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拆坝工程中的泥沙处置

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《泥沙研究杂志》2016年第二期

摘要:

美国至今已经完成了1108座大坝的拆除,由于拆坝过程中库区淤积泥沙的无控制排放或者底泥污染下泻将对下游区域带来多方面的不利影响,因此泥沙管理是拆坝决策制定中的关键内容。拆坝时可以选择的泥沙处置方法主要有3种:河流侵蚀法、原地保留法和机械清除法。通过对不同方法及其优缺点的分析,以便针对具体情况制定出最为合理的泥沙管理方案,将不利影响最小化,以期实现最佳的拆坝泥沙处置效果。

关键词:

美国;拆坝;泥沙处置;河流侵蚀;原地保留;机械清除

据美国河流组织(AmericanRivers)统计,自20世纪初,由于恢复河流自然生态环境、保障人身安全及节约资金等原因,截止到2013年,美国已经拆除了1108座闸坝[1-3],分布范围遍及47个行政区(46个州和华盛顿哥伦比亚特区)。在制定拆坝决策方案时,库区泥沙处置是其中最具挑战性的关键环节。拆坝时的泥沙影响可能波及原库区及上下游河流的水质、鱼类等水生生物,同时还可能增加洪灾风险、破坏景观,影响程度大小随当地环境和闸坝拆除方案而不同,视实际情况采取恰当的泥沙处置方案。

1拆坝原因分析

在美国,闸坝不仅是山水景观的组成部分,更在社会和经济中发挥了重要的作用。然而随着时间的推移,公众社会价值观发生变化,环保意识逐渐增强,闸坝结构老化带来的人身安全隐患和对自然生态系统的不利影响等问题也日益成为国家关于河流讨论的主要议题。迄今为止,美国的拆坝历史已有100年之久,在拆除的1108座闸坝中,共有700座明确指出了拆除原因。其中,主要为了恢复河流生态环境而拆除的有306座,占43.7%;迫于经济压力和安全考虑而拆除的闸坝数量相当,分别为82座和79座,各占统计总数的11.7%、11.3%;综合以上因素拆除的共218座,占31.2%。美国拆坝原因分类见图1,可以看出,生态修复是美国拆坝的最主要驱动因素,其次是经济因素和安全保障。

2泥沙释放产生的问题

研究表明,除了小型径流式坝外,以蓄水为目的设计的大坝通常会拦蓄95%甚至更多的泥沙在库区[4]。拆除大坝时,如果未对库区泥沙采取相应的处置措施,很可能会引发如下问题[5,6]:(1)下游河道输沙量增加,破坏大坝建成后形成的河流生态环境,水生生物栖息地被掩埋,同时也会增加河流横向移动的可能性;(2)下游河道的粗砂被释放的细沙覆盖,降低鱼类产卵地的有效性,并且可能引起无脊椎动物数量的减少;(3)随着时间推移,原库区无控制释放的泥沙会引起“沙坡”沿河道向下游移动,提升河床海拔并改变支流的交汇形态;(4)下游河床的抬高会增加发生洪水的可能性。此外取水口、航道等可能被阻塞,桥梁等基础设施受到破坏;(5)细沙的无控制释放会增加下游河道水流的浑浊度,影响水质状况;(6)水库上游来水如果存在污染源,长期泥沙淤积势必导致污染物在库区泥沙中的累积,富集污染物的泥沙随闸坝拆除进入下游河道将导致下游水体污染。因此,为了减轻或者避免以上不良影响,在拆坝时制定合理的泥沙处置方案十分必要。当库区泥沙以受控的方式释放到坝体下游,则会产生一些有利的影响,比如原库区木质残体、粗砂、营养物质按照设定的下泄方式释放,新栖息地环境和食物来源的增加,使水生生物群落和河岸带的野生生物群落从中受益。

3拆坝工程中的泥沙影响评估流程

[7]阶段1:调查。主要涉及两个方面:(1)大坝历史和流域环境问题;(2)库区泥沙对当地的影响。调查深度取决于工程的规模大小和复杂程度。阶段2:描述库区泥沙的特征。开展本阶段工作的主要目的是为了获取库区泥沙体积、质量、空间分布、颗粒级配等基本信息。阶段3:判断库区泥沙是否被污染。调查水库上游及周边的土地历史利用情况,判断是否有污染物进入水库,同时了解水库大坝的运行情况有助于判断污染物附着在库区泥沙表面还是被冲刷到下游,进而对污染物进行定性、定量检测。阶段4:确定库区粗砂和细沙的体积范围。由于进入下游的粗砂和细沙分别以推移质和悬移质的形式存在,所以粗砂和细沙的质量应分别计算。阶段5:制定切实可行的泥沙处置方案。拆坝对库区淤积可采取3种处置方法:(1)河流自然侵蚀;(2)原地保留;(3)机械清除。根据实际需求,各方法可单独或者结合采用。方法介绍见下文。阶段6:分析库区泥沙对水库和下游的影响。本阶段会分别从短期和长期预测释放泥沙的数量、速度及进入下游河道后的变化。可能涉及的预测模型包括:(1)概念模型(质量平衡等);(2)质量平衡模型;(3)一维水动力和输沙模型;(4)二维水动力和输沙模型;(5)三维水动力和输沙模型;(6)河岸侵蚀模型;(7)水库或河道的物理模型等。阶段7:讨论泥沙影响是否可承受。根据阶段6的分析评价释放泥沙对水生生物和栖息地、优势物种、水质、基础设施等的影响,确定这些预测影响是否在承受范围内或者可否降低甚至避免,进而对拆坝和泥沙处置方案进行必要的改善。阶段8:开展监测和适应性管理。如果泥沙影响预测结果表明其已超出了被影响者的承受水平,则开展监测和适应性管理有助于避免这种情况发生。

4拆坝河流泥沙处置方法

泥沙处置是拆坝工程中的重要问题,根据美国一百年来的拆坝经验,拆坝前的泥沙处置方法大体可分为三种[8-10]:河流侵蚀法(包括缓慢和快速两种)、原地保留法和机械清除法。

4.1河流侵蚀法河流侵蚀是指借助河流的自然侵蚀作用,将库区泥沙冲蚀到下游河道中。根据库区泥沙向下游河道释放速度的不同,又可将河流侵蚀法细分为缓慢侵蚀法和快速侵蚀法[11]。

4.1.1缓慢侵蚀法在采用缓慢侵蚀法时,需修建临时溢洪道或者凹槽,库区水体通过溢洪道或凹槽向下游释放,直至库区水位逐渐降低至溢洪道闸门槛或凹槽底部位置。在此过程中,泥沙随水流缓慢稳定释放,利于下游区域适应这些新物质,减少湍流的产生。

4.1.2快速侵蚀法快速侵蚀法是指在坝基上建一个通道,使水库中的水和泥沙借此进入下游区域。虽然在相同背景下,采用快速侵蚀法花费的费用最低,而且与缓慢侵蚀法相比,快速法缩短了不利影响的持续时间,但是大量泥沙的突然释放很可能会危害下游鱼类等生物的生长和生存。此外,快速侵蚀法也会对基础设施带来巨大损害,比如造成上游的严重侵蚀和冲刷,使地基和埋地管道暴露出来,同时引发下游洪水和沉积,对防洪堤等防洪设施及其所保护的设备构成威胁。在下游区域不存在暴露的基础设施,释放泥沙对水生生物产生的影响较小,且会进入到更大的河流系统中去的情况下,这种方法还是可行的。

4.2原地保留法当泥沙表面富集污染物质且淤满库区不宜进入下游河道时,最佳的泥沙处置方法是原地保留法。穿过淤积的泥沙体或在其周围开辟一条过流通道,并对其采取护坡覆盖的保护处理方式确保稳定,通过修建挡土墙、布置抛石护岸、种植植被等方法控制表面径流,这样在拆坝时既能排泄洪水,又能稳定受污染的泥沙[12]。这种方法的工程量较大,耗时较长,一般需要分阶段进行2~3年。

4.3机械清除法机械清淤法是指通过推土机及前端装载机或者机械挖泥机、水力挖泥机等设备对淤积泥沙进行清除,并用卡车和传送带、泥浆管道运至适当处置区的方法。选择运输工具时,如果距离处置区较远,特别在重力流动条件下使用,尽管与原地保留法相比,机械清除法的工程量可能较为简单,但是由于需要对淤积泥沙进行挖掘、脱水和拖运,所以花费较高。通过综合分析与比较,总结出以上三种方法各自的适用条件与优缺点评估(表2)[9]。闸坝拆除时对于库区淤积泥沙处置方案的选择需要考虑很多因素,主要包括泥沙量、泥沙污染程度、河流可接受的泥沙释放速率和拆坝方案(部分拆除、全部拆除)、不同泥沙处置方案的优劣性。泥沙管理方法不仅可以单独使用,在某些情况下还可以相互结合,以达到最佳的泥沙处理效果,如机械清除法就可以和缓慢侵蚀法结合使用,通过挖泥机将细沙清除,并令粗沙随着水流向下游排放,从而使细沙对下游环境造成的不利影响最小化。所以,方案最终应综合考虑施工现场的具体情况。

5拆坝工程中的泥沙处置案例

自1912-2013年,美国共拆除闸坝1108座,其中涉及库区泥沙淤积问题的案例很多[1,13,14]。表3列举了其中的15个典型案例。在表3中,拆坝时单独采用河流自然侵蚀法处理库区泥沙的共6座,多分布在Washington州,其中GlinesCanyon坝是美国拆坝历史上最高的大坝,高64m,使用寿命84年,最终因恢复河流生态环境于2011年和同位于Angeles港附近的Elwha坝相继拆除,与机械清除泥沙的成本相比,通过凹槽缓慢释放的方式处置这两座水库中的淤积泥沙可节省1700万美元。仅采取机械清除法的有1座,为PendOreille河(Columbia河支流)上的MillPond坝,由于拆坝时释放的泥沙会对下游其他3座大坝带来不良影响,因此坝主决定以机械清除的方式处置泥沙,同时将其中的砾石和卵石开采出来用于河道和鱼类栖息地的恢复。

仅采取稳定化处理方法的有4座,包括Mussers坝、HaynabFall坝、Nolichucky坝和Rindge坝,因保障公共安全、节约成本等不同原因被拆除。对这4座大坝淤积的泥沙进行原地保留的原因,主要是由于泥沙淤积量太大,就地稳定处理可以降低泥沙对下游水生生物、景观和供水的不利影响。多种方法结合的共4座,其中Fulton坝和PrairieDells坝淤积泥沙中均无有害成分,且多为细沙,为了防止对下游鱼类带来不利影响,拆除前均在河床中挖掘沉积区,并适时对沉积区进行了清理。WoolenMills坝和Matilija坝所拦截泥沙中的营养物质利于拆坝后自然湿地生态环境的恢复,故大部分粗砂被就地保留,只有少部分细沙随水流释放。

6结语

作为目前世界上拆坝数量最多的国家,美国在这方面做了很多研究,也取得了一定的成果。拆坝是一项涉及水利、环境、生态等多方面的复杂工程,其中的泥沙处置更是重中之重,泥沙影响评估环环相扣,缺一不可。如文中所述,唯有综合工程特性、周围环境、成本等各种考虑,制定切实可行的泥沙处置方案,才能在拆坝时避免库区淤积对环境和公众造成不利影响,甚至利用其有利影响。目前,我国的水库数量已经超过9.8万座(除港、澳、台外),其中的病险库也已超过4万座,而泥沙淤积就是很多水库面临的主要问题之一。放眼未来,我国的拆坝和泥沙处置工作任重而道远,应在借鉴国外成功经验的基础上,开展更多、更深入的研究,制定出适用于我国的工程实施方案。

作者:吴文强 王若男 彭文启 李树文 单位:中国水利水电科学研究院 河北工程大学 城市建设学院环境工程系

泥沙研究杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次
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