拆壩工程中的泥沙處置范文
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《泥沙研究雜志》2016年第二期
摘要:
美國至今已經(jīng)完成了1108座大壩的拆除，由于拆壩過程中庫區(qū)淤積泥沙的無控制排放或者底泥污染下瀉將對下游區(qū)域帶來多方面的不利影響，因此泥沙管理是拆壩決策制定中的關(guān)鍵內(nèi)容。拆壩時可以選擇的泥沙處置方法主要有3種:河流侵蝕法、原地保留法和機械清除法。通過對不同方法及其優(yōu)缺點的分析，以便針對具體情況制定出最為合理的泥沙管理方案，將不利影響最小化，以期實現(xiàn)最佳的拆壩泥沙處置效果。
關(guān)鍵詞:
美國;拆壩;泥沙處置;河流侵蝕;原地保留;機械清除
據(jù)美國河流組織(AmericanRivers)統(tǒng)計，自20世紀(jì)初，由于恢復(fù)河流自然生態(tài)環(huán)境、保障人身安全及節(jié)約資金等原因，截止到2013年，美國已經(jīng)拆除了1108座閘壩［1－3］，分布范圍遍及47個行政區(qū)(46個州和華盛頓哥倫比亞特區(qū))。在制定拆壩決策方案時，庫區(qū)泥沙處置是其中最具挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。拆壩時的泥沙影響可能波及原庫區(qū)及上下游河流的水質(zhì)、魚類等水生生物，同時還可能增加洪災(zāi)風(fēng)險、破壞景觀，影響程度大小隨當(dāng)?shù)丨h(huán)境和閘壩拆除方案而不同，視實際情況采取恰當(dāng)?shù)哪嗌程幹梅桨浮?/p>
1拆壩原因分析
在美國，閘壩不僅是山水景觀的組成部分，更在社會和經(jīng)濟中發(fā)揮了重要的作用。然而隨著時間的推移，公眾社會價值觀發(fā)生變化，環(huán)保意識逐漸增強，閘壩結(jié)構(gòu)老化帶來的人身安全隱患和對自然生態(tài)系統(tǒng)的不利影響等問題也日益成為國家關(guān)于河流討論的主要議題。迄今為止，美國的拆壩歷史已有100年之久，在拆除的1108座閘壩中，共有700座明確指出了拆除原因。其中，主要為了恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境而拆除的有306座，占43.7%;迫于經(jīng)濟壓力和安全考慮而拆除的閘壩數(shù)量相當(dāng)，分別為82座和79座，各占統(tǒng)計總數(shù)的11.7%、11.3%;綜合以上因素拆除的共218座，占31.2%。美國拆壩原因分類見圖1，可以看出，生態(tài)修復(fù)是美國拆壩的最主要驅(qū)動因素，其次是經(jīng)濟因素和安全保障。
2泥沙釋放產(chǎn)生的問題
研究表明，除了小型徑流式壩外，以蓄水為目的設(shè)計的大壩通常會攔蓄95%甚至更多的泥沙在庫區(qū)［4］。拆除大壩時，如果未對庫區(qū)泥沙采取相應(yīng)的處置措施，很可能會引發(fā)如下問題［5，6］:(1)下游河道輸沙量增加，破壞大壩建成后形成的河流生態(tài)環(huán)境，水生生物棲息地被掩埋，同時也會增加河流橫向移動的可能性;(2)下游河道的粗砂被釋放的細(xì)沙覆蓋，降低魚類產(chǎn)卵地的有效性，并且可能引起無脊椎動物數(shù)量的減少;(3)隨著時間推移，原庫區(qū)無控制釋放的泥沙會引起“沙坡”沿河道向下游移動，提升河床海拔并改變支流的交匯形態(tài);(4)下游河床的抬高會增加發(fā)生洪水的可能性。此外取水口、航道等可能被阻塞，橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施受到破壞;(5)細(xì)沙的無控制釋放會增加下游河道水流的渾濁度，影響水質(zhì)狀況;(6)水庫上游來水如果存在污染源，長期泥沙淤積勢必導(dǎo)致污染物在庫區(qū)泥沙中的累積，富集污染物的泥沙隨閘壩拆除進(jìn)入下游河道將導(dǎo)致下游水體污染。因此，為了減輕或者避免以上不良影響，在拆壩時制定合理的泥沙處置方案十分必要。當(dāng)庫區(qū)泥沙以受控的方式釋放到壩體下游，則會產(chǎn)生一些有利的影響，比如原庫區(qū)木質(zhì)殘體、粗砂、營養(yǎng)物質(zhì)按照設(shè)定的下泄方式釋放，新棲息地環(huán)境和食物來源的增加，使水生生物群落和河岸帶的野生生物群落從中受益。
［7］階段1:調(diào)查。主要涉及兩個方面:(1)大壩歷史和流域環(huán)境問題;(2)庫區(qū)泥沙對當(dāng)?shù)氐挠绊憽Ｕ{(diào)查深度取決于工程的規(guī)模大小和復(fù)雜程度。階段2:描述庫區(qū)泥沙的特征。開展本階段工作的主要目的是為了獲取庫區(qū)泥沙體積、質(zhì)量、空間分布、顆粒級配等基本信息。階段3:判斷庫區(qū)泥沙是否被污染。調(diào)查水庫上游及周邊的土地歷史利用情況，判斷是否有污染物進(jìn)入水庫，同時了解水庫大壩的運行情況有助于判斷污染物附著在庫區(qū)泥沙表面還是被沖刷到下游，進(jìn)而對污染物進(jìn)行定性、定量檢測。階段4:確定庫區(qū)粗砂和細(xì)沙的體積范圍。由于進(jìn)入下游的粗砂和細(xì)沙分別以推移質(zhì)和懸移質(zhì)的形式存在，所以粗砂和細(xì)沙的質(zhì)量應(yīng)分別計算。階段5:制定切實可行的泥沙處置方案。拆壩對庫區(qū)淤積可采取3種處置方法:(1)河流自然侵蝕;(2)原地保留;(3)機械清除。根據(jù)實際需求，各方法可單獨或者結(jié)合采用。方法介紹見下文。階段6:分析庫區(qū)泥沙對水庫和下游的影響。本階段會分別從短期和長期預(yù)測釋放泥沙的數(shù)量、速度及進(jìn)入下游河道后的變化。可能涉及的預(yù)測模型包括:(1)概念模型(質(zhì)量平衡等);(2)質(zhì)量平衡模型;(3)一維水動力和輸沙模型;(4)二維水動力和輸沙模型;(5)三維水動力和輸沙模型;(6)河岸侵蝕模型;(7)水庫或河道的物理模型等。階段7:討論泥沙影響是否可承受。根據(jù)階段6的分析評價釋放泥沙對水生生物和棲息地、優(yōu)勢物種、水質(zhì)、基礎(chǔ)設(shè)施等的影響，確定這些預(yù)測影響是否在承受范圍內(nèi)或者可否降低甚至避免，進(jìn)而對拆壩和泥沙處置方案進(jìn)行必要的改善。階段8:開展監(jiān)測和適應(yīng)性管理。如果泥沙影響預(yù)測結(jié)果表明其已超出了被影響者的承受水平，則開展監(jiān)測和適應(yīng)性管理有助于避免這種情況發(fā)生。
4拆壩河流泥沙處置方法
泥沙處置是拆壩工程中的重要問題，根據(jù)美國一百年來的拆壩經(jīng)驗，拆壩前的泥沙處置方法大體可分為三種［8－10］:河流侵蝕法(包括緩慢和快速兩種)、原地保留法和機械清除法。
4.1河流侵蝕法河流侵蝕是指借助河流的自然侵蝕作用，將庫區(qū)泥沙沖蝕到下游河道中。根據(jù)庫區(qū)泥沙向下游河道釋放速度的不同，又可將河流侵蝕法細(xì)分為緩慢侵蝕法和快速侵蝕法［11］。
4.1.1緩慢侵蝕法在采用緩慢侵蝕法時，需修建臨時溢洪道或者凹槽，庫區(qū)水體通過溢洪道或凹槽向下游釋放，直至庫區(qū)水位逐漸降低至溢洪道閘門檻或凹槽底部位置。在此過程中，泥沙隨水流緩慢穩(wěn)定釋放，利于下游區(qū)域適應(yīng)這些新物質(zhì)，減少湍流的產(chǎn)生。
4.1.2快速侵蝕法快速侵蝕法是指在壩基上建一個通道，使水庫中的水和泥沙借此進(jìn)入下游區(qū)域。雖然在相同背景下，采用快速侵蝕法花費的費用最低，而且與緩慢侵蝕法相比，快速法縮短了不利影響的持續(xù)時間，但是大量泥沙的突然釋放很可能會危害下游魚類等生物的生長和生存。此外，快速侵蝕法也會對基礎(chǔ)設(shè)施帶來巨大損害，比如造成上游的嚴(yán)重侵蝕和沖刷，使地基和埋地管道暴露出來，同時引發(fā)下游洪水和沉積，對防洪堤等防洪設(shè)施及其所保護(hù)的設(shè)備構(gòu)成威脅。在下游區(qū)域不存在暴露的基礎(chǔ)設(shè)施，釋放泥沙對水生生物產(chǎn)生的影響較小，且會進(jìn)入到更大的河流系統(tǒng)中去的情況下，這種方法還是可行的。
4.2原地保留法當(dāng)泥沙表面富集污染物質(zhì)且淤滿庫區(qū)不宜進(jìn)入下游河道時，最佳的泥沙處置方法是原地保留法。穿過淤積的泥沙體或在其周圍開辟一條過流通道，并對其采取護(hù)坡覆蓋的保護(hù)處理方式確保穩(wěn)定，通過修建擋土墻、布置拋石護(hù)岸、種植植被等方法控制表面徑流，這樣在拆壩時既能排泄洪水，又能穩(wěn)定受污染的泥沙［12］。這種方法的工程量較大，耗時較長，一般需要分階段進(jìn)行2～3年。
4.3機械清除法機械清淤法是指通過推土機及前端裝載機或者機械挖泥機、水力挖泥機等設(shè)備對淤積泥沙進(jìn)行清除，并用卡車和傳送帶、泥漿管道運至適當(dāng)處置區(qū)的方法。選擇運輸工具時，如果距離處置區(qū)較遠(yuǎn)，特別在重力流動條件下使用，盡管與原地保留法相比，機械清除法的工程量可能較為簡單，但是由于需要對淤積泥沙進(jìn)行挖掘、脫水和拖運，所以花費較高。通過綜合分析與比較，總結(jié)出以上三種方法各自的適用條件與優(yōu)缺點評估(表2)［9］。閘壩拆除時對于庫區(qū)淤積泥沙處置方案的選擇需要考慮很多因素，主要包括泥沙量、泥沙污染程度、河流可接受的泥沙釋放速率和拆壩方案(部分拆除、全部拆除)、不同泥沙處置方案的優(yōu)劣性。泥沙管理方法不僅可以單獨使用，在某些情況下還可以相互結(jié)合，以達(dá)到最佳的泥沙處理效果，如機械清除法就可以和緩慢侵蝕法結(jié)合使用，通過挖泥機將細(xì)沙清除，并令粗沙隨著水流向下游排放，從而使細(xì)沙對下游環(huán)境造成的不利影響最小化。所以，方案最終應(yīng)綜合考慮施工現(xiàn)場的具體情況。
5拆壩工程中的泥沙處置案例
自1912－2013年，美國共拆除閘壩1108座，其中涉及庫區(qū)泥沙淤積問題的案例很多［1，13，14］。表3列舉了其中的15個典型案例。在表3中，拆壩時單獨采用河流自然侵蝕法處理庫區(qū)泥沙的共6座，多分布在Washington州，其中GlinesCanyon壩是美國拆壩歷史上最高的大壩，高64m，使用壽命84年，最終因恢復(fù)河流生態(tài)環(huán)境于2011年和同位于Angeles港附近的Elwha壩相繼拆除，與機械清除泥沙的成本相比，通過凹槽緩慢釋放的方式處置這兩座水庫中的淤積泥沙可節(jié)省1700萬美元。僅采取機械清除法的有1座，為PendOreille河(Columbia河支流)上的MillPond壩，由于拆壩時釋放的泥沙會對下游其他3座大壩帶來不良影響，因此壩主決定以機械清除的方式處置泥沙，同時將其中的礫石和卵石開采出來用于河道和魚類棲息地的恢復(fù)。
僅采取穩(wěn)定化處理方法的有4座，包括Mussers壩、HaynabFall壩、Nolichucky壩和Rindge壩，因保障公共安全、節(jié)約成本等不同原因被拆除。對這4座大壩淤積的泥沙進(jìn)行原地保留的原因，主要是由于泥沙淤積量太大，就地穩(wěn)定處理可以降低泥沙對下游水生生物、景觀和供水的不利影響。多種方法結(jié)合的共4座，其中Fulton壩和PrairieDells壩淤積泥沙中均無有害成分，且多為細(xì)沙，為了防止對下游魚類帶來不利影響，拆除前均在河床中挖掘沉積區(qū)，并適時對沉積區(qū)進(jìn)行了清理。WoolenMills壩和Matilija壩所攔截泥沙中的營養(yǎng)物質(zhì)利于拆壩后自然濕地生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)，故大部分粗砂被就地保留，只有少部分細(xì)沙隨水流釋放。
6結(jié)語
作為目前世界上拆壩數(shù)量最多的國家，美國在這方面做了很多研究，也取得了一定的成果。拆壩是一項涉及水利、環(huán)境、生態(tài)等多方面的復(fù)雜工程，其中的泥沙處置更是重中之重，泥沙影響評估環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。如文中所述，唯有綜合工程特性、周圍環(huán)境、成本等各種考慮，制定切實可行的泥沙處置方案，才能在拆壩時避免庫區(qū)淤積對環(huán)境和公眾造成不利影響，甚至利用其有利影響。目前，我國的水庫數(shù)量已經(jīng)超過9.8萬座(除港、澳、臺外)，其中的病險庫也已超過4萬座，而泥沙淤積就是很多水庫面臨的主要問題之一。放眼未來，我國的拆壩和泥沙處置工作任重而道遠(yuǎn)，應(yīng)在借鑒國外成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開展更多、更深入的研究，制定出適用于我國的工程實施方案。
作者：吳文強 王若男 彭文啟 李樹文 單位：中國水利水電科學(xué)研究院 河北工程大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院環(huán)境工程系
