金溝河流域渠首樞紐泥沙淤積原因分析及治理

孫顯忠 孔令來 張松濤

（新疆金溝河流域管理處,新疆沙灣 832100）

金溝河流域渠首樞紐泥沙淤積原因分析及治理

孫顯忠 孔令來 張松濤

（新疆金溝河流域管理處,新疆沙灣 832100）

通過對金溝河流域渠首樞紐基本情況的概述,總結當前渠首樞紐泥沙運行處理的基本現狀和泥沙淤積產生的危害,進而分析泥沙淤積產生的原因,最終提出解決渠首樞紐泥沙淤積具體措施,依此可以發(fā)揮樞紐工程的最大效益,給灌區(qū)和管理單位帶來巨大的經濟效益和社會效益。

樞紐;泥沙;危害;原因;治理措施

1 基本情況

1.1 水資源狀況

金溝河屬冰雪融水及降雨混合補給型的山溪性河流,干流全長120km,河床比降33‰～5‰。水量的來源以冰川和永久性積雪為主,其次為降雨、季節(jié)性融雪和地下水補給。

金溝河多年平均徑流量3.49億m3,徑流受氣溫和降水的影響,有著年際變化平緩,年內分配集中的特點。

年水量與氣溫的高低有著明顯的聯系,同時又受降水的制約。徑流年際變化平穩(wěn),Cv=0.125。徑流年內分配極不均勻,汛期6～8月份的徑流量占全年徑流量的68.3%,冬季11月至翌年4月,水量只占總量的14.1%。

1.2 引水樞紐工程

金溝河引水樞紐始建于1960年,建于出山口位置,1962年投入運行,是第一代費爾干式人工彎道式引水渠首,側面引水,正面排沙,由非常溢流堰、泄洪沖沙閘、進水閘及上下游導流堤組成。

其中泄洪沖沙閘5孔,單孔寬5.0m,設計流量Q泄=220m3/s;進水閘3孔,單孔寬4.0m,設計流量Q引=45m3/s。在進水閘后有880m長的曲線沉沙池,在曲線沉沙池的末端有6孔排沙廊道,然后進入54km總干渠。隨著時間的推移,上下游河道泥沙淤積日益嚴重。由于引水彎道淤積,彎道底部逐漸抬高,過水能力逐漸減弱,使得進入干渠的泥沙增多,引水干渠嚴重磨損、淤積。

1.3 泥沙

金溝河屬多泥沙河流,泥沙主要來源于降水匯流對流域面的侵蝕及水流對河道的沖刷兩部分。根據實測泥沙資料分析,金溝河懸移質年平均含沙量1.85kg/m3,最大月平均含沙量221kg/m3,最小月平均含沙量15.6kg/m3。懸移質年平均輸沙量66.03萬t。推移質年平均輸沙量9.25萬t,推移質平均粒徑39.8mm。多年平均輸沙總量74.28萬t。

金溝河泥沙顆粒分配不均勻,顆粒較細,大顆粒含量較少,金溝河泥沙總體特征為。

（1）泥沙的年際變化很大。據八家戶站實測資料,最大年輸沙量216.6萬t（1999年）,最小年輸沙量26.4萬t（1965年）,多年平均為74.28萬t。

（2）泥沙的年內分配集中。實測6年資料中6～8月輸沙量占97.0%,而 7月就占全年的55.5%,來沙與來水成正比。冬季輸沙量基本為零。

2 渠首樞紐運行現狀

金溝河屬多泥沙河流,多年平均懸移質輸砂量41.4萬t,相應輸砂率13.13kg/s,多年平均推移質輸砂量6.21萬t,相應輸砂率1.97kg/s。由于生態(tài)、水資源開發(fā)等原因,金溝河泥沙來量呈增加趨勢。

渠首建設初期,灌區(qū)土地面積較小,灌區(qū)需水少,引水量小,排沙水相對較多,加之渠首上下游縱坡大,渠首運行較好。

進入二十世紀80年代,隨著渠首上下游泥沙逐漸淤積造成河床不斷抬高,此外灌區(qū)土地面積逐漸增加,引水量不斷加大,渠首彎道過水斷面設計寬度過寬,常年不能穩(wěn)定河槽行水,致使環(huán)流強度減弱,河床槽內嚴重淤積,形成新的小的主槽,造成工程原設計方案的引水與排沙作用被破壞,而且隨著渠首引水彎道淤積,彎道過水能力逐漸減弱,導流堤高程已明顯不能滿足防洪的要求。

閘前上游河道抬升較大,攔石柵已失去作用,沉沙池與上游河床形成連續(xù)縱坡。泥沙全部進入沉沙池和引水干渠,大量泥沙堆積在渦管和漏斗的出口處,依靠機械運送,使上述兩處工程使用壽命正在快速縮短。一級排沙設施尾部淤積嚴重,導致渠首排沙不暢。目前渠首閘前,上游河道,沉沙池淤積嚴重,加上大河來水分布不均勻,瞬時流量變化大,一級排沙效果較差,又造成新一輪淤積,渠首處于惡性循環(huán)運行狀態(tài)。

金溝河渠首排沙方式:主要是間歇式集中排沙,此時干渠停止引水,大河所有水量全部用于排沙 （大河來水量大于30m3/s,35m3/s～40m3/s最佳）平均年份十幾天;其次是邊排邊引式排沙,此時大河來水滿足引水需要且有足夠的沖沙水量 （大河來水量大于55m3/s）;最后是利用發(fā)生洪水的機會長時間集中沖沙。

金溝河渠首樞紐采取渠首邊排邊引和全排全引的運行方式與干渠多級排沙渦管和排沙漏斗配合使用的方法,將進入干渠的泥沙全部處理。

但是閘前,輸沙道尾部,泄洪二三四五孔行洪通道淤積嚴重,嚴重影響到防洪安全。

3 泥沙淤積造成的后果

（1）渠首防洪能力減弱。淤積造成渠首閘前有效空間縮小,防洪能力下降,發(fā)生翻水。

（2）淤積造成閘門啟閉負荷增加,存在嚴重的安全隱患。以前弧形閘使用的是16的 D型鋼絲繩,現在跟換為22的D型鋼絲繩,年年換新,還有斷裂現象。

（3）工程磨損嚴重,由于渠首已無能力將泥沙處理完,部分泥沙進入干渠磨損渠道。

4 渠首樞紐淤積原因分析

4.1 工程原因

金溝河渠首是費爾干式人工彎道渠首,閘前利用彎道形成橫向環(huán)流,側面的清水進入進水閘,正面含有大量泥沙的水流進入泄洪閘由輸沙道排走。引水渠首位于河道中游出山口處,該段縱坡為1/75～1/150,大部分為第三系和第四系沖、洪積沉積物,兩岸陡峭植被差,暴雨和洪水攜帶大量泥沙向河床傾瀉,是主要產沙區(qū)。

由于造床流量Q選用頻率為3%～10%,設計采用阿爾圖寧的河相關系B=AQ0.5/J0.2（A為系數0.7～1.0;Q為造河流量,選用頻率為3%～10%,J為河床比降）。由此計算的Q為220m3/s過大,因而彎道過水斷面設計寬度B過寬,使引水彎道的過水斷面成為河流的造床流量下的過水斷面。

2001年金溝河渠首改建,在原有加高墻上加高1.5m,過水斷面增大。沖沙一孔束沙道最大設計流量45m3/s,出閘后 30m有一彎道,彎道長120m過渡夾角90°,排沙不利加劇淤積。

4.2 地形原因

金溝河從出山口至金溝河渠首段河流流經第四紀松散沉積層,渠首附近為第三紀巖層,以泥巖為主,抗沖性較差,多系紅色和綠色條帶狀泥巖,表層風化嚴重,此段岸坡陡峭,渠首左岸0+269.91上游500m為泥巖風化坡積物,質地松散。經過多年的沖刷斷面擴大已形成天然的沉沙池,使河床抬高,夏季排沙有效距離縮短,排沙效果不明顯,加大排沙水量,引水排沙矛盾加劇,冬季小流量時,泥沙依然少量啟動。

4.3 排沙與引水矛盾突出

灌區(qū)種植結構不合理灌溉用水集中,導致排沙與引水矛盾突出。金溝河渠首泥沙運行的最佳流量改建前Q=25～30m3/s改建后斷面增大Q=30～35m3/s。汛期只有6月下旬至8月上旬部分時間大河來水量才可以在每天部分時段滿足運行要求,金溝河因河流特性,大河來水季節(jié)變化較大,每年6月下旬以前大河來水小于25m3/s時,渠首排沙閘無法進行排沙,又由于金溝河河床縱坡大,大河來水在8m3/s時,泥沙已大量起動,渠首在引水過程中將泥沙一起引入總干渠;進入洪水期為滿足農業(yè)需水要求,部分時段引水率高達90%（見表1）,只能采取間歇式排沙方式,以保證渠首的防洪安全。

表1 金溝河多年大河來水與引水統(tǒng)計表

4.4 水力排沙不能正常進行

大河來水分布趨向均勻,影響到水力排沙的正常進行。

金溝河近15年來,大河來水呈冬季增多,夏季減少的趨勢（資料）夏季大河瞬時流量呈漲的慢,退得快的趨勢,（估計是冰川退化造成）能滿足工程排沙需要水量,和時長減少,有效排沙次數相對減少。來沙量大于渠首泥沙處理能力,渠首運行出現惡性循環(huán)。

大河來水量達到排沙要求水量和天數越來越少。

金溝河渠首排沙時間一般在3～5小時,而大河來水量持續(xù)不了我們所要求的時長,一年之中能滿足條件的天數越來越少,并且排沙有效影響距離越來越短,現在排沙影響距離在閘前50m左右,2001年改建前,閘前斷面比現在小,排沙流量25～30m3/s即可實施排沙相同時間影響距離可達100m,束沙道的閘底高程相同未變,2001年渠首改建束沙道閘底高程未改變。

5 治理措施

5.1 建立控制性水庫工程

上游修建攔砂壩控制性工程。由于上游產生大量的泥砂造成渠首上游河道淤積嚴重,對該片區(qū)的水利工程運行及防洪安全帶來了嚴重的影響和隱患。為此在渠首上游修建攔砂壩等控制性工程,減少上游泥砂的產生和下輸,維持渠首上游產沙區(qū)水土平衡,對金溝河渠首正常運行具有及其重要意義。

目前該項目已經開始立項并開始了前期工作。紅山水庫淤積庫容近2000萬m3。

5.2 加強河道治理

河床兩岸沿著河床修建護岸壩。渠首上游河道寬度在不斷的擴大,兩岸在不斷的崩塌,河床在不斷的淤積抬高,土地不斷的沙化。為防止這些水土流失現象的繼續(xù)發(fā)生,可以采取修建水土保持護岸坎,護岸壩采取沿平行于水流方向修建,使水流平順,平穩(wěn),減少對護岸的沖刷,穩(wěn)固河床減少泥沙向渠首運動的總量。

5.3 綜合治理水土流失源流區(qū)

根據流域的水土流失特點,在防治上采取因地制宜、因害設防、區(qū)別對待原則,水土流失輕微的區(qū)域以預防保護為主,開發(fā)建設項目密集的區(qū)域重點開展預防監(jiān)督,對水土流失源流區(qū)進行重點綜合治理。保護流域內荒漠生態(tài)系統(tǒng)。流域干旱少雨,土壤植被稀少,生態(tài)環(huán)境脆弱,因此需要采取禁止采伐、過度放牧、過度開發(fā)來保護自然植被,同時種植防護林以保護生態(tài)環(huán)境。在河谷、溝谷和靠近水源的山丘坡地帶種植水保林,如溝道防護林、護岸林等,并配合相應的工程措施,治理水土流失,防止土壤風蝕沙化。

5.4 工程運行措施

（1）束窄渠首閘前過水斷面B,滿足20～30m3/s滿槽排沙要求。使大河來水能滿足排沙要求的時間從6月下旬至8月上旬延長至6月中旬天數可以增加20天以上,可保證全汛期大部分排沙有充足的排沙時長和排沙頻率保證,有利于渠首排沙沖淤,束沙道尾部的淤沙可以及時沖走。渠首運行不進入惡性循環(huán)。

（2）采用渦管、排沙漏斗等節(jié)水排沙設施多級排沙,多級回收的運行方式,滿足工程運行和灌區(qū)用水的需要。

（3）機械疏浚。用機械疏通河道,利用冬季棄水,長時間的沖沙,有一定的效果。

5.5 推廣節(jié)水灌溉

在灌區(qū)大力推行節(jié)水灌溉,建立科學的供水制度,按已申報土地定額供水?？刂埔蚬?jié)水技術的推廣而新增的耕地。

6 結 語

解決處理好金溝河渠首的泥沙問題,可以發(fā)揮引水工程的最大效益,提高引用水量,提高水資源的利用效率,解決水資源短缺的矛盾,給灌區(qū)和管理單位帶來巨大的經濟效益和社會效益。

TV146

B

1008-1305（2011）01-0064-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2011.01.021

孫顯忠（1974年-）,男,山東即墨人,閘門運行高級工。