李学海1,2 陈素红3 程子兵2
（1. 武汉大学水电学院，湖北武汉，430072， 2. 长江科学院，湖北武汉，430010，
3. 武汉工业学院工商学院，湖北武汉，430065）
摘要：三峡梯级两个枢纽坝址处为上游漂浮物聚集地，漂浮物不仅影响发电水头，而且对环境、水质、航运等均存在不利影响。本文概述了葛洲坝枢纽以及三峡枢纽运行以来漂浮物的来源、组成、危害以及坝前分布现状，通过对以往试验成果总结及对三峡梯级来漂、治漂现状的调查，分析了两个枢纽来漂特性、漂浮物运移规律，剖析以往治漂措施的成败原因，提出了目前亟待解决的问题。依据三峡梯级联合运行后出现的新特点，从单个枢纽和大系统两个方面，对治漂思路及其对策进行了探讨，提出了改善漂浮物治理效果的可能途径，并从大系统综合治理角度，提出了既有利于三峡梯级上下游生态环境改善，有利于梯级运行安全及发电效益提高的“清源截流、综合治理”的治漂思路，即严格控制上游人工垃圾和自然垃圾的形成条件，并在三峡库区适当区域，因势利导，依据河势，在导、拦设施作用下形成一个或多个聚漂区，有效拦截、聚集并及时打捞、处理上游来漂，以减小漂浮物对下游影响。
关键词：面源污染 长江 三峡梯级 漂浮物运移规律 治理现状及效果 生态环境 发电水头 清源截流
1.概述
三峡梯级（三峡、葛洲坝枢纽）坝址以上流域面积达100万km2，约占长江总流域面积的56%，其中，宜宾至宜昌之间约50万km2流域，长江河道蜿蜒曲折，穿行于山地、丘陵、川地及峡谷之中，沿途地势陡峭，为暴雨集中地区，坝址处成为上游漂浮物集聚地。
三峡梯级漂浮物来源主要为下川东和三峡地区的暴雨区以及由暴雨所形成的地表径流覆盖区、坝址上游长江流域内沿江两岸的垃圾场、沿江航行客货船驳废弃物等。
漂浮物组成复杂、种类多。根据葛洲坝枢纽运行观测资料，入库漂浮物大致为三类：一是农作物桔杆、根茎与山地植被类（约占70%～80%)；二是泡沫块、编织袋塑料杂物等生活垃圾类(约占10％～20%)；三是树杆树兜、木料等大体积类，有时还有意外事故带来的漂浮物，如木筏、竹排、航标船等（约占10%）。
漂浮物来量与降雨强度和洪水过程有关。当流量Q<25000m3/s时，漂浮物数量较少, 以第二类为主；当25000m3/s<Q<30000m3/s时，漂浮物较多, 每年“桃花汛”时以第二类为主，主汛期时以第一类为主；当Q>30000m3/s,特别流域内发生大暴雨或山洪爆发时，漂浮物数量骤然增大，出现第三类大型漂浮物。汛期一场洪水的漂浮物常见量为3000～4000m3，多时可达7000～10000m3。三峡梯级常年漂浮物数量初步估计每年约为15～20万m3。此外，在三峡工程蓄水过程中，淹没区的可漂物随着水位抬升而形成漂浮物。2003年三峡枢纽蓄水至135 m时年末漂浮物总量初步估计约40余万m3。
由于过去对漂浮物及其是半沉半浮的漂浮物运移规律以及不利工况下坝前流态的复杂性认识估计不足，使得葛洲坝枢纽部分导、排漂设施失效，运行20多年来，二江电厂前漂浮物问题突出，不仅影响发电水头，而且对环境、水质、航运等均存在不利影响[1]。随着全球环境生态保护意识的日益增强，葛洲坝枢纽漂浮物问题乃至三峡梯级漂浮物综合治理问题亟待解决。
2. 葛洲坝枢纽漂浮物治理现状
2.1 坝前漂浮物运移规律
葛洲坝枢纽位处西陵峡口反“S”形河道中部，南津关至坝址河段江面由300m急剧变宽至2200m，流速变慢，入库漂浮物未能按折冲水流的规律沿主河道运动至泄水闸下泄，而是沿三江防淤堤边沿运动，至二江电站进水渠附近，因发电引水分流作用而漂向二江电站，电站引水和导沙坎使水流形成回转，上下、左右紊动激烈，并伴有泡旋，随二江泄水闸左区泄量增大而加剧，流态十分复杂【2】。
进入葛洲坝大江电站进口的以第二类居多，挤压和缠绕在拦污栅栅条上；进入二江电站前沿的为三类漂浮物混合体，夹杂着其它大体积类漂浮物，二江电站前沿水域的漂浮物量远远大于大江电站，为治漂的重点区域。
三峡枢纽蓄水前，葛洲坝前漂浮物来量主要受上游地区暴雨程度影响，因径流式电站无调蓄作用而呈现峰值高、周期短特点,洪峰过后漂浮物相应减少。大江厂前漂浮物先堵塞8#机拦污栅，然后逐步右移；二江厂前漂浮物则是先堵塞1#、2#机拦污栅，再逐步向右移向其它拦污栅。
三峡枢纽蓄水后，因三峡枢纽采取周期性集中排漂，葛洲坝来漂峰值高特点仍较突出。葛洲坝坝前水位因提高三峡机组发电水头需要从66.5m降低至64.0m运行后，原清污机清污高程受限，清理效率降低，导致漂浮物长时间聚积在拦污栅前，堵塞拦污栅。二江厂前漂浮物走势发生明显变化，当Q<20000m3/s时，漂浮物先堵塞3#机拦污栅，再逐步堵塞4#、2#、1#机拦污栅；当Q>20000m3/s时，先流向6#机拦污栅方向，再逐步回旋至2#、1#机拦污栅前。漂浮物先堵塞拦污栅水面层，然后再快速下移堵塞拦污栅第二、三节，造成拦污栅压差。实际观察表明，激烈紊动水流将半沉半浮漂浮物卷进深层水中，1#、2#机拦污栅压差会在较短时间内从0.5m增大到4.0m，机组出力明显降低。
2.2 漂浮物治理现状
2.3.1 排漂设施设计及应用情况
葛洲坝枢纽排漂设施布置见图1。
1）排漂设施：二江电厂及大江电厂的右侧共设有3个排漂孔。二江排漂孔因引用流量远小于二江电厂发电侧向引水流量，在导漂屏已完全拆除条件下，厂前侧向水流自9#机由右向左把漂浮物挟运到厂前左端集结，因基本起不到排漂作用于1996年改建为自备电站。大江排漂孔在同时开启下部排沙洞时其泄量达1000～1200m3/s，因大江厂前存在环向水流，9#机以右厂前侧向水流可将漂浮物自左向右挟运至设置于右侧的排漂孔，排漂效果较好，运用至今。
2）导漂设施：为配合二江排漂孔和二江泄水闸排漂，曾在二江排漂孔左侧至三江防淤堤5#水文站间设置了由浮筒连接成串的导漂屏，在1981年～1983年汛期，试图取得导漂作用，在闸前强烈横向水流冲击下，部分锚链冲断，不断有浮筒冲失，导致大量漂浮物在导漂屏失控下涌向二江厂前，严重堵塞拦污栅，后被全部拆除。
3）拦漂设施：原拦污栅为400mm×250mm竖向栅条，设计时希望能够拦住影响机组运行的大体积漂浮物，又能漏掉对机组影响较小的漂浮物，运行表明效果较差。依据现场漂浮物粘附拦污栅栅条及过栅情况，并考虑机组导叶最大开度，改成1000mm×400mm横向栅条后，漂浮物特别是生活垃圾类漂浮物顺利过栅，取得了较好的效果。
4）清漂设施：主要有斗式清污桥、门式清污机及瓣式清污抓斗等。斗式清污机共3台，二江装备2台，大江装备1台，在大、二江厂前拦污栅漂浮物清理工作中发挥出了巨大作用，库水位降至64.0m运行后清污效果因清污抓斗水下工作深度减小而减弱，目前仅大江清污机仍在服役。装备于二江拦污栅的门式清污机，其垂直起升液压抓斗因二江厂前环向水流侧向冲击作用摆幅较大，主汛期工作深度水下5m，非汛期可达10m。瓣式清污抓斗，与拦污栅门机25t回转吊配合使用，可用于坝前、拦污栅前及机组进水口闸门槽漂浮物的清理。
2.3.2 排、清漂措施及其运用效果
1）调度措施
a)开启大江冲沙闸：当流量Q>35000m3/s时，开启大江冲沙闸可使出峡主流线右摆，污物漂浮带也相应向右移动，进入二江电厂污物可减少5%～10%，而进入大江电厂的污物增加很少。
b)开启二江泄水闸左区平门：当流量Q>35000m3/s时，开启二江泄水闸左区平门，加大左区泄量，可使闸前水位低于二江电厂厂前水位，形成横比降，迫使污物流向闸前。实践表明，排漂效果显著。当二江电厂全部停机时，可在2～3h内将厂前区的全部污物排向下游。
c）停机返漂：利用全网用电低谷停机返漂，以便清污和减小拦污栅压差。
d）轮换停机导漂：在栅体粘附漂浮物过多时，通过从左至右停机方式逐步将漂浮物导向排漂孔或泄水闸。实践表明：先停左边的机组，后停右边的机组，每台机组停0.5～2.0h，即可将污物排去。
2）清污措施
a）提栅排漂：此法效果虽好，但威胁机组安全。在清污过程中清污机损坏、机组又不能停机导漂、压差太大以及水面监护确认无大体积漂浮物时，经过主管领导现场察勘后才准在白天提栅放漂。
b）新清污机研制：新研制的清污机，清污斗不受栅前水流影响，可随意抓起污物；能适应栅前清污范围狭窄的具体要求，斗容大，清污效率高；清污斗斗齿挂不到横条，不会损坏拦污栅，能自行、自卸。
c）非汛期人工清理:集中将机组进水口前至栅后的大量漂浮物清除，配合冬季机组检修，不影响工作门及检修门的启闭，确保机组事故时顺利下落进水口工作门或事故检修门。
2.3.3 导排设施布置及治漂效果评价
为解决好葛洲坝的漂浮物问题，曾结合模型试验对排、导、拦、清污设施进行过全面设计，因葛洲坝坝前流态复杂，对漂浮物尤其是半沉半浮的漂浮物运移规律认识不够充分，部分设施未能达到预期效果。依据坝前漂浮物运移特性及实际排漂效果分析，葛洲坝枢纽导、排漂设施运用效果不佳的原因主要有以下三点：
1）对厂前流态及漂浮物运移特性认识不足。葛洲坝枢纽在枢纽运行的不同阶段，存在诸多不利工况，厂前流态及漂浮物运移特性也会随之发生相应变化，尤其是对半沉半浮的漂浮物运移规律认识的肤浅，使得导排设施设计的科学依据不充分。
2）二江电厂左侧未布置排漂孔。二江电厂右侧布有1个排漂孔，其有效排漂的前提是导漂屏能有效拦漂、导漂。一旦导漂屏冲毁或失效，二江排漂孔就丧失了有效排漂的前提，后被实践所证实。即使导漂屏不失效，可以取得一定的导排漂效果，也会有半沉半浮的漂浮物穿过导漂屏进入到二江厂前区域。因此，在二江电厂左侧应布设排漂通道，一可排走穿过导漂屏的漂浮物，二可作为导漂屏失效的后备措施。目前，迫不得已实施的“提栅排漂”其实就起到了这一缺失的排漂孔的作用。
3）导漂屏结构设计强度不足，导致失效。在汛期大流量和不利运行工况下，受导沙坎影响，进水渠前沿水流紊动剧烈，冲击力大小和方向出现周期性变化，机组侧向引水流向与导漂屏轴线夹角大于45°，垂直流速分量大于平行流速分量，由柔性链接的浮筒形成反弧形恶劣受力工况，不但使导漂难度加大，而且发生浮筒下钻漂现象。导漂屏的结构及强度不能满足安全运行要求，后备冲毁，直接导致二江排漂孔失效。
目前，运行部门每年都投入大量人力、物力、财力来实施清导漂工作，因在工程运行阶段，治漂措施选择已受到局限，当进入电站前沿漂浮物大片覆盖江面且现有清污机械又不能有效及时清除时，不得不依据相关规定和程序实施提栅排漂，或停机返漂等清污措施，给机组运行带来安全隐患，影响了发电效益。因此，在三峡枢纽蓄水运行后，从三峡梯级大系统角度研究探讨漂浮物的综合治理措施十分必要。
3. 三峡枢纽漂浮物治理现状
3.1 坝区漂浮物运移规律
依据三峡枢纽运行调度及上游来漂规律，在长达4个月的汛期中，坝前水位145 m、入库流量35000m3/s，是基本运行水位和漂污量较大时流量，为研究厂前漂浮物运移规律的控制工况。试验成果表明[3]：厂前漂浮物滞留量分布呈“右多左少”态势，左厂前滞留量约5%，右厂前约25～50%，其他散布在沿程回流区内。
三峡坝区漂浮物运移规律及坝前滞留量分布与坝区河势、库水位、洪水流量、枢纽调度运行情况密切相关。随上述条件变化而发生不同程度变化。
当库水位由145m上升至167m，左电厂前水域漂浮物滞留量略有增加，右电厂前水域则有所减少，但“右多左少”态势并未改变。当库水位继续上升至175m时，此时来流量减小至20000m3/s以下，上引航道口门、引航道内、左电厂前沿水域的漂浮物滞留量分别占总量的36%、37%及6%，坝前左侧漂浮物约占总量的7O%，呈现“右少左多”的坝前分布新格局。
当流量增大时，左电厂前水域的漂浮物滞留量有所增加，仍维持“右多左少”分布态势；当流量减小时，右电厂前水域漂浮物滞留量有进一步增加趋势，但增量不大。
枢纽调度方式的改变使九岭山以下坝前河段主流随之发生左右偏摆现象，漂浮物在坝前的分布状况也随之变化。流量一定时，加大哪一侧泄量，则相应侧漂污滞留量会随之增加，总体上维持“右多左少”态势。
3.2 漂浮物治理现状
3.2.1 排漂设计及试验成果
三峡工程泄洪坝段两侧左导墙、右纵l号及右非l号坝段共设有3个排漂孔，进口底高程133m，孔口尺寸为10m×12m，主要在135m～150m低水位时排漂；当库水位高于158m时，利用泄洪表孔排漂。试验成果表明[4][5]：漂浮物运动与表面流态基本一致，泄洪坝段及左电厂前漂浮物能顺水流经表孔或排漂孔排往下游；右电厂前因存在顺时针向大回流，漂浮物在大回流区内运动缓慢，少量漂浮物可以从回流边缘导向表孔(高水位)或排漂孔(低水位)。高水位表孔排漂率可达80％以上，低水位排漂孔排漂最佳库水位145～150m时排漂率可达90%，其中2#排漂孔效果最佳，l#排漂孔次之，3#排漂孔效果相对较差，可结合清漂船推漂提高排漂效果。
3.2.2 实际排漂效果及评价
在库水位135m时，仅l#排漂孔可投用，因排漂孔过流水深仅有2m，排漂效果不佳，排漂量为7%～15%，增加左岸机组运行台数、抬高坝前水位以及在小流量时开启左区深孔进行泄洪调度，可将1#排漂孔排漂率最多提高至30%。采用坝前清漂船清漂、推漂后，总体效果明显。【6】在初期运行库水位138m～156m各种工况下，3个排漂孔的排漂率在45%～90%之间；在运行后期库水位超过158m时，开启泄洪表孔排漂，排漂率可达80%以上，排漂效果较好。散布在上游引航道、永久船闸或沿程回流区的漂浮物，只能采用打捞方式清理。
目前，三峡枢纽漂浮物治理采取“以排为主、以清为辅”的思路，排漂通道设计基本满足了各阶段运用要求。在清漂船清漂、推漂辅助下，治漂总体效果良好。三峡枢纽漂浮物的治理从根本上说是将“矛盾”下移，由于采取了集中推漂、排漂，葛洲坝漂浮物问题依然十分严峻，需从三峡梯级大系统角度综合考虑对策。
4. 漂浮物综合治理对策探讨
4.1 “以排为主、以清为辅”的治漂思路及对策
该思路是传统治漂思路，考虑单个枢纽运行较多，考虑对下游不利影响较少。目前，三峡梯级两个枢纽均采用了此思路，在现行治漂思路下，三峡枢纽周期性将漂浮物排向下游，葛洲坝漂浮物问题依旧突出。列举以下对策以供探讨：
1）针对二江厂前漂浮物聚集较多又无排放通道的现状，在尽量少影响枢纽防洪、发电、航运等运行要求前提下，综合考虑效果与经济两方面因素，通过模型试验研究，在排漂效果最好或较好位置重新开设排漂通道。
2）导漂屏方案失败原因较多，主要有对厂前流态、漂浮物运移特性以及可能发生的不利工况认识估计不足从而导致导漂屏结构设计强度不足等。如二江泄水闸左区在满足泄洪要求前提下有设置排漂通道可能，为增强排漂效果，可充分吸取过去的经验教训，采用强度足够的新材料以及适应漂浮物特性的导漂结构设计，恢复导漂屏。
3）在漂浮物聚集区，架设人工清漂和机械清漂的工作平台或清污桥。
4）研制适应三峡梯级调度要求的新型清污设备。
4.2“清源截流，综合治理”的大系统综合治漂思路及对策
该思路将三峡梯级库区以及下游河道作为一个大系统，上游漂浮物来量越少，拦截清理越多，下游重复导、排、拦、清漂浮物工作量就越小。因此，采取“清源截流，综合治理”的大系统综合治理思路，既可提高两个枢纽的发电、航运效益和确保运行安全，又可改善长江水质、保护水源和生态，是一举多得之举。其基本架构为：
1）清源截流：通过制定若干条例严格控制人为垃圾在江边堆积或抛撒入江；通过加强暴雨区的封山育林和水土保持工作严格控制自然垃圾随地面径流漂汇入江；利用天然水流特性，辅以导、拦漂设施，建立一个或多个聚漂区，有效拦截、聚集并及时清理上游来漂。
2）打捞处理：研制如水上推渣机、翻斗皮带、清漂船等配套设施，及时清理江上漂浮物；设置漂浮物加工厂或管理机构，将漂浮物分检后再加工以变废为利，或着深埋、焚烧处理，以避免二次污染。
3）坝前清排：依据坝前漂浮物运移特性设置排漂通道，辅以导、推、清漂措施，将上游余漂迅速高效排向下游，最大程度减小漂浮物对发电、航运以及坝区环境、水质的影响。
实现上述治漂思路的难点在于能否成功建立人工聚漂区。模型试验研究表明【4】：在蛋子石上游河段存在较为理想的河段和地形地貌，蛋子石上游的铜汇沟至曲溪段存在大的溪湾，可容纳较多漂浮物。在溪湾上游美人沱及偏岩子河段，漂浮物大部分偏左岸运移，可在美人沱下游向江心凸出的挑咀处设置挑浮排，在蛋子石上游大湾部位设置拦浮排，可将沿左岸顺流而下的漂浮物挑向主泓线右侧，在拦浮排围成的溪湾内聚集。试验中探讨了多种方案，其中图2所示方案效果最好。
在库水位145m、流量Q=19200m3/s时，自挑漂排右端漂下的漂浮物95％以上被拦漂排滞留在大湾内，仅有少量自拦浮排左端部漏走。来流量增大，挑漂、拦漂效果更好。由于挑漂排和拦漂排的布设，涉及到自身结构强度问题、对航运影响问题、如何适应库区大的水位变幅问题等，因此，该方案的可行性还有待多方面的论证。
5. 结论
目前，三峡梯级两个枢纽均采用“以排为主、以清为辅”的传统治漂思路。三峡枢纽的排漂通道设计可以满足不同水位的运用要求，漂至坝前的大部分漂浮物可以排向下游。然而，葛洲坝枢纽尤其是二江电厂前区域因无排漂通道，运行20多年来，漂浮物问题依旧突出。因此，传统治漂思路不能根本解决三峡梯级的漂浮物问题，而采取“清源截流，综合治理”的大系统综合治理的现代治漂思路，既可提高两个枢纽的发电、航运效益和确保运行安全，又可改善长江水质、保护水源和生态，是一举多得之举。无论采取传统治漂思路还是大系统综合治理的现代治漂思路，均应及早开展相关的研究工作，加大研究的力度和深度，以寻求切实可行的、经济有效的优化方案，以尽早扭转被动局面。
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