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:

美國至今已經完成了1108座大壩的拆除，由于拆壩過程中庫區淤積泥沙的無控制排放或者底泥污染下瀉將對下游區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鍵內容。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，以期實現最佳的拆壩泥沙處置效果。

關鍵詞:

美國;拆壩;泥沙處置;河流侵蝕;原地保留;機械清除

據美國河流組織(AmericanRivers)統計，自20世紀初，由于恢復河流自然生態環境、保障人身安全及節約資金等原因，截止到2013年，美國已經拆除了1108座閘壩［1－3］，分布范圍遍及47個行政區(46個州和華盛頓哥倫比亞特區)。在制定拆壩決策方案時，庫區泥沙處置是其中最具挑戰性的關鍵環節。拆壩時的泥沙影響可能波及原庫區及上下游河流的水質、魚類等水生生物，同時還可能增加洪災風險、破壞景觀，影響程度大小隨當地環境和閘壩拆除方案而不同，視實際情況采取恰當的泥沙處置方案。

1拆壩原因分析

在美國，閘壩不僅是山水景觀的組成部分，更在社會和經濟中發揮了重要的作用。然而隨著時間的推移，公眾社會價值觀發生變化，環保意識逐漸增強，閘壩結構老化帶來的人身安全隱患和對自然生態系統的不利影響等問題也日益成為國家關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，主要為了恢復河流生態環境而拆除的有306座，占43.7%;迫于經濟壓力和安全考慮而拆除的閘壩數量相當，分別為82座和79座，各占統計總數的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，生態修復是美國拆壩的最主要驅動因素，其次是經濟因素和安全保障。

2泥沙釋放產生的問題

研究表明，除了小型徑流式壩外，以蓄水為目的設計的大壩通常會攔蓄95%甚至更多的泥沙在庫區［4］。拆除大壩時，如果未對庫區泥沙采取相應的處置措施，很可能會引發如下問題［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環境，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沙覆蓋，降低魚類產卵地的有效性，并且可能引起無脊椎動物數量的減少;(3)隨著時間推移，原庫區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;(4)下游河床的抬高會增加發生洪水的可能性。此外取水口、航道等可能被阻塞，橋梁等基礎設施受到破壞;(5)細沙的無控制釋放會增加下游河道水流的渾濁度，影響水質狀況;(6)水庫上游來水如果存在污染源，長期泥沙淤積勢必導致污染物在庫區泥沙中的累積，富集污染物的泥沙隨閘壩拆除進入下游河道將導致下游水體污染。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。當庫區泥沙以受控的方式釋放到壩體下游，則會產生一些有利的影響，比如原庫區木質殘體、粗砂、營養物質按照設定的下泄方式釋放，新棲息地環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。

3拆壩工程中的泥沙影響評估流程

［7］階段1:調查。主要涉及兩個方面:(1)大壩歷史和流域環境問題;(2)庫區泥沙對當地的影響。調查深度取決于工程的規模大小和復雜程度。階段2:描述庫區泥沙的特征。開展本階段工作的主要目的是為了獲取庫區泥沙體積、質量、空間分布、顆粒級配等基本信息。階段3:判斷庫區泥沙是否被污染。調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泥沙表面還是被沖刷到下游，進而對污染物進行定性、定量檢測。階段4:確定庫區粗砂和細沙的體積范圍。由于進入下游的粗砂和細沙分別以推移質和懸移質的形式存在，所以粗砂和細沙的質量應分別計算。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。根據實際需求，各方法可單獨或者結合采用。方法介紹見下文。階段6:分析庫區泥沙對水庫和下游的影響。本階段會分別從短期和長期預測釋放泥沙的數量、速度及進入下游河道后的變化。可能涉及的預測模型包括:(1)概念模型(質量平衡等);(2)質量平衡模型;(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。根據階段6的分析評價釋放泥沙對水生生物和棲息地、優勢物種、水質、基礎設施等的影響，確定這些預測影響是否在承受范圍內或者可否降低甚至避免，進而對拆壩和泥沙處置方案進行必要的改善。階段8:開展監測和適應性管理。如果泥沙影響預測結果表明其已超出了被影響者的承受水平，則開展監測和適應性管理有助于避免這種情況發生。

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，根據美國一百年來的拆壩經驗，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，將庫區泥沙沖蝕到下游河道中。根據庫區泥沙向下游河道釋放速度的不同，又可將河流侵蝕法細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，庫區水體通過溢洪道或凹槽向下游釋放，直至庫區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，泥沙隨水流緩慢穩定釋放，利于下游區域適應這些新物質，減少湍流的產生。

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入下游區域。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設施帶來巨大損害，比如造成上游的嚴重侵蝕和沖刷，使地基和埋地管道暴露出來，同時引發下游洪水和沉積，對防洪堤等防洪設施及其所保護的設備構成威脅。在下游區域不存在暴露的基礎設施，釋放泥沙對水生生物產生的影響較小，且會進入到更大的河流系統中去的情況下，這種方法還是可行的。

4.2原地保留法當泥沙表面富集污染物質且淤滿庫區不宜進入下游河道時，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，并對其采取護坡覆蓋的保護處理方式確保穩定，通過修建擋土墻、布置拋石護岸、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、水力挖泥機等設備對淤積泥沙進行清除，并用卡車和傳送帶、泥漿管道運至適當處置區的方法。選擇運輸工具時，如果距離處置區較遠，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，總結出以上三種方法各自的適用條件與優缺點評估(表2)［9］。閘壩拆除時對于庫區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合，以達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合使用，通過挖泥機將細沙清除，并令粗沙隨著水流向下游排放，從而使細沙對下游環境造成的不利影響最小化。所以，方案最終應綜合考慮施工現場的具體情況。

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，最終因恢復河流生態環境于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。

僅采取穩定化處理方法的有4座，包括Mussers壩、HaynabFall壩、Nolichucky壩和Rindge壩，因保障公共安全、節約成本等不同原因被拆除。對這4座大壩淤積的泥沙進行原地保留的原因，主要是由于泥沙淤積量太大，就地穩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，并適時對沉積區進行了清理。WoolenMills壩和Matilija壩所攔截泥沙中的營養物質利于拆壩后自然濕地生態環境的恢復，故大部分粗砂被就地保留，只有少部分細沙隨水流釋放。

6結語

作為目前世界上拆壩數量最多的國家，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、環境、生態等多方面的復雜工程，其中的泥沙處置更是重中之重，泥沙影響評估環環相扣，缺一不可。如文中所述，唯有綜合工程特性、周圍環境、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淤積對環境和公眾造成不利影響，甚至利用其有利影響。目前，我國的水庫數量已經超過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，應在借鑒國外成功經驗的基礎上，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：中國水利水電科學研究院 河北工程大學 城市建設學院環境工程系