第十届海峡两岸水利科技交流研讨会

1第十屆海峽兩岸水利科技交流研討會，2006年11月，供水水庫泥沙淤積及其對水質影響的初步研究林叔忠廣東省水利廳摘要水庫是水利工程的重要基礎設施，而水庫的泥沙淤積問題是水庫運行管理過程中的普遍現象。水庫庫底的淤積物既減少了水庫庫容又容易對水庫水質造成二次污染。本文通過對廣東省深圳市S水庫的泥沙淤積狀況調查，分析了S水庫淤積物的來源、成份、形態及淤積規律，初步探討了在不同情況下水庫淤積物對水庫水質污染的影響程度，提出了清除水庫淤積物是供水水庫減少污染保證水質的有效方法，指出實施水庫清淤工程是保持水庫可持續利用的重要舉措。一、水庫泥沙淤積狀況深圳特區是祖國大陸經濟快速增長的地區，隨著經濟的高速發展，人口快速增加，以及城鎮化進程的加快，深圳市對水的需求量大幅提高，近年來出現了水源緊缺的現狀，多數水庫功能已由過去的農業灌溉型轉變為供水型，水庫水質的好壞也直接影響供水區居民的身體健康乃至區域經濟、社會的持續穩定和發展。S水庫位於深圳的B區，集雨面積44km2，總庫容3200萬m3，正常水位36.59m，相應庫容1690萬m3，是深圳B區的主要飲用水源水庫，年供水量達2.3億m3，日供水量最大為75萬m3。水庫建設至今已有45年，大量的泥沙淤積已使有效庫容減少，水質污染影響了水庫功能的正常發揮，水庫淤積物中的銅、鋅、鉛等金屬元素的含量往往高於水體中的含量，懸移質泥沙表面也吸附大量污染物質在庫內積累，加之水庫上游與周邊人為造成水環境污染，引致水庫水質日益變差，水庫泥沙淤積是一個面臨急需解決的問題。目前，政府要投入大量的資金對水庫進行清淤，一是擴大水庫庫容量，二是以減少水庫淤積物對水質的二次污染。21.泥沙淤積物的來源深圳市S水庫區為深圳西部羊臺山環狀低丘地貌的一部分，集雨面積內大部分為低山丘谷地，區內上部和表層的土層為花崗岩殘坡積土與沖洪積粘性土、砂土，水土保持尚好，植被較發育。但由於該地區經濟和城市建設的迅速發展，造成部分已開展了水土保持治理的山地、丘陵又出現開發性的水土流失，水土流失已從“農村型”向“城市型”轉變。在暴雨沖刷下，地表泥沙流動，部分粉質粘土和淤泥細砂進入河槽而流入水庫。受農村城市化影響，地表不透水層面積加大，縮短了地表徑流匯流時間，增大了徑流係數和徑流量，也相應增加了入庫泥沙量。同時水庫周邊人為墾殖鬆動土地表層，細礫與粗中細砂隨暴雨直接沖瀉入庫。因此，主河道挾帶泥沙和水庫周邊沖溝泥沙入庫是水庫泥沙淤積物的主要來源。2.泥沙淤積物的成份①泥沙淤積物礦物成份從S水庫大壩前到庫尾河口，水庫泥沙淤積物地質層依次為淤泥、粉質粘土、淤泥質細砂、礫砂。其中淤泥厚0.5～4.0m，流塑—軟塑狀態；粉質粘土厚0.6～2.8m，飽和，可塑；淤泥質細砂：厚1.2m以下，飽和，軟塑；礫砂厚0.4～4.5m，鬆散，d≤4mm，成份為石英。水庫區內水下泥沙淤積物成份，水庫高程31.50m以下平面區域約1.62km2，剖面上從上至下逐層為淤泥、粉質粘土、粉細砂和礫砂。②淤積物物理力學性質庫區淤積層的物理力學性質如表1.1。物理力學性質表現為上部流塑—軟塑，下部為飽和礫砂層。表1.1石岩水庫庫區泥沙物理力學參數試驗項目泥沙名稱濕密度幹密度土粒密度孔隙比含水量飽和度摩擦角凝聚力壓縮係數壓縮模量γwγγseWSrφCa1-2E1-2g/cm3g/cm3g/cm3%%degKpaMpa-1Mpa淤泥1.520.922.711.93770.490.71.48.61.372.19粘土1.771.272.721.15139.592.919.522.80.395.79粉質粘土1.861.402.710.95233.592.821.521.40.306.85礫質粘性土1.881.552.670.74822.478.428.129.40.238.11粉細砂1.971.612.670.66122.189.624.915.20.256.96礫砂1.802.653500.179.11摘自《深圳S水庫清淤工程地質勘察報告》③庫內淤積物顆粒級配3根據取樣的泥沙顆粒分析，其顆粒級配曲線）（Dfplg則如圖1.1。01020304050607080901000.010.1110100颗粒直径lgD（mm）累积百分数（％）No1No2No3No4No5No6No7No8ΣΔp圖1.1S水庫淤積泥沙顆粒分析曲線3.泥沙淤積量的計算①庫容曲線原始庫容曲線是研究水庫淤積的基礎資料。由於建庫時的設計庫容曲線未可尋覓，而水庫在1960年3月初具規模，即於4月蓄水運行，故可將1960年4月～12月的運行紀錄結合水庫原設計死水位、正常、設計和校核水位及其相應庫容值，得到原始（1960年）庫容曲線)(10ZfV（圖2），庫容V1960（104m3）與水位Z（m）的關係式為741.11960)26(339.29ZV同樣，根據水庫運行紀錄，得出了2004年的庫容曲線及其關係式。總庫容為5212004iiVV，其庫容曲線)(2ZfVN的關係式為828.12004)26(559.20ZV42526272829303132333435363738394002004006008001000120014001600180020002200240026002800300032003400库容V（104m3）水位Z（m）1960年2004年V2004=20.559(Z-26)1.828V1960=29.339(Z-26)1.741圖1.2S水庫新舊庫容曲線對比（1960年/2004年）②水庫泥沙淤積量以S水庫庫容曲線為基礎，由)(11960ZfV與)(22004ZfV計算水庫（1960～2004年）各級高程的淤積量如表1.2，正常庫容約淤積了171萬m3。而依據庫區地質勘察資料（勘察範圍較前者庫尾段短100m）計算水庫的總淤積量則為155.58萬m3，如表1.2。表1.2S水庫（1960～2004年）各級高程淤積量（萬m3）高程（m）1960年庫容2004年庫容淤積量庫容損失(%)27.5060.060.00.0028.00100.073.027.01.6029.00204.1153.250.93.0130.00329.7242.886.95.1431.00469.0355.9113.16.6932.00637.2503.4133.87.9133.00842.8692.4150.48.9034.001064.8903.4161.49.5535.001306.21143.4162.89.6336.001564.11400.0164.19.7136.59(1690.8)1731.01560.0(130.8)171.0(7.74)10.115表1.3S水庫庫區淤積量（據勘察資料估算）對比表1.2和表1.3結果可知，水庫泥沙淤積物總量是一致的，約達170萬m3。二、水庫泥沙淤積形態和淤積規律1.水庫泥沙淤積形態圖2.1是S水庫泥沙淤積後的淤積縱剖面，從圖中可知：水庫泥沙淤積物呈帶狀淤積形態。鑽探資料分析，庫尾段平均淤厚約1.7m，中段約1.1m，壩前約0.7m。水庫尾閭庫底高程32.50m向壩前庫底25.00～26.00m高程傾斜，縱比降約為3.1‰。庫底淤積物成份分佈為：主河槽和各沖溝入庫流路—依次是石英礫、礫砂、粗砂；水庫尾石英礫砂、細砂、粉質粘土、淤泥；水庫中段（約2/5庫長）—細砂、淤泥；壩前段（約3/10庫長）—礫砂、殘坡積土。高程（m）庫區淤積面積（萬m2）庫區淤積體積（萬m3）21.000.00010.0122.000.00300.3023.000.00910.9124.000.04594.5925.000.160616.0626.000.361436.1427.000.584558.4528.000.850385.0329.001.0672106.7230.001.2842128.4231.001.4287142.8732.001.5327153.2733.001.5563155.6334.001.5558155.58624252627282930313233020040060080010001200140016001800200022002400距坝里程（m）高程（m）大坝库尾圖2.1S水庫2004年水庫區庫底淤積縱剖面2.水庫泥沙淤積規律新舊庫容曲線表明水庫44年（1960～2004年）累計淤積量171萬m3，按正常庫容計，庫容損失10.11%。平均年淤積速率為3.886萬m3/a。每年水庫淤廢了正常庫容的0.23%。各年代石岩水庫淤積量見表2.2，水庫以3.886萬m3/a的速率淤積。從淤積量看，70年代較60年代增淤26.4萬m3，增長161%；80年代較70年代增淤36.1萬m3，增長84.35%；90年代較80年代增淤63.7萬m3，增長80.74%，可知70年代淤積最快。新世紀後，水庫的表徵已由泥沙淤積轉為淤積物對水庫水體污染了。表2.2S水庫各年代淤積量高程（m）水庫年代淤積量（萬m3）1960～19691970～19791980～19891990～199927.500.00.00.00.028.007.810.212.617.429.0020.527.337.450.230.0026.741.158.080.831.0026.552.269.0101.532.0021.252.876.9117.033.0030.867.290.5132.634.0023.948.873.2136.535.0024.856.571.7133.936.0018.243.967.9127.2736.5916.442.878.9142.6三、水庫泥沙淤積物對水庫水質的影響1.庫底淤泥的有害物質成分含量根據S水庫底泥15處的採樣分析，測試項目包括總碳、全磷、銅、鎳、鋅、鉻、鉛、汞、砷、有效磷、有效態重金屬等。現將部分底泥測試結果分析如下。①銅的含量平均為112.25mg/kg，最大值達160.23mg/kg，最小值為69.56mg/kg，均高於當地土壤最高背景值61.5mg/kg。圖3.1水庫底泥銅含量分佈②鋅的含量平均為342.65mg/kg，最大值達403.89mg/kg，最小值為201.85mg/kg，近水庫大壩處含量高於當地土壤最高背景值366mg/kg，近庫尾處含量低於當地土壤最高背景值。圖3.2水庫底泥鋅含量分佈③鎳的含量平均為96.90mg/kg，最大值達180.56mg/kg，最小值為85.53mg/kg，近水庫大壩處含量高於當地土壤最高背景值17.9mg/kg，近庫尾處SY09處含量僅5.53mg/kg，低於當地土壤最高背景值。圖3.3水庫底泥鎳含量分佈④鎘的含量平均為58.15mg/kg，最大值達99.02mg/kg，SY02點未檢出，均低於當地土壤最高背景值105.8mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.4水庫底泥鎘含量分佈⑤鉛的含量平均為74.01mg/kg，最大值達83.60mg/kg，最小值為47.33mg/kg，低於當地土壤最高背景值193.00mg/kg，各點含量差別不大。9圖3.5水庫底泥鉛含量分佈⑥鉻的含量平均為0.34mg/kg，最大值0.63mg/kg，最小值0.12mg/kg，最大值高於當地土壤最高背景值0.359mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.6水庫底泥鉻含量分佈⑦砷的含量平均為6.11mg/kg，最大值8.20mg/kg，最小值2.70mg/kg，含量變化仍為近水庫大壩處含量高，近庫尾處含量低。圖3.7水庫底泥砷含量分佈10⑧汞的含量平均為0.19μg/kg，最大值0.31μg/kg，最小值0.11μg/kg，均低於當地土壤最高背景值0.632μg/kg，含量變化為近水庫大壩處含量較低，近庫尾處含量較高。圖3.8水庫底泥汞含量分佈庫尾處垂直芯樣化驗結果表明，底泥中表層部分重金屬含量較底層淤泥的含量低(圖3.1-9)，表明近期新淤積的淤泥受污染的程度減輕。圖3.9水庫底泥