丹江口水庫排沙清淤方法探討

摘要：丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程的源水庫，延長其使用壽命、保證其長久良好地運(yùn)行，不但有重要的經(jīng)濟(jì)意義，而且有更重要的社會意義。排沙清淤是保證丹江口水庫能長期運(yùn)用良好的重要措施。根據(jù)丹江口水庫的自身特性，在變動回水區(qū)及其附近進(jìn)行“防治型”排沙清淤是治理庫區(qū)淤積泥沙的有效途徑，與傳統(tǒng)的壩前“治療型”排沙清淤相比有許多優(yōu)越之處。 

關(guān)鍵詞：丹江口 排沙清淤 

1 前 言
　　聞名中外的都江堰已有兩千多年的歷史，它之所以能長期運(yùn)用良好，其中有一個(gè)主要原因是：在岷江的出山口處的江心壘砌的魚嘴因勢利導(dǎo)分水、分沙；在引水口上江灣凸岸處修建的飛沙堰有利排沙；平均每年人工清淤近100萬m3。可見都江堰樞紐非常重視泥沙處理，也正是排沙清淤保持了該樞紐工程的生命力。還有一些運(yùn)行良好的水利樞紐工程，也都修建了排沙工程和采取了清淤措施。因此可以說，排沙清淤是保證水利樞紐工程能長期運(yùn)用良好的主要措施。
　　丹江口水庫是一座大型蓄水型水庫，絕大部分來沙被攔蓄在庫內(nèi)，大量的淤積泥沙對水庫的正常運(yùn)行構(gòu)成了潛在的威脅，消除這種潛在威脅的主要方法是排沙清淤。丹江口水庫，在減少入庫泥沙方面已做了大量的工作，如：水土保持、小流域治理、子水庫修建和支溝攔沙等，但在清除進(jìn)入水庫和已淤積在水庫中的泥沙方面，還沒有引起足夠的重視，基本處于任其發(fā)展?fàn)顩r。本文根據(jù)丹江口水庫的自身特性，論述了丹江口水庫排沙清淤的必要性；提出了在丹江口水庫變動回水區(qū)及其附近修建排沙清淤工程和采用機(jī)械挖沙清淤以及多種方法有機(jī)結(jié)合清淤的設(shè)想，并對其布置方法進(jìn)行了探討。
2 丹江口水庫排沙清淤的必要性
2.1 丹江口水庫水沙特性和淤積狀況
　　座落于漢江中上游、丹江入?yún)R口下游0.8 km的丹江口水庫，是丹、漢兩江并聯(lián)水庫。控制漢江流域面積9.5萬km2，占漢江流域面積的60％；壩址多年平均徑流量為398億m3（黃家港站1954—1990年），占漢江流域總徑流量的70％。壩址多年平均輸沙量1.15億t。丹江口水庫死水位139 m，相應(yīng)庫容為72.3億m3；正常蓄水位157 m，相應(yīng)庫容174.5億m3（漢江占54％，丹江占46％），相應(yīng)回水長：漢江庫區(qū)177.6 km，丹江庫區(qū)85 km。
　　根據(jù)多年的實(shí)測資料可知，丹江大壩蓄水后98％的來沙被攔蓄在庫區(qū)內(nèi)。按每年1億t來沙量計(jì)算，從1968年蓄水至今，淤積在庫區(qū)內(nèi)的泥沙約20億m3，占死庫容27.7％，占總庫容11.5％。
　　丹江口水庫的淤積泥沙，在20世紀(jì)90年代以前主要分布在變動回水區(qū)和變動回水區(qū)與常年回水區(qū)的交界處。1983年特大洪水之后，近20年中，大多年份水庫來水為平、枯水年，每年有較長時(shí)間處于低水位以下運(yùn)行。長時(shí)間低水運(yùn)行，導(dǎo)致變動回水區(qū)在河流的造床作用下形成了新的天然河道形態(tài)。在新的天然河道中，有的河段已達(dá)到平衡狀態(tài)，有的已達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)。變動回水區(qū)的這種演變發(fā)展，使得入庫和原變動回水區(qū)的大量泥沙快速移至常年回水區(qū)，結(jié)果加快了有效庫容的淤積速率。如果這種情況繼續(xù)下去，將會影響水庫的正常運(yùn)行。
2.2 丹江口水庫排沙清淤的必要性
　　丹江口水庫雖在規(guī)劃設(shè)計(jì)中預(yù)留72.3億m3的死庫容作為堆沙庫容，這自然不失為解決泥沙淤積問題的一種途徑，甚至是現(xiàn)時(shí)可行之途徑。但來沙無盡，庫容幾何？由上述水沙特性和淤積狀況資料可知，丹江口水庫庫容損失的速度是驚人的，如果任其發(fā)展，在不遠(yuǎn)的將來丹江口水庫會成為一座堆滿淤泥的死庫，到那時(shí)，將給漢江流域乃至中國帶來不可估量的損失。因此，對丹江口水庫進(jìn)行排沙清淤治理是非常必要的，也是養(yǎng)護(hù)丹江口水庫庫容的必然選擇之法。
　　對于蓄水型的丹江口水庫，在庫容養(yǎng)護(hù)方面，最理想的做法是在水庫開始蓄水運(yùn)行時(shí)就應(yīng)該開展投資少、施工難度小、見效快的“防治型”排沙清淤治理（“防治型”排沙清淤是指：庫區(qū)淤積泥沙對水庫的運(yùn)行不足以構(gòu)成威脅時(shí)所進(jìn)行的排沙清淤治理）。也就是說：要未雨綢繆，積極防護(hù)，不能把調(diào)節(jié)庫容淤滿時(shí)出現(xiàn)的問題（也是難以解決的問題）留給子孫后代來解決。丹江口水庫運(yùn)行30多年，死庫容淤積近1/3，現(xiàn)開展清淤治理已屬晚矣。但淤積泥沙還未影響到水庫的正常運(yùn)行，尚能盡快實(shí)施，還能較容易地遏止泥沙淤積向常年回水區(qū)擴(kuò)散的趨勢；否則隱患叢生、治理就更加困難。
　　因此，對丹江口水庫進(jìn)行排沙清淤治理，不但勢在必行，而且還應(yīng)盡早實(shí)施。
2.3 排沙清淤的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益
　　丹江口水庫作為南水北調(diào)中線工程的源頭水庫，在南水北調(diào)中線工程竣工運(yùn)用后，防洪、調(diào)水將成為水庫的主要功能。防洪、調(diào)水產(chǎn)生的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益是巨大的。而滿足正常防洪、調(diào)水是以一定庫容作基礎(chǔ)。保證一定庫容的重要措施是排沙清淤。因此，清除丹江口水庫庫區(qū)淤積泥沙，保證水庫具有一定庫容、延長其使用壽命，不但有重要的經(jīng)濟(jì)意義，而且有更重要的社會意義。
　　然而，對處于正常運(yùn)行水庫進(jìn)行排沙清淤，往往得不到人們的重視。有一個(gè)重要原因是人們認(rèn)為：清除庫區(qū)中淤積泥沙的費(fèi)用高于修建同體積水庫的費(fèi)用。 對此，筆者有不同的看法。筆者認(rèn)為：大型水工建筑物對地址的選擇上往往具有惟一性。也就是說，在某個(gè)流域內(nèi)某一位置所修建的水利樞紐，其效能具有唯一性。例如：當(dāng)?shù)そ�口水庫淤死廢棄后，在漢江流域很難再建一座與丹江口水庫效能等同的水庫。另外，淤死廢棄后的水庫不但不能創(chuàng)造效益，而且還會危害環(huán)境，還需投入治理和管理費(fèi)用。因此，清除庫區(qū)中淤積泥沙所產(chǎn)生的效益是長遠(yuǎn)的，是不能與修建同體積水庫的費(fèi)用等比的。況且還可采取早期治理、分散投資和對清除物綜合利用來降低成本投入。
3 水力排沙清淤
3.1 丹江口水庫水力排沙清淤概況
　　水力排沙清淤是根據(jù)水流的運(yùn)動規(guī)律，利用水流所具有挾沙能力的特點(diǎn)，按照人們的意愿，通過水工建筑物把庫區(qū)的泥沙排到指定的區(qū)域內(nèi)。在利用水力排沙方面，丹江口水庫采用深孔泄洪排沙。深孔泄洪排沙，只能排走壩前淤積泥沙和少量懸移質(zhì)泥沙。此排沙法是以減少蓄水量為代價(jià)。從30多年的實(shí)際運(yùn)用情況看，收效甚微，而且向下游排泄泥沙會危害下游王甫洲水利樞紐和下游河道環(huán)境（現(xiàn)在多數(shù)河流實(shí)行梯級開發(fā)，由上游水利樞紐向下游排沙的做法已不可取）。另外，南水北調(diào)中線工程竣工后，大壩加高和大量調(diào)水使泄水機(jī)會將大大減少。因此，利用大壩泄水排沙在丹江口水庫將難以發(fā)揮作用。根據(jù)入庫泥沙大部分先落淤在變動回水區(qū)，而后在汛、枯期和豐、平、枯水年份的周期交替中，不停地、循環(huán)地、一次次地把泥沙從水庫變動回水區(qū)的淺水區(qū)搬運(yùn)到深水區(qū)，直至水庫被泥沙淤滿為止這一規(guī)律。筆者提出在丹江口水庫變動回水區(qū)及其附近，修建水力排沙樞紐工程，使河流泥沙在未入庫前就被排走。
3.2 修建旁引蓄沙水庫
　　在庫區(qū)河道岸旁的溝谷、山川中，利用有利地形修建引洪蓄沙水庫。在洪水期將泥沙引入庫中沉蓄，澄清后的庫水或再引入主庫或作他用。利用旁引蓄沙水庫可排走推移質(zhì)、懸移質(zhì)等入庫泥沙。
　　旁引蓄沙水庫庫址選擇。旁引蓄沙水庫庫址應(yīng)選擇容積較大、地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的溝谷、山川。丹江口水庫上游河道為山區(qū)河道，兩岸山谷縱橫，有適合修建旁引蓄沙水庫的溝谷、山川（如：處于西峰咀河段的五峰區(qū)的川谷地帶）。如果澄清后的庫水不再引入主庫而作他用時(shí)，最好把庫址選擇在外流域。
　　旁引蓄沙水庫引水口所處河段位置選擇。旁引蓄沙水庫引水口所處河段位置應(yīng)按排沙種類進(jìn)行選擇。以排走推移質(zhì)為主的引水口，可布置在變動回水區(qū)上部（如：天河口至白河段）；以排走中細(xì)沙和懸移質(zhì)為主的引水口，可布置在變動回水區(qū)的下部（如：花梨彎至天河段）。
　　旁引蓄沙水庫引水口布置。可根據(jù)泥沙運(yùn)動規(guī)律，巧妙地借助地形優(yōu)勢來布置旁引蓄沙水庫引水口。如：天然彎道是布置推移質(zhì)排沙清淤工程理想之地。利用彎道產(chǎn)生橫向環(huán)流原理，水流在彎道內(nèi)流動時(shí)產(chǎn)生離心力，表層水流向凹岸，處于底層挾帶推移質(zhì)泥沙的水流流向凸岸。由此，可在彎道的凸岸布置旁引蓄沙水庫引水口，即形成正面排沙側(cè)面引水的布置形式。 
3.3 引洪淤灌用洪用沙
　　丹江口水庫灌渠引水口象其他水庫一樣也布置在水庫下游的壩前附近。由于丹江口水庫壩前附近大多時(shí)間為清水，所以灌區(qū)的農(nóng)田基本上是常年清水灌溉。如果把灌渠引水口布置在水庫上游變動回水區(qū)與常年回水區(qū)交界處（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庫邊向下游延伸，然后與陶岔、清泉溝引水灌渠相連，構(gòu)成引水排沙、灌溉樞紐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；為了多排沙也可沿途多開引水口。洪水期將泥沙引走進(jìn)行農(nóng)田灌溉，既可以減少庫區(qū)泥沙淤積，又可有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，上、下灌渠相連既能排沙也能保證供水。這可能會使灌渠發(fā)生泥沙淤積，但灌渠清淤要比庫區(qū)清淤容易得多。
4 機(jī)械挖沙清淤
4.1 機(jī)械清淤布設(shè)　
　　機(jī)械挖沙是清除庫區(qū)淤積泥沙的一種直接、實(shí)效的方法。目前，采用機(jī)械挖沙的水庫，大多是在庫區(qū)淤積泥沙影響水庫運(yùn)行時(shí)在壩前采取的“治療型”清淤治理（“治療型” 清淤是指：對于庫區(qū)泥沙淤積已妨礙水庫的正常運(yùn)行或者死庫容已被淤滿時(shí)所進(jìn)行的排沙清淤治理）。而壩前水較深，作業(yè)困難，施工成本高，工效低。根據(jù)丹江口水庫的運(yùn)行情況，目前還不需要在庫區(qū)壩前開展施工困難、且費(fèi)用昂貴的“治療型”清淤措施，還適宜采取“防治型”清淤治理。“防治型”機(jī)械挖沙清淤，宜布置在水庫變動回水區(qū)及其附近。因?yàn)樗畮熳儎踊厮畢^(qū)及其附近是淤積泥沙最多的重點(diǎn)區(qū)域，且水深淺，便于機(jī)械作業(yè)，施工成本低，清除效果好。另外，汛前清除后的河段，河底比降減小后形成人工沉沙池，使來年汛期的泥沙又沉落在該河段內(nèi)。這樣循環(huán)往復(fù)地機(jī)械挖沙清淤，既可以對入庫泥沙有效地控制在變動回水區(qū)及其附近，防止泥沙向深水區(qū)擴(kuò)散，有利于集中治理，減少人力物力的投入；又可以有效治理水庫“翹尾巴”問題，真實(shí)一舉多得，效用倍增。 
　　機(jī)械清淤工程是一項(xiàng)較為復(fù)雜的工程。它的布設(shè)既要考慮應(yīng)以最少的投入而得到最高的回報(bào)為原則來投放挖沙機(jī)械，又要考慮施工其間的行洪、航運(yùn)、交通的正常運(yùn)行，還要考慮清淤物的堆放和綜合利用以及對生態(tài)、環(huán)保等因素的影響。
　　機(jī)械挖沙清淤，可在整個(gè)變動回水區(qū)及其附近同時(shí)展開，也可分段進(jìn)行。在變動回水區(qū)及其附近的機(jī)械清淤應(yīng)按地形特征來布設(shè)。寬闊的大肚區(qū)域（如：鄖陽縣城上、下的兩個(gè)大肚區(qū)域）是機(jī)械清淤的重點(diǎn)區(qū)域。因?yàn)椋�在寬闊的大肚區(qū)域內(nèi)，由于過水面積增大，流速和挾沙力減小，使大量泥沙落淤，即在該區(qū)域形成天然的沉沙池。該區(qū)域水面寬闊，適宜多臺機(jī)械共同作業(yè)，其清淤重點(diǎn)是灘地部分。分*河道（如：在油房溝口的孤山、堵河口處的大孤山、天河口上游的孤山子等處，把漢江分成左右半江）是挖沙清淤的好場所。對于分*河道可實(shí)行左、右江輪換作業(yè)，這樣使施工期間不影響航運(yùn)的正常通行。彎道處泥沙落淤在凸岸，所以彎道處機(jī)械清淤的重點(diǎn)應(yīng)放在凸岸。在順直河段，為了不影響航運(yùn)的正常通行，也可按左、右半江分別清淤。卡口段和天然節(jié)點(diǎn)處，多為不淤地帶，不進(jìn)行機(jī)械清淤。
4.2 挖沙機(jī)械種類選擇
　　挖沙機(jī)械種類選擇應(yīng)根據(jù)淤積物的組成分布不同來選擇不同種類的挖沙機(jī)械。水流挾帶泥沙在進(jìn)入庫區(qū)的運(yùn)動過程中，隨著水力因子呈現(xiàn)有規(guī)律地變化，淤積泥沙在沿程的分布上也呈現(xiàn)出嚴(yán)格的上粗下細(xì)的變化規(guī)律（即：變動回水區(qū)的上部淤積物為卵石和粗沙，下部的沉積物為細(xì)顆粒泥沙）。在卵石和粗沙礫石這一區(qū)間，一般水比較淺，可采用挖沙船進(jìn)行常年清淤，低水時(shí)裸露部分的泥沙亦可采用挖土機(jī)進(jìn)行清挖；在變動回水區(qū)與常年回水區(qū)的交界處，分布的淤積物多為細(xì)沙和黏土，水比較深，在這一區(qū)間可采用鉸吸式或深水吸揚(yáng)式或其它更先進(jìn)的挖泥船進(jìn)行清淤。
4.3 攔、排、挖結(jié)合法
　　水庫泥沙淤積治理的方法可歸納為攔、排、挖。在治理過程中，往往需要多種方法結(jié)合進(jìn)行。如果使攔、排、挖有機(jī)結(jié)合，則會使治理效果更好，并能起到集中施工和降低成本投入的作用，還可使水利工程具有重復(fù)利用的功能。具體結(jié)合應(yīng)因地制宜、靈活多變，可采用兩種方法相結(jié)合，也可采用三種方法相結(jié)合。上述的旁引蓄沙水庫就是排與攔相結(jié)合。
　　大型溝*與庫區(qū)的交匯處（如：安成溝口、將軍河口、白河城河交匯口等）是修建攔、挖結(jié)合工程的理想之地。若在大型溝*與庫區(qū)的交匯處修建一定的水工建筑物，使汛期蓄洪時(shí)形成回旋區(qū)。回旋區(qū)能使溝*洪水和一部分庫區(qū)水流所挾帶的泥沙落淤；到枯期時(shí)，再集中力量把汛期所淤泥沙清除走（即為攔、挖結(jié)合法），并使工程在來年可重新利用。現(xiàn)已建成的天河口和三門口攔河壩，已成功地?cái)r蓄了一定的泥沙。但不足的是沒有進(jìn)行及時(shí)清除已淤積的泥沙，使這些工程漫漫地失去了應(yīng)有的作用；再者，這些攔沙工程在淤滿之后若不及時(shí)把淤積泥沙清除走，則容易造成攔沙壩跨塌，致使原被攔截的泥沙又流入庫區(qū)。
4.4 清淤物的處理
　　清淤物的處理是水庫泥沙淤積治理的一個(gè)重要部分。清淤物的處理應(yīng)遵循：長遠(yuǎn)規(guī)劃、綜合利用、安全堆放和有利環(huán)境的原則。
　　長遠(yuǎn)規(guī)劃是大前提，清淤物處理的每項(xiàng)工程都應(yīng)著眼未來、立足長遠(yuǎn)。例如：運(yùn)輸清淤物的交通規(guī)劃、堆放清淤物的地點(diǎn)選擇等，都應(yīng)考慮長遠(yuǎn)利益。
　　清淤物綜合利用：對不同粒徑的清淤物泥沙，應(yīng)按其用途的不同進(jìn)行綜合利用處理。卵石和粗沙可用于工程建筑材料。可以通過政府制定政策性法規(guī)，使清除的、適合作工程建筑材料的卵石和粗沙進(jìn)入周圍的建筑市場，既可以變害為利，又可以有效制止基建用料中的亂采、亂挖而導(dǎo)致水土流失現(xiàn)象的發(fā)生。細(xì)顆粒泥沙是一些營養(yǎng)物質(zhì)和一些有機(jī)質(zhì)的載體，是建造肥沃良田的優(yōu)質(zhì)原料。變動回水區(qū)周圍的陸地，大多是山區(qū)，溝壑縱橫，可耕地貧乏。因此可把清淤的細(xì)顆粒泥沙用于填溝造田，造福農(nóng)業(yè)。把清淤泥沙用于工程建筑材料和填溝造田，可使水庫泥沙淤積治理產(chǎn)生綜合效益，降低挖沙成本清淤物的安全堆放：需要進(jìn)行綜合利用處理的清淤物要及時(shí)進(jìn)行處理；對于未經(jīng)處理的和不能進(jìn)行綜合利用的清淤物應(yīng)堆放到安全地帶，要防止清淤物再次流入庫區(qū)和對環(huán)境造成污染或造成其他不良影響，要千方百計(jì)地保證北方調(diào)水不受污染。
5 結(jié) 語
　　水庫長久良好地運(yùn)行，需要及時(shí)、正確地養(yǎng)護(hù)。清除庫中的淤積泥沙是養(yǎng)護(hù)水庫的重要途徑。對丹江口水庫中的淤積泥沙采取清除措施是十分必要的，且早開展早受益；開展越早，治理越容易，投資也越少。
　　把清除庫區(qū)中淤積泥沙的重點(diǎn)放在變動回水區(qū)及其附近的“防治型”清淤治理，相對于傳統(tǒng)的壩前清淤具有的優(yōu)點(diǎn)：施工方便、成本低、效果好；并能把淤積泥沙控制在一定范圍內(nèi)，進(jìn)行集中治理；也能有效治理泥沙淤積上延，有利航運(yùn)，有利交通等優(yōu)點(diǎn)。對清淤物的綜合利用，既可變害為利，又利于丹江口水庫淤積泥沙清除工程的可持續(xù)發(fā)展。
本文所提出的丹江口水庫庫區(qū)泥沙清淤方法，對其它蓄水型水庫在治理庫區(qū)淤積泥沙方面有一定的適用性。

Approach to Desilting at Danjiangkou Reservoir

Abstract: Danjiangkou reservoir is a source reservoir of the middle route project of South�瞭o�睳orth Water Transfer. To guarantee its well operation has much important in economic and social sectors. One of the effective ways to fulfill this target is desilted. According to the reservoir own property, we recommend use “control” rather than traditional “treatment” method in the process.

Keywords: desilting； backwater area; sediment storage reservoir; flood diversion for warping