丹江口水库排沙清淤方法探讨

1 前 言
　　闻名中外的都江堰已有两千多年的历史，它之所以能长期运用良好，其中有一个主要原因是：在岷江的出山口处的江心垒砌的鱼嘴因势利导分水、分沙；在引水口上江湾凸岸处修建的飞沙堰有利排沙；平均每年人工清淤近100万m3.可见都江堰枢纽非常重视泥沙处理，也正是排沙清淤保持了该枢纽工程的生命力。还有一些运行良好的水利枢纽工程，也都修建了排沙工程和采取了清淤措施。因此可以说，排沙清淤是保证水利枢纽工程能长期运用良好的主要措施。
　　丹江口水库是一座大型蓄水型水库，绝大部分来沙被拦蓄在库内，大量的淤积泥沙对水库的正常运行构成了潜在的威胁，消除这种潜在威胁的主要方法是排沙清淤。丹江口水库，在减少入库泥沙方面已做了大量的工作，如：水土保持、小流域治理、子水库修建和支沟拦沙等，但在清除进入水库和已淤积在水库中的泥沙方面，还没有引起足够的重视，基本处于任其发展状况。本文根据丹江口水库的自身特性，论述了丹江口水库排沙清淤的必要性；提出了在丹江口水库变动回水区及其附近修建排沙清淤工程和采用机械挖沙清淤以及多种方法有机结合清淤的设想，并对其布置方法进行了探讨。
　　2 丹江口水库排沙清淤的必要性
　　2.1 丹江口水库水沙特性和淤积状况
　　座落于汉江中上游、丹江入汇口下游0.8 km的丹江口水库，是丹、汉两江并联水库。控制汉江流域面积9.5万km2，占汉江流域面积的60％；坝址多年平均径流量为398亿m3（黄家港站1954—1990年），占汉江流域总径流量的70％。坝址多年平均输沙量1.15亿t.丹江口水库死水位139 m，相应库容为72.3亿m3；正常蓄水位157 m，相应库容174.5亿m3（汉江占54％，丹江占46％），相应回水长：汉江库区177.6 km，丹江库区85 km.
　　根据多年的实测资料可知，丹江大坝蓄水后98％的来沙被拦蓄在库区内。按每年1亿t来沙量计算，从1968年蓄水至今，淤积在库区内的泥沙约20亿m3，占死库容27.7％，占总库容11.5％。
　　丹江口水库的淤积泥沙，在20世纪90年代以前主要分布在变动回水区和变动回水区与常年回水区的交界处。1983年特大洪水之后，近20年中，大多年份水库来水为平、枯水年，每年有较长时间处于低水位以下运行。长时间低水运行，导致变动回水区在河流的造床作用下形成了新的天然河道形态。在新的天然河道中，有的河段已达到平衡状态，有的已达到准平衡状态。变动回水区的这种演变发展，使得入库和原变动回水区的大量泥沙快速移至常年回水区，结果加快了有效库容的淤积速率。如果这种情况继续下去，将会影响水库的正常运行。
　　2.2 丹江口水库排沙清淤的必要性
　　丹江口水库虽在规划设计中预留72.3亿m3的死库容作为堆沙库容，这自然不失为解决泥沙淤积问题的一种途径，甚至是现时可行之途径。但来沙无尽，库容几何？由上述水沙特性和淤积状况资料可知，丹江口水库库容损失的速度是惊人的，如果任其发展，在不远的将来丹江口水库会成为一座堆满淤泥的死库，到那时，将给汉江流域乃至中国带来不可估量的损失。因此，对丹江口水库进行排沙清淤治理是非常必要的，也是养护丹江口水库库容的必然选择之法。
　　对于蓄水型的丹江口水库，在库容养护方面，最理想的做法是在水库开始蓄水运行时就应该开展投资少、施工难度小、见效快的“防治型”排沙清淤治理（“防治型”排沙清淤是指：库区淤积泥沙对水库的运行不足以构成威胁时所进行的排沙清淤治理）。也就是说：要未雨绸缪，积极防护，不能把调节库容淤满时出现的问题（也是难以解决的问题）留给子孙后代来解决。丹江口水库运行30多年，死库容淤积近1/3，现开展清淤治理已属晚矣。但淤积泥沙还未影响到水库的正常运行，尚能尽快实施，还能较容易地遏止泥沙淤积向常年回水区扩散的趋势；否则隐患丛生、治理就更加困难。
　　因此，对丹江口水库进行排沙清淤治理，不但势在必行，而且还应尽早实施。
　　2.3 排沙清淤的社会效益和经济效益
　　丹江口水库作为南水北调中线工程的源头水库，在南水北调中线工程竣工运用后，防洪、调水将成为水库的主要功能。防洪、调水产生的社会效益和经济效益是巨大的。而满足正常防洪、调水是以一定库容作基础。保证一定库容的重要措施是排沙清淤。因此，清除丹江口水库库区淤积泥沙，保证水库具有一定库容、延长其使用寿命，不但有重要的经济意义，而且有更重要的社会意义。
　　然而，对处于正常运行水库进行排沙清淤，往往得不到人们的重视。有一个重要原因是人们认为：清除库区中淤积泥沙的费用高于修建同体积水库的费用。 对此，笔者有不同的看法。笔者认为：大型水工建筑物对地址的选择上往往具有惟一性。也就是说，在某个流域内某一位置所修建的水利枢纽，其效能具有唯一性。例如：当丹江口水库淤死废弃后，在汉江流域很难再建一座与丹江口水库效能等同的水库。另外，淤死废弃后的水库不但不能创造效益，而且还会危害环境，还需投入治理和管理费用。因此，清除库区中淤积泥沙所产生的效益是长远的，是不能与修建同体积水库的费用等比的。况且还可采取早期治理、分散投资和对清除物综合利用来降低成本投入。
　　3 水力排沙清淤
　　3.1 丹江口水库水力排沙清淤概况
　　水力排沙清淤是根据水流的运动规律，利用水流所具有挟沙能力的特点，按照人们的意愿，通过水工建筑物把库区的泥沙排到指定的区域内。在利用水力排沙方面，丹江口水库采用深孔泄洪排沙。深孔泄洪排沙，只能排走坝前淤积泥沙和少量悬移质泥沙。此排沙法是以减少蓄水量为代价。从30多年的实际运用情况看，收效甚微，而且向下游排泄泥沙会危害下游王甫洲水利枢纽和下游河道环境（现在多数河流实行梯级开发，由上游水利枢纽向下游排沙的做法已不可取）。另外，南水北调中线工程竣工后，大坝加高和大量调水使泄水机会将大大减少。因此，利用大坝泄水排沙在丹江口水库将难以发挥作用。根据入库泥沙大部分先落淤在变动回水区，而后在汛、枯期和丰、平、枯水年份的周期交替中，不停地、循环地、一次次地把泥沙从水库变动回水区的浅水区搬运到深水区，直至水库被泥沙淤满为止这一规律。笔者提出在丹江口水库变动回水区及其附近，修建水力排沙枢纽工程，使河流泥沙在未入库前就被排走。
　　3.2 修建旁引蓄沙水库
　　在库区河道岸旁的沟谷、山川中，利用有利地形修建引洪蓄沙水库。在洪水期将泥沙引入库中沉蓄，澄清后的库水或再引入主库或作他用。利用旁引蓄沙水库可排走推移质、悬移质等入库泥沙。
　　旁引蓄沙水库库址选择。旁引蓄沙水库库址应选择容积较大、地质结构比较稳定的沟谷、山川。丹江口水库上游河道为山区河道，两岸山谷纵横，有适合修建旁引蓄沙水库的沟谷、山川（如：处于西峰咀河段的五峰区的川谷地带）。如果澄清后的库水不再引入主库而作他用时，最好把库址选择在外流域。
　　旁引蓄沙水库引水口所处河段位置选择。旁引蓄沙水库引水口所处河段位置应按排沙种类进行选择。以排走推移质为主的引水口，可布置在变动回水区上部（如：天河口至白河段）；以排走中细沙和悬移质为主的引水口，可布置在变动回水区的下部（如：花梨弯至天河段）。
　　旁引蓄沙水库引水口布置。可根据泥沙运动规律，巧妙地借助地形优势来布置旁引蓄沙水库引水口。如：天然弯道是布置推移质排沙清淤工程理想之地。利用弯道产生横向环流原理，水流在弯道内流动时产生离心力，表层水流向凹岸，处于底层挟带推移质泥沙的水流流向凸岸。由此，可在弯道的凸岸布置旁引蓄沙水库引水口，即形成正面排沙侧面引水的布置形式。
　　3.3 引洪淤灌用洪用沙
　　丹江口水库灌渠引水口象其他水库一样也布置在水库下游的坝前附近。由于丹江口水库坝前附近大多时间为清水，所以灌区的农田基本上是常年清水灌溉。如果把灌渠引水口布置在水库上游变动回水区与常年回水区交界处（如：神定河至堵河口及其附近），引水渠充分利用有利地形沿水库边向下游延伸，然后与陶岔、清泉沟引水灌渠相连，构成引水排沙、灌溉枢纽网络系统；为了多排沙也可沿途多开引水口。洪水期将泥沙引走进行农田灌溉，既可以减少库区泥沙淤积，又可有利于农业生产，上、下灌渠相连既能排沙也能保证供水。这可能会使灌渠发生泥沙淤积，但灌渠清淤要比库区清淤容易得多。
　　4 机械挖沙清淤
　　4.1 机械清淤布设
　　机械挖沙是清除库区淤积泥沙的一种直接、实效的方法。目前，采用机械挖沙的水库，大多是在库区淤积泥沙影响水库运行时在坝前采取的“治疗型”清淤治理（“治疗型” 清淤是指：对于库区泥沙淤积已妨碍水库的正常运行或者死库容已被淤满时所进行的排沙清淤治理）。而坝前水较深，作业困难，施工成本高，工效低。根据丹江口水库的运行情况，目前还不需要在库区坝前开展施工困难、且费用昂贵的“治疗型”清淤措施，还适宜采取“防治型”清淤治理。“防治型”机械挖沙清淤，宜布置在水库变动回水区及其附近。因为水库变动回水区及其附近是淤积泥沙最多的重点区域，且水深浅，便于机械作业，施工成本低，清除效果好。另外，汛前清除后的河段，河底比降减小后形成人工沉沙池，使来年汛期的泥沙又沉落在该河段内。这样循环往复地机械挖沙清淤，既可以对入库泥沙有效地控制在变动回水区及其附近，防止泥沙向深水区扩散，有利于集中治理，减少人力物力的投入；又可以有效治理水库“翘尾巴”问题，真实一举多得，效用倍增。
　　机械清淤工程是一项较为复杂的工程。它的布设既要考虑应以最少的投入而得到最高的回报为原则来投放挖沙机械，又要考虑施工其间的行洪、航运、交通的正常运行，还要考虑清淤物的堆放和综合利用以及对生态、环保等因素的影响。
　　机械挖沙清淤，可在整个变动回水区及其附近同时展开，也可分段进行。在变动回水区及其附近的机械清淤应按地形特征来布设。宽阔的大肚区域（如：郧阳县城上、下的两个大肚区域）是机械清淤的重点区域。因为，在宽阔的大肚区域内，由于过水面积增大，流速和挟沙力减小，使大量泥沙落淤，即在该区域形成天然的沉沙池。该区域水面宽阔，适宜多台机械共同作业，其清淤重点是滩地部分。分叉河道（如：在油房沟口的孤山、堵河口处的大孤山、天河口上游的孤山子等处，把汉江分成左右半江）是挖沙清淤的好场所。对于分叉河道可实行左、右江轮换作业，这样使施工期间不影响航运的正常通行。弯道处泥沙落淤在凸岸，所以弯道处机械清淤的重点应放在凸岸。在顺直河段，为了不影响航运的正常通行，也可按左、右半江分别清淤。卡口段和天然节点处，多为不淤地带，不进行机械清淤。
　　4.2 挖沙机械种类选择
　　挖沙机械种类选择应根据淤积物的组成分布不同来选择不同种类的挖沙机械。水流挟带泥沙在进入库区的运动过程中，随着水力因子呈现有规律地变化，淤积泥沙在沿程的分布上也呈现出严格的上粗下细的变化规律（即：变动回水区的上部淤积物为卵石和粗沙，下部的沉积物为细颗粒泥沙）。在卵石和粗沙砾石这一区间，一般水比较浅，可采用挖沙船进行常年清淤，低水时裸露部分的泥沙亦可采用挖土机进行清挖；在变动回水区与常年回水区的交界处，分布的淤积物多为细沙和黏土，水比较深，在这一区间可采用铰吸式或深水吸扬式或其它更先进的挖泥船进行清淤。
　　4.3 拦、排、挖结合法
　　水库泥沙淤积治理的方法可归纳为拦、排、挖。在治理过程中，往往需要多种方法结合进行。如果使拦、排、挖有机结合，则会使治理效果更好，并能起到集中施工和降低成本投入的作用，还可使水利工程具有重复利用的功能。具体结合应因地制宜、灵活多变，可采用两种方法相结合，也可采用三种方法相结合。上述的旁引蓄沙水库就是排与拦相结合。
　　大型沟叉与库区的交汇处（如：安成沟口、将军河口、白河城河交汇口等）是修建拦、挖结合工程的理想之地。若在大型沟叉与库区的交汇处修建一定的水工建筑物，使汛期蓄洪时形成回旋区。回旋区能使沟叉洪水和一部分库区水流所挟带的泥沙落淤；到枯期时，再集中力量把汛期所淤泥沙清除走（即为拦、挖结合法），并使工程在来年可重新利用。现已建成的天河口和三门口拦河坝，已成功地拦蓄了一定的泥沙。但不足的是没有进行及时清除已淤积的泥沙，使这些工程漫漫地失去了应有的作用；再者，这些拦沙工程在淤满之后若不及时把淤积泥沙清除走，则容易造成拦沙坝跨塌，致使原被拦截的泥沙又流入库区。
　　4.4 清淤物的处理
　　清淤物的处理是水库泥沙淤积治理的一个重要部分。清淤物的处理应遵循：长远规划、综合利用、安全堆放和有利环境的原则。
　　长远规划是大前提，清淤物处理的每项工程都应着眼未来、立足长远。例如：运输清淤物的交通规划、堆放清淤物的地点选择等，都应考虑长远利益。
　　清淤物综合利用：对不同粒径的清淤物泥沙，应按其用途的不同进行综合利用处理。卵石和粗沙可用于工程建筑材料。可以通过政府制定政策性法规，使清除的、适合作工程建筑材料的卵石和粗沙进入周围的建筑市场，既可以变害为利，又可以有效制止基建用料中的乱采、乱挖而导致水土流失现象的发生。细颗粒泥沙是一些营养物质和一些有机质的载体，是建造肥沃良田的优质原料。变动回水区周围的陆地，大多是山区，沟壑纵横，可耕地贫乏。因此可把清淤的细颗粒泥沙用于填沟造田，造福农业。把清淤泥沙用于工程建筑材料和填沟造田，可使水库泥沙淤积治理产生综合效益，降低挖沙成本清淤物的安全堆放：需要进行综合利用处理的清淤物要及时进行处理；对于未经处理的和不能进行综合利用的清淤物应堆放到安全地带，要防止清淤物再次流入库区和对环境造成污染或造成其他不良影响，要千方百计地保证北方调水不受污染。
　　 5、结 语
　　水库长久良好地运行，需要及时、正确地养护。清除库中的淤积泥沙是养护水库的重要途径。对丹江口水库中的淤积泥沙采取清除措施是十分必要的，且早开展早受益；开展越早，治理越容易，投资也越少。
　　把清除库区中淤积泥沙的重点放在变动回水区及其附近的“防治型”清淤治理，相对于传统的坝前清淤具有的优点：施工方便、成本低、效果好；并能把淤积泥沙控制在一定范围内，进行集中治理；也能有效治理泥沙淤积上延，有利航运，有利交通等优点。对清淤物的综合利用，既可变害为利，又利于丹江口水库淤积泥沙清除工程的可持续发展。
　　本文所提出的丹江口水库库区泥沙清淤方法，对其它蓄水型水库在治理库区淤积泥沙方面有一定的适用性。