金溝河流域泥沙的形成及渠首站多級排沙成效的研究

（新疆金溝河流域管理局，新疆 沙灣縣 832100）

1 前言

1.1 研究背景

新疆金溝河流域是含沙量較高的多沙河流，由于沙石性地質(zhì)，再加上這一區(qū)域氣候干旱，植被存活多屬季節(jié)性，只有弱小植被，沒有較大植被和灌木，一到夏秋暴雨集中季節(jié)，水土流失嚴(yán)重。對于這種河流，由于泥沙淤積而引起的工程問題十分突出的。防洪抗洪能力逐年下降，對泥沙的研究迫在眉睫。

1.2 研究意義

近年來，水資源利用引起廣泛重視，不合理的開發(fā)與利用，致使多年不變的河床發(fā)生了逆變。上游洪澇災(zāi)害頻繁，泥沙淤積嚴(yán)重，損失年年增加；下游河道斷流，生態(tài)環(huán)境失衡。上下游通水不暢，致使大量泥沙停留在水利工程周圍或進(jìn)入河道，對水利工程和周邊環(huán)境造成一定的影響。深入研究這些問題有助人們合理利用水資源，并保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 金溝河流域管理局簡介

金溝河流域位于新疆塔城地區(qū)沙灣縣境內(nèi)，金溝河發(fā)源于天山北坡的依連哈比爾尕山，主要水源由天山融化的雪水和地下溫泉水組成。水流由南向北，最終流入瑪納斯湖，全程194 km。

金溝河流域管理局供水中心渠首站在沙灣縣元新宮村上游9 km處，建于1960年，是典型的蘇式費(fèi)爾干式引水樞紐，兼具防洪、引水、排沙等多重功能。樞紐布置采用側(cè)面引水，正面排沙，約成L形，經(jīng)多次改擴(kuò)建達(dá)到現(xiàn)狀。金溝河流域所管轄的上段自然河床有34.65 km，下段自然河床有57.00 km，引水主干渠有37.80 km。主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，服務(wù)于沙灣縣與八師石河子市下屬幾個(gè)團(tuán)場農(nóng)業(yè)灌溉，灌溉面積 3.53 萬 hm2。

渠首樞紐工程主要由上下游導(dǎo)流堤、非常溢流堰、非常泄洪閘、泄洪沖沙閘、進(jìn)水閘及輸沙道等組成。其中：泄洪閘5孔，每孔寬5.0 m，設(shè)計(jì)流量Q泄=220 m3/s；進(jìn)水閘3孔，每孔寬4.0 m，設(shè)計(jì)流量Q引=45 m3/s。

3 金溝河流域泥沙的形成原因及淤積現(xiàn)狀

3.1 產(chǎn)沙區(qū)域

金溝河流域產(chǎn)沙區(qū)主要在金溝河流域管理局渠首至沙灣縣溫泉一段，全長約34 km，河床坡降大，河床兩邊山體均為沙石組成，含土量較少，植被非常少，沒有較大的灌木類。而且多處山溝交匯，雨水匯集進(jìn)入河床也帶有大量泥沙。而河槽本身的沖刷，包括河底沖刷和河岸沖刷，也是河流泥沙的一個(gè)來源。

3.2 泥沙的分類

金溝河流域泥沙主要由推移質(zhì)和懸移質(zhì)泥沙組成。推移質(zhì)粒徑分為塊石（＞200 mm）、卵石（60～200 mm）和礫石（2～ 60 mm）；懸移質(zhì)分為砂、粉粒和黏粒，粒徑在0.005～2.000 mm不等。金溝河流域管理局泥沙觀測因經(jīng)費(fèi)不足多次中斷觀測，因此，金溝河流域泥沙實(shí)測資料較為缺泛，根據(jù)現(xiàn)有資料分析，金溝河流域推移質(zhì)年平均輸沙量9.25萬t，推移質(zhì)泥沙平均粒徑39.8 mm，多年平均輸沙總量74.28萬t。懸移質(zhì)泥沙年平均含沙量1.85 kg/m3，最大月平均含沙量221 kg/m3，最小月平均含沙量15.6 kg/m3。懸移質(zhì)年平均輸沙量66.03萬t。

3.3 金溝河泥沙特征分析

3.3.1 大河來水量變化很大

根據(jù)現(xiàn)有資料分析，金溝河大河來水量由許多因素造成，河水主要來源于天山融化的雪水，這與全年氣候變化、天山降雪情況、夏季氣溫等相關(guān)。根據(jù)資料記載，金溝河豐水年最大年徑流為4.2億m3/s，枯水年最少年徑流2.1億m3/s。

3.3.2 泥沙的年度變化大

據(jù)八家戶水文站實(shí)測資料，金溝河最大年輸沙量216.6萬t（1999年），最小年輸沙量26.4萬t（1965年），多年平均輸沙量為74.28萬t。輸沙量的多少也是由大河來水量決定的。

3.3.3 泥沙年內(nèi)分配不均，較為集中

根據(jù)八家戶水文站和渠首站多年實(shí)測資料可以看出，沙量主要集中在6～8月，輸沙量占全年97.0%，而7月的沙量占全年的55.5%，來沙與來水量成正比。冬季輸沙量基本為零。說明，在金溝河流域來水量主要集中在7～8月份，泥沙此時(shí)最多。冬季因氣溫下降，天山不再化雪成水，來水量可忽略不計(jì)，僅有溫泉常年有5 m3/s左右的水，泥沙啟動(dòng)的就相對少。

4 河流泥沙災(zāi)害與防治建議

4.1 明確泥沙運(yùn)動(dòng)對河流洪水災(zāi)害特性的影響

要充分了解河床常年淤積對河床的影響，主要表現(xiàn)在河床臺高，河口變寬，淹沒岸堤破壞生態(tài)，使更多的泥沙進(jìn)入河流形成惡性循環(huán)。具體包括：河床淤積過程對過洪能力的影響及萎縮性河道演變機(jī)理、輸水輸沙能力的變化規(guī)律及防洪對策，人類活動(dòng)對泥沙淤積規(guī)律和行洪能力的影響及防治，高含沙水流形成機(jī)理和長距離輸送的研究，以及高含沙水流和一般洪水交替作用下的河床演變規(guī)律，河道疏浚防洪減淤效果及對環(huán)境的影響。

4.2 掌握河流泥沙災(zāi)害防治理論與方法

探索泥沙侵蝕規(guī)律及防治方法、淤積機(jī)理及泥沙災(zāi)害防治，研制開發(fā)泥沙災(zāi)害防治的決策支持信息系統(tǒng)。具體為：坡面泥沙侵蝕規(guī)律及其防治方法，泥沙淤積機(jī)理及泥沙災(zāi)害防治對策，防災(zāi)興利現(xiàn)場試驗(yàn)等。對泥沙運(yùn)動(dòng)的基本理論進(jìn)行深入的研究，理論分析并結(jié)合實(shí)驗(yàn)解決非平衡輸沙、灘槽泥沙交換、分流分沙計(jì)算等問題。以先進(jìn)的泥沙運(yùn)動(dòng)理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行河流泥沙災(zāi)害分析、研究與防治。

5 排沙方法

5.1 多級排沙運(yùn)行體系

金溝河渠首站的主要任務(wù)是防洪、引水和排沙，在多年的運(yùn)行中，摸索和積累了許多運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，形成了對費(fèi)爾干式渠首獨(dú)特的運(yùn)行與排沙體系。

5.1.1 閘前分段式泥沙處理

（1）非常泄洪閘泥沙處理。非常泄洪閘在渠首大閘前200 m處是獨(dú)立的水工建筑物，有三孔螺桿式啟閉機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)泄洪能力為120 m3/s，當(dāng)非常溢流堰及非常泄洪閘周邊淤積嚴(yán)重影響到泄洪和工程安全時(shí)，可以打開此閘門，將非常溢流堰及非常泄洪閘上游較遠(yuǎn)段泥沙排出，降低河床，確保防洪和工程的安全。（2）渠首大閘排沙。將閘前水位控制在一定高度，降低流速，形成緩流區(qū)使推移質(zhì)泥沙停留在閘前至非常泄洪區(qū)域中，還有一部分將會(huì)停留在閘前，因閘前有高1.2 m的攔石柵，將推移質(zhì)泥沙中5 cm以上的大粒徑顆粒全部攔在閘前，等閘前淤積一定高度且影響防洪引水安全時(shí)，通過泄洪輸沙道采取集中水量排沙方式，將閘前段的泥沙輸送至下游自然河床內(nèi)，其目的是確保防洪安全和工程安全，讓較少的推移質(zhì)泥沙進(jìn)入沉沙池內(nèi)。這些排沙方式需要在排完泥沙后有足夠的水量沖泄洪輸沙道，確保前面排出的泥沙全部或大部分不停留在輸沙道，或沖到更遠(yuǎn)的下游河床內(nèi)，為后期排沙泄洪再做準(zhǔn)備。（3）利用多余棄水。閘前保持較低水位長時(shí)間通過輸沙道排沙，將閘前及更遠(yuǎn)上游處的泥沙送到下游河床內(nèi)。

5.1.2 閘后分段式泥沙處理

（1）在進(jìn)水閘后有880 m長的S曲線沉沙池，其目的是降低流速，讓推移質(zhì)泥沙加快沉降，另外也可以將進(jìn)入沉沙池中大量懸移質(zhì)泥沙進(jìn)行沉淀，每年通過定期機(jī)械清淤方式清出沉沙池歷年沉積的泥沙。（2）在沉沙池3/4處有1孔底式排沙渦管，其目的是將沉沙池淤積起來的泥沙排出，以減少沉沙池的淤積量。（3）沉沙池后連接引水干渠設(shè)有0#沖沙閘，沖沙閘渠底低于干渠底0.8 m，在沉沙池淤積較嚴(yán)重時(shí)，可以打開0#沖沙閘，關(guān)閉或關(guān)小進(jìn)水截止閘，讓沉沙淤積的泥沙從0#沖沙閘泄出，再次做到較少量的泥沙進(jìn)入干渠和減少沉沙池中的淤積。（4）入渠泥沙處理。在引水干渠上游段300 m內(nèi)分設(shè)有2#、3#、4#渠底式渦管排沙，將進(jìn)入干渠的較小粒徑的泥沙排出，減少泥沙對渠道的磨損。（5）在4#渦管后500 m有末級漏斗排沙，排沙漏斗的工作原理是將水沙分離，在含沙水流進(jìn)入漏斗后，因漏斗特性使泥沙進(jìn)入漏斗中心的輸沙廊道排出，將渦管漏排泥沙進(jìn)行攔截[1]。

5.2 泥沙綜合利用

泥沙處理一直以來是困繞多泥沙引水渠系的難題，金溝河流域管理處在成功開創(chuàng)多級排沙系統(tǒng)的同時(shí)，十分重視對泥沙的綜合利用。初步的經(jīng)驗(yàn)做法有：充分利用渦管等排沙設(shè)施，引入項(xiàng)目，開辦砂石料場。首先，利用近幾年渠道工程改擴(kuò)建時(shí)，在渠首渦管出口處設(shè)簡易砂石料廠，利用渦管排沙水沖洗泥沙，經(jīng)篩分后供水利工程建設(shè)使用[2]，此措施每年可清除渦管后堆積泥沙1.5萬m3以上，生產(chǎn)可用砂石料近萬方，經(jīng)濟(jì)效率可觀；其次，引入砂石料場，通過協(xié)議將大渡槽及南五宮水庫等處泥沙處理對外承包，使原本需要花費(fèi)巨資進(jìn)行清淤的項(xiàng)目變成料場原料基地，一舉兩得，變廢為寶，實(shí)現(xiàn)雙贏，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

6 結(jié)論

本文對金溝河流域泥沙的形成及危害進(jìn)行簡要總結(jié)，并根據(jù)具體案例分析排沙的方法。金溝河流域管理處渠首樞紐工程投入運(yùn)行數(shù)十年，經(jīng)過幾代的水利工作者不停的探索、驗(yàn)證，積累了較多有效的經(jīng)驗(yàn)，形成了一套適用于金溝河流域特有的防洪、引水、排沙運(yùn)行方式。目前我們對水資源和泥沙綜合利用的研究仍在初級階段，如何合理利用水資源保護(hù)生態(tài)和處理水中的泥沙將是長期研究和思考的課題。

參考文獻(xiàn)

[1]周著，侯杰，邱秀云，等.漏斗式全沙排沙技術(shù)研究與應(yīng)用[J].中國三峽建設(shè)，2004（5）：55-56.

[2]曹民雄，龍杰.渦管螺懸流排沙技術(shù)及應(yīng)用[J].水利水運(yùn)科學(xué)研究，1997（4）：386-394.