用搅沙船和可升降的低水头水坝治理河流和水库的方法

摘要

一种治理河流和水库的方法，它是使用搅沙船冲击河床或水库中沉积的泥沙，使泥沙被水流带走，由此形成窄而深的河流主水道，即河流中的运河，使水流畅通，且流深流急，泥沙不再沉积；河流主水道形成后，沿河修建一个或一个以上的截水高度可以调整的低水头可升降水坝，汛期将坝降低，不影响泄洪，非汛期升高水坝，增加河流的蓄水。本发明可有效解决河流、水库的泥沙淤塞问题，体现了现代科学技术与自然力的完美结合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种治理河流和水库的方法。

背景技术

现有技术中，治理河流淤塞、解决河流中下游水患的方法之一是在上游修建水库，如长江三峡水库、黄河三门峡水库等，这种方法可均衡下游水量，减少洪水对下游的危害，减少下游河床淤塞，并具有强大的水力发电能力，是治理河流水患的首选方法。此外，还有通过挖泥船等机械人工疏通河道、用人力或自然力迫使河流改道、植树造林加强水土保持等诸多方法。各种方法都能取得明显的成效，但都难起到根治的作用。以黄河为例，三门峡水库虽已建成多年，但下游河床增高、汛期水患威胁，非汛期断流等现象仍然存在，同时库区淤塞逐年加剧，黄河治理成为数千年来无法彻底解决的难题。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用搅沙船和可升降的低水头水坝治理河流和水库的方法，以有效解决河流、水库的泥沙淤塞问题，体现了现代科学技术与自然力的完美结合。

本发明的技术方案是：

a.使用搅沙船冲击河床或水库中沉积的泥沙，使泥沙被水流带走，由此形成窄而深的河流主水道，即河流中的运河，使水流畅通，且流深流急，泥沙不再沉积；

b.河流主水道形成后，沿河修建一个或一个以上的截水高度可以调整的低水头可升降水坝，汛期将坝降低，不影响泄洪，非汛期升高水坝，增加河流的蓄水。

以下对本发明做出进一步说明。

本发明的搅沙船是将搅沙装置安装在机动船上构成，船用于承载搅沙装置及其附属设备，同时为搅沙装置提供工作动力。

本发明所述搅沙船装配的搅沙装置具有流体冲击式和机械挖掘式二类。

采用流体冲击式结构，其基本工作原理是向河床喷射具有一定压力的河水，冲击河底沉积的泥沙，使泥沙混入河水并增加河水的扰动，减缓水中泥沙的沉降。它又可以具有多种形式，主要可分为整体式和分体式结构两大类。

参见图1，整体式的搅沙装置的结构是它具有旋转叶轮1，支撑台2，轴承座3，旋转轴4，传动轮5和轴承6。旋转轴4经轴承6、轴承座3相联，轴承座3固定在支撑台2上。系统通过传动轮5，带动旋转轴4和叶轮1旋转搅动河水，叶轮1与轴流式水泵的叶轮类似，使河水沿轴向方向向下喷出，冲击河底泥沙，实现搅沙的功能。

参见图2，分体式的搅沙装置的结构是它具有喷水孔7，喷水头8，软水管9，支撑轴10和支撑台2。其河水增压泵安装在船上，泵的出水口与软水管9相联，图中未画出。软水管9的另一端与喷水头8相联，并固定在支撑轴10上，支撑轴10上端固定在支撑台2上，下端与喷水头8紧固连接。河水通过软水管9进入喷水头8，从喷水孔7中喷出，冲击河底泥沙，实现搅沙功能。

二种结构形式的搅沙装置的支撑台都能沿轴向平动和在与水平方向成0°～90°的范围内转动。平动的目的是根据河床的高低调节水流冲击河床的距离；转动的目的是调节水流冲击河床的角度。装置的下端都安装河床探测传感器和红外线摄象头，所获取的信息输入系统控制计算机，自动调节装置的入水深度，即控制支撑台沿轴向的平动，同时还可以记录河床暗礁分布情况，以利于河床整理。搅沙装置冲击河床的反作用力是搅沙船前进的动力，提高了搅沙船的能效。通过控制支撑台的转动角度，可以改变船的航速。0°时船获得的驱动力最小，90°时船获得的驱动力最大，船速同样通过计算机进行控制。

机械挖掘式搅沙装置的基本结构是使用机械设备直接挖掘河底泥沙，使泥沙进入河水。如图3所示，机械式搅沙装置的典型结构是将搅沙轮11安装在转轴12上。搅沙轮在机动船的牵引下旋转，其叶片直接挖掘泥沙，使之进入河水。

本发明方法用于治理河流淤塞时，是使用搅沙船搅动主水道河床沉积的泥沙，使泥沙进入河水，一部分随河水进入大海，一部分在主水道两侧沉积，在河床上开掘出一条窄而深的主水道，即河流中的运河，令河水主要在此运河中流动，增加河水的挟沙能力，形成束水攻沙的态势，使河床不再淤塞。

本发明使用搅沙船开掘主水道，为了减少搅动的泥沙在主水道的重新沉积，增加河水携带的泥沙在主水道两侧的沉积量，搅沙期间，可在主水道每距一定距离放置一个浮动的分水块，分水块可用铁锚定位在正开掘的主水道中间；也可安装在搅沙装置后面，由搅沙船牵引。含有新搅动的泥沙的河水沿主水道流动，遇分水块将改变流动方向，向两侧辐射，可增大进入主水道两侧的泥沙量。由搅沙船牵引的分水块能及时将含泥沙的河水向主水道两侧辐射，分流效果好，但能耗稍大。

参见图4，分水块的表面形状可以是平面、流线型或其他曲面。分水块的横截面可以是三角形、矩形或其他形状。

本发明使用搅沙船开掘主水道可以在河流全线同时展开搅沙，上游河段搅起的泥沙肯定将有部分在下游河段主水道沉积，将导致重复搅沙和上游河段河床挖掘深，越是接近入海口，河床下降越小的情况发生。为避免河床下降差异过大，可通过调整搅沙船的分布密度来解决，即河段上游区搅沙船分布密度小，下游逐步加大分布密度。

也可集中力量，从下游入海口开始，分段搅沙。如图5所示，图中有已搅沙河段主水道13，在搅沙河段主水道14，两侧沉积泥沙15，主水道两侧河面16。由于已搅沙河段的主水道初步形成，具有良好的束水攻沙功能，河水中的泥沙很难在此主水道沉积。集中搅沙虽然使河水含沙量急剧增加，被搅动的泥沙在原地沉积的数量增大，但由于分段搅沙，在搅沙河段主水道14的含高沙量的河水进入主水道已成型的河段主水道13距离小，且由于已搅沙河段主水道13初步形成的束水攻沙作用，虽然泥沙含量高，但泥沙在主水道的沉积将很少，分段搅沙入海泥沙将比全线同时展开增加，而且避免了河段上游搅动的泥沙重新淤积下游河段的情况发生。搅起的泥沙一部分沉积在主水道两侧，一部分进入已搅沙河段主水道13，流入大海。

本发明所述升降坝是指截水高度可调节的水坝，由固定水坝和活动水坝构成。汛期放下活动水坝，使坝处于水下，以利于泄洪和通航；非汛期升起活动坝蓄水，以保持坝的上游的水位在需要的高度，并可根据河流全线的水资源情况，对活动坝上升的高度进行调节。

参见图6，可升降水坝的结构是活动水坝(截水板)20穿过固定水坝21，汛期下放，与固定水坝21上表面平齐，以利洪水通过。固定水坝21的表面可以高于、等于或低于主水道河床17。非汛期，通过下部千斤顶19，将截水板20升高，高度根据需要调节。固定水坝21每距一定距离有一个凸出坝面的三角形支架，图中没有画出，用于承载截水板20承受的水的压力。截水板20下部的支撑块18用于支撑截水板20的重量，释放千斤顶19承受的压力。千斤顶19由电动机驱动，受计算机控制，图中没有画出。各截水板的宽度和高度根据非汛期需要的最高水位和千斤顶的承载能力确定。各截水板之间可以留有泄洪通道，如图6所示，也可不留泄洪通道，根据需要确定。水坝固定高度和截水板伸出坝面高度根据实际地理条件和水资源情况决定。图中只画出了水坝的一部分。

此外，还可以增建船闸，保证河流全线全年通航；也可修建低水头发电站和抽水站，开发水力资源，并利用自身生产的电能将河水输送到河两岸的灌溉渠道，实现能源的综合利用。

本发明所述升降坝修建的基础是河流主水道已形成，并具有良好的挟水攻沙效果，河流不再淤塞。同一河流，可以在不同河段修建多个升降坝，并通过协调各水坝活动坝升高的高度，保证河流各段水位和蓄水量的合理分配，解决汛期顺利泄洪和非汛期水资源的储蓄、利用，防止枯水季节下游缺水、断流情况的发生。

综上所述，本发明提供的治理河流的方法具有如下优点：

1、搅沙船安装的搅沙装置可以是机械挖掘式，用于由淤积而成，且无暗礁的河床搅沙；也可以是流体冲击式，用于河床地形复杂或有暗礁存在的河床搅沙。

2、由于是在河床上开运河，挖掘出一条窄而深的主水道，而不是在河道的整个河面搅沙，搅沙量相对明显减少，且由于河水将主要在主水道中流动，水深、水急，束水攻沙效果好，可使河流不再淤塞，且河床明显降低，河流水患被彻底根治。

3、利用河水自身的运载能力，将搅动的主水道泥沙输送到主水道两侧和大海，不需要运输设备，体现了科学技术与自然力的完美结合。

4、分水块的使用，迫使含有新搅起泥沙的河水及时向主水道两侧辐射，减少了泥沙在主水道重新沉积的数量，增加了泥沙在主水道两侧的沉积，增强了搅沙效果。

5、可采用不同的搅沙策略。既可采用沿河流全线同时展开搅沙的方法，也可采用分段搅沙的方法，根据河流实际情况确定。

6、在河流落差较大处修建升降坝，既保证了汛期泄洪的需要，又在非汛期留住了河水，解决枯水季节的缺水、断流问题，为河流全线水资源的合理分配提供了切实可行的方法，并可开发河流的水力资源，有利于农业灌溉和河水使用。

因此，本发明将为治理泥沙淤塞严重的河流，如治理黄河，开辟了一条新途径。

附图说明：

图1是本发明整体式搅沙装置结构示意图；

图2是本发明的分体式搅沙装置结构示意图；

图3是本发明的搅沙轮结构示意图；

图4是本发明分水块示意图；

图5是本发明的分段搅沙示意图；

图6是本发明可升降水坝结构示意图；

图7是主水道截面图。

在图中：

1-旋转叶轮，2-支撑台，3-轴承座，

4-旋转轴，5-传动轮，6-轴承，

7-喷水孔，8-喷水头，9-软水管，

10-支撑轴，11-搅沙轮12-转轴

13-已搅沙河段主水道，14-在搅沙河段主水道，

15-主水道两侧沉积的泥沙，16-主水道两侧水面，

17-主水道河床，18-支撑块，19-千斤顶，

20-活动水坝，21-固定水坝。

具体实施方式

本发明方法用于黄河治理。

黄河每年将大量的泥沙带入东海，同时也将部分泥沙留在河床，使河床不断增高，致使汛期水患危及两岸，枯水季节下游断流。千百年来，为治理黄河，中华民族付出了无数的人力、财力、物力乃至生命。采用本发明提供的使用搅沙船和在黄河沿线分布搅沙船清理主水道河床，开掘出黄河窄而深的主水道，以及修建截水高度可以调节的低水头水坝，可彻底治理黄河水患，并解决黄河下游缺水、断流问题。

前期，搅沙船主要分布在黄河下游和黄河中游的宁蒙段及三门峡库区，若每公里配备一艘，约需2000艘，在取得一定搅沙成效后，再逐步扩展到黄河全线。

搅沙船以清理黄河主水道为主，清理河道宽度在100～200m内，中游窄，下游较宽，根据各地所需灌溉水位确定。以清理宽度100m计算，若搅沙船的设计为平均时速10Km，冲击河床的宽度为20m，则每小时冲击河床2次，以每次冲起泥沙厚度为2cm计算，则每小时进入河水的泥沙为4000m³，每天为96000m³，河床每日降低96cm。黄河全线2000艘船，日搅沙量为1.92亿m³。船只仅在汛期工作，以120天计算，则共搅沙230亿m³。

搅沙船搅起的河底泥沙究竟能否被河水带走，这是决定搅沙船有无存在价值的关键因素。根据我国对黄河长期的研究表明，黄河水的挟沙能力是很强的。以1992年发生的高含沙量洪水为例，含沙量大于300kg/m³持续时间长达67小时。更有1933年黄河三门峡站，洪峰流量22000m³/s，最大含沙量519kg/m³；1973年8月，花园口洪水流量4000～5000m³/s，最大含沙量450kg/m³，是月均含沙量的三倍。而黄河正常挟沙量，以河口段为例，在流量1000m³/s时，只有34kg/m³。在相同过水面积的测算中，挟沙能力的增加为流速增加的2.22次方/m³。实际挟沙量并没有遵循这一规律，挟沙量出现如此大的悬殊，显然与河水的流速和进入河水的泥沙数量有关，河水流速越高，挟沙能力固然越强，而挟沙量还取决于进入河水的泥沙数量，进入河水的泥沙越多，河水的挟沙量也会越高。根据统计资料，黄河下游的年均总水量500亿m³，水量在汛期与非汛期分配比例为6∶4，则汛期总水量为300亿m³，汛期入海泥沙总量10亿吨，汛期平均含沙量30kg/m³，分别按照上面介绍的黄河历史上曾经出现过的519kg/m³、450kg/m³和300kg/m³三次大含沙量计算，在汛期黄河水能携带入海的泥沙分别为155亿吨、135亿吨和90亿吨，是现在黄河入海泥沙总量的15.5倍、13.5倍和9倍，显然黄河水的挟沙能力在正常情况下，并没有得到充分发挥。因此，用搅沙船增加进入河水的泥沙量，是完全可行的。

若230亿m³的泥沙全部进入黄河水中，按照汛期平均总水量300亿m³计算，以体积论，达到总水量的77％；以重量论，达到总水量的250％以上。大量的泥沙被搅沙船搅动，为提高黄河水的挟沙量提供了可能。但同时也可以肯定，这搅起的泥沙，不会全部随黄河水进入大海，大部分将重新沉积。

参照黄河历史上曾经出现的大挟沙量，取其最小值9倍的1/3进行估算，则含沙量为90kg/m³，由于搅沙，将新增入海泥沙20亿吨，2000公里主水道河床平均下降3米。

同时，由于搅沙装置对主水道下部的水流产生强烈的扰动，被搅动的泥沙并不会立即全部沉积在原地，将有很大一部分进入河水。泥沙进入黄河水后，由于河道的弯曲和河床的凹凸不平等原因，河水不会沿主水道直线流动，因此泥沙将在整个河面上重新沉积，并不是全部沉积在新开掘的100米主水道上。另外，由于主水道位于河的中心，本来水的流速就最大，加上搅沙船的挖掘，河床日渐加深，流速将进一步增大，进入河水的泥沙在主水道的沉积将小于主水道两侧的河面。

在河床较平整，河道直线部分较长的河段，为让河水及时将搅起的泥沙带到主水道两侧，搅沙期间，可在主水道每距一定距离放置一个浮动的分水块如图4所示。分水块用比重稍大于河水的材料制成，可用铁锚定位在正开掘的主水道中间；也可安装在搅沙装置后面，由搅沙船牵引。含有新搅动的泥沙的河水沿主水道流动，遇分水块将改变流动方向，向两侧辐射，可增大进入主水道两侧的泥沙量。由搅沙船牵引的分水块能及时将含泥沙的河水向主水道两侧辐射，分流效果好，但能耗稍大。

黄河下游河面很宽，最宽处为河南长坦县大车集，两岸相距20公里。按照最保守的估算，设河水携带新搅起的泥沙在河面分布的宽度平均为1000米，按照相同的沉积率计算，进入河水的泥沙将只有10％重新沉积到主水道。若设计保证搅沙船搅动的泥沙有50％进入河水，仅50％在原地沉积，将有115亿m³的泥沙进入河水，扣除重新回到主水道的11.5亿m³和进入大海的20亿吨(约6亿m³)，在主水道两侧沉积的泥沙有95亿m³以上。由此可见，开掘黄河主水道，实际是在黄河内开掘运河，且运河的开掘，主要是通过河水将泥沙运送到运河两侧，而不是将泥沙送入大海。换言之，黄河水庞大的运输力量，将大量泥沙通过“短途运输”，送到了主水道两侧的河滩；少部分通过“长途运输”，送入东海，总运量约100亿m³，相当于十吨卡车运载33亿车次，大自然的力量是人力不可相比的。通过一年搅沙，2000公里长、100米宽的主水道一年将至少加深50米。

随着河床下降，100米主水道两侧的泥沙将崩塌进入主水道，这种崩塌使进入河水的泥沙增加。在搅沙前期，增强了搅沙船搅沙的效果；在搅沙后期，为了形成规则的主水道，可适当扩大搅沙宽度，使100米主水道两侧与水平面成30°左右的斜坡，大范围的塌陷将不再出现。设形成的主水道如图七所示，图中主水道按底宽100米、深50米设计，则过水面积为9330m²。若水的流速为1m/s，总流量可达到9330m³/s。黄河汛期四个月平均流量3000m³/s，非汛期八个月的平均流量1000m³/s，从上述数据可以看出，黄河之水无论汛期或非汛期，都将纳入主水道。

主水道的实际过水面积S与水深X有关，由下式计算：

$S=100X+\sqrt{3}{X}^2$

而实际水深X取决于流量Q和流速V，三者的关系由下式给出：

$Q=(100X+\sqrt{3}{X}^2)·V$

根据上式，按照黄河汛期平均流量3000m³/s计算，流速1m/s时，水深21.8m；流速2m/s时，水深12.4m，其余类推。上述分析说明，100米宽的主水道可以基本满足黄河水流畅通的需要，也就是说，实际泥沙运量只需120亿m³。实际主水道要根据黄河各段的灌溉需要、年最大流量和现有河床高度等具体情况设计。人工开掘的主水道初步形成后，由于水深、水急，河水对主水道两侧及主水道河床的冲刷加剧，最终形成的主水道的宽度和深度由各处的水流在自然力的动态平衡下确定。

以上是按照黄河中下游全线同时展开搅沙估算。全线同时展开搅沙，上游河段搅起的泥沙肯定将有部分在下游河段主水道沉积，将导致重复搅沙和上游河段河床挖掘深，越是接近入海口，河床下降越小的情况发生。为避免河床下降差异过大，可通过调整搅沙船的分布密度来解决，即河段上游区搅沙船分布密度小，下游逐步加大分布密度。

另外，也可集中力量，从下游入海口开始，分段搅沙，如图五所示。图中13-已搅沙河段主水道，14-在搅沙河段主水道，15-两侧沉积的泥沙，16-主水道两侧水面。设将2000艘船集中在100公里内，则按照前面的估算，每日主水道河床将下降近10米，六日内就可形成100米宽，50米深的主水道。此主水道将具有良好的束水攻沙功能，河水中的泥沙很难在此主水道沉积。集中搅沙虽然使河水含沙量急剧增加，被搅动的泥沙在原地沉积的数量增大，但由于分段搅沙，在搅沙河段14的含高沙量的河水进入主水道已成型的河段13距离小，且由于已搅沙河段13初步形成的束水攻沙作用，虽然泥沙含量高，但泥沙在主水道的沉积将很少，分段搅沙入海泥沙将比全线同时展开增加，而且避免了河段上游搅动的泥沙重新淤积下游河段的情况发生。搅起的泥沙一部分沉积在主水道两侧，一部分进入已搅沙河段主水道13，流入大海。

上面所述束水攻沙作用，是指河床加深变窄后，河水的挟沙能力将增强。按扎马林公式计算，当河宽缩窄到六分之一时，相应挟沙能力将提高到九倍。因此，搅沙船使用越久，河床越低，河水越深，束水攻沙的作用越强。这不但反映出使用搅沙船清理河床具有良性循环的效果，同时，可以预见，经过较长时期的河床清理，黄河水道的束水攻沙能力不断增强，最终黄河水道畅通，泥沙不再淤积，水患不兴，搅沙船在主水道完成其历史使命，将只在三门峡等库区和入海口存在。

搅沙船的使用，使清理区域内，河床日渐下降，河水畅通无阻，泥沙不再淤积，为修建黄河上的“都江堰”提供了可能。

修建的目的是充分利用黄河水资源，汛期不影响泄洪，非汛期增加黄河的储水量，使黄河下游无缺水、断流之忧。

为此，可在中下游选择落差较大处，每距数百公里，修建一座低水头水坝，坝的截水高度可以自由调节，即升降坝。汛期水坝处于水下较深处，不影响泄洪和通航，非汛期增加坝的高度，增加黄河各段的储水量，并可根据需要调整各河段的水位，做到合理分配和利用。

水坝固定高度h1和截水板伸出坝面高度h2根据实际地理条件和水资源情况决定。上游水位h等于二者之和，即：

h＝h1+h2

如前所述，主水道形成后，黄河下游1300公里主水道达到设计的50米水深，主水道内蓄存的水量将有120亿吨，且不需要淹没农田、修建库区，大堤也不需要加高。

此外，还可以增建船闸，保证黄河中下游全线全年通航；也可修建低水头发电站和抽水站，利用自身生产的电能将黄河水输送到黄河两岸的灌溉渠道，实现能源的综合利用。

从使用搅沙船清理河床到修建水坝，是一个庞大的系统工程。主要经费可分为河床清理费和水坝建设费二大部分。水坝应在对河床进行卓有成效的清理后开始修建，因此，资金可以分期投入。

河床清理费按照投入2000艘搅沙船计算，每艘搅沙船价格在200万左右，需要资金共40亿元。船的动力约200Kw，按照现有电价计算能源消耗费(实际为燃油费)，每天每船约需要6000元，全年按照汛期工作120天计算，每艘船需要能源消耗费72万元，加上工资、维护费，约需100万元。则每年总费用20亿元。实施河床清理，第一年共需要经费约60亿元，考虑到前面估算的误差，按黄河全线10年清理基本结束，预计需要240亿元。

若在黄河下游1300公里内，修建5座水坝，如前所述，由于不需加高黄河大堤，不需移民扩建库区，水头低，坝承受的水压力也小，对坝的要求没有高水头水坝高，如按照图五设计主水道，坝承受水压的实际长度只有273米，因此坝的建设费用要比修建三峡或三门峡大坝少得多，如果包括建立蓄能电站和灌溉枢纽等配套工程，设每座水坝投资50亿元，则水坝建设总费用为250亿元。

上述二项相加，治理黄河总费用为490亿元。十年治理结束，每年需要投资约50亿元。此项费用，与数千年来中华民族治理黄河水患的投入相比，是微不足道的。投入490亿元，实现中华民族数千年来根治黄河的梦想，其社会意义之大，是显而易见的。

随着清沙工程的展开，黄河主水道的河床将不再增高，相反将逐年下降，黄河水将逐渐进入主水道，畅通无阻，奔腾不息。主水道两侧将有大量的河滩地露出水面，可供耕种或植树造林。黄河全线将实现全年通航，黄河的水运能力将获得空前的增长。黄河大堤不用再加高加固，河床下降，高高的大堤不再是防止黄河水患的屏障，而是和万里长城一样，成为中华民族文明的历史见证。汛期黄河再无水患，两岸人民的生命财产获得空前的保障。非汛期，黄河水资源丰富，缺水断流不再现，仅下游就蓄水120亿吨，南水何需北调，黄河之水用之不竭，两岸农田终年得到充分灌溉，农业和渔业都将出现历史新高。

除了上述难以尽言的社会效益外，治理费用可以通过各水坝蓄能电站的供水、供电得到回收，并为持续发展提供后续资金。

利用本发明的搅沙船将黄河主水道河床沉积的千年泥沙送入汛期黄河滚滚急流中，开掘出黄河窄而深的主水道，形成束水攻沙的有利态势，实现根治黄河的梦想，是现代科学技术与自然力的完美结合。将使三门峡水库不为逐年增加的淤积问题所困扰；使黄河中下游修建自己的“都江堰”成为可能。汛期黄河再无水患；非汛期留住黄河水，留住黄河母亲甘甜的乳汁，哺育两岸黄河儿女。一年中的黄河，四个月(汛期)浊浪涛天，八个月(非汛期)碧波荡漾，这不是美丽的神话，而科学的是真实。