王青峰，周 琪，刘晓光
（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310000；2.华北水利水电大学，郑州 450000）
水库在水利工程上具有重要作用。首先，水库的滞洪与蓄洪作用使其广泛应用在防洪工程中，为民生安全提供保障；其次，水库可为附近地区提供灌溉及生活用水并可对库区及下游进行径流调节；此外，水库在渔业养殖及水坝水利发电方面能够产生较为可观的经济效益。中国是世界上水库最多的国家，据中华人民共和国水利部发布的《2020年全国水利发展统计公报》统计，截至2020年底，我国已建成各类水库98 566座，水库总库容9 306亿m3，其中大型水库与中型水库数量分别为774座与4 098座。但我国水库多数建造于1950年至1980年期间，受当时的设计建造水平及社会经济发展限制，水库对排沙设计考虑不足甚至缺少合理的排沙设计方法[1]。而我国河道中泥沙含量普遍较高，在其上建造水库后，由于坝体的存在，水中夹杂的泥沙会遭到拦截，同时水体流速及势能也会遭受一定的损失，外加库尾地区水体回流现象的影响，水中泥沙在水库内尤其是坝前和水库尾部的沉积就在所难免。某些人为因素亦会加重水库的淤积：如在库区附近乱采滥伐致使土壤流失，从而引起库区排水沟渠及溢洪道等的堵塞；部分处于郊区的规模较小的水库，出于经济效益，其附近往往会进行房地产开发建设，开发过程中可能会造成原有的排水沟渠堵塞[2]。早在2003年，田海涛等[3]根据115座具有代表性的中国内地水库淤积资料推算出：中国大陆地区的库区淤积率已达到20%左右，每年因泥沙淤积而损失0.76%左右的库容，也就是每年减少约42.3亿m3的库容。水库淤积不仅是对水库调节库容及兴利库容的侵占，更是对良好水库坝址的浪费，同时淤积在水库中的泥沙会磨蚀泄水建筑物和发电设备的机轮，降低其效能及使用期限，造成严重的经济损失[1]。水库淤积会抬高回水位，从而增大水库被淹没的风险，并且锥体淤积会加大坝体受到的泥沙压力，对坝体的稳定性造成影响，从而威胁坝址附近民众的生命财产安全。此外，在水库中长期淤滞的泥沙会不断吸附流经水体中的铜、铅、汞等重金属及氮、磷等有机质，造成库区水质降低，不仅难以补救，而且会影响附近住户的生活用水，危害民众生命健康[4]。因此，结合现在的科技水平及工程装备条件，对水库的淤积探测、清淤技术及淤泥处理技术进行探究，从而更好地恢复水库库容，使水库安稳长久运行，是十分必要的。
1 水库淤积情况探测技术
对水库的淤积情况进行探测可以为后续清淤提供数据支持，使清淤工作更加方便快捷，是开展水库清淤工程的基础。国际上对淤积层厚度的探测主要采用钻孔法、静力触探法、声呐测量法及放射线探测法等方法。如今浅地层剖面仪（图1）因其便携及精准性成为了水库淤积深度及分布探测最常用的探测仪器[5]。浅地层剖面仪主要由声纳收发系统、GPS定位仪、姿态仪及数据处理系统组成，利用声音在不同介质中具有不同传播速度的特性，通过发射与接受声波的间隔对水深、泥沙厚度进行测量。浅地层剖面仪具有操作简单、方便携带、分辨率高、数据准确及可连续测量等优点。在进行水库淤积探测时，可将浅地层剖面仪安装在测船底部，GPS定位仪可精准定位测点，姿态仪可对测船在运动过程中实时进行三维姿态补偿测量，从而得到精准的水库淤积测量数据[6]。经浅地层剖面仪探测后，对于死库容淤积率（淤积泥沙体积所占死库容的百分比）大于60%的水库需进行后续的清淤操作，以防淤积泥沙对水库的兴利及防洪功能带来不利影响。对于淤积类型为锥体淤积且淤积泥沙已对或即将对水坝产生危害的水库，即使死库容淤积率小于60%，也应对其进行清淤。此外，对水库淤积情况的探测不能只局限于对淤积深度及分布的探测，还需要对淤泥的成分、物理力学性质及污染物情况进行探测，从而为后续清淤技术的选择提供依据。因此还需借助高频振动声波钻机对水库淤泥进行取样分析。高频振动声波钻机的原理是利用高频振动力或回转力和压力使钻头切入土层或软岩进行取样[7]，可与水上悬浮工作平台相连接进行库区淤泥勘测取样工作，具有拆装方便快捷、污染小、施工安全性高、样品采集效率高且所取样品完整性较好的优点[8]。取样后，对样品进行物理力学性能试验分析，对于样品被污染的部分还需进行重金属污染、氮磷等有机污染物及农药污染等的测试分析。此外，还可将样品淤积层厚度与浅地层剖面仪所得数据进行比对，确保探测数据的准确性。
图1 浅地层剖面仪
2 水库清淤技术
2.1 冲刷清淤法
常用的冲刷清淤方法有滞洪排沙、泄空排沙及集中冲刷等。滞洪排沙适用于中小型洪水来临的浑水水库，当洪水到来时，及时开启闸门，利用洪水的冲击，将大量水中泥沙及部分淤积泥沙排出水库。运用此种方法清淤时，必须控制水库水位，使洪水不漫滩或少漫滩，同时要掌握开闸泄洪时机，及时开闸，尽可能加大下汇量。泄空排沙适用于淤积泥沙黏性较小或淤积泥沙尚未充分压实固结的水库，在洪水入库前放空水库，然后利用在泄洪过程中产生的沿程冲刷及溯源冲刷将淤积泥沙排出水库。集中冲刷适用于平枯年间没有额外储备库水进行排沙的水库，在洪水来临之际，趁着泄洪的机会利用水流的冲击，使泥沙从泄洪孔排出。上述冲刷排沙的方法操作简便，不需要额外排沙设备，但弃水量较大，且需保证淤积泥沙不含有害污染物以防污染周边环境[8]。
2.2 放空干清法
放空干清法主要分为挖掘法及抽取泥浆法，挖掘法是在对水库存水进行放空后，采用挖掘机及推土机进入水库进行陆地工作，从而清除水库淤泥。在使用该方法进行清淤前要先进行淤泥厚度勘测，从而确定挖掘机挖掘深度，以防在清淤过程中破坏水库防渗层。挖掘法清除的淤积料可直接堆放或用渣土运输车运输，方便进行后续的泥沙处理。抽取泥浆法是在水库放空后，使用高压水枪对淤积料进行冲刷从而形成泥沙浆，然后使用泥浆泵直接将泥沙浆排出库外。放空干清法清淤效率高，在清淤过程中可实现对清淤情况的实时把控，并且可顺带对库岸边坡进行清理，能保证对水库清淤见底[2]，清淤完成后无需对水库淤积情况再次查验。但其缺点也很明显：适用性较窄，仅适用于有条件对水库进行放空的中小型水库，且雨天对清淤工作影响较大，难以确保清淤工期。
2.3 虹吸清淤法
虹吸清淤法主要是利用虹吸现象将上游水库中的淤积泥沙排到下游区域。在上游水库至下游排淤区域架设虹吸式放水涵管或浮动软管，清淤时先将管内空气从出水口排出，从而形成虹吸，水库的淤积泥沙会随水流从涵管进水口持续流向下游排水口。研究表明，该方法所排每立方米浑水中通常可含100～150 kg泥沙，最高可含700 kg以上泥沙[9]。缺点是排沙速率由上下游水位差决定，只能清除坝前一定范围的淤积泥沙，且清淤所需水量较大。但可在下游出水口建立沉淀池，将沉淀后的清水用于农田灌溉，以此来节约用水。此方法无需泄空水库，不受枯水少雨季节影响，可根据各地农田浇灌情况实现常年持续排沙[10]。因此该方法比较适用于临近农田且淤积类型为坝前锥形淤积的水库。
2.4 挖泥船清淤法
挖泥船清淤法主要分为2种，一种是铰吸式，另一种是气力泵式。铰吸式挖泥船（图2）凭借旋转的铰刀铰松并带动淤积在库底的泥沙，随后由泥浆泵将泥沙浆泵送至指定区域，其作业水深一般在30 m以内。对于水质要求较高的水库，铰吸式挖泥船可搭配装配有导泥挡板、绞刀密封罩、绞刀水平调节器等装置的环保绞刀来降低铰刀对淤积物产生的扰动。清淤时铰刀始终平贴于库底，密封罩将扰动严格限制在罩内区域，以防污染物扩散污染库水，同时密封罩的存在也起到提高排出浆液含沙率的作用。铰吸式挖泥船优点是集挖泥、输泥和卸泥一体化，耗水量少，清淤效率较高，清淤过程中不影响水库的正常运行，且可通过选配不同部件适应多种清淤环境。气力泵式挖泥船主要由柴油发电机、泥浆泵、吸淤管、空气压缩机、固液分离装置、排泥管及船体等部件组成。气力泵式挖泥船可在较深水域进行清淤，同时清淤时可将淤积料及水进行初步分离，并将余水返还水库，耗水较少，清淤效率高，而且且操作简便，泵体扇叶不直接与泥沙浆接触，部件磨损率较低，经久耐用且便于维护。铰吸式及气力泵式挖泥船均采用分体式设计，安装拆卸方便，适用范围广。
图2 铰吸式挖泥船
3 淤积泥沙处理
淤积泥沙的处理要按照“可控化、减量化、资源化、无害化”的可持续发展原则，根据淤积泥沙的性质、类型及工程要求，选择相应的技术手段。淤积泥沙污染的可控化可采用物理方法阻断泥沙吸附的有害物质在生态系统中的扩散，无害化可采用化学法或者生物法消减污染物的毒性。水库淤积泥沙处理主要分为清淤前泥沙处理及清淤后泥沙处理2步。
3.1 清淤前泥沙处理技术
常用的清淤前泥沙处理技术主要包括化学处理、生物修复、生态修复及综合修复等技术。清淤时需根据污染物特性、各种方法的特点及清淤工程的实际需求，选择合适的方法阻断污染物的扩散并消除其毒性。
化学处理是指依靠向水体或淤积层投加化学修复药剂，利用其与污染物发生化学反应促进污染物降解或抑制淤积层污染物释放的淤积泥沙处理技术。生物修复是指通过投加外援微生物或激活土着微生物等方式，利用微生物的代谢活动降解和减轻淤积层污染物的毒性，实现对污染淤积泥沙的治理。生态修复主要指采用水生植物、生态绿岛、曝气增氧等综合手段进行污染淤积泥沙修复的技术。综合修复技术是指综合采用微生物、生物、化学、生态甚至物理修复等技术手段实现污染淤积泥沙的治理，发挥不同技术优势，联合作用以提高综合修复效果，以克服单一手段带来的一些弊端。
清淤前泥沙处理技术是在原地对受污染的泥沙进行处理，可以有效降低清淤时因扰动造成的淤积泥沙再悬浮对水体造成的二次污染，同时可以减少底泥在运移过程中向周围环境流放的污染物总量。对于淤积层未被污染或采用环保清淤法进行清淤的水库可跳过该步骤直接进行后续清淤操作。
3.2 清淤后泥沙处理技术
清淤后泥沙处理技术是指采用疏浚设备将淤积泥沙疏浚至岸边或运移至指定场地，通过淤积泥沙预处理及脱水，使得淤积泥沙能够“减量化、稳定化、无害化和资源化”地处理，主要包括化学固化法、机械分离法、土工管袋脱水法等。
化学固化法就是在水库清淤泥沙浆中加入固化剂并充分搅拌，固化剂、水及空气充分反应后固化，会使泥沙浆高含水率、低强度的特性得到显着改善。该方法的优点是固化后的产物可用于工程建设，无需长期占用堆放场地，能以较低的成本带来较大的经济效益。该方法的缺点是固化后的泥沙需要养护处理，养护周期相对较长，根据添加的固化剂不同，需要3～20 d左右的养护时长，对养护场地面积及使用时间要求较高。
机械分离法是将清淤产生的泥沙浆体，通过垃圾分选机筛除泥沙浆中垃圾杂物后，将泥沙浆送入泥沙分离池，将分离出的泥浆液送入沉淀池进行二次脱水浓缩。采用泥浆泵或小型绞吸式挖泥船将沉淀池底部浓缩泥浆送入添加疏水剂和疏水固化剂的拌合系统，拌合后送入脱水固化设备。脱水后可分离出含水率小于等于40%的泥饼及退水，泥饼可用于其他工程，退水经化学处理符合库水相关要求后可还库。本方案的优点是淤积泥沙中的含沙可分离并资源化利用，泥饼无需养护，可直接资源化利用。
土工管袋脱水法是利用管袋的孔隙过滤作用达到泥沙与水分离的目的。向泥沙浆中添加净水剂，搅拌均匀后装入土工管袋，随后将管袋堆放在阶梯式储水场地靠上的阶梯部位，利用管袋的过滤作用、管袋的相互挤压作用及水体自重作用达到泥沙与水的分离，泥沙被拦截于袋内，水体流入储水池，管袋内泥沙可收集作为填筑材料，池内水体处理达标后可用于附近农田灌溉。土工管袋脱水法经济便捷，且在脱水过程中无噪音产生，但由于淤积泥沙渗透系数低，土工管袋脱水法效率较低，工期较长，根据类似经验，需要一年甚至更长时间。适用于工期较为宽松的项目以及干燥少雨、有长期可用堆放场地的地区。
对淤积泥沙进行处理就是为了实现在最大限度保护水库区域水土及生态环境的情况下，对废弃资源再利用，在节约占地的同时创造经济价值。淤积泥沙经处理后，达标的余水可返还水库或用于农田灌溉，泥沙可用于水库扩容及坝体加高培厚与防渗[11]或作为制砖、建筑用沙及其他项目填方的用料，处理后的泥沙料符合GB 15618—2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中二级标准要求的也可用于农业生产，如制作有机肥、改良土壤及填土造田等。
4 结束语
实施水库清淤工程可以增强水库的防洪及兴利能力，从而保证库区及下游居民的生命及财产安全。在进行清淤工程的同时，工作人员要加强对水库库容的长期监测，及时掌握库容淤积情况，在淤积泥沙未对水库产生严重影响之前及时清淤。同时对淤积速度较快的水库，要对其淤积成因及时进行分析研究，对入库泥沙进行溯源分析，确认集水范围内泥沙产生原因，然后对症下药，从源头上防淤减淤，从而实现水库的“长治久安”。
