南水北調中線西黑山段沉藻池規模設計及運用研究

0 引言

南水北調中線總干渠渠首至北拒馬河閘全長1 197km ，以明渠為主，光照條件好，為輸水水體中藻類生長提供了有利的環境。監測成果顯示[1]，中線總干渠水體藻類密度總體呈自南向北不斷升高的趨勢，對中線總干渠輸水水質和工程運行安全造成不良影響。同時，因南水北調中線水質保護要求，禁止采用化學方法進行藻類和泥沙等沉積物處理，目前主要通過物理性措施對總干渠的藻類等沉積物進行處理。針對總干渠不同部位處理措施包括： ① 退水閘附近的沉積物，采取定期大開度、大流量、短時開啟退水閘的沖刷方式進行清理，必要時采用大流量污泥泵進行抽排； ② 分水口管涵和泵站前池內沉積物，通過潛水員潛入對廊道底板及壁上淤泥進行沖洗和擾動，采用抽排方式進行清理。然而，現有沉積物處理措施費時費力，且僅能短期內解決局部問題，難以系統解決總干渠藻類沉積的問題。

結合南水北調中線總干渠實際運行維護經驗，尤其是惠南莊泵站前池藻類淤積情況，通過沉藻池工程措施進行總干渠藻類集中沉降處理是可行的。然而，沉藻池設計涉及工程水力學、泥沙動力學、環境水力學和藻類生物學等多學科交叉，存在夾沙藻類特性復雜、輸水流量大、在線沉藻水動力學條件要求高等技術難題。目前在水利工程設計方面，針對引調水工程沉沙池的相關研究較多。吳奪等利用PTV粒子追蹤測速技術開展了南水北調中線總干渠藻類殘體顆粒的沉降特性試驗研究;陳彩旭等[3研究了在沉沙池首部加設調流板對沉沙池水流流場的調節效果；宗全利、吳均等[4-6]在沉沙池水流流場分布均勻化、調流板對水流調節作用等方面開展了優化和改進試驗研究；付海林等[7]針對異向流沉沙池開展了結構優化研究；胡松可、楊文濤等[8-9]分別針對曲線型沉沙池進行了底面坡度優化和設計與運行管理探討;洪振國等[10-11]探討了沉沙池幾種計算方法的應用；職承杰等[12]通過在沉沙池進口設置5條導流墻，改善進水口流態，提高了泥沙沉降效率。然而，關于沉藻池設計和應用的研究較少。本文結合南水北調中線雄安調蓄庫沉藻池建設，對中線總干渠西黑山斷面沉藻規模進行預測，并提出了沉藻池運用方案。

1 工程概況

南水北調中線工程雄安調蓄庫位于南水北調中線總干渠西黑山節制閘上游約 1km 處，緊鄰總干渠，工程主要包括調蓄上庫、調蓄下庫、抽水蓄能電站和總干渠之間的連通工程等。

連通工程主要包括沉藻池、進口閘、出口閘等主要建筑物以及藻類泥沙處理設施，如圖1所示。在調蓄下庫建造沉藻池，將來自總干渠的北調水在沉藻池進行集中在線沉藻，再返回南水北調總干渠，從而達到減少總干渠下游水體藻類的要求。根據區域地形地質條件，沉藻池總體呈橢圓形，長約 1 200m ，平均寬度約400m ，中部最大寬度約 500m 。沉藻池位于中線總干渠西黑山節制閘上游約 1km 的左側灘地，通過骨料開挖形成，通過進、出口閘與總干渠連通，進口閘距西黑山節制閘 2100m ，出口閘距西黑山節制閘 200m ，進、出口閘設計流量與其連通的總干渠加大流量保持一致，為 150m³/s 。

2 沉藻規模分析

2.1 概化理論計算法

2.1.1 計算思路

根據總干渠西黑山斷面輸水量和藻類含量，計算西黑山斷面多年平均輸藻量（濕藻質量），通過自然沉降工程措施，結合沉藻池可沉降并攔截斷面輸藻量比例，計算得到每年沉降和攔截藻類的總質量。結合淤積物中藻類含量比例，推算沉藻池淤積物總質量，再結合淤積物的密度，計算出淤積物的總體積，即為沉藻淤積規模。

2.1.2 計算過程

根據中線一期工程 1956～1998 年長系列供水調節計算成果，西黑山斷面多年平均輸水量為26億 m³ ，年內各月平均輸水量見表1。

根據總干渠藻類及沉積物淤積有關資料，得到

2019年 1～10 月，西黑山斷面藻類監測成果：總干渠西黑山斷面輸水水體中浮游藻類含量為 1.1mg/L ，即總干渠輸水 1m³ ，浮游藻類濕重達 _1.1g ;根據典型年總干渠藻密度年內分布情況，估算西黑山斷面各月水體含藻量（表1），以此為依據，可計算總干渠西黑山斷面多年平均輸藻量為2856t（濕藻），根據室外試驗，沉藻池因特殊水力條件，藻類自然沉降可攔截 70% 的斷面輸藻量，則沉藻池年沉藻量為1999t（濕藻）。

根據惠南莊泵站前池沉積物監測資料，淤積物含水量為 70% ，干物質中藻類約占沉積物質量的 8% ，泥沙等占淤積物質量的 92% 。沉藻池淤積物由水、藻類、砂粒3部分組成，設沉淀物總質量為1，根據所含物質的質量比例關系應有：水體體積 V_∞=0.7/1.0 ，藻類體積 V_Z=0.024/0.5 ，砂粒體積 V_s=0.276/2.55 ；總體積 V=（0.7+0.048+0.1082）=0.8562 ;淤積物密度為 1.1679g/cm³ ，詳見表2。

總干渠年平均沉淀物藻類總質量 W=0 .1999/0.024=8.33 萬t;年平均沉淀物總體積（含水量 70% ）

V_π;5;5=8.33/1.1679=7.13 萬 m³ 各月平均淤積質量和體積見表3。

2.2 工程經驗估算法

2.2.1 計算思路

總干渠惠南莊泵站前池可以平順和擴散水流，降低流速，與沉藻池具有相似沉藻作用。根據惠南莊泵站前池運行監測資料，惠南莊泵站前池已成為總干渠藻類淤積的重要場所，近幾年惠南莊泵站前池已開展過幾次系統清淤工作以及相關專題研究，可為沉藻規模估算提供經驗依據。

類似工程經驗估算法是根據惠南莊泵站前池清淤量（或兩次勘測淤積體積差），以及清淤期間（或兩次勘測間隔）輸水量，建立輸水量和淤積量之間的關系，以此為據，根據西黑山斷面輸水量，估計其沉藻規模。

2.2.2惠南莊泵站前池概況

惠南莊泵站前池上游為北拒馬河暗渠，泵站出水鋼管后接大寧調壓池，泵站前池總長約 185m （其中過渡段長約 165m ，進水池長約 20m ），進口設4個進水閘，單個進水閘寬 4m ，末端為8個獨立進水池，單個進水池寬 10.5m 。通過擴大泵站前池寬度和深度等，降低了輸水流速、改變了輸水流態，為總干渠藻類淤積提供了較好條件。

2.2.3基于惠南莊泵站前池規律分析

根據2016年和2017年惠南莊泵站前池實際清淤情況：2016年2月7日至3月15日和3月30日至4月8日先后完成對惠南莊泵站左右前池及進水間的清淤，共清理淤積物1.1萬 m³ ；2017年2月24日至3月15日和3月30日至4月8日，分別完成了惠南莊泵站左右前池及進水間的清淤，共清理淤積物1.7萬 m³ （2

兩次清淤工作時間間隔基本為一個完整年。2017年惠南莊泵站前池淤積量是由2016年輸水量中藻類沉積形成的。據統計，惠南莊泵站2016年累計向北京輸水量為10.32億 m³ ，則惠南莊泵站前池萬立方米輸水量截留的淤積物體積為 0.165m³ 。

2.2.4沉藻池分月沉藻量

雄安調蓄庫沉藻池長度和寬度更大，藻類沉積條件更好，藻類沉降率約是惠南莊泵站前池的2倍，則沉藻池萬立方米輸水量截留的淤積物體積為 0.33m³ 。西黑山斷面設計多年平均輸水量25.91億 m³ ，則年淤積量為8.58萬 m³ 。年內各月淤積物體積見表4。

2.3 沉藻規模確定

根據以上兩種方法對沉藻池淤積規模進行計算，采用概化理論計算法，沉藻池年淤積體積為7.13萬m³ ；采用惠南莊泵站前池類似工程經驗估算法，沉藻池年淤積體積為8.58萬 m³ ，兩者接近，沉藻池設計中取較大者，即沉藻池設計年淤積物體積8.58 萬 m³ 。受氣候條件及輸水規模等因素影響，總干渠輸水水體中藻類密度和淤積體積年際差異較大；同時，考慮到新淤積的藻類物質密度較小（接近水體密度），體積較大；為留有裕度，其淤積容量暫按2.0倍擴大系數確定，沉藻池年淤積量為17.2萬 m³ 。

沉藻池有效沉降面積約30萬 m² （縱向導流墩代表方案水平流速低于 0.05m/s 區域面積），考慮到池內流速和藻類等淤積物分布的不均性，淤積深度按照1m 設計，則沉藻池設計淤積容量約為30萬 m³

3 運用研究

3.1 沉藻池運用方式

每年總干渠藻類繁殖期（沉藻池清淤后），打開雄安調蓄庫進水閘，關閉總干渠擋水閘，將總干渠輸水改道進入沉藻池，通過導流墩將水流均勻擴散至沉藻池較大過流斷面，降低水流流速，進行藻類和泥沙混合物的在線沉降。當藻類等沉積物淤積到一定高度，在入冬前，關閉沉藻池進水閘、打開總干渠擋水閘，利用總干渠原有渠道輸水，沉藻池停正運行，采用干地清淤與濕地清淤相結合的方式進行沉藻池清淤處理。

3.2 沉藻池清淤周期

結合前述測算，沉藻池年淤積量為17.2萬 m³ ，設計有效淤積容量約為30萬 m³ ，約滿足2a淤積量的需要；為防止藻類長期淤積發生生化反應，污染水體，建議一般情況下每年清淤一次。

3.3 沉藻池清淤方式

每年沉藻池清淤時間在11月上旬至次年2月底。每年進入清淤前開啟總干渠擋水閘，關閉沉藻池與總干渠進出口閘，恢復總干渠輸水通道，截斷總干渠與沉藻池的水力聯系，利用多功能泵站將沉藻池內的淤積水體排向調蓄下庫或總干渠。11月上旬至次年2月底擇機清除沉藻池內沉淀的藻類物質。3月15號以前，完成沉藻池充水，開啟連通閘、關閉總干渠擋水閘，恢復沉藻池在線沉藻。沉藻池藻類物質清除可采用機械清挖或污流泵吸排等直接脫水方式，本設計方案可滿足使用這兩類清淤方法的條件。

3.3.1干地清淤方案

結合沉藻池結構檢修維護，沉藻池可在干地條件下進行清淤工作。關閉沉藻池進口檢修閘門，停止運行攔藻柵設備，同時關閉沉藻池出口檢修閘門，采用水泵抽排沉藻池水體。沉藻池干地清淤方式主要為人工機械清淤。沉藻池干地清淤檢修期間，干渠擋水閘開啟，確保南水北調中線干渠輸水暢通。干地清淤易操作、可靠性好，為首選清淤方式。

3.3.2 濕地清淤方案

濕地清淤方案是指在沉藻池正常運行的同時進行沉藻池的清淤工序。雄安調蓄庫沉藻池水體表面約55萬 m² ，面積較大，濕地清淤推薦采用清污船配合吸污泵的組合清淤方式，考慮中線水質保障要求，清污船動力采用綠色電力驅動，吸污泵進口進行特殊設計，盡量減少對水體的影響；同時結合智慧水利建設，采用智能水下清污機器人是未來重點研究的方案。

4結論

（1）采用概化理論計算法計算沉藻池年淤積體積為7.13萬 m³ ；采用惠南莊泵站前池類似工程經驗估

算法，沉藻池年淤積體積為8.58萬 m³ ，考慮留有裕度，其淤積容量暫按2.0倍擴大系數確定，沉藻池年游積量為17.2萬 m³ 。

（2）沉藻池有效沉降面積約30萬 m² ，考慮到池內流速和藻類等淤積物分布的不均性，淤積深度按照1m 設計，則沉藻池設計游積容量約為30萬 m³ 。

（3）建議沉藻池清淤周期為1a，清淤時間為每年11月上旬至次年2月底，可采用干地清淤和濕地清淤相結合方式。

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（編輯：張爽）