拆壩工程中的泥沙處置范文
本站小編為你精心準(zhǔn)備了拆壩工程中的泥沙處置參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。
《泥沙研究雜志》2016年第二期
摘要:
美國(guó)至今已經(jīng)完成了1108座大壩的拆除，由于拆壩過(guò)程中庫(kù)區(qū)淤積泥沙的無(wú)控制排放或者底泥污染下瀉將對(duì)下游區(qū)域帶來(lái)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(shí)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(jī)械清除法。通過(guò)對(duì)不同方法及其優(yōu)缺點(diǎn)的分析，以便針對(duì)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(shí)現(xiàn)最佳的拆壩泥沙處置效果。
關(guān)鍵詞:
美國(guó);拆壩;泥沙處置;河流侵蝕;原地保留;機(jī)械清除
據(jù)美國(guó)河流組織(AmericanRivers)統(tǒng)計(jì)，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(guó)已經(jīng)拆除了1108座閘壩［1－3］，分布范圍遍及47個(gè)行政區(qū)(46個(gè)州和華盛頓哥倫比亞特區(qū))。在制定拆壩決策方案時(shí)，庫(kù)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(shí)的泥沙影響可能波及原庫(kù)區(qū)及上下游河流的水質(zhì)、魚類等水生生物，同時(shí)還可能增加洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、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(shí)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(guó)，閘壩不僅是山水景觀的組成部分，更在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了重要的作用。然而隨著時(shí)間的推移，公眾社會(huì)價(jià)值觀發(fā)生變化，環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)，閘壩結(jié)構(gòu)老化帶來(lái)的人身安全隱患和對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)的不利影響等問(wèn)題也日益成為國(guó)家關(guān)于河流討論的主要議題。迄今為止，美國(guó)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(jì)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(jì)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(guó)拆壩原因分類見(jiàn)圖1，可以看出，生態(tài)修復(fù)是美國(guó)拆壩的最主要驅(qū)動(dòng)因素，其次是經(jīng)濟(jì)因素和安全保障。
2泥沙釋放產(chǎn)生的問(wèn)題
研究表明，除了小型徑流式壩外，以蓄水為目的設(shè)計(jì)的大壩通常會(huì)攔蓄95%甚至更多的泥沙在庫(kù)區(qū)［4］。拆除大壩時(shí)，如果未對(duì)庫(kù)區(qū)泥沙采取相應(yīng)的處置措施，很可能會(huì)引發(fā)如下問(wèn)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(shí)也會(huì)增加河流橫向移動(dòng)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(wú)脊椎動(dòng)物數(shù)量的減少;(3)隨著時(shí)間推移，原庫(kù)區(qū)無(wú)控制釋放的泥沙會(huì)引起“沙坡”沿河道向下游移動(dòng)，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(huì)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(wú)控制釋放會(huì)增加下游河道水流的渾濁度，影響水質(zhì)狀況;(6)水庫(kù)上游來(lái)水如果存在污染源，長(zhǎng)期泥沙淤積勢(shì)必導(dǎo)致污染物在庫(kù)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(shí)制定合理的泥沙處置方案十分必要。當(dāng)庫(kù)區(qū)泥沙以受控的方式釋放到壩體下游，則會(huì)產(chǎn)生一些有利的影響，比如原庫(kù)區(qū)木質(zhì)殘?bào)w、粗砂、營(yíng)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(lái)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(gè)方面:(1)大壩歷史和流域環(huán)境問(wèn)題;(2)庫(kù)區(qū)泥沙對(duì)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(kù)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(kù)區(qū)泥沙體積、質(zhì)量、空間分布、顆粒級(jí)配等基本信息。階段3:判斷庫(kù)區(qū)泥沙是否被污染。調(diào)查水庫(kù)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(kù)，同時(shí)了解水庫(kù)大壩的運(yùn)行情況有助于判斷污染物附著在庫(kù)區(qū)泥沙表面還是被沖刷到下游，進(jìn)而對(duì)污染物進(jìn)行定性、定量檢測(cè)。階段4:確定庫(kù)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(jì)算。階段5:制定切實(shí)可行的泥沙處置方案。拆壩對(duì)庫(kù)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(jī)械清除。根據(jù)實(shí)際需求，各方法可單獨(dú)或者結(jié)合采用。方法介紹見(jiàn)下文。階段6:分析庫(kù)區(qū)泥沙對(duì)水庫(kù)和下游的影響。本階段會(huì)分別從短期和長(zhǎng)期預(yù)測(cè)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(cè)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(dòng)力和輸沙模型;(4)二維水動(dòng)力和輸沙模型;(5)三維水動(dòng)力和輸沙模型;(6)河岸侵蝕模型;(7)水庫(kù)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(píng)價(jià)釋放泥沙對(duì)水生生物和棲息地、優(yōu)勢(shì)物種、水質(zhì)、基礎(chǔ)設(shè)施等的影響，確定這些預(yù)測(cè)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(duì)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(cè)和適應(yīng)性管理。如果泥沙影響預(yù)測(cè)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(cè)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(wèn)題，根據(jù)美國(guó)一百年來(lái)的拆壩經(jīng)驗(yàn)，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(jī)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(kù)區(qū)泥沙沖蝕到下游河道中。根據(jù)庫(kù)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(shí)，需修建臨時(shí)溢洪道或者凹槽，庫(kù)區(qū)水體通過(guò)溢洪道或凹槽向下游釋放，直至庫(kù)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(guò)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(gè)通道，使水庫(kù)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(fèi)的費(fèi)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(shí)間，但是大量泥沙的突然釋放很可能會(huì)危害下游魚類等生物的生長(zhǎng)和生存。此外，快速侵蝕法也會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施帶來(lái)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(lái)，同時(shí)引發(fā)下游洪水和沉積，對(duì)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(duì)水生生物產(chǎn)生的影響較小，且會(huì)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(kù)區(qū)不宜進(jìn)入下游河道時(shí)，最佳的泥沙處置方法是原地保留法。穿過(guò)淤積的泥沙體或在其周圍開辟一條過(guò)流通道，并對(duì)其采取護(hù)坡覆蓋的保護(hù)處理方式確保穩(wěn)定，通過(guò)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(shí)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(shí)較長(zhǎng)，一般需要分階段進(jìn)行2～3年。
4.3機(jī)械清除法機(jī)械清淤法是指通過(guò)推土機(jī)及前端裝載機(jī)或者機(jī)械挖泥機(jī)、水力挖泥機(jī)等設(shè)備對(duì)淤積泥沙進(jìn)行清除，并用卡車和傳送帶、泥漿管道運(yùn)至適當(dāng)處置區(qū)的方法。選擇運(yùn)輸工具時(shí)，如果距離處置區(qū)較遠(yuǎn)，特別在重力流動(dòng)條件下使用，盡管與原地保留法相比，機(jī)械清除法的工程量可能較為簡(jiǎn)單，但是由于需要對(duì)淤積泥沙進(jìn)行挖掘、脫水和拖運(yùn)，所以花費(fèi)較高。通過(guò)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(diǎn)評(píng)估(表2)［9］。閘壩拆除時(shí)對(duì)于庫(kù)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(dú)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(jī)械清除法就可以和緩慢侵蝕法結(jié)合使用，通過(guò)挖泥機(jī)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(duì)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(chǎng)的具體情況。
5拆壩工程中的泥沙處置案例
自1912－2013年，美國(guó)共拆除閘壩1108座，其中涉及庫(kù)區(qū)泥沙淤積問(wèn)題的案例很多［1，13，14］。表3列舉了其中的15個(gè)典型案例。在表3中，拆壩時(shí)單獨(dú)采用河流自然侵蝕法處理庫(kù)區(qū)泥沙的共6座，多分布在Washington州，其中GlinesCanyon壩是美國(guó)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(jī)械清除泥沙的成本相比，通過(guò)凹槽緩慢釋放的方式處置這兩座水庫(kù)中的淤積泥沙可節(jié)省1700萬(wàn)美元。僅采取機(jī)械清除法的有1座，為PendOreille河(Columbia河支流)上的MillPond壩，由于拆壩時(shí)釋放的泥沙會(huì)對(duì)下游其他3座大壩帶來(lái)不良影響，因此壩主決定以機(jī)械清除的方式處置泥沙，同時(shí)將其中的礫石和卵石開采出來(lái)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(duì)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(duì)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(wú)有害成分，且多為細(xì)沙，為了防止對(duì)下游魚類帶來(lái)不利影響，拆除前均在河床中挖掘沉積區(qū)，并適時(shí)對(duì)沉積區(qū)進(jìn)行了清理。WoolenMills壩和Matilija壩所攔截泥沙中的營(yíng)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(yǔ)
作為目前世界上拆壩數(shù)量最多的國(guó)家，美國(guó)在這方面做了很多研究，也取得了一定的成果。拆壩是一項(xiàng)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(píng)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(shí)可行的泥沙處置方案，才能在拆壩時(shí)避免庫(kù)區(qū)淤積對(duì)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(guó)的水庫(kù)數(shù)量已經(jīng)超過(guò)9.8萬(wàn)座(除港、澳、臺(tái)外)，其中的病險(xiǎn)庫(kù)也已超過(guò)4萬(wàn)座，而泥沙淤積就是很多水庫(kù)面臨的主要問(wèn)題之一。放眼未來(lái)，我國(guó)的拆壩和泥沙處置工作任重而道遠(yuǎn)，應(yīng)在借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展更多、更深入的研究，制定出適用于我國(guó)的工程實(shí)施方案。
作者：吳文強(qiáng) 王若男 彭文啟 李樹文 單位：中國(guó)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
