构成影响。

与其这样,还不如将漂污物拦截在上游远离坝
前的适当湾、沱、支岔内就地打捞处理。

综合治漂方案包括以下几个方面[9]。

311　控制源头
制定若干条例,严格控制沿江城镇厂房、港埠、码头以及往来客货轮、驳的工业和生活垃圾随意在江边堆积或抛撒入江;下川东和三峡地区等相关暴雨区加强封山育林、植树造林和水土保持,严格控制相应地区的自然垃圾随地面径流漂汇入江。

312　利用河道地形、水流条件提前导、拦截方案
在库区适当河段和多漂支流内寻求或设置一个或者多个天然或人工聚漂区,为捞漂、清漂创造条件。

对聚漂区进行了初步选择,对以下两个聚漂区进行了模型试验。

31211　上游设导、拦截设施
在蛋子石以上河段布置滞漂区。

在三峡坝址上游10km 左右的美人沱至蛋子石河段,利用有利的河势及地形,采取工程措施,可以形成滞漂区。

试验研究表明,库区庙河以下不存在天然聚漂区,如果在偏岩子、蛋子石等
48水　力　发　电　学　报2009年
部位采取工程措施,设置挑漂排、拦漂排,可获得较好的拦漂效果(80%以上),拦漂、导漂措施平面布置及效果示意图如图1所示。

但导、拦浮排体结构设计等,尚需结合航运问题作深入研究。

31212　坝前设导、拦截设施
将地下电站前茅坪溪口作为聚漂区。

根据模型试验研究成果,坝前漂浮物在水位167m 以下时,一般呈“右多左少”分布。

在各工况下,坝前存在从左区流向右区的横向流势,且在右岸电站上游存在一个顺时针方向的回流区。

若利用地下电站运行可将70%～95%漂浮物引入地下电站前回流区,故可在地下电站前沿设拦漂浮排,在此区集中捞漂。

该方案的缺点:漂浮物大量集中坝前,会导致坝区环境、水源、空气、污染;距坝近,坝前打捞作业存在一定风险;漂浮物对右岸地下电站发电有一定程度的影响。

313　坝前清漂
购制或租用一定量的捞漂船,在多漂季节在江面上游弋捞漂并在船上压缩装袋以便处理。

314　漂浮物资源化和无害化处理
在聚漂区江岸设置漂污物加工厂或管理机构,一方面将漂污物经分检后再加工而变废为宝,或将其深埋、焚烧处理,勿令其泛滥成灾。

4　排漂孔运用及治漂效果
411　三峡首次蓄水漂浮物的处理[2]
三峡水库于2003年6月10日首次蓄水至135m 高程,此时还没有一个令人满意地解决三峡水库漂浮物问题的办法,还存在下列问题或难题。

41111　处理难度大
(1)利用坝顶机械清漂难度很大。

由于三峡坝前水位变化大(初期20多米,后期30多米),坝顶与拦污栅前清漂部位高差大(最大达50多米),不能在坝顶直接用机械清除拦污栅前的漂浮物。

(2)工程措施导漂难以实施。

尽管试验成果可获得较好的拦漂效果,但由于受挑漂排和拦漂排本身结构、航运、水文等条件的制约,此项措施难以实施。

(3)三峡水电站机组不容许过漂。

三峡机组为混流式机组,叶片为x 形,叶片薄且间距小,直径为1012m 的机组装有15个叶片,直径为918m 的机组装有13个叶片,不容许过漂。

(4)施工期排漂效果差。

135m 水位时,1号排漂孔过流水深浅,排漂效果差。

若抬高坝前水位至136m ,左岸
电站1～4号机组运行,入库流量为20000m 3Πs 和45000m 3Πs 时,1号排漂孔的排漂率分别为15%和7%。

增加左
岸机组运行台数、抬高坝前水位,以及在小流量时开启左区深孔进行泄洪调度,均可提高1号排漂孔的排漂率。

(5)没有现成的与三峡水库漂浮物相匹配的大型水上清漂设备。

现国内外用于水上清漂的设备大致分为三类:推漂、捞漂及其复合体。

国内使用的容量最大的清漂船是上海浦东船厂制造的25m 3船;国外是日本“水木花”
号海面清扫船,容量50m 3,另外芬兰有一条100m 3的船已被改为渡船使用。

为此,三峡总公司启动了国内大容量
清漂船的研究制造工作(即“清漂1号”
)。

41112　漂浮物处理应急预案
三峡总公司根据三建委审批的《三峡(围堰发电期)～葛洲坝水利枢纽梯级调度规程》,针对漂浮物问题预先制定了应急措施。

(1)租用2条大马力拖轮(194117kW ),并在正式蓄水前进入库区水域,以备急需;还对拖轮做了一些适应性配套改造,配备安装了推、导漂设备。

(2)与有关方面联系协商,以备水库漂浮物来量巨大时得到支援。

(3)对1号排漂孔被120m 栈桥占压部位进行处理,确保1号排漂孔在首次蓄水期投入排漂。

(4)准备一支200人的队伍及由十几条船组成的打捞船队,以作应急打捞之用。

41113　漂浮物处理实施情况
(1)租用了2条大拖轮,对大坝前的漂浮物进行导排,并在条件容许时将漂浮物推向岸边打捞上岸。

(2)组织打捞船队(图3所示),日夜不停地对永久船闸闸室及航道内漂浮物、水流流速比较缓慢的岸边漂浮物进行打捞,上岸消毒后运往垃圾堆放场。

到2003年10月,三峡坝前漂浮物的处理总量超过65万m 3
,打捞上岸
近3万m 3。

58第6期杨文俊等:三峡水库漂污物治理研究与实践效果
图3　漂污物打捞船队
Fig.3　Ships for gathering flotsams 412　排漂孔运用效果[10]2007年7月12日,技术人员对泄洪坝段2号排漂孔进行
了水力学安全监测,H 上=14411m ,H 下=6910m ,Q 总=
32700m 3
Πs ,枢纽调度方式为:1、4、6、8、10、12、15、17、19、22号深孔及左排漂孔开启,左右电厂1～14、22、26号机及电源电
站2台机组运行;大坝上游水面平静,排漂孔进口流态较好;
2号排漂孔的运行能排泄滞留于泄洪坝段右侧及右厂左侧上
游的漂浮物,排漂效果较好。

2008年7月25日对3号排漂孔运行进行了观测,H 上=
14518m ,H 下=6912m ,Q 总=31500m 3Πs ,排漂孔进口流态良好,排漂效果较好。

2号、3号排漂孔运行排漂照片如图4所
示。

2号、3号排漂孔过流面时均压力和脉动压力特性正常,事故检修门槽区尚无空化现象,反弧段末端空化现象不明显。

2008年三峡工程启动175m 试验性蓄水以来,长江上游遇到罕见冬汛,三峡水库遭遇自2003年以来最严重漂浮物袭击,三峡库区共出动清漂船219万多艘次,先后投入清漂人员11万人(次),清理漂浮物约25万m 3。

蓄水期间,没有发生因清理不及时而导致碍航的情况,没有发生安全事故,没有发生二次污染,清漂工作成绩巨大,逐年探索建立的工作机制非常有效。

图4　2号、3号排漂孔运行排漂照片
Fig.4　Photos of N o 2and N o 3flotsam spill outlets operating
413　大型清漂船的投入使用
此前,三峡清污工作主要由改装拖轮实施”推扫”,漂浮物较多地流往下游再集中进行人工收集,费时费力效
率低。

因此,发展量大面广、高效多能的水上环保清漂作业势在必行。

研制的“清漂1号”
(该船全长49m ,设计水线长48108m ,型宽15m ,型深315m )为世界最大的清漂专用船只,该船于2007年9月投入坝前清漂,效果良好,克服了拖轮汛期不能靠近大坝的不足,可在大坝前水域行走自如,随意清漂,使三峡库区水域实现专业化、规模化清污。

5　结语
(1)三峡水库蓄水后的漂浮物主要由常年漂浮物和初期蓄水产生的漂浮物组成。

三峡水库常年漂浮物数量约为15～20万m 3。

(2)在正常运用期,按照三峡水利枢纽初步设计审定的“以排为主、辅以坝前清漂”的排漂方案,可从排漂孔或表孔将80%～91%漂浮物排向下游,滞留在坝前的漂浮物可采取措施进行清除,排漂效果较好,方案切实可行。

(3)三峡水库漂浮物可以研究采取“导、拦、清”综合工程措施治理。

在近坝区或坝前区采取一定工程措施建立滞、聚漂区,可使70%～95%以上漂浮物被导、拦浮排拦截并集中在滞漂区,但需对导、拦浮排体的布置和结构进行设计,及考虑满足航运要求等进行研究。

(4)建议对三峡坝区的漂浮物控制源头,减小来漂量。

完善有关法规标准,按照“谁污染,谁治理”和“污染者付费”的原则,从源头治理,从根本上解决三峡漂浮物问题。

6
8水　力　发　电　学　报2009年
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