頭屯河水力篩網(wǎng)多重分沙裝置原理及效益分析

李虹瑾

(新疆維吾爾自治區(qū)水資源中心，新疆 烏魯木齊 830000)

河流泥沙是反映流域水土流失嚴(yán)重程度和河川徑流質(zhì)量的重要指標(biāo)，是合理開發(fā)利用地表水資源，設(shè)計、建設(shè)各類水利設(shè)施所必須考慮的一個重要因素[1]。新疆河流泥沙的季節(jié)變化很大，其變化過程與流量過程大體相對應(yīng)，尤其是塔里木盆地周邊的河流和天山北坡部分河流，在汛期由于高山冰川融水強烈會產(chǎn)生冰川泥石流以及中、低山帶的暴雨洪水泥石流，致使洪水期河流含沙量特別大。由新疆主要河流年、月平均含沙量統(tǒng)計可以看出，秋、冬季含沙量較小，冬季徑流為地下水補給時含沙量更小，甚至接近于零，春、夏季含沙量普遍較高，形成春、夏季兩個高含沙過程，尤以夏季洪水時最高[2]。泥沙的年際變化遠大于徑流量的年際變化，一般河流輸沙量的變差系數(shù)比徑流量的變差系數(shù)大得多[3-4]。河流含沙量是反映河流挾沙能力和流域抗侵蝕能力的綜合性指標(biāo)。新疆范圍內(nèi)各流域植被覆蓋率、地理情況，以及氣候條件存在較大差異，各河流含沙量相差較大。南疆河流含沙量普遍較大，北疆河流含沙量較小。北疆的阿爾泰山區(qū)是全疆河流含沙量的低值區(qū)；昆侖山和阿爾金山北坡是全疆河流含沙量的高值區(qū)。根據(jù)對不同時段河流懸移質(zhì)輸沙量模比系數(shù)的分析可以看出，20世紀(jì)90年代以來，河流輸沙量呈明顯增多的趨勢。新疆大多數(shù)河流均發(fā)源于高山冰川區(qū)，常有冰川泥石流將卵、礫石等冰積物帶入上游河道，而在流經(jīng)淺山地帶時，又常有暴雨洪水泥石流匯入，將礫石、砂石及泥土帶入河道，在水力推動下，源源不斷地將山地河流中的卵、礫石推移質(zhì)輸移至河流出山口以下，易產(chǎn)生河道侵蝕、洪水災(zāi)害加劇、水庫淤積嚴(yán)重、水利設(shè)施損壞、下游土地沙化等一系列問題。如何解決上述問題，是新疆水資源利用過程中必須面對的棘手問題。

頭屯河屬北疆代表性多沙河流，是烏魯木齊市和昌吉市的界河，發(fā)源于天山山脈中部的喀拉烏成山北坡，屬山溪性河流，由南向北流入準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠，最終消失在沙漠。河流長度190km，流域面積2885km2。在頭屯河中游地帶，位于山坡上的松散堆積物穩(wěn)定性差，當(dāng)大量雨水滲入松散堆積物中時，處于極限平衡狀態(tài)的崩塌體、坍塌體和滑坡體便逐漸飽和，容重增加，自重加大，崩滑體與滑床之間的摩擦系數(shù)減小，抗震強度降低，從而平衡狀態(tài)被破壞，并在重力作用下產(chǎn)生向下的運動，形成崩塌和滑坡。而位于主河兩側(cè)的岸坡，坡度陡峭，沿臨空面一側(cè)河水沖蝕、淘挖，在重力作用下或暴雨激發(fā)下產(chǎn)生坡體的崩滑運動，大量的崩滑物進入溝內(nèi)，成為河道產(chǎn)沙的物質(zhì)來源。頭屯河多年平均徑流量2.41億m3[5]，多年平均含沙量1.1kg/m3，歷年最大含沙量186kg/m3(1987年6月7日)。

含沙量較高是困擾頭屯河水資源利用多年的老問題。頭屯河制材廠站至哈地坡站之間的地段為主要產(chǎn)沙區(qū)。制材廠站多年平均輸沙量為33.4萬t，歷年最大年輸沙量為1996年的183萬t，最小年輸沙量為1985年的5.36萬t；哈地坡站多年平均輸沙量為87.8萬t，是制材廠站的2.6倍。頭屯河泥沙主要以懸移質(zhì)泥沙為主，泥沙粒徑較小，不易下沉，大部分懸移質(zhì)泥沙到達頭屯河水庫庫區(qū)并沉降，形成水庫淤積(見表1)[3]。截至1998年，水庫有效庫容淤積量已超過75%，水庫功能急劇降低[5]，攔蓄效益和防洪標(biāo)準(zhǔn)大大降低，并幾次造成涵洞被泥沙堵塞，工農(nóng)業(yè)供水中斷，曾致八鋼一天損失500萬元。如果泥沙淤積繼續(xù)按此速度發(fā)展，剩余庫容將會在短時間內(nèi)消失。

為解決頭屯河流域泥沙淤積問題，1999年在頭屯河水庫上游修建水力篩網(wǎng)多重分沙裝置。該裝置的修建，減少了下游河道泥沙含量，對減少頭屯河水庫泥沙淤積、降低八鋼供水泥沙含量發(fā)揮了重要的作用。本文對“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”應(yīng)用及效益進行分析研究。

1 水力篩網(wǎng)多重分沙技術(shù)簡介

河道(渠道)水力篩網(wǎng)多重分沙技術(shù)指在河道(渠道)一側(cè)通過安裝“水力篩網(wǎng)多重分沙裝置”[7]，將河道(渠道)的泥沙自動分選出來，直接應(yīng)用于生產(chǎn)中(如建筑、裝修)，不必二次篩分。

分沙裝置修建在頭屯河水庫上游4.56km龍口處，布置在水庫攔魚坎左側(cè)，設(shè)一孔沖沙閘(見圖1)。沖沙閘設(shè)弧形鋼閘門一扇，閘孔尺寸為5m×5.6m，底坎高程為1007.0m。

圖1 水力篩網(wǎng)多重分沙裝置布置

1.1 分沙裝置原理

該分沙技術(shù)利用水流落差及水流自身的流動性分沙原理進行連續(xù)分沙。利用地勢將挾沙水流引入水力篩網(wǎng)多重分沙裝置，利用不同流速下河水挾沙能力的特性，配合不同孔徑的篩網(wǎng)，逐級分選出不同粒徑的砂石(見圖2～圖3)。

圖2 水力篩網(wǎng)多重分沙裝置平面布置及剖面

圖3 水力篩網(wǎng)多重分沙裝置分級篩選工藝流程

挾沙水流通過各級篩網(wǎng)分選出不同粒徑的泥沙，為了保證洪水期的排沙量，在暗渠上部設(shè)置一片立式斜擋板，在進水閘閘前引水明渠一側(cè)設(shè)置退水閘，控制進入“水力篩網(wǎng)分沙裝置”的水量。特別是洪水期，多余的水從退水閘通過退水渠被排出后直接進入原河道中。

引水明渠的水先經(jīng)過沙粒沉沙斗裝置，挾沙水流從粗細沙篩網(wǎng)上經(jīng)過，大于沙粒篩網(wǎng)的泥沙隨著水流直接進入后面小石子沉沙斗裝置中，小于沙粒篩網(wǎng)的泥沙(一般為小于8mm粒徑的泥沙)從沙粒篩網(wǎng)中進入沙粒分沙廊道，泥沙順著沙粒分沙廊道進入沙粒沉沙斗裝置中。沙粒沉沙斗裝置和小石子沉沙斗裝置不同，由兩個沉沙斗組成，沉沙斗之間用斜隔板隔開，利于分沙。沙粒分沙廊道直接和粗沙沉沙斗相連，從沙粒分沙廊道分離出來的泥沙(此泥沙挾帶水)先進入粗沙沉沙斗，泥沙在沉沙斗中運動后，粗顆粒泥沙沉淀到沉沙斗底部，表層較細顆粒泥沙通過斜隔板過濾分選進入細沙沉沙斗中，較粗顆粒泥沙運動后，由于沉沙斗四周鋼板的阻力再次沉淀，經(jīng)過過濾后的清水從細沙沉沙斗一側(cè)出口進入排水廊道，最終被排入原河道，達到零耗水。

大于沙粒篩網(wǎng)的挾沙水流順著分沙渠繼續(xù)下行，經(jīng)過小石子沉沙斗裝置。小于小石子篩網(wǎng)的泥沙從小石子篩網(wǎng)中穿過，小石子分沙廊道中無水正常大氣壓與上層小石子篩網(wǎng)上的水流產(chǎn)生壓力差，由此產(chǎn)生吸力，加之泥沙自身的重力等多重水力，小于小石子篩網(wǎng)的泥沙被吸入小石子沉沙斗裝置篩網(wǎng)下的分沙廊道，進入小石子沉沙斗裝置的泥沙基本不含水，從小石子分沙廊道過濾出來的水直接進入排水廊道，最終被排入原河道或原渠道中。大于小石子沉沙斗裝置篩網(wǎng)粒徑的挾沙水流順著分沙渠繼續(xù)下行，經(jīng)過大石子沉沙斗裝置，排沙原理和小石子沉沙斗裝置相同。在大石子沉沙斗裝置中，通過大石子分沙廊道過濾的水直接進入排水廊道排入原河道，達到90%以上的排沙率。本分沙裝置基本不消耗水，水流均回入原河道。

1.2 裝置組成部分及功能簡介

因產(chǎn)沙的復(fù)雜性，水力篩網(wǎng)多重分沙裝置在設(shè)計時，根據(jù)工程需要設(shè)計不同的沉沙斗分離不同的砂礫石。水力篩網(wǎng)多重分沙裝置各組成部分的功能如下：

a.引水明渠：在河道一側(cè)設(shè)置引水明渠，主要是將需要水沙分離的挾沙水流引入水力篩網(wǎng)多重分沙裝置中。引水明渠前根據(jù)工程需要設(shè)置格柵(主要是過濾雜物)。格柵后連接一段暗渠(暗渠上部有一立式斜擋板)，暗渠后連接引水明渠(見圖4)。

圖4 引水明渠

b.沉沙斗裝置：每個型號的篩網(wǎng)、分沙廊道、排水廊道自動組成一套獨立的沉沙斗裝置(見圖5)?？筛鶕?jù)工程需要搭配、組合使用。本工程有4個沉沙斗裝置，粗沙沉沙斗和細沙沉沙斗可分離粗沙、細沙；小石子沉沙斗可分離小石子；大石子沉沙斗可分離大石子。

圖5 沉沙斗裝置

c.篩網(wǎng)：根據(jù)工程實際需要，在每個沉沙斗裝置安裝不同孔徑的篩網(wǎng)，篩選符合工程需要及要求的沙石進入不同的分沙廊道。

d.分沙廊道：從篩網(wǎng)分選的沙石進入分沙廊道，通過分沙廊道進入不同的沉沙斗中。

e.排水廊道：水流挾帶泥沙從不同的篩網(wǎng)進入不同的分沙廊道，多余的水會從分沙廊道中通過特殊設(shè)置自動進入排水廊道中。

f.排水渠：經(jīng)過分沙后的所有排水廊道的清水，最終通過排水渠排入原河道中。

1.3 裝置運行方式

挾沙水流通過引水渠進入分排沙段，分排沙段將水中泥沙分選至沉沙斗裝置，排沙后的水流通過退水渠回歸原河道。分排沙段設(shè)有粗砂、細砂、礫石不同的篩分段及對應(yīng)的沉沙斗；當(dāng)沉沙斗沙石料裝滿后，車輛直接開至沉沙斗下方，打開閥門后可直接裝運。

2 分沙裝置排沙、分沙效果

水力篩網(wǎng)多重分沙裝置可有效地將水流中的泥沙分離出來，排沙效率高，具有選沙、排沙雙重功效，不但提高了水利設(shè)施的運行年限，還將泥沙多次分選應(yīng)用于生產(chǎn)中。該分沙裝置在頭屯河上運行20年，其主要排沙、分沙運行效果見圖6～圖10。

圖6 分沙裝置引水口位置

圖7 分沙渠的挾沙水流

圖8 粗沙沉沙斗出沙效果1

圖9 粗沙沉沙斗出沙效果2

圖10 粗沙沉沙斗出沙效果3

從圖6、圖7可以看出，分沙裝置依河而建，利用地勢將挾沙水流引入水力篩網(wǎng)多重分沙裝置。通過分沙裝置選沙、排沙的雙重功效，根據(jù)工程需要將水流中的砂礫石分選為粗砂、細砂、小石子和大石子四類，應(yīng)用于生產(chǎn)中。該分沙裝置的四個沉沙斗排出的砂礫石干凈，粒徑統(tǒng)一符合工程需要，可直接應(yīng)用。

3 效益分析

3.1 清淤效益

根據(jù)當(dāng)?shù)卦摲稚逞b置多年實際運行情況統(tǒng)計，自該裝置1999年投入使用以來，多年平均分離砂礫石量約5萬m3，其中粗細砂2萬m3，礫石3萬m3，多年平均清淤量6萬～8萬m3(見表2)，在一定程度上減少了水庫排沙、沖沙的頻率，有效減少了水利設(shè)施的機械磨損，延長了其使用壽命。且通過清淤，減緩了頭屯河水庫淤積和八鋼供水管道的泥沙淤積問題，減少了供水廠設(shè)施的磨損。

表2 分離出細砂、礫石、淤泥質(zhì)量計算成果

若按照5～6元/m3支付清淤費，每年可獲得清淤費約30萬～50萬元。

3.2 經(jīng)濟效益

該裝置每年能從研究段攔截砂礫石量約5萬m3，其中粗細砂約2萬m3，礫石約3萬m3，其中洪水期6～8月產(chǎn)砂量最大，產(chǎn)砂、礫量可達70m3/h。所得砂、礫料等又可作為建筑材料，產(chǎn)生較大經(jīng)濟價值。將當(dāng)?shù)卮旨毶鞍凑?0元/m3、礫石按照20元/m3計算，年獲利可達180萬元左右(見表3)。

表3 經(jīng) 濟 效 益

3.3 社會效益及生態(tài)效益

在水庫上游、渠首、景觀渠道上修建該裝置，產(chǎn)生的社會效益及生態(tài)效益如下：

該技術(shù)應(yīng)用于水庫上游，可分選水庫上游河道中的泥沙，有效減少泥沙入庫量，減少水庫泥沙淤積，提高水庫有效庫容，具有減少水庫排沙壓力、延長水庫壽命等諸多優(yōu)點。特別是對具有供水任務(wù)的水庫，可起到水環(huán)境治理和生態(tài)修復(fù)作用。

該技術(shù)應(yīng)用于引水樞紐(渠首)，可分選上游的泥沙，減少泥沙入渠量，減輕渠道的泥沙淤積和磨損，提高水力設(shè)施運行年限，緩解土地沙化等問題，變害為利，造福農(nóng)牧民。

該技術(shù)應(yīng)用于景觀河道上，可減少河水泥沙量，有效改善城市生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié) 論

河道(渠道)水力篩網(wǎng)多重分沙裝置結(jié)構(gòu)合理，適用性強，運行效果好，在不破壞原始河道(河床)、渠道的前提下，有效地將水流中的泥沙分離出來，排沙率高達90%以上，基本不耗水；減少泥沙淤積，提高了水利設(shè)施的運行年限。該裝置具有排沙和選沙雙重功效，自動分離出符合工程需要的粗砂、細砂和礫石。除具有一般排沙設(shè)施水沙分離、引水排沙功能外，可將泥沙作為一種資源考慮，利用水力篩網(wǎng)同時達到排沙、選沙的效果，變廢為寶。同時具有后期運行管理簡單的特點。

頭屯河水力篩網(wǎng)多重分沙裝置不但創(chuàng)造了巨大的社會效益，且經(jīng)濟效益顯著，一次投入成本，終身受益。該裝置可以應(yīng)用在水庫上游、渠首上游、河道、干渠，具有一定的經(jīng)濟效益、社會效益和生態(tài)效益。